微电源故障输出特性和微电网保护方案初探_毕业设计(编辑修改稿)

微电源故障输出特性和微电网保护方案初探_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

的研究意义。 第二章介绍了微电源的分类， 着重介绍了逆变型分布式电源接口逆变器的控制策略 ，并 分别针对恒压恒频控制和恒功率控制这两种逆变器控制策略下的分布式电源的故障输出特性进行了理论分析 第三章 用 MATLAB 软件分别搭建微电网仿真模型，并用仿真算例验证了控制策略的 正确性， 研究了在故障电流达到故障限流之前逆变型分布式电源端口的输出特性，并仿真给出了相应的特征量变化 第四章基于以上理论分析及仿真结果，提出具体的微电网保护方案。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 46 页 第 9 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第 二章 微电网的控制策略及故障特性分析 微网内的微源种类多样，包括微型燃气轮机、风机、燃料电池、光伏电池和储能电容器等，其工作特性也各不相同。 比如对于微型燃气轮机和燃料电池而言，其出力可以人为干预调节，既可以对有功无功进行控制，也可以实现电压频率控制，在微网孤岛时提供网内电压和频率支撑，属于非间歇式微源；而对于风能、太阳能等发电形式，其输出具有波动性和间歇性特点，输出功率受天气影响很大。 这类电源一般采用恒功率控制策略，即跟踪目标的最大功率输出，通过并网逆变器控制电流波形和输出功率，使其向电网输送的功率与电动 机或者光伏阵列所发出的最大功率相平衡，以保证可再生能源能够达到最大的利用率。 本章首先详细介绍微电网的结构特点和微电源的分类，针对微电网中通常采用的逆变型分布式电源的工作原理和特点不同，区分采用不同的控制策略，进而搭建微电网的模型 ，对不同控制策略下的逆变型分布式电源的故障进行理论分析。 微电网的结构特点 从结构上看，微电网是一个带有多个负载及 DG 的微型电力系统，通过一个能量管理系统、灵活交流输电系统控制装置 (例如，功率潮流控制器，电压控制器等 )以及保护装置构成。 微电网自身可以是直流或者交流网络，交流 微电网可以是一个单相或是三相的系统。 它可以被连接到一个低压或者中压的配电网中。 微 电网 的基本 结构如图 21 所示，它包含的分布式电源包括光伏发电、微汽轮机以及燃料电池系统，连接在 A、 B 馈线中。 微电网和大电网之间的连接是由公共耦合点 (Point of Common Coupling, PCC)处的分断设备 (通常为一个静态转换开关 )来保证一旦大电网故障时的快速断开。 更简单的说，微电网可以看做是一个包含了电源和控制设施的分布式系统，能量管理系统作为微电网的控制中心，内部包含了保护设备的配合以及电能质量监控管理，来保 证微电网的可靠操作以及对大电网需求的响应。 微电网的另一个特点是该分布式的网络可以连接为一个环网，来提高系统的可靠性。 由 于 DG 更接近负荷，燃料电池及微汽轮机之类的电源就可以作为热电联产的电源来提高能源的利用率。 加装了蓄电池的燃料电池可以产生可控的输出功率来满足大电网或者负荷切换瞬间的需求。 风力发电及光伏发电通常有来自风机和太阳能电池板的最大功率跟踪 (Maximum Point of Power Tracking, MPPT)。 同样，加装了储能单元的风机和太阳能发电系统能够产生可控的输出功率来满足发电和负荷的需 要。 总之，微电网为能源的最佳利用提供了机会，可以根据不同的地区环境和不同的负荷需要合理的配置不同的发电单元以全面提高电能和热能的使用效率。 A、 B 两条馈线当大电网 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 46 页 第 10 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 侧发生故障时，也可以实现与大电网断开后的独立运行，因此可以满足对可调节负荷或敏感负荷的不间断本地供电； C馈线上一般连接用电要求不高的非敏感负荷，通常是由大电网直接供电。 能 量管 理 器ABC微 电 网调 度变 压 器P C C微 型 燃 气 轮 机可 调 节 负 荷热 负 荷敏 感 负 荷光 伏 电 池潮 流 控 制 器保 护 协 调 器分 隔 器（ 断 路 器 ）静 态 开 关燃 料 电 池非 敏 感 负 荷断 路 器 图 21 微电网的基本结构 微电网的运行方式主要有两种： 并 网模式和孤岛模式。 并 网时， DG 的 主要功能是提供电能并提供本地电压和功率支撑，由于电力电子元件的使用， DG 还能产生可控的无功功率。 这样能够降低线路损耗，提高整个系统的效率。 微电网的能量管理系统可以单独控制每一个 DG的有功和无功参考值，例如光伏和风力发电之类的 DG也可以由 MPPT 跟踪控制输出最大的功率。 另一个运行模式是孤岛运行，它是在微电网从大电网断开后 (例如，当大电网断电时 )持续为本地负荷提供电能的运行方式 ， 保证孤岛能稳定运行，其内部 DG的控制需要满足以下三个需求：第一，所有 DG 供能总和应能满足网内负荷需要，由此可以避免 DG 间通过容量大小分 担负荷而造成的设备损坏。 第二，有 DG能够采用电压控制来保证所有线路电压值在范围内。 第三，所有 DG必须同步并提供微电网的频率控制。 根据两种运行模式下的不同的控制方法，为保证微电网的正常运行，每个 DG 都带有快速可靠的孤岛检测技术也十分重要。 为保证故障清除后微电网重新稳定并入大电网，微电网还需要有再同步技术。 由于孤岛模式下微电网侧的 PCC 终端电压幅值，频率和相角，可能与大电网侧的终端值不同。 所以，在闭合开关前就需要采用再同步技术，再同步技术是为了保证重新联网时的平滑过渡。 最后，保护是微电网另一个十分重要的问题。 无论是大电网侧或是微电网内部发生故障，微电网都需要能够快速响应于新的保护方案以及配合方法，这是因为： （ 1） 传统的分布式系统保护可能由于微电网的放射状结构发生变化而退出。 （ 2） 电力电子器件在 DG 中的使用，限流幅值通常只有额定电流的 23 倍，传统 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 46 页 第 11 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 的过电流保护方法不再适合于微电网。 （ 3） 传统的保护由于分布式电源的接入受到严重的影响，每个 DG 都可能增加故障电流大小。 总之，微电网的保护需要重新配置并且故障电流需要重新计算和估计。 微电源的分类及控制原理 微电源的分类 微电源是微 网的重要组成部分，它的实现基础是电力电子技术，各种微电源接入大都是通过逆变器联接的，响应时间都在毫秒级。 控制方式既可以依靠本地信息，也可以借助于通信手段。 这些微电源按照并网方式的不同可以分为三大类。 （ 1） 直流电源，如燃料电池、光伏电池、直流风机等。 其并网方式如图 22 所示。 直 流 升 压 逆 变 器 滤 波 交 流 母 线U d c 图 22 直流逆变型电源并网示意图 （ 2） 交直交电源，如微型燃气轮机、变速恒频风机等某些发电形式虽为交流，但不为工频或不恒为工频的微源。 其并网方式如图 23所示。 整 流 器 逆 变 器 滤 波 交 流 母 线U d c 图 23 交直交逆变型电源并网示意图 （ 3） 工频交流电源，如小水电机组、柴油发电机、小风机等。 由于这类电源没有电力电子接口，采取直接并网方式，不具快速调节能力，所以在微电网中较少出现。 后文中将以上前两种电源统称为逆变器接口的分布式电源(InverterInterfaced Distributed Generators)，简称 IBDG。 逆变型分布式电源的工作原理 如图 24 所示为三相电压型逆变器的并网拓扑电路，三相逆变器将等效后的微电源直流输出电压 dcV 逆变为三相交流电，经过 LC 滤波后输送到负荷端。 其中， 1L 、 1C 、1R 为滤波器参数， 3R 、 3L 为线路参数， 1u 为逆变器的输出电压， 2u 为负载的端电压，1i 为流过电感 1L 的电流， 2i 为电容 1C 中流过的电流， 3i 为流向负载和电网的电流之和。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 46 页 第 12 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ S 1V d c3 8 0 V电 网S 3 S 5S 4 S 6 S 2u 1 au 1 bu 1 ci 2 au 2 ai 1 bi 1 ci 2 b i 2 ci 3 ai 3 bi 3 cu 2 bu 2 cL 1R 1C 1R 2L 2R 3 L 3i 1 a 图 24 三相逆变器并网拓扑电路 典型逆变器的控制方案如图 25 所示，两个级联的控 制回路分别为相位控制和幅值控制。 它们将现场采集信息和控制信号作为输入，根据相应的控制策略，为 PWM控制提供输入，以此来使逆变桥产生阀触发脉冲。 相 位 控 制幅 值 控 制P W M 控 制幅 值 基 准相 位 基 准触 发 脉 冲逆 变 桥 图 25 逆变器的控制方案 逆变型分布式电源的控制方法 常见的微电源接口逆变器控制方法有恒功率 (PQ)控制和恒压恒频 (V/f)控制。 1) PQ控制 对于风能、太阳能等发电形式，其输出功率具有波动性和间歇性特点，受天气影响很大。 这类电源一般采用 PQ控 制策略，即跟踪目标的最大功率输出，通过并网逆变器控制电流波形和输出功率，使其向电网输送的功率与电动机或者光伏阵列所发出的最大功率相平衡，以保证可再生能源能够达到最大的利用率。 下面就说明一下 PQ 控制的原理： PQ控制是通过有功和无功电流的调节，令其跟踪参考电流而实现。 逆变器三相对称系统中，并网基波电压为 nu ，相电压幅值为 mU ，则有： 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 46 页 第 13 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ )32c o s ()32c o s ()c o s (wtUwtUwtUUUUmmmcba （ 21） 从静止 abc 坐标系到旋转 dq 坐标系的变换 (称为 Park 变换，或 dq 变换 )： )32s i n ()32s i n ()s i n ()32。