基于雙重保護的微電網接入設計

張光儒 李韶瑜 楊 俊 魏 博 朱宏毅

基于雙重保護的微電網接入設計

張光儒1李韶瑜2楊 俊1魏 博1朱宏毅1

（1. 國網甘肅省電力公司電力科學研究院，蘭州 730070；2. 國網甘肅省電力公司，蘭州 730030）

為提高分布式電源和微網并網的安全性，以及微網離網到并網同期操作的可靠性，本文提出了一種雙重保護的微電網接入配電網設計方案。針對微電網接入配網的離并網狀態(tài)轉換進行了深入的分析與探討，并給出了該設計方案的實施策略。該方案一方面提高了并網微電網的可靠性，另一方面也很好地解決了微網離并網轉換同期的問題。

微電網；雙重保護；并離網切換；同步

隨著當今社會環(huán)境污染與能源危機問題的日益突出，清潔、可再生的分布式電源（distributed generation, DG）得到大規(guī)模的發(fā)展，但由于分布式電源的間歇性，導致分布式電源的大規(guī)模并網存在技術難點而實施，出現棄風、棄光等現象[1-4]。微電網技術是解決分布式發(fā)電系統(tǒng)并網問題的有效途徑之一。微網通常接在用戶側，既可以與大電網并網運行，又可與大電網斷開離網運行，單獨的為本地負荷供電，具有較高的靈活性和可實現性[5-7]。但由于離并網切換過程中的暫態(tài)振蕩會影響系統(tǒng)內負荷的供電，甚至造成切換失敗，因此如何實現微網的平滑切換是微網控制所研究的關鍵問題之一。

為此，本文在分析微電網接入設計和控制的基礎上，提出了雙重保護的微電網接入配電網設計方案，可在模式切換前后保證無縫平滑切換，防止切換過程中母線電壓和電流出現大幅度振蕩行模式，保證微電網切換過程中的不間斷運行。

1 微電網接入設計

本文以蘭州新區(qū)某園區(qū)微電網為例進行接入設計。該園區(qū)微電網是一個交直流混聯(lián)的試驗研究平臺，其源主要有30kW光伏，50kW風機，50kW柴發(fā)，20kW·h鐵鋰電池、10kW·h鉛碳電池，其負荷有50kW的直流負載和100kW的交流負載。該平臺的網絡拓撲如圖1所示，其中所示的鉛碳電池系統(tǒng)和鐵鋰電池系統(tǒng)有DC/DC變換器和含BMS的電池系統(tǒng)組成。該平臺30kW·h鐵鋰電池系統(tǒng)、20kW·h鉛碳電池系統(tǒng)與50kW直流負載構成了該微電網的直流網架部分，該部分通過一個50kW的儲能變流器接入微電網的交流部分。該平臺交流部分主要有30kW分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、50kW風力發(fā)電系統(tǒng)和50kW柴油發(fā)電系統(tǒng)以及100kW的交流負載組成，這些部分同儲能變流器匯集于同一條交流母線。交流母線經過一個斷路器和接觸器，通過隔離變接入就地的配網系統(tǒng)。接入部分中斷路器起到電流速斷保護的功能，而接觸器則起到微電網離并網平滑切換保護的功能。

2 雙重化保護配置分析

本文設計的蘭州新區(qū)某園區(qū)微電網可以并網運行，也可以離網運行，并且支持離并網平滑切換。為了保證微網系統(tǒng)離并網的平滑切換，已經離網模式轉并網模式的同期穩(wěn)定，本文設計的圖1微網系統(tǒng)的總體控制策略如圖2所示。該園區(qū)微電網控制系統(tǒng)，可以實現微電網離網運行，也支持離網不運行。當微電網不支持離網運行時，當微電網從并網狀態(tài)向離網狀態(tài)轉換時，只需要斷開QF3斷路器，微網內其他電源（光伏、風機、柴發(fā)和儲能）和負荷依次停機即可；當微電網從離網狀態(tài)向并網狀態(tài)轉換時，只需要閉合QF3斷路器，負荷即可實現供電，其他電源設備自檢同期實現并網穩(wěn)定運行。當微電網支持離網運行時，微電網從并網狀態(tài)向離網狀態(tài)轉換，首先斷開QF3開關，同時儲能變流器或者柴油發(fā)電機轉換工作模式，從功率控制模式轉換為電壓控制模式，模式轉換完畢后邏輯觸發(fā)斷開KM1接觸器，其他電源隨著負荷情況實時調整功率，保證微網離網模式下的穩(wěn)定運行；當微電網從離網狀態(tài)向并網狀態(tài)轉換時，首先控制系統(tǒng)檢測網側電壓，同期是觸發(fā)QF3，閉合QF3斷路器，QF3閉合之后KM1并網保護裝置檢同期閉合KM1，實現微網的并網運行，同時儲能變流器或柴油發(fā)電機由電壓模式轉換為功率運行模式，即整個微網系統(tǒng)由離網運行模式轉換為并網運行模式。

圖1 雙重保護的微電網接入設計

圖2 雙重保護的控制邏輯圖

該園區(qū)微電網保護系統(tǒng)主要由QF3斷路器的電流速斷保護和KM1的并網測控保護裝置以及微網內系統(tǒng)設備保護共同組成。QF3斷路器的保護策略在微網控制系統(tǒng)實現，KM1保護策略在KM1端裝設微網并網保護測控裝置，設備的保護全由設備自身測控保護系統(tǒng)就地實現。QF3和KM1除了檢同期功能外，保護主要是電流Ⅰ段和電流Ⅱ段保護，由于都是常規(guī)簡單的電流保護，本文側重在設計，故在這里對整定值不做過多討論。

3 實例驗證

為了驗證本文所設計系統(tǒng)控制運行效果，將通過離網到并網穩(wěn)定運行，并且能夠平抑波動來驗證離網到并網系統(tǒng)的控制效果。另一方面，將通過并網到離網穩(wěn)定運行，來驗證并網到離網系統(tǒng)的控制效果。

1）離網到并網運行

當微電網從離網到并網運行時，該系統(tǒng)的儲能退出主電源運行模式，及儲能變流器（PCS）工作由/模式轉換為下垂工作模式，微電網的參考電壓和頻率由并網點提供。微電網首先通過能量管理平臺（或協(xié)調控制器）向PCS發(fā)出同期開始信號，PCS接收到該信號后開始通過通信裝置向保護裝置召喚并網點兩側的電壓和頻率，同時開始同期調節(jié)。在100s以內，若測控保護裝置檢測滿足并網條件，則合主網開關，此時PCS收到主網開關合閘信號則同期成功；若超過100s時間始終無法滿足同期并網條件，監(jiān)控保護裝置則收回同期開始信號，不閉合主網開關，同期失敗，PCS仍在離網模式運行。當系統(tǒng)切換到并網運行時，為了進一步驗證系統(tǒng)從離網到并網過渡的穩(wěn)定性，控制系統(tǒng)利用儲能系統(tǒng)保持并網點功率的相對平穩(wěn)，即無大的功率波動，從而提高微網從離網到并網運行的穩(wěn)定性。

試驗開始前，離網運行的微網處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，其光伏、儲能和風機都處于投運狀態(tài)。試驗開始后，首先閉合并網開關QF3，KM1的并網點測控保護裝置檢同期并網，然后儲能變流器（PCS）由/模式轉換為下垂工作模式，使其處于并網工作狀態(tài)。為了更深入地驗證微網并網運行的穩(wěn)定性，設置光伏和風機處于功率波動，讓儲能系統(tǒng)平抑風光的功率波動。試驗過程中天氣狀況較穩(wěn)定，風機的出力在2.5kW左右，設置光伏逆變器的功率為階梯狀，即9kW、6kW、3kW、6kW、9kW。離網轉并網運行控制系統(tǒng)的平抑波動控制周期設定為5s，平抑波動的敏感控制參數（該參數越大，對風光的波動越敏感）設定為200，即敏感度適中。實時記錄風光聯(lián)合處理和并網點功率變化數據，以驗證其離網裝并網后微網的穩(wěn)定性。

表1 離網到并網運行風機和光伏功率變化情況

表2 離網到并網運行并網點功率變化情況

圖3中灰色線為微網內風機和光伏發(fā)電功率變化曲線；黑色為并網點功率變化曲線；縱坐標（功率坐標）顯示的為并網點功率坐標。試驗開始后，首先閉合QF3斷路器，KM1的并網測控保護裝置檢同期控制KM1閉合。在試驗過程中，風速較穩(wěn)定，風機出力平穩(wěn)在2.5kW左右，為了進一步驗證微網從離網到并網過程中的穩(wěn)定性，光伏系統(tǒng)的功率依次從9kW、6kW、3kW、6kW、9kW變化，儲能變流器則從離網的/模式轉換為并網的下垂模式。同時，微網中的儲能系統(tǒng)實施調整功率，保證微電網從離網模式到并網模式過渡的平穩(wěn)和可靠性。

圖3 離網到并網運行時風光和并網點功率變化

2）并網到離網運行

當微電網從并網到離網運行時，該系統(tǒng)的儲能作為主電源，且儲能系統(tǒng)的儲能變流器（PCS）工作在/模式，提供離網微電網的參考電壓和頻率。微電網首先通過能量管理平臺（或協(xié)調控制器）向PCS發(fā)出離網使能信號，隨后延遲200ms以上，PCS接收到離網信號開始主動離網控制，隨后能量管理平臺控制主網開關斷開。當系統(tǒng)切換到微網時，母線上投入的負載和發(fā)電單元將通過控制策略的實時調節(jié)來平衡發(fā)電功率與負荷的平衡，盡量減少儲能的出力，從而實現對微電網的離網穩(wěn)定運行控制。

試驗開始前，首先閉合并網開關，閉合儲能系統(tǒng)支路和光伏發(fā)電支路，將鐵鋰儲能系統(tǒng)和鉛碳儲能系統(tǒng)設置工作在下垂控制模式，并起動儲能變流器，使其處于并網工作狀態(tài)。當光伏、風機和儲能系統(tǒng)以及微網內的負載處于穩(wěn)定運行時，在控制系統(tǒng)將微網切換至離網運行模式。同時，設定控制系統(tǒng)中控制周期為5s，且將微網內交流負載的功率設置為階梯狀：3kW、4.5kW、6kW和9kW。實時記錄儲能變流器數據和交流負載測功率數據，以驗證其離網穩(wěn)定運行功率平衡性，即穩(wěn)定性。

圖4中灰色線為微網內負載功率變化曲線；黑色為儲能變流器功率變化曲線；縱坐標（功率坐標）顯示的為儲能變流器坐標。由于試驗過程中，外界風速接近0，因此風機功率為0，為了進一步驗證儲能系統(tǒng)對微網穩(wěn)定性的支撐能力，設定光伏系統(tǒng)的功率值為3kW。試驗過程中，當控制系統(tǒng)起動并網到離網運行時，儲能變流器首先由下垂控制模式轉換為/控制模式，然后斷開QF3斷路器，繼而斷開KM1接觸器，同時光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和微網內負載實時調整功率，保證微電網的安全和穩(wěn)定運行。

表3 并網到離網運行交流負載側功率變化情況

表4 并網到離網運行儲能變流器功率變化情況

圖4 并網到離網運行時負載和儲能變流器功率變化

4 結論

本文提出了一種基于雙重保護的微電網接入配電網的設計方案，并針對設計方案給出了具體的控制策略。該接入設計提高了離網和并網運行的穩(wěn)定性，同時也解決了微電網從離網到并網無縫轉換過程中可能造成的沖擊問題，較好地實現了自動和手動條件下的同期并網，提高了微電網無縫切換的安全可靠性。

[1] 何國慶, 許曉艷, 黃越輝, 等. 大規(guī)模光伏電站控制策略對孤立電網穩(wěn)定性的影響[J]. 電網技術, 2009, 33(15): 20-25.

[2] 王寶誠, 傘國成, 郭小強, 等. 分布式發(fā)電系統(tǒng)電網同步鎖相技術[J]. 中國電機工程學報, 2013, 33(1): 50-55, 前插6.

[3] 丁明, 張穎媛, 茆美琴. 微網研究中的關鍵技術[J]. 電網技術, 2009, 33(11): 6-11.

[4] 魯宗相, 王彩霞, 閔勇, 等. 微電網研究綜述[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2007, 31(19): 100-107.

[5] 王成山, 楊占剛, 武震. 一個實際小型光伏微網系統(tǒng)的設計與實現[J]. 電力自動化設備, 2011, 31(6): 6-10.

[6] 唐西勝, 鄧衛(wèi), 齊智平. 基于儲能的微網并網/離網無縫切換技術[J]. 電工技術學報, 2011, 26(S1): 279- 284.

[7] 王成山, 高菲, 李鵬, 等. 低壓微網控制策略研究[J]. 中國電機工程學報, 2012, 32(25): 2-8.

Design for grid-connected micro-grid based on dual protection

Zhang Guangru1Li Shaoyu2Yang Jun1Wei Bo1Zhu Hongyi1

(1. State Grid Gansu Electric Power Research Institution, Lanzhou 730070; 2. State Grid Gansu Electric Power Company, Lanzhou 730030)

To improve the security and reliability of distributed power and micro-grid in the operating off-grid to on-grid, this paper proposes a design scheme for micro-grid accessing to distribution-grid based on dual protection. This paper deeply analyses the operating off-grid to on-grid for grid-connected micro-grid, and gives the implementation strategy for the design scheme. The propose design scheme improves the reliability of the grid-connected micro-grid. On the other hand, it solves the synchronous conversion problem for micro-grid from off-grid to on-grid.

micro-grid; dual protection; off-grid switching to on-grid; synchronous

2018-01-31

張光儒（1989-），男，漢族，甘肅武威人，碩士研究生，主要從事分布式電源與微電網規(guī)劃、調度和運行控制技術研究工作。