交直流混合微电网保护方案的研究--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

交直流混合微电网保护方案的研究

发表时间：2020/8/5 来源：《基层建设》2020年第10期作者：王瑞雪邢家琦

[导读] 摘要：近年来社会用电需求的不断增大，电力工程建设数量也逐渐增多。随着分布式发电和储能的大量应用和直流负荷的快速增长，使得直流配电越来越受关注。

        国网河北省电力有限公司检修分公司河北石家庄 050000
        摘要：近年来社会用电需求的不断增大，电力工程建设数量也逐渐增多。随着分布式发电和储能的大量应用和直流负荷的快速增长，使得直流配电越来越受关注。直流配电系统将会成为未来配电技术的一个重要组成部分。本文就交直流混合微电网保护方案展开探讨。
        关键词：交直流混合微电网；差动保护；电流变化率
        引言
        随着微电网技术的发展，交直流混合微电网因具有可高效整合各类分布式微源、灵活接入交直流负荷的优点而成为微电网发展的一个趋势。混合微电网中的交流子网和直流子网作为一个自治运行系统，其首要目标是维持自身系统稳定运行，更重要的是可实现功率的相互备用，在一侧出现功率缺额时，另一侧根据自身运行情况提供功率支撑。
        1交直流微电网的拓扑结构
        混合型微电网拓扑结构如图1所示，其构成由配电网、PCC快速开关、分布式电源、交流系统、直流系统、双向AC/DC变换器、升压/降压系统。配电网中的交流电通过AC/DC整流器将交流电变换成直流电传输给直流母线，直流电通过升压/降压系统传递给直流端用电设备。当配电网发生故障时，为了保证微电网重要负荷的持续供电进而提高其用电可靠性，迅速断开PCC，此时微电网将由并网运行转变为孤网运行。微电网中由大量的电力电子器件构成的分布式电源，需要双向AC/DC变换器进行模式转换，由于电力电子器件中包含饱和模块，会阻碍最大短路电流的通过，将把故障电流限制在更小的范围内，因此传统的继电保护已经不能满足交直流混合微电网的保护特性，因其保护动作值很大，所以将会导致保护动作的拒动和误动，对微电网的可靠性造成不良影响。

        图1 交直流混合微电网结构图
        2交直流混合微电网拓扑运行模式分析
        根据各变流器的工作状态，将混合微电网的运行模式分为子网独立运行模式、网间功率交换模式和越限收缩运行模式。模式1：子网独立运行模式。此模式是指ILC处于待机状态，不进行网间功率传输，交流微电网和直流微电网各自独立运行。交流微电网的电压、频率由储能控制，储能变流器采用下垂控制方式，风机采用MPPT控制，交流微电网的功率平衡关系如式（1）所示。
        PW+PDS-PAC，load=0（1）
        式中：PW和PDS分别为风机和储能提供的功率；PAC，load为交流负荷功率。直流微电网中储能变流器采用下垂控制方式，作为平衡节点，稳定母线电压，光伏采用MPPT控制，直流微电网的功率平衡关系如式（2）所示。
        PPV+PDS-PDC，load=0（2）
        式中：PPV和PDC，load分别为光伏功率和直流负荷。模式2：网间功率交换模式。此模式是指交直流子网通过ILC交换功率，此时一侧功率盈余、一侧功率匮乏或两者同时发生，ILC根据两侧功率情况，工作于整流状态或逆变状态，此时交直流微电网的功率平衡关系如式（3）所示。
        PW+PDS+PILC-PAC，load=0
        PPV+PDS-PILC-PDC，load=0（3）
        式中：PILC为ILC传输功率，规定由直流微电网向交流微电网传递功率时，PILC为正值。模式3：越限收缩运行模式。此模式是指因微源（风机或光伏）出力和负荷变化较大或储能能量达到限值时，导致储能不能再稳定电压/频率，则需调节微源发电功率或进行负荷减载，以维持系统稳定运行。此模式可以分为2种情况：（1）微源输出功率较大而负荷较小时，可能使储能的充电功率超过额定值或者储能能量达到上限值，此时，微电网内有功过剩，需要风机或光伏减少向电网注入的功率；（2）微源输出功率较小而负荷较大时，所需的储能放电功率可能会超过额定功率，或者由于长时间放电导致储能电量过低，此时微电网内功率不足，为保证微电网的正常运行，采取切除次要负荷的措施来保证功率的平衡。
        3直流系统对交流侧故障响应
        交流暂态侵入原理如图2所示，交流系统发生故障后，将导致交流侧暂态变化，主要为换相电压的改变。由于交直流系统的相互作用，还会引起直流侧暂态改变，而换流器的输出发生改变将直接影响直流端电压改变，类似于在原有结构上加入了一个暂态电压源，将导致直流端暂态电气特征的改变。因此直流系统将不能对独立的交流系统所发生的故障进行正确的识别，进而影响直流系统发生误动。从交流系统的角度看，直流系统相当于一个功率源或电流源，其变化速度快，对交流系统有功功率影响大。

        图2 交流暂态侵入与直流系统暂态响应
        4交直流混合微电网保护方案
        4.1虚拟同步控制与频率调节
        随着新能源并网规模的日益增大，电网的惯性下降问题引起了广泛关注。与传统火电机组相比，新能源通过电力变换装备实现最大功率追踪的运行方式显著降低了电网的惯量，致使系统的频率稳定性受到较大程度的威胁。传统同步发电机能够参与电网电压和频率的一次调节和二次调节，通过转子释放和吸收动能达到输入输出功率的平衡，具有较大的转动惯量和阻尼。虚拟同步控制正是基于模拟同步发电机的这一特点，为改善新能源的低惯量特性而提出的解决方案。采用虚拟同步控制的微电源无论运行于离网还是并网模式，均能够根据微网或负荷的变化需求自主运行和管理，维系系统的频率稳定。如在并网模式运行时，采用虚拟同步控制的分布式电源，可以模拟传统同步发电机的运行特性，当电网频率出现波动时，能够比照同步发电机的转子运动方程，由转子释放或吸收能量，友好接入电网。虚拟同步发电机主要由直流侧储能元件、三相桥式逆变器和滤波电感以及电阻组成，其惯量支撑特性由直流侧的母线电容模拟。
        4.2与直流微电网控制策略的配合
        为了维持直流母线电压的恒定和直流微网内的功率平衡，使得直流微电网的运行可靠性尽可能的提高，需要使双向换流器的控制与直流微电网中的储能的控制相互配合。储当直流微电网并网运行时，储能电源恒电流放电，由双向换流器控制直流母线电压，维持直流微电网的功率平衡；孤岛运行时，储能切换到恒直流电压控制模式，维持直流母线电压的稳定。对储能电源的控制进行修正，当直流母线电压超出式-0.01≤Udc一0.5≤-0.01的范围时，储能电源同样切换到恒直流电压控制模式，以提高直流微电网的运行可靠性。
        4.3微网的分层控制
        分层控制模式与集中控制有关，微网的集中控制是指在微网中设置中央控制器，负责处理来自各处的信息，并将处理后的结果送至各单元，控制各单元的相关装置，以使微网的电压和频率达到稳定。分层控制一般可以分为三层：微源变换器控制层、功率控制层、能量管理层。分层控制能够及时地处理信息，灵活地协调各单元的工作情况，使整个微网在两种工作模式下都能安全稳定地运行。
        结语
        微网的控制与规划是一个耦合系统，有多种信息的输入，且需要考虑电能质量、环境效益、发电成本等多种优化目标。为此，控制策略应与规划一并设计，考虑控制优化部分和经济优化部分信息的双向交流，使得二者在优化过程中能考虑到对方的信息，从而实现优化的协同性、全局性。
        参考文献：
        ［1］徐子熠．基于AＲM的微网继电保护的研究［D］．石家庄：河北科技大学，2018．
        ［2］丁明，田龙刚，潘浩，等．交直流混合微电网运行控制策略研究［J］．电力系统保护与控制，2019（9）：1-8．
        ［3］周稳，戴瑜兴，毕大强，等．交直流混合微电网协同控制策略［J］．电力自动化设备，2018，35（10）：51-57．
        ［4］焦在滨，金吉良．交直流混联电网自适应交流过电压保护方案的研究［J］．电网技术，2018，40（8）：1-2．