微电网运行与控制华北电力课件.ppt
微电网运行与控制,2014-2015学年 第一学期,12/8/2022,1,微电网运行与控制,第一章 微电网概述第二章 微电网组成元件第三章 微电网基本控制方法第四章 微电网多代理优化控制方法第五章 微电网保护,12/8/2022,2,五、微电网保护,5.1 DG对传统保护的影响5.2 DG故障电流特性5.3 孤岛保护,12/8/2022,3,5.2 DG故障电流特性,一、传统电力系统的故障分析二、典型控制策略下DG输出特性分析三、DG故障电流特性分析四、微电网故障电流特性分析,12/8/2022,4,一、传统电力系统的故障分析,（1）短路故障类型,12/8/2022,5,危害最大,发生频率最高,一、传统电力系统的故障分析,（2）对称分量法,12/8/2022,6,一、传统电力系统的故障分析,（2）对称分量法,12/8/2022,7,一、传统电力系统的故障分析,（3）三相短路分析,12/8/2022,8,一、传统电力系统的故障分析,（4）单相接地短路分析,12/8/2022,9,边界条件,一、传统电力系统的故障分析,（4）单相接地短路分析,12/8/2022,10,5.2 DG故障电流特性,一、传统电力系统的故障分析二、典型控制策略下DG输出特性分析三、DG故障电流特性分析四、微电网故障电流特性分析,12/8/2022,11,二、典型控制策略下DG输出特性分析,回顾（1）VF控制,12/8/2022,12,（2）PQ控制,二、典型控制策略下DG输出特性分析,（1）分布式电源限流控制器,12/8/2022,13,限流公式：,Dq坐标系控制器限流,二、典型控制策略下DG输出特性分析,（2）PQ控制逆变器输出特性,12/8/2022,14,PQ 控制方法,二、典型控制策略下DG输出特性分析,（2）PQ控制逆变器输出特性,12/8/2022,15,电网发生故障时，存在两种输出状态1)正序电流未达到保护限值,DG维持恒功率状态,2）正序电流负载达到饱和限值,或,DG运行在恒正序电流输出状态,二、典型控制策略下DG输出特性分析,（2）VF控制逆变器输出特性,12/8/2022,16,dq坐标系下的VF控制策略,二、典型控制策略下DG输出特性分析,（2）VF控制逆变器输出特性,12/8/2022,17,电网发生故障时，VF控制逆变器存在两种状态1)正序电流未达到保护限值,DG运行在恒压恒频,2）正序电流负载达到饱和限值,DG运行在恒正序电流输出状态,系统失去稳定,5.2 DG故障电流特性,一、传统电力系统的故障分析二、典型控制策略下DG输出特性分析三、DG故障电流特性分析四、微电网故障电流特性分析,12/8/2022,18,三、DG故障电流特性分析,12/8/2022,19,（1）对称故障时的分析,（2）非对称故障时的分析,分成两种故障情况：,简单含DG的双端供电网络,三、DG故障电流特性分析,12/8/2022,20,（1）对称故障时的分析,PQ控制的DG电源特性：,1)正序电流未达到保护限值,DG维持恒功率状态,2）正序电流负载达到饱和限值,或,DG运行在恒正序电流输出状态,三、DG故障电流特性分析,12/8/2022,21,（1）非对称故障时的分析,对称分量法,正序图,负序图,零序图,三、DG故障电流特性分析,12/8/2022,22,（1）非对称故障时的分析,Eg.,系统侧电源电压为0.4kV,内阻抗Xs为0.016。线路长度为1km,线路单位长度正序阻抗及负序阻抗为0.253+j0.072。逆变器采用VF控制，相电压为0.23kV,内阻抗Xinv为0.016欧姆，电流饱和值为1.44kA线路中点发生BC相金属短接故障,三、DG故障电流特性分析,12/8/2022,23,（1）非对称故障时的分析,负序图,零序图,Eg.,三、DG故障电流特性分析,12/8/2022,24,（1）非对称故障时的分析,负序图,零序图,DG采用VF控制策略：,或,1、故障电流未达到饱和值,2、故障电流达到饱和值,三、DG故障电流特性分析,12/8/2022,25,（1）非对称故障时的分析,故障发生在线路中点,三、DG故障电流特性分析,12/8/2022,26,（1）非对称故障时的分析,逆变器输出三相电流,系统侧输出三相电流,三、DG故障电流特性分析,12/8/2022,27,（1）非对称故障时的分析,故障发生在距离逆变电源0.2km处,三、DG故障电流特性分析,12/8/2022,28,（1）非对称故障时的分析,逆变器输出三相电流,系统侧输出三相电流,5.2 DG故障电流特性,一、传统电力系统的故障分析二、典型控制策略下DG输出特性分析三、DG故障电流特性分析四、微电网故障电流特性分析,12/8/2022,29,四、微电网故障电流特性分析,12/8/2022,30,电网侧：额定容量10MVA内电势为0.4kV，内阻抗0.016欧姆PQ逆变电源：额定容量0.5MVA,出口额定线电压0.4kV,内阻抗为0.032欧姆，饱和电流值为1倍额定电流，有功参考值为0.3MW和0.1MVarVf逆变电源：额定容量0.5MVA,出口额定线电压0.4kV,内阻抗为0.032欧姆，饱和电流值为1倍额定电流线路阻抗正负序阻抗相等：0.253+0.072j/km,零序阻抗为1.012+j0.289/km线路长度:L-Dis=1km,line_pq=2km, line_vf=2km,12/8/2022,31,四、微电网故障电流特性分析,(1) PQ控制逆变型电源仿真,闭合开关K1,K3,断开开关K2，构成双端电源系统。线路line_PQ发生三相短路故障,12/8/2022,32,四、微电网故障电流特性分析,(1) PQ控制逆变型电源仿真,恒功率输出故障状态仿真结果,恒正序电流输出故障状态仿真结果,12/8/2022,33,四、微电网故障电流特性分析,(1) PQ控制逆变型电源仿真,线路line_PQ发生BC相间短路故障,12/8/2022,34,四、微电网故障电流特性分析,(1) PQ控制逆变型电源仿真,线路line_PQ发生BC相间短路故障,续表,12/8/2022,35,四、微电网故障电流特性分析,(1) PQ控制逆变型电源仿真,线路line_PQ发生BC相间短路故障,恒功率状态仿真结果（50%）发生故障,12/8/2022,36,四、微电网故障电流特性分析,(1) PQ控制逆变型电源仿真,线路line_PQ发生BC相间短路故障,恒正序电流状态仿真结果（%5发生故障）,12/8/2022,37,四、微电网故障电流特性分析,(1) PQ控制逆变型电源仿真,线路line_PQ发生A短路故障,12/8/2022,38,四、微电网故障电流特性分析,(1) PQ控制逆变型电源仿真,线路line_PQ发生A短路故障,恒功率输出状态仿真图,12/8/2022,39,四、微电网故障电流特性分析,(1) PQ控制逆变型电源仿真,线路line_PQ发生A短路故障,恒功率输出状态仿真图,12/8/2022,40,四、微电网故障电流特性分析,(1）PQ控制策略故障,1、PQ 控制型逆变电源在系统故障后存在恒功率输出和恒正序电流输出两种输出状态，且具有明显的非线性特征。当 PQ 逆变电源运行在恒功率输出态时，表现出以下两点特性：一是 PQ 逆变电源输出的正序电流值的大小随着故障点到逆变电源出口母线距离的减小而逐渐增大，但都小于限幅电流极限值；二是故障后 PQ 逆变电源主要保持有功功率输出恒定，无功功率输出相比于无功参考值略有降低。,2 、故障后，当 PQ 逆变电源输出的正序电流小于限幅电流极限值时，同一故障点处的三相故障电流是最大的，单相接地短路电流最小。反之，故障后当PQ 逆变电源运行在恒正序电流输出状态时，不对称故障的故障电流要大于同一点处三相故障时的故障电流。,12/8/2022,41,四、微电网故障电流特性分析,(2) VF控制逆变型电源仿真,闭合开关K2,K3,断开开关K1，构成双端电源系统。线路line_VF发生三相短路故障,12/8/2022,42,四、微电网故障电流特性分析,(2) VF控制逆变型电源仿真故障1：三相短路,12/8/2022,43,四、微电网故障电流特性分析,(2) VF控制逆变型电源仿真,三相短路故障，恒压恒频运行状态,三相短路故障，恒压恒频运行状态,12/8/2022,44,四、微电网故障电流特性分析,(2) VF控制逆变型电源仿真故障2：BC相间短路,12/8/2022,45,四、微电网故障电流特性分析,(2) BC相间短路,BC短路故障，恒压恒频运行状态,12/8/2022,46,四、微电网故障电流特性分析,(2) BC相间短路,BC短路故障，恒压恒频运行状态,12/8/2022,47,四、微电网故障电流特性分析,(2）VF控制故障,A短路故障,12/8/2022,48,四、微电网故障电流特性分析,(2）VF控制故障,A短路故障，恒压恒频运行状态,12/8/2022,49,四、微电网故障电流特性分析,(2）VF控制故障,A短路故障，正序电流保护仿真,12/8/2022,50,四、微电网故障电流特性分析,(2）VF控制策略故障,1、V/F逆变电源在系统故障后存在两种运行状态，并具有明显的非线性特征。当 V/f 控制型逆变电源输出的正序电流未达到极限值时，V/f 逆变电源能够维持其端口电压和输出频率的稳定，即 V/f 逆变电源运行在恒压恒频率状态，且在该运行状态下V/f逆变电源输出的正序电流值大小随着故障点到逆变电源出口母线,距离的减小而增大；一旦 V/f 控制型逆变电源输出的正序电流达到极限值，则其输出的正序电流值就不再随着故障距离的进一步减小而变化，呈现出极强的非线性特征，并在一定程度上抑制了 V/f 逆变电源在系统严重故障时提供故障电流的能力,2 、当 V/f 控制型逆变电源运行在恒正序电流输出状态时，系统可能产生振荡现象。上述已说明，当 V/f 逆变电源输出的正序电流达到限幅电流极限值时，由于电源的频率支撑能力达到极限而导致频率跌落，不能与系统侧电源保持相位同步而引发振荡现象,微电网运行与控制,2014-2015学年 第一学期,12/8/2022,51,微电网运行与控制,第一章 微电网概述第二章 微电网组成元件第三章 微电网基本控制方法第四章 微电网多代理优化控制方法第五章 微电网保护,12/8/2022,52,五、微电网保护,5.1 DG对传统保护的影响5.2 DG故障电流特性5.3 孤岛保护,12/8/2022,53,5.3 微电网孤岛保护,一、孤岛保护的相关基本概念二、孤岛检测方法三、孤岛检测盲区,12/8/2022,54,一、孤岛保护的相关基本概念,12/8/2022,55,4.IEEE 1547 孤岛检测标准,一、孤岛保护的相关基本概念,12/8/2022,56,孤岛效应,孤岛效应是指当电网的部分线路因故障或维修而停电时,停电线路由所连的并网发电装置继续供电,并连同周围负载构成一个自给供电的孤岛的现象。,两类孤岛：计划孤岛、非计划孤岛,计划孤岛：因电网检修或优化运行要求,电网主动断开DG，而DG继续向周围负载供电, 提高供电质量和可靠性。,非计划孤岛：由于电网突发故障导致DG被动脱离电网，DG继续维持向周围负载供电，属于不可以预料的事件,一、孤岛保护的相关基本概念,12/8/2022,57,2.孤岛效应发生机理及危害,(1)、当自动开关C跳开时,DG1与其周围负载一起形成孤岛系统,(2)、当熔断丝F断开时,DG3 其周围负载一起形成孤岛系统,一、孤岛保护的相关基本概念,12/8/2022,58,2.孤岛效应发生机理及危害,光伏并网发电系统的功率流向,孤岛发生的充要条件:,（1）DG提供的有功与负载有功功率近似匹配（2）DG提供的无功功率与负载的无功功率近似匹配,一、孤岛保护的相关基本概念,12/8/2022,59,2.孤岛效应发生机理及危害,孤岛效应产生的危害：（1）孤岛效应使电压及其频率失去控制,如果分布式发电系统中的发电装置没有电压和频率的调节能力且没有电压和频率保护继电器来限制电压和频率的偏移,孤岛系统中的电压和频率将会发生较大的波动,从而对电网和用户设备造成损坏；（2）孤岛系统被重新接入电网时,由于重合闸时系统中的分布式发电装置可能与电网不同步,可能使电路断路器装置受到损坏,并且可能产生很高的冲击电流,从而损害孤岛系统中的分布式发电装置,甚至导致电网重新跳闸；（3）孤岛效应可能导致故障不能清除如接地故障或相间短路故障,可能损害电网设备,并且干扰电网正常供电的自动或手动恢复；（4）孤岛效应使得一些被认为已经与所有电源断开的线路带电,这会给相关人员如电网维修人员和用户带来电击的危险,一、孤岛保护的相关基本概念,12/8/2022,60,或,一、孤岛保护的相关基本概念,12/8/2022,61,IEEE 1547 孤岛检测标准,上表适用于额定功率的发电装置,对额定功率30kW的发电装置,电压和频率的范围以及孤岛效应检测时间都是现场可调的。 Vn指电网电压幅值的额定值 fn指电网电压频率的额定值。,一、孤岛保护的相关基本概念,12/8/2022,62,5.3 微电网孤岛保护,一、孤岛保护的相关基本概念二、孤岛检测方法三、孤岛检测性能评价,12/8/2022,63,二、孤岛检测方法,12/8/2022,64,（1）通信方法 该类方法利用通信手段在电网和DG之间建立联系，将电网开关实时状态信息传递给DG，进行孤岛判别。主要方法：电力线载波（ Power line carrier communication ，PLCC）方法，断路器跳开信号（Signal Produced by Disconnect ，SPD）方法（2）、被动方法 被动法通过监测（Point of Common Coupling，PCC）节点电压参数，根据一个或多个参数是否超过阀值，进行孤岛判别。主要方法：过/欠压，过/欠频检测方法（ over/under voltage protection OVP/UVP ， over/under frequency protection OFP/UFP ），相位跳变方法（ Phase jump detection ，PJD），电压谐波含量变化孤岛检测方法，等（3）、主动方法 主动法通过在DG输出电流中注入主动扰动，当孤岛发生时，迫使PCC节点电压某个参数或多个参数越限，进行孤岛判别主要方法：滑模频率偏移方法，主动频率频率偏移方法，SANDY 频率偏移方法,二、孤岛检测方法,12/8/2022,65,（1）通信方法（PLCC方法）,载波信号发生器在电力传输线上的产生一个低能量的信号，如果电力传输线断开，则PLCC信号同时会消失，根据PLCC信号的有无进行判别孤岛,1）从电网传送到DG；2）必须连续载波信号；3）由于变压器可能对高频信号进行衰减，PLCC通常采用低频载波信号,二、孤岛检测方法,12/8/2022,66,（1）通信方法（ SPD方法 ）,微波，电话线，网线，GPRS等通信手段，与DG进行信息传输，使DG实时获取电网开关信息，进行判别孤岛,二、孤岛检测方法,12/8/2022,67,（1）被动方法（ 过/欠压，过/欠频检测方法 ）,根据PCC节点电压幅值或频率是否越超过阀值，进行孤岛判别。,存在孤岛检测盲区(non-detectionZone,NDZ ),二、孤岛检测方法,12/8/2022,68,（1）被动方法(PJD）,根据PCC节点电压幅值或频率是否越超过阀值，进行孤岛判别。,检测逆变器端口电压和电流相位是否突变来进行孤岛判别,检测逆变器端口电压和电流相位是否突变来进行孤岛判别,NDZ:,二、孤岛检测方法,12/8/2022,69,（1）被动方法(谐波含量变化检测方法）,分成两种：1）总谐波含量（total harmonic distortion，THD）变化判别方法； 当DG处于并网状态，PCC节电压受电网电压钳制，总谐波含量（total harmonic distortion， THD ）较小，而一旦孤岛发生，PCC节点电压的THD将会增大 THD增大原因：1）DG本身会产生谐波电流。由于负载阻抗高于电网阻抗，离网状态下，DG谐波电流引起的PCC节点电压畸变将大于并网状态2）由于线路中的非线性设备影响（如主变压器二次侧的磁滞），将导致PCC节点THD含量增大2）高频特性谐波变化判别方法 当并网状态/离网状态下，PCC节点电压高频特征谐波含量不同。采用离散小波分析的方法，分析其高频特征含量，根据高频特征谐波含量的大小进行孤岛判别,二、孤岛检测方法,12/8/2022,70,（2）主动方法(阻抗测量方法）,并网逆变器输出电流,多逆变器并联时，容易孤岛检测失败,二、孤岛检测方法,12/8/2022,71,（2）主动孤岛检测方法(滑模频率偏移方法，Slip-mode frequency shift，SMS）,注入扰动,迫使频率不断变化直至越限，进行孤岛判别,SMD方法检测原理,二、孤岛检测方法,12/8/2022,72,（2）主动孤岛检测方法(主动频率偏移，Active Frequency Drift，AFD）,孤岛发生时，频率会不断变化从而越限来判别孤岛,逆变器注入参考电流为：,二、孤岛检测方法,12/8/2022,73,（2）主动孤岛检测方法(主动频率偏移，Sandia Frequency Shift,SFS）,cf是频率变化的正反馈函数，加速越限,5.3 微电网孤岛保护,一、孤岛保护的相关基本概念二、孤岛检测方法三、孤岛检测性能评价方法四、反孤岛测试电路,12/8/2022,74,三、孤岛检测方法性能评价,12/8/2022,75,几乎所用的孤岛检测方法都存在NDZ根据NDZ的区域大小评价孤岛检测方法,三、孤岛检测方法性能评价,12/8/2022,76,描述被动孤岛检测方法盲区,RLC负载,RLC负载功率：,RLC阻抗描述：,12/8/2022,77,三、孤岛检测方法性能评价,12/8/2022,78,三、孤岛检测方法性能评价,相位跳变方法检测盲区,检测盲区,12/8/2022,79,三、孤岛检测方法性能评价,相位跳变方法检测盲区,检测盲区,12/8/2022,80,三、孤岛检测方法性能评价,可以用来评价频率偏移的主动孤岛检测方法,12/8/2022,81,三、孤岛检测方法性能评价,RLC负载的相位特性,12/8/2022,82,三、孤岛检测方法性能评价,以AFD为例,由AFD引起逆变器相位偏移近似为,12/8/2022,83,三、孤岛检测方法性能评价,可简化为：,孤岛发生后的稳态频率为：,12/8/2022,84,三、孤岛检测方法性能评价,12/8/2022,85,三、孤岛检测方法性能评价,负载阻抗角：,12/8/2022,86,三、孤岛检测方法性能评价,以AFD为例,则无功稳定判据为：,简化为：,12/8/2022,87,三、孤岛检测方法性能评价,12/8/2022,88,三、孤岛检测方法性能评价,AFD和SMS 方法的NDZ描述,5.3 微电网孤岛保护,一、孤岛保护的相关基本概念二、孤岛检测方法三、孤岛检测性能评价方法,12/8/2022,89,
