交直流混合微电网保护系统设计.doc

摘摘 要要微电网作为分布式电源与负荷的组合，以可控制单元的形式接入主电网，是提高配电网中新能源渗透率和微电源运行性能的有效方式之一微电网保护是保证微电网稳定、安全运行的关键技术，在并网和孤岛两种运行工况下均应可靠动作，且不受分布式电源和可控负荷“即插即用”的影响本文以微电网保护技术作为研究重点，分析了结构特点及典型的微电网的设计方案，微电网分割成保护电网连接和馈线保护，并提出了基于业务特点和故障特点研究微电网并网网保护DC 单元的保护，差动保护是在弱通信环境下，实现相角阻抗保护，反时间限制的低阻抗的保护，和自适应保护根据理论分析，本文采用MATLAB 仿真软件建立中，低压微电网模型，并严格验证保护方案论文的主要工作如下：（1）在阅读相关文献后，了解到微电网主要有交流微网和直流微网、交直流混合微网通过理解三种典型微网结构的特性及其适合使用范围，设计并且搭建相适应的微电网结构模型通过对微电网结构的分通过微网结构和微电网与主电网之间的互连的分析，适合于微电网保护方案建议：电网保护在微网和主电网之间的界面安装电网连接的保护可以有效地降低对系统的另一侧的故障的不利影响电网连接的保护可分为系统级连接电网保护，区域级连接电网保护，单元级连接电网保护。

根据电网连接保护的动作的要求和相关的电气量在微电网内部或外部电网连接点的特性，并网保护的配置策略提出并通过仿真验证2）考虑实际运行情况以及技术经济性，重点研究了软通信环境下微电网 电流差动保护技术主要针对含逆变型分布式电源的微电网或主动配电网，保护方案借助于微电网通信技术，借鉴电流差动保护原理，利用各端测量阻抗的差动值检测并切除故障；该保护方案称为“阻抗差动保护”关键词关键词 微电网，并网保护，差动电流保护，差动阻抗保护目目 录录第 1 章 绪论.51.1 研究背景.51.1.1 微电网概念与特点.51.1.2 微电网国内外研究现状.61.1.3 微电网技术研究.71.2 本文主要工作.8第 2 章 微电网结构特性分析与设计 .92.1 微电网分类.92.2 交直流混合微网结构及特性.92.3 微电网及配电网的仿真模型.112.3.1 微电网并网运行的 PQ 控制.112.2.2 交直流混合微电网仿真模型的设计.112.3 本章小结 .15第 3 章 交流微网系统并网保护方案.173.1 引言.173.2 微电网并网保护.173.2.1 并网保护的概念.173.2.2 并网保护分类.183.2.3 并网保护的特点.193.3 并网保护配置策略.203.3.1 单元并网保护配置策略.203.3.2 区域级并网保护配置策略.203.4 本章小结 .20第四章 微电网通信方案.214.1 引言 .214.2 微电网通信方案.214.2.1 微电网通信方案对电流差动保护影响.224.3 微电网电流差动保护数据同步方案.224.4 本章小结 .23第五章 交流微电网阻抗保护方案.245.1 引言 .245.2 纵联电流相位差动保护的原理 .245.3 微电网阻抗差动保护方案.245.3.1 两相短路时 *的计算方法.265.3.2 故障判别流程.275.4 本章小结 .28结 论.29参考文献.30第第 1 章章 绪论绪论1.1 研究背景研究背景21 世纪，随着世界经济的快速发展，全球范围内能源供应持续紧张，合理开发、使用清洁高效的绿色能源已成为解决未来能源问题的主要途径。

我国是一个能源大国，同样也是一个人口大国，在这样的基本国情下，如何合理开发可再生能源是当前亟待解决的关键问题之一从环保、节能及可再生角度来看，未来世界能源技术发展的主要方向为分布式发电（Distributed Generation,DG）技术由于分布式电源通常靠近负荷区域，可以将电能和热能相结合来增强能量利用率，所以可以达到减少各种碳化物的产生，降低对环境的污染的目的；因为发电机位置距离负载距离比较近，可以将远距离传输所带来的电能的损失降到最低国内外许多专家学者认为要想降低能耗，提高电力系统可靠性，灵敏性和电能质量大电网与大电网与分布式发电相结合是重要的方式 1.1.11.1.1 微电网概念与特点微电网概念与特点分布式发电具有投资小，环境友好，灵活性高等诸多优点但是，需要考虑许多缺点和影响例如，传统的无源配电网络将在大量分布式电源连接到配电网络之后成为中小型电源和负载在有源网络中，电网电流不再单向地从变电站的总线侧流向负载侧由于配电网络功率流的根本变化，电网的各种保护设置和原理发生了深刻的变化由于大规模使用分布式电源，并网运行模式可能导致电网电压和频率发生变化电压波动和闪烁等电能质量下降问题将对电网的安全运行产生很大影响。

因此，虽然分布式发电技术具有很大的应用优势和潜力，但仍存在许多亟待解决的问题分布式能源的单独并网详细规定：当电力系统发生故障或扰动时，分布式电源必须马上退出运行直到排除故障，这极大限制了分布式能源优势的充分发挥，也间接降低了新能源的利用率为协调主电网与分布式发电之间的联系，需要充分发挥分布式能源为电网和用户所带来的优势和潜力为了降低 DG 对现有配电网带来的不利影响，同时发挥其辅助功能，美国电力可靠性技术解决方案协会（Consortium for Electric Reliability Technology Solutions，CERTS）提出了一个有效的解决方案，把DG 和负荷组成一个整体，整体作为配电网子系统，这就是微电网的概念初步设想它给出了微电网的初步定义：微电网是一种由负荷和微型电源共同构成的电力系统，微网可以同时提供电能和热量；微电网系统内部的电源主要由电力电子器件提供能量的转换，并负责系统的控制；相较于外部的大电网，微电网体现为单一的受控单元，用来提供各种用户对电能质量和供电可靠性等需求从整体系统方向分析，微电网是一个单一的控制单元，其组合控制设备，能量存储装置，负载，和发电机。

在微电网的电源被称为微电源，主要由它们连接到负载侧内燃机和生物质能，燃料电池，风力发电机，微型燃气轮机，太阳能等，并且具有的特性低电压，低环境污染，成本低微电网可以在平行于大格被操作，或者它可以从大网格，当网格大失败或检修被断开它具有多重角色：从大电网的角度来看，微电网可被视为电力系统的一个控制装置本机可以看作是可以被分派，可以在很短的时间到电网回应一个简单的细胞系统需求;但从用户的角度来看，微电网可被视为一个私人定制电源，以满足用户的各种需求，如提供电压校正，减少线路损耗，保持本地电压稳定，改善当地的供电可靠性各种能源提高效率或作为备用电源另外，根据微电网的不同的能量需求，设计和向不同的用户提供不同的电源质量模式是微电网的两个基本特点该微电网与大电网交换能量，并连接至公共连接点（PCC），并且双方使用对方作为备份，有效提高了供电的可靠性1.1.21.1.2 微电网国内外研究现状微电网国内外研究现状美国研究机构 Pike Research 2012 年第四季度报告，到 2018 年微电网分布式发电总价值将达到 127 亿美元微网是分布式能源利用技术的基础，也是智能电网的重要组成之一，由分布式电源、储能装置、相关负荷和监控、能量转换装置、保护装置组成的小型发配电系统。

据初步估计全球微电网市场在 2017年的发电能力将会增加至 1.1GW根据欧盟 2009 年公布的微电网发展路线图，目前全球整体处于微电网的发展阶段，共有 480 件以上的提案、开发和经营的微电网工程其中以美国 CERTS、日本新能源与工业技术组织为代表的国家微电网研究主管部门 正在组织微电网技术研究及示范进展，我国 973 计划“分布式功能系统”及 863 计划中也包括了微电网系统的相关技术研究1）美国微电网发展现状微电网的概念最初由 CERTS 提出，并且仍然是各国微电网概念中最具权威性的 CERTS 通过在麦迪逊大学 Wisconsin 大学建立的实验室测试通过了相关的理论研究成果 美国还建立了分布式公用事业集成测试（DUIT），它由能源部（DOE），加州能源署（CEC）和太平洋天然气以及太平洋天然气与电力公司之间的合作组成（ PGE）旨在研究不同类型和数量的分布式电源在各种情况下对配电网络的影响除研究机构外，其他公司，研究机构和军方美国也对微电网进行了深入研究2）欧洲微电网发展现状欧洲分别于 2005 年和 2006 年提出了聪明电网计划和技术实施计划它认为未来的欧洲电网将具有灵活性，可达性，可靠性和经济性的特点。

目前，欧洲各国建议充分利用分布式能源，智能技术，先进的电力电子技术，实现集中供电与分布式发电的高效紧密结合，积极鼓励社会各界共同参与电力市场促进电网的发展由于其智能化和多样化的能源利用，微电网已成为欧洲未来电网的重要组成部分目前，欧洲构建了微电网的运行，控制，保护，安全和通信的理论体系，并在实验室微电网平台上验证了这些理论其后续任务将侧重于研究更合适的控制策略，制定适当的操作标准和建立示范项目3）日本微电网发展现状日本能源极为稀缺，负荷的使用正在迅速增长可再生能源和新能源一直是日本的重点 日本还在增加国内能源短缺和增加负荷的背景下开展了微电网研究然而，其发展目标主要是为了减少污染，使能源供应多样化，并满足用户的个性化电力需求 日本专门成立新能源和工业技术发展组织协调大学，企业和国家重点实验室的新能源及其应用研究 日本微电网技术体系研究重点是如何在提高电力消耗可靠性的同时有效利用可再生能源此外，日本学者提出了灵活的可靠性和智能能源供应系统，利用 FACTS 组件快速灵活地控制性能，优化配电网的能源结构，满足用户的多种电能质量要求然而，日本微电网概念没有即插即用功能，而是强调分布式电源类型的多样性。

4）我国微电网发展现状国内微电网研究处于起步研究阶段，国家电网公司是微电网技术研究的主要部门2011 年 8 月，国网电科院微电网技术体系研究项目通过验收该项目首次提出了中国微电网技术体系，主要包括微电网核心技术构建框架、电网与微电网的并网策略、技术执行标准和相关政策等，制定了我国微电网发展目标和战略路径图，对我国微电网不同发展阶段提出了宝贵的意见和方案天津、河南、珠海、浙江、河北等地已经在进行微电网示范项目的研究及建设其中，珠海东澳岛微电网项目的建成，解决了岛上长期以来的缺电现象，最大程度地利用海岛上丰富的太阳光和风力资源，减少了污染，同时保证了供电需求随着微电网系统的投入使用，东澳岛可再生能源发电比例从 30%上升到 70%微电网行业研究部门分析得出，微电网是大电网的有力补充，是智能电网领域的重要组成部分，在工商业区域、城市片区及偏远地区有广泛应用前景随着关键技术的加速发展微型电网，预计微电网将进入一个快速发展时期目前，国内的微电网的研究已经取得了一些进展，但与庞大的研究团队在欧洲，美国和日本的研究机构，制造商和电力公司组成相比，中国仍具有科研实力和成绩有很大的差距1.1.31.1.3 微电网技术研究微电网技术研究微电网技术的发展历史很短，许多技术都处于研究的关键阶段。

从微电网研究和实际成果来看，其技术研究主要包括分布式发电技术，微电网控制和并网运行技术，微电网保护技术，微电网监控和能源管理，微电网通信技术，微电网 - 接地技术，微电网谐波管理和微电网标准发展八个方面其中，分布式发电技术是微电网的基石通信技术是实现微电网功能的关键控制，保护和能源管理技术是实现微电网功能的重要保证接地和谐波控制技术是为了改善用户对电能的使用有效的质量方法和微电网标准是推广和应用微电网技术的必要手段由于微电网保护技术是本论文的研究重微电网的运行方式十分灵活主电网正常运行时，微电网与主电网并网 运行，由主电网提供电压和频率支撑；当主电网故障或检修时，微电网主动跳开与其互联的 PCC 开关，进入孤岛运行状态，微电网孤岛运行的稳定性依赖于其 控制方式除此之外，微电网通常支持分布式电源和可控负荷的“即插即用”。