微電網多級保護與控制的實現及優化分析

楊湛曄，毛建容，馬紅偉，周逢權，傅美平

（許繼集團智能電網研究中心，北京100085）

作為普及新能源的一種方式，微電網將在未來電網中扮演至關重要的角色。微電網是由分布式發電設備、儲能設備及負荷組成，可與配電網并網運行，也能脫離配電網獨立運行的小型配電系統。由于分布式發電設備的特點和儲能設備的使用，微電網的保護控制亟需考慮一些新因素［1，2］。

1 微電網多級保護與控制體系

微電網系統發生故障分為系統內故障和系統外故障，無論是發生系統內故障還是系統外故障，都要迅速切除微電網與外界電網的聯系，以免事故擴大。

微電網內部故障分為：微電網與配電網接口故障，微電網支路故障，微電網儲能設備、分布式發電設備、負荷故障等。分布式發電設備和儲能設備的接入位置、容量等也會對微電網的穩定造成影響，需分類區別保護，因此針對微電網內部結構特性提出了相互配合的三層微電網保護控制體系［3，4］。

微電網保護包括設備級保護、內部支路級保護、系統級保護，見圖1，三級保護之間需要及時通信和配合動作。

圖1 微電網多級保護控制體系示意Fig.1 Schematics of multi－step protection control in micro－gird

1.1 微電網系統級保護

微電網系統級保護包括對微電網公共連接點PCC（point of common coupling）處的電壓、電流的采樣與計算，實時進行過壓、欠壓、過頻、欠頻、過載、短路等基本保護。

微電網系統級孤島檢測要求在微電網與配電網公共連接點處檢測微電網工作狀態。孤島一旦產生，將會危及電網輸電線路上維修人員的安全；影響配電系統保護開關的動作程序，沖擊電網保護裝置；影響傳輸電能質量，電力孤島區域的供電電壓與頻率將不穩定；當電網供電恢復后會造成相位的不同步；單相分布式發電系統會造成系統三相負載欠相供電。因此孤島檢測的準確性及與支路級保護、設備級保護的信息互通的實時性直接關系到微電網的穩定。檢測中為了減弱對微電網產生的擾動，微電網系統級孤島檢測通常采用被動檢測法。

微電網離網獨立運行期間，因分布式發電的不穩定性，可能會產生電壓頻率降低、升高現象，且一旦波動范圍超越調節范圍，則可根據需求，實施切除負荷或分布式發電設備。可細分為離網低頻減載、離網低壓減載、離網過頻解列、離網過壓解列。

微電網系統級保護需對內部負荷分類，區分重要負荷和非重要負荷，在發生孤島微電網離網運行后，能切除部分非重要負荷，以維持重要負荷的不斷電運行。微電網離網運行后，當微電網內外故障解除后，系統級微電網能夠比較內外電壓幅值頻率等，條件滿足就并網運行，保證分布式發電能源的充分利用和非重要負荷的供電穩定性。

同時，由于微電網潮流的雙向流動性，為確保保護動作的可靠性，需考慮方向性電流保護。

1.2 微電網內部支路保護

微電網支路級保護主要負責微電網內部支路上的電壓、電流進行采樣和計算，對負荷支路、儲能設備支路、發電設備支路及混合支路進行獨立保護。支路級保護通常采用傳統過流保護、過壓保護、過負荷保護、漏電保護、不平衡保護等。

1.3 微電網設備級保護

微電網設備級保護主要針對分布式發電、儲能設備及電力電子控制器件，通常具有過壓、欠壓、過載、短路、過熱保護等功能。另外針對不同設備及特定使用環境，衍生了一些其他保護功能，如直流發電設備、蓄電池的自動穩壓、反接保護和市電切換等……當電壓在欠壓點和過壓點之間波動，負載在額定功率內變化時，設備能自動穩壓輸出。反接保護功能能有效避免直流供電設備的正負極接線故障，以免損壞蓄電池和設備。在蓄電池欠壓或逆變出現故障的狀態下，設備可將負載自動切換到市電供電，保障了系統的供電穩定性。在逆變正常工作后，又會自動切換到逆變供電［5，6］。

2 試點項目介紹

河南分布式光伏發電及微電網運行控制試點工程是國內首個包含光伏發電、電力儲能，并具有微電網特性的試點工程，該項目以河南財政稅務高等專科學校屋頂380kW光伏項目為依托結合開展，由380kW光伏發電系統、2×100kW／100kW·h磷酸鐵鋰電池儲能系統、約34路用電負荷、微電網控制和保護單元構成光儲聯合微電網系統，可實現微電網并網到離網，離網到并網的平滑過渡。圖2展示了試點項目的三級保護控制體系。

圖2 試點項目接線圖示Fig.2 Wiring diagram of the project

3 微電網試點項目試驗流程及分析

微電網目前已運行8個多月，通過多方機構認證。圖3展示了驗證保護與控制功能的試驗流程。

圖3 微電網試點項目試驗流程Fig.3 Flow chart for the project

在微電網并網正常運行，斷開微電網入口處10kV斷路器，微電網從并網狀態轉變為孤島離網運行。離網后系統級保護和設備級保護檢測到孤島發生，設備級保護作用短暫停止對微電網負荷供電，系統級保護執行切除微電網380V斷路器動作，同時切除設定的分布式發電設備或負荷，以維持微電網離網穩定運行。

圖4展示了微電網離網瞬間的電壓波動情況。進入離網孤島狀態后，微電網啟動主控儲能設備或主控旋轉電源，通過離網能量控制的調度，合理投入或切除分布式發電，調節儲能設備出力，逐步恢復部分微電網負荷供電，維持離網后微電網的穩定運行，如圖5所示。

圖4 微電網并網轉離網電壓波形Fig.4 Voltage waveform of micro－grid from grid－connection to off－grid

試驗執行合10kV斷路器動作，微電網系統級保護執行自動同期并網動作，自動合380V斷路器，恢復微電網所有負荷的供電。

由圖6波形可看出，當微電網由離網狀態轉入并網狀態時，380V母線電壓瞬間跌落后立即恢復正常，光伏逆變器實現了低電壓穿越，保證了光伏不間斷發電，同時儲能系統在擾動后也恢復了正常工作，實現了微電網系統由離網到并網的平滑切換。

圖5 微電網離網運行電壓波形Fig.5 Voltage waveform of micro－grid under off－grid condition

圖6 微電網離網轉并網電壓波形Fig.6 Voltage waveform of micro－grid from off－grid to grid－connection

圖7為微電網試點項目并離網切換試驗全過程電壓趨勢圖。

試驗表明：該項目能達到預期目標，具有合理控制微電網的并離網切換，控制和調整分布式發電設備出力和儲能設備的充放電，維持微電網離網能量平衡，在微電網交換功率較大時準確檢測出孤島發生，并及時同期并網等微電網系統級、支路級、設備級保護功能，同時也發現下述問題。

問題1 微電網離網轉并網期間，由于受分布式發電設備的特性限制，出現了短暫停電現象；

問題2 微電網并網期間，分布式發電設備發電與負荷用電供求平衡，即公共連接點交換功率較小時，孤島檢測不準確；

問題3 微電網并網穩態電壓與微電網穩態離網電壓差距明顯，勢必會影響各級保護動作。

圖7 并離網切換全過程電壓趨勢Fig.7 Voltage variation during the whole process of grid－connection／off－grid

4 解決措施

4.1 微電網內部通訊建設

微電網建設充分利用分布式發電能源，是智能電網建設的一個重要方面；同時微電網面向用戶，連接電網監控和終端用電、發電、儲能設備，故障保護、節能控制、高效利用都強調電網各大小部分之間的配合和協調，而當前微電網采用的通訊架構基本無法實現微電網納入智能電網中的基本作用，所以在微電網通信網建設方面有很大發展空間。

隨著因特網協議是IPV4的升級換代、光纖通信的普及、電力寬帶的建設、3G／4G及其他無線技術的成熟，微電網的建設必將打破瓶頸制約，進入飛速發展的時代。

4.2 微電網孤島檢測原理及解決方案

如圖8所示，并網運行時，電網和逆變電源在公共耦合點（PCC）處連接，共同為負載提供功率，可得到：

圖8 分布式發電（DG）與系統并網的示意Fig.8 Diagram of distribution generation and system grid－connection

其中：VPCC為公共耦合點（PCC）的電壓；P、Q為逆變電源有功、無功輸出；Pload、Qload為負載所消耗的有功、無功；ΔP、ΔQ為電網提供的有功、無功。

進一步可得：

非計劃孤島產生后，主系統不再向孤島供入能量，逆變電源的功率輸出不會瞬間變化，因此在孤島形成的瞬間，孤島內部一般會產生功率缺額，即（ΔP≠0，ΔQ≠0），致使PCC點電壓、頻率發生相應變化。當負載與電源的功率不匹配程度足夠大時，則可引起電壓、頻率超限，從而檢測出孤島。

基于微電網孤島檢測原理，孤島檢測有被動檢測、主動檢測、通信檢測三大類檢測方法。被動檢測適用于低滲透率、弱受端微電網系統。主動檢測法通過在分布式發電設備或儲能逆變器的控制信號中加入很小電壓、電流或相位擾動信號，并網運行時，由于受電網鉗制，擾動信號作用很小；當發生孤島時，擾動信號的作用就較明顯，可通過檢測PCC點系統的響應，判斷是否有孤島發生。開關狀態檢測方法是依靠通信的方式檢測開關狀態，與DG（distributed generation）類型無關，對于單個或多個逆變器的孤島檢測都有效，也不會對電網的正常運行造成干擾。

孤島檢測方法有效性指標就是檢測盲區和多DG的擾動。三種檢測方案各有利弊，主動檢測盲區相對較小，但是對電網有干擾，有可能擾動不同步，且不適用于多DG；被動檢測的盲區較大且定值難以確定；隨著微電網通信的發展，基于有線、無線高效通信技術，且配合主動、被動檢測方法的孤島檢測新方法必定能夠把孤島檢測的準確性提到一個新的臺階［7～11］。

4.3 平滑并網、平滑離網

微電網在工作狀態下，需要對當前微電網內部分布式電源工作情況、儲能裝置充放電情況、負荷情況、微電網與配電網公共連接點（PCC）處交換功率等電壓、電流、有功、無功進行實時監測，制定離網和并網狀態下兩套最優控制模式，一旦微電網發生并網或離網之間的狀態轉換，可根據最優控制模式調整負荷、分布式發電出力、儲能設備充放電等，實現并離網裝換的平滑、無縫過渡。

微電網平滑離網的關鍵：①離網后單個有獨立運行能力的DG（或單元組）基于就近、功率匹配及所有權統一等原則與周邊的負荷構成功率平衡區域，是孤島運行的最小單元，保證重要負荷的不間斷供電；②穩定運行的孤島微電網能啟動不能獨立運行的DG，并通過負荷分析不斷擴大供電范圍，組成多DG、多負荷孤島微電網，既能幫助排除微電網內故障，又能極大化分布式能源的利用。

微電網平滑并網的關鍵：①兩端壓差必須接近零；②并網時電流必須從大電網流向微電網。

4.4 微電網并網、離網保護定值的區別

在并網條件下，微電網內發生故障時的故障特性與傳統故障特性類似。但由于多分布式電源的存在，使得故障點存在雙端電源向故障點供電的情況，所以并網條件下保護配置方案應考慮短路電流方向及大小的改變。同時在并網條件下發生故障時，不論是微電網側還是配網側故障，都以斷開微電網為先，以避免由于微電網的加入使故障特性復雜化，影響重合閘的策略等。

在孤島離網條件下，由于分布式電源的特殊性，其短路容量較小，當系統發生故障時，故障點的短路電流相對較小，對稱故障下保護安裝處的相電壓跌落明顯，不對稱故障下保護安裝處測得的負序電壓和負序電流將會明顯增大。所以，在孤島條件下饋線上的保護配置必須做出相對調整。

由于微電網在并網和孤島條件下不同的故障特性，微電網保護必須依據微電網運行狀態改變保護策略，這是基于本地信息量保護裝置所不具備的能力，因而需在保護裝置的基礎上建立一個監管系統，依據微電網運行狀態調整微電網保護配置。

5 結語

在河南分布式光伏發電及微電網運行控制試點工程的建設及調試過程中，驗證了微電網保護控制設計方案的細節，總結了微電網建設的實踐經驗，促進了微電網的發展。

［1］ 周衛，張堯，夏成軍，等（Zhou Wei，Zhang Yao，Xia Chengjun，et al）.分布式發電對配電網繼電保護的影響（Effect of distributed generation on relay protection of distributed system）［J］.電力系統保護與控制（Power System Protection and Control），2010，38（3）：1－5，10.

［2］ 陳永淑，周雒維，杜雄（Chen Yongshu，Zhou Luowei，Du Xiong）.微電網控制研究綜述（Overview of researches on microgrid control）［J］.中國電力（Electric Power），2009，42（7）：31－35.

［3］ 魯宗相，王彩霞，閔勇，等（Lu Zongxiang，Wang Caixia，Min Yong，et al）.微電網研究綜述（Overview on microgrid research）［J］.電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2007，31（19）：100－107.

［4］ 盛鹍，孔力，齊智平，等（Sheng Kun，Kong Li，Qi Zhiping，et al）.新型電網－微電網（Microgrid）研究綜述（A survey on research of microgrid－a new power system）［J］.繼電器（Relay），2007，35（12）：75－81.

［5］ 張建華，黃偉.微電網運行控制與保護技術［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［6］ 鄭漳華，艾芊（Zhang Zhanghua，Ai Qian）.微電網的研究現狀及在我國的應用前景（Present situation of research on microgrid and its application prospects in China）［J］.電網技術（Power System Technology），2008，32（16）：27－31，58.

［7］ 牛沖宣（Niu Chongxuan）.微電網的孤島檢測與孤島劃分（Islanding Detection and Islanding Scheme of the Micro－grid）［D］.天津：天津大學電氣與自動化工程學院 （Tianjin：School of Electrical Engineering ＆Automation of Tianjin University），2008.

［8］ 黃睿（Huang Rui）.利用方向信息的雙向閉鎖式微電網保護研究（Research on Micro－grid Protection of the Bidirectional Blocking Protection which makes use of the Failure Message with Direction Information）［D］.重慶：重慶大學電氣工程學院（Chongqing：College of Electrical Engineering of Chongqing University），2010.

［9］ 田佳（Tian Jia）.分布式發電對配電網繼電保護的影響及對策研究（Impacts of Distributed Generation on Distribution Network Protection and Countermeasures）［D］.濟南：山東大學電氣工程學院（Jinan：School of Electrical Engineering of Shandong University），2010.

［10］馬力（Ma Li）.混合系統微網控制策略分析（Control strategy analysis of hybrid system in micro－grid）［J］.電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU－EPSA），2010，22（6）：104－108.

［11］袁玲，鄭建勇，張先飛（Yuan Ling，Zheng Jianyong，Zhang Xianfei）.光伏發電并網系統孤島檢測方法的分析與改進（Analysis and improvement of islanding detection method for grid－connected photovoltaic inverters）［J］.電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2007，31（21）：72－75.