微电网多级保护与控制的实现及优化分析

杨湛晔，毛建容，马红伟，周逢权，傅美平

（许继集团智能电网研究中心，北京100085）

作为普及新能源的一种方式，微电网将在未来电网中扮演至关重要的角色。微电网是由分布式发电设备、储能设备及负荷组成，可与配电网并网运行，也能脱离配电网独立运行的小型配电系统。由于分布式发电设备的特点和储能设备的使用，微电网的保护控制亟需考虑一些新因素［1，2］。

1 微电网多级保护与控制体系

微电网系统发生故障分为系统内故障和系统外故障，无论是发生系统内故障还是系统外故障，都要迅速切除微电网与外界电网的联系，以免事故扩大。

微电网内部故障分为：微电网与配电网接口故障，微电网支路故障，微电网储能设备、分布式发电设备、负荷故障等。分布式发电设备和储能设备的接入位置、容量等也会对微电网的稳定造成影响，需分类区别保护，因此针对微电网内部结构特性提出了相互配合的三层微电网保护控制体系［3，4］。

微电网保护包括设备级保护、内部支路级保护、系统级保护，见图1，三级保护之间需要及时通信和配合动作。

图1 微电网多级保护控制体系示意Fig.1 Schematics of multi－step protection control in micro－gird

1.1 微电网系统级保护

微电网系统级保护包括对微电网公共连接点PCC（point of common coupling）处的电压、电流的采样与计算，实时进行过压、欠压、过频、欠频、过载、短路等基本保护。

微电网系统级孤岛检测要求在微电网与配电网公共连接点处检测微电网工作状态。孤岛一旦产生，将会危及电网输电线路上维修人员的安全；影响配电系统保护开关的动作程序，冲击电网保护装置；影响传输电能质量，电力孤岛区域的供电电压与频率将不稳定；当电网供电恢复后会造成相位的不同步；单相分布式发电系统会造成系统三相负载欠相供电。因此孤岛检测的准确性及与支路级保护、设备级保护的信息互通的实时性直接关系到微电网的稳定。检测中为了减弱对微电网产生的扰动，微电网系统级孤岛检测通常采用被动检测法。

微电网离网独立运行期间，因分布式发电的不稳定性，可能会产生电压频率降低、升高现象，且一旦波动范围超越调节范围，则可根据需求，实施切除负荷或分布式发电设备。可细分为离网低频减载、离网低压减载、离网过频解列、离网过压解列。

微电网系统级保护需对内部负荷分类，区分重要负荷和非重要负荷，在发生孤岛微电网离网运行后，能切除部分非重要负荷，以维持重要负荷的不断电运行。微电网离网运行后，当微电网内外故障解除后，系统级微电网能够比较内外电压幅值频率等，条件满足就并网运行，保证分布式发电能源的充分利用和非重要负荷的供电稳定性。

同时，由于微电网潮流的双向流动性，为确保保护动作的可靠性，需考虑方向性电流保护。

1.2 微电网内部支路保护

微电网支路级保护主要负责微电网内部支路上的电压、电流进行采样和计算，对负荷支路、储能设备支路、发电设备支路及混合支路进行独立保护。支路级保护通常采用传统过流保护、过压保护、过负荷保护、漏电保护、不平衡保护等。

1.3 微电网设备级保护

微电网设备级保护主要针对分布式发电、储能设备及电力电子控制器件，通常具有过压、欠压、过载、短路、过热保护等功能。另外针对不同设备及特定使用环境，衍生了一些其他保护功能，如直流发电设备、蓄电池的自动稳压、反接保护和市电切换等……当电压在欠压点和过压点之间波动，负载在额定功率内变化时，设备能自动稳压输出。反接保护功能能有效避免直流供电设备的正负极接线故障，以免损坏蓄电池和设备。在蓄电池欠压或逆变出现故障的状态下，设备可将负载自动切换到市电供电，保障了系统的供电稳定性。在逆变正常工作后，又会自动切换到逆变供电［5，6］。

2 试点项目介绍

河南分布式光伏发电及微电网运行控制试点工程是国内首个包含光伏发电、电力储能，并具有微电网特性的试点工程，该项目以河南财政税务高等专科学校屋顶380kW光伏项目为依托结合开展，由380kW光伏发电系统、2×100kW／100kW·h磷酸铁锂电池储能系统、约34路用电负荷、微电网控制和保护单元构成光储联合微电网系统，可实现微电网并网到离网，离网到并网的平滑过渡。图2展示了试点项目的三级保护控制体系。

图2 试点项目接线图示Fig.2 Wiring diagram of the project

3 微电网试点项目试验流程及分析

微电网目前已运行8个多月，通过多方机构认证。图3展示了验证保护与控制功能的试验流程。

图3 微电网试点项目试验流程Fig.3 Flow chart for the project

在微电网并网正常运行，断开微电网入口处10kV断路器，微电网从并网状态转变为孤岛离网运行。离网后系统级保护和设备级保护检测到孤岛发生，设备级保护作用短暂停止对微电网负荷供电，系统级保护执行切除微电网380V断路器动作，同时切除设定的分布式发电设备或负荷，以维持微电网离网稳定运行。

图4展示了微电网离网瞬间的电压波动情况。进入离网孤岛状态后，微电网启动主控储能设备或主控旋转电源，通过离网能量控制的调度，合理投入或切除分布式发电，调节储能设备出力，逐步恢复部分微电网负荷供电，维持离网后微电网的稳定运行，如图5所示。

图4 微电网并网转离网电压波形Fig.4 Voltage waveform of micro－grid from grid－connection to off－grid

试验执行合10kV断路器动作，微电网系统级保护执行自动同期并网动作，自动合380V断路器，恢复微电网所有负荷的供电。

由图6波形可看出，当微电网由离网状态转入并网状态时，380V母线电压瞬间跌落后立即恢复正常，光伏逆变器实现了低电压穿越，保证了光伏不间断发电，同时储能系统在扰动后也恢复了正常工作，实现了微电网系统由离网到并网的平滑切换。

图5 微电网离网运行电压波形Fig.5 Voltage waveform of micro－grid under off－grid condition

图6 微电网离网转并网电压波形Fig.6 Voltage waveform of micro－grid from off－grid to grid－connection

图7为微电网试点项目并离网切换试验全过程电压趋势图。

试验表明：该项目能达到预期目标，具有合理控制微电网的并离网切换，控制和调整分布式发电设备出力和储能设备的充放电，维持微电网离网能量平衡，在微电网交换功率较大时准确检测出孤岛发生，并及时同期并网等微电网系统级、支路级、设备级保护功能，同时也发现下述问题。

问题1 微电网离网转并网期间，由于受分布式发电设备的特性限制，出现了短暂停电现象；

问题2 微电网并网期间，分布式发电设备发电与负荷用电供求平衡，即公共连接点交换功率较小时，孤岛检测不准确；

问题3 微电网并网稳态电压与微电网稳态离网电压差距明显，势必会影响各级保护动作。

图7 并离网切换全过程电压趋势Fig.7 Voltage variation during the whole process of grid－connection／off－grid

4 解决措施

4.1 微电网内部通讯建设

微电网建设充分利用分布式发电能源，是智能电网建设的一个重要方面；同时微电网面向用户，连接电网监控和终端用电、发电、储能设备，故障保护、节能控制、高效利用都强调电网各大小部分之间的配合和协调，而当前微电网采用的通讯架构基本无法实现微电网纳入智能电网中的基本作用，所以在微电网通信网建设方面有很大发展空间。

随着因特网协议是IPV4的升级换代、光纤通信的普及、电力宽带的建设、3G／4G及其他无线技术的成熟，微电网的建设必将打破瓶颈制约，进入飞速发展的时代。

4.2 微电网孤岛检测原理及解决方案

如图8所示，并网运行时，电网和逆变电源在公共耦合点（PCC）处连接，共同为负载提供功率，可得到：

图8 分布式发电（DG）与系统并网的示意Fig.8 Diagram of distribution generation and system grid－connection

其中：VPCC为公共耦合点（PCC）的电压；P、Q为逆变电源有功、无功输出；Pload、Qload为负载所消耗的有功、无功；ΔP、ΔQ为电网提供的有功、无功。

进一步可得：

非计划孤岛产生后，主系统不再向孤岛供入能量，逆变电源的功率输出不会瞬间变化，因此在孤岛形成的瞬间，孤岛内部一般会产生功率缺额，即（ΔP≠0，ΔQ≠0），致使PCC点电压、频率发生相应变化。当负载与电源的功率不匹配程度足够大时，则可引起电压、频率超限，从而检测出孤岛。

基于微电网孤岛检测原理，孤岛检测有被动检测、主动检测、通信检测三大类检测方法。被动检测适用于低渗透率、弱受端微电网系统。主动检测法通过在分布式发电设备或储能逆变器的控制信号中加入很小电压、电流或相位扰动信号，并网运行时，由于受电网钳制，扰动信号作用很小；当发生孤岛时，扰动信号的作用就较明显，可通过检测PCC点系统的响应，判断是否有孤岛发生。开关状态检测方法是依靠通信的方式检测开关状态，与DG（distributed generation）类型无关，对于单个或多个逆变器的孤岛检测都有效，也不会对电网的正常运行造成干扰。

孤岛检测方法有效性指标就是检测盲区和多DG的扰动。三种检测方案各有利弊，主动检测盲区相对较小，但是对电网有干扰，有可能扰动不同步，且不适用于多DG；被动检测的盲区较大且定值难以确定；随着微电网通信的发展，基于有线、无线高效通信技术，且配合主动、被动检测方法的孤岛检测新方法必定能够把孤岛检测的准确性提到一个新的台阶［7～11］。

4.3 平滑并网、平滑离网

微电网在工作状态下，需要对当前微电网内部分布式电源工作情况、储能装置充放电情况、负荷情况、微电网与配电网公共连接点（PCC）处交换功率等电压、电流、有功、无功进行实时监测，制定离网和并网状态下两套最优控制模式，一旦微电网发生并网或离网之间的状态转换，可根据最优控制模式调整负荷、分布式发电出力、储能设备充放电等，实现并离网装换的平滑、无缝过渡。

微电网平滑离网的关键：①离网后单个有独立运行能力的DG（或单元组）基于就近、功率匹配及所有权统一等原则与周边的负荷构成功率平衡区域，是孤岛运行的最小单元，保证重要负荷的不间断供电；②稳定运行的孤岛微电网能启动不能独立运行的DG，并通过负荷分析不断扩大供电范围，组成多DG、多负荷孤岛微电网，既能帮助排除微电网内故障，又能极大化分布式能源的利用。

微电网平滑并网的关键：①两端压差必须接近零；②并网时电流必须从大电网流向微电网。

4.4 微电网并网、离网保护定值的区别

在并网条件下，微电网内发生故障时的故障特性与传统故障特性类似。但由于多分布式电源的存在，使得故障点存在双端电源向故障点供电的情况，所以并网条件下保护配置方案应考虑短路电流方向及大小的改变。同时在并网条件下发生故障时，不论是微电网侧还是配网侧故障，都以断开微电网为先，以避免由于微电网的加入使故障特性复杂化，影响重合闸的策略等。

在孤岛离网条件下，由于分布式电源的特殊性，其短路容量较小，当系统发生故障时，故障点的短路电流相对较小，对称故障下保护安装处的相电压跌落明显，不对称故障下保护安装处测得的负序电压和负序电流将会明显增大。所以，在孤岛条件下馈线上的保护配置必须做出相对调整。

由于微电网在并网和孤岛条件下不同的故障特性，微电网保护必须依据微电网运行状态改变保护策略，这是基于本地信息量保护装置所不具备的能力，因而需在保护装置的基础上建立一个监管系统，依据微电网运行状态调整微电网保护配置。

5 结语

在河南分布式光伏发电及微电网运行控制试点工程的建设及调试过程中，验证了微电网保护控制设计方案的细节，总结了微电网建设的实践经验，促进了微电网的发展。

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