含分布式光伏及儲能變流器的微網故障研究

吳智富

（深圳市英大科特技術有限公司，廣東 深圳 518108）

0 引言

分布式電源是微網結構的重要組成部分，由分布式電源中含有的分布式光伏交流器以及儲能變流器造成的微網故障問題，主要是由于電網電壓跌落時期儲能變流器輸出的故障電流導致的。通過對微網故障特征的分析，使微網得到全面的檢查，提高微網工作的可靠性。微網工作狀態具有較高的需求，對供電質量具有一定的影響，做好微網故障的排除工作，能夠快速地恢復到正常工作狀態，對微網形成有效的保護策略。

1 微網的基本構成

1.1 系統構成

微網的組成較為復雜，對分布式電源具有較高的要求，需要合理對分布式電源進行設計，并通過對微網的組成進行分析，使微網能夠呈現完善的結構。在分布式光伏設計中，微網結構起到了至關重要的作用，應保證微網結構的合理性，使結構方面能夠形成分布式狀態，有助于微網分布式電源的穩定工作。在微網的基本結構中，主要由以下四個單元構成：①光伏發電單元。采用光伏發電的形式，將太陽能轉化為電能，可以有效地與發電裝置進行結合，提高光伏發電的效率。②儲能單元。通過電流器將蓄電池接入微網，使儲能單元具有良好的儲能狀態，可以實現電能的有效存儲，保障微網功率的穩定性。③負荷單元。負荷單元需要換流器的參與，使直流或交流系統能夠穩定運行，防止供電功率發生較大的變化，促進電壓的穩定控制。④聯網換流器。用于實現主網的控制，對微網中的直流功率進行補足，使微網系統在功率方面處于平衡狀態，確保工作狀態的穩定性[1]。

1.2 網絡結構

1.2.1 輻射型網絡結構

輻射形網絡結構可以實現線路的交匯，使線路能夠交匯在同一個節點，這樣便于對網絡的整體進行控制，提高系統運行的靈活性。輻射型網絡便于故障的處理，當發生故障后，可以對故障支路進行切斷，以此來避免對其余線路造成影響，使故障能夠得到有效地處理。輻射型網絡的構成較為簡單，在線路維護方面較為方便，但母線故障的處理效果較差，一旦發生故障，將會造成整片支路的癱瘓，因而輻射型網絡結構在母線方面需要嚴格處理，提高輻射網絡的工作效率。

1.2.2 環型網絡結構

環形網絡結構呈現為環狀，對微網具有較強的保護能力，使微網呈現穩定的運行狀態。環型網絡線路的重點在于斷路器的使用，微網正常運行狀態下，斷路器處于接通狀態，微網能夠穩定進行通電。由于采用環型網絡，故每條線路上需要配置一個斷路器，將會增加斷路器資源的消耗，會增加一定數量的成本。在環型網絡的作用下，可以避免某條支路出現故障，環路之間可以相互形成保護，保障微網能夠正常工作。

1.2.3 中心環形網絡結構

中心環型網絡結構具有輻射型和環型網絡結構的優勢，使兩者的優勢能夠形成互補，使微網運行更加的穩定。通過環形網絡，可以有效地解決母線故障問題，使母線能夠完善地工作，保障母線故障能夠得到及時處理。中心環型網絡兼具靈活控制的特點，可以實現支路電流的快速切斷，使故障線路能夠得到有效的隔離。在選擇網絡結構時，應根據實際情況進行考慮，結合經濟成本、微網需求等，選擇適合的網絡形式，保障微網結構的合理性。

2 儲能變流器運行分析

2.1 有源濾波器分析

2.1.1 特征諧波分析

換流站交流側會產生諧波，影響微網的正常運行。換流站諧波具有以下特點：①交流電壓呈現為三相對稱結構，處于平衡狀態時不會產生諧波分量，因而對諧波進行平衡控制較為重要，需要促使諧波處于平衡狀態。②換流器直流側存在大電感，可以一直諧波分量的產生，保障直流電壓的穩定性。③換流閥具有穩定的觸發角，并且觸發角可以保持恒定的狀態，有助于微網供電的穩定控制。④三相中換向電感型號相同，意味著三者的換向時間非常接近，有助于換向諧波的抑制。因此，需要合理地對換流器進行使用，對諧波的產生進行控制，降低諧波對交流側的影響，保障諧波電流具有良好的相位關系，對諧波的產生進行抵消[2]。

2.1.2 有源濾波系統構成

有源濾波系統的構成較為復雜，包括換流閥、變壓器、濾波器等，需要各個結構穩定工作才能起到濾波效果。在電容（C）和電感（L）的作用下，可以起到無源濾波的效果，降低開關周圍諧波的干擾，對諧波具有較強的抗性，位置微網電流的穩定性。同時，濾波器可以與電容結構并聯，形成有源濾波結構，可以提高二極管（D）的蓄流能力，保障電流供應的穩定性，降低有源濾波器對微網的影響。

2.1.3 諧波電流控制

在儲能變流器微網線路中，需要做好諧波電流的控制工作，提高微網的運行效果。諧波電流控制過程中，首先，需要對諧波進行檢測，一般通過無功功率理論來實現，可以有效地處三相電流進行識別，提高微網線路的檢測效果。在低通濾波的作用下，能夠實現基波分量的檢測，進而確定微網的諧波影響。其次，需要做好電容電壓控制工作，將電容作為有源濾波器的存儲單元，可以保障諧波控制的穩定性，使有源濾波器能夠更加穩定地工作。在控制過程中，電容兩端電壓需要保持穩定，使電容能夠穩定地工作，避免電壓發生較大的波動，提高電壓的控制效果，進而降低有源濾波器的損耗。電容電壓可采用PI 控制形式，將PI 控制器引入直流分量控制中，使微網具有良好的控制條件，使電容電壓能夠保持恒定，使電容具有良好的工作狀態。最后，需要注重控制策略的應用，使有源濾波的控制更加的完善，提高濾波的控制效果。在電壓傳感器的作用下，可以得到正弦信號sinωt、余弦信號cosωt、電容電壓等，可以為電容電壓的PI 控制過程提供依據，提高諧波電流控制的可靠性，實現良好的諧波控制效果。

2.2 有源濾波器設計

2.2.1 DSP 芯片結構

有源濾波器采用數字信號處理技術（Digital signal processing, DSP）芯片進行控制，具有較強的抗干擾能力，可以實現穩定的控制效果。DSP 為16 位控制芯片，由16 位隨機存取存儲器（random access memory, RAM）實現控制，有著良好的工作性能，使有源濾波器能夠正常工作。DSP 在A/D 轉換方面具有較高的轉換效率，能夠有效地對微網運行狀態進行采集，使線路具有良好的工作效率，使串行外設接口（SPI）得到正確的應用。在A/D 轉換時間方面，可以設定為500ns，進而實現實時采集的功能，提高微網狀態檢測的效率。DSP 具有豐富的引腳，有助于微網輸入輸出的控制，并且可以與串行周邊SPI 接口相結合，使芯片具有較高的控制效率，使線路能夠穩定地工作，提高對控制場所的適應性。

2.2.2 硬件結構

有源濾波器需要具有完善的硬件結構，使其具有硬件電路的支持，實現良好的硬件設計基礎。為了提高有源濾波的控制效果，硬件結構采用雙DSP 進行設計，使諧波信號具有良好的檢測狀態。DSP1 用于實現數據的預處理，通過A/D 轉換器對數據進行采集，便于RAM 對數據進行處理，保障數據能夠實現有效地轉換。DSP2 承擔著信號處理功能，對數據處理的所需參數進行計算，如數字諧波、無功電流等，為諧波電流的控制提供數據支持，使控制措施更加的完善。在雙端口RAM的作用下，可以實現兩個DSP 之間的連接，為數據交換提供傳遞的通道，提高對數據的處理效果[3]。

2.2.3 濾波器實現

濾波器采用DSP 進行實現，可以實現數字濾波的功能，只保留有效的波形，使諧波信號能夠及時得到濾除。諧波信號一般采用低通濾波方式進行處理，對諧波分量進行控制，使諧波能夠滿足濾除的條件，降低微網中諧波的存在。為了提高諧波濾除的穩定性，需要濾波器的設計工作，對濾波器的頻率特性進行分析，使濾波器能夠充分地發揮作用。濾波器的頻率特定如式（1）所示。

3 微網故障分析

3.1 電流下垂控制及其功角失穩現象

在市場對電能需求不斷擴大的情況下，微網作為一種新型的電網發電和負荷系統，要想滿足電能的供應需求，需要提高對微網故障問題的重視程度。通過前面的分析可以發現，微網在實際運行中會受到電壓電網的影響而出現故障的情況。造成這種故障情況的主要原因，就是由于電壓電網在運行中會出現跌落的情況。而在這種情況下，微網中的分布式電源中含有的分布式光伏變流器或者儲能交流器會輸出故障電流，從而威脅整個微網結構的正常運行。而在對微網的這種故障進行處理時，還會由于功角失穩現象的存在而阻礙故障保護工作的開展。為了能夠保障微網的正常運行，可以從滯環控制的角度對電流下垂控制的情況進行改進和優化，用以保證微網故障時功角的穩定狀態，為微網的故障檢測和維護提供更加便利的條件。

3.2 微網故障的特征

系統正常運行時，各個支路電流處于平衡狀態，儲能變流器可以實現穩定的儲能，保障分布式光伏法發電的效率。當微網發生故障后，支路的平衡狀態將會被打破，負荷將會朝著短路點集中，引導支路電流的流向發生變化，對微網運行的安全性造成威脅。因而，微網電路對保護裝置具有較高的要求，需要對短路點進行準確識別，在平衡打破的瞬間發現故障點，同時將故障位置及時進行切斷，使環型微網故障能夠得到有效應對。

4 微網故障保護策略

4.1 電流差動保護

電流差動保護對微網故障具有較強的識別能力，能夠實現故障的有效區分，對故障及時采取應對措施。以環形微網為例，在應用電流差動保護后，可以有效地對微網中電流的矢量關系進行整合，提高對電流變化的判斷能力，及時采取保護措施。通常情況下，采用電流值與整定值比較的形式，將前者大于后者作為故障的判斷依據，這樣便構建了完整的故障檢測條件，使微網故障能夠得到準確的識別。同時，需要對電流的方向變化引起關注，使保護裝置能夠及時發生動作，使故障線路能夠立即得以排除，提高故障檢測的穩定性，保障保護策略的執行效果[4]。

4.2 微網故障的集中式保護

對于含有分布式光伏和儲能變流器的微網故障進行保護時，還可以采用集中式的保護措施，這種保護措施主要是建立在通信網絡以及保護配置基礎上的，在對微網中的這種故障進行調整時，首先需要與微網運行結構相匹配的通信網絡配置結構，然后將微網和底層設備的通信配置形成一個環網的冗余結構，并通過能量管理層的工控機來對微網的運行情況進行控制，在實時監控微網運行狀態并記錄采樣信息之后，對微網的故障問題進行判斷，并將其與電網的跌落情況結合起來，對微網的故障方向進行判斷，在檢測到微網的運行故障之后，就可以對其進行及時的保護。

5 微網實驗測試

為了保證故障保護策略的有效性，需要微網故障進行模擬，采用實驗的方式對故障處理的有效性進行驗證，使故障能夠得到全面排除，降低故障問題對微網的影響，并且保障故障能夠快速地恢復。有源濾波器主要參數如下：電感L=10mH，電容C=2200μF，IGBT 耐壓值為1400V，電網電壓為220V。電容電壓采用PI 控制方式，Kp＝0.2，Ki＝0.15。采用上述參數對微網故障進行實驗，對電網電壓波形和電流波形進行分析，通過波形對微網的故障保護效果進行判斷。通過對實驗波形分析可知，波形中含有的諧波成分較少，在有源濾波器的作用下，可以將諧波成分進行濾除，使有效波形能夠保存下來，并且使微網電壓保持穩定。由此可見，在保護策略的作用下，有源濾波器能夠發揮出重要作用，為微網創造良好的保護條件，保障光伏發電的效率。

6 結語

綜上所述，為了避免微網受到分布式電源中的分布式光伏和儲能變流器的影響而出現故障，需要做好故障特征的分析工作，注重網絡結構的應用，對微網的結構形式進行完善，使微網能夠更好地投入使用。在故障應對方面，需要注重差動保護和集中式保護方法的應用，建立完善的微網保護方式，使微網能夠正常地進行工作，提高微網的自我保護能力，進而保障供電狀態的穩定性。