楊湛曄，毛建容，馬紅偉，周逢權(quán)，傅美平

（許繼集團智能電網(wǎng)研究中心，北京100085）

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

1 微電網(wǎng)多級保護與控制體系

微電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障分為系統(tǒng)內(nèi)故障和系統(tǒng)外故障，無論是發(fā)生系統(tǒng)內(nèi)故障還是系統(tǒng)外故障，都要迅速切除微電網(wǎng)與外界電網(wǎng)的聯(lián)系，以免事故擴大。

微電網(wǎng)內(nèi)部故障分為：微電網(wǎng)與配電網(wǎng)接口故障，微電網(wǎng)支路故障，微電網(wǎng)儲能設(shè)備、分布式發(fā)電設(shè)備、負荷故障等。分布式發(fā)電設(shè)備和儲能設(shè)備的接入位置、容量等也會對微電網(wǎng)的穩(wěn)定造成影響，需分類區(qū)別保護，因此針對微電網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性提出了相互配合的三層微電網(wǎng)保護控制體系［3，4］。

微電網(wǎng)保護包括設(shè)備級保護、內(nèi)部支路級保護、系統(tǒng)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(wǎng)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(wǎng)系統(tǒng)級保護

微電網(wǎng)系統(tǒng)級保護包括對微電網(wǎng)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(wǎng)系統(tǒng)級孤島檢測要求在微電網(wǎng)與配電網(wǎng)公共連接點處檢測微電網(wǎng)工作狀態(tài)。孤島一旦產(chǎn)生，將會危及電網(wǎng)輸電線路上維修人員的安全；影響配電系統(tǒng)保護開關(guān)的動作程序，沖擊電網(wǎng)保護裝置；影響傳輸電能質(zhì)量，電力孤島區(qū)域的供電電壓與頻率將不穩(wěn)定；當電網(wǎng)供電恢復(fù)后會造成相位的不同步；單相分布式發(fā)電系統(tǒng)會造成系統(tǒng)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(shè)備級保護的信息互通的實時性直接關(guān)系到微電網(wǎng)的穩(wěn)定。檢測中為了減弱對微電網(wǎng)產(chǎn)生的擾動，微電網(wǎng)系統(tǒng)級孤島檢測通常采用被動檢測法。

微電網(wǎng)離網(wǎng)獨立運行期間，因分布式發(fā)電的不穩(wěn)定性，可能會產(chǎn)生電壓頻率降低、升高現(xiàn)象，且一旦波動范圍超越調(diào)節(jié)范圍，則可根據(jù)需求，實施切除負荷或分布式發(fā)電設(shè)備?？杉毞譃殡x網(wǎng)低頻減載、離網(wǎng)低壓減載、離網(wǎng)過頻解列、離網(wǎng)過壓解列。

微電網(wǎng)系統(tǒng)級保護需對內(nèi)部負荷分類，區(qū)分重要負荷和非重要負荷，在發(fā)生孤島微電網(wǎng)離網(wǎng)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(wǎng)離網(wǎng)運行后，當微電網(wǎng)內(nèi)外故障解除后，系統(tǒng)級微電網(wǎng)能夠比較內(nèi)外電壓幅值頻率等，條件滿足就并網(wǎng)運行，保證分布式發(fā)電能源的充分利用和非重要負荷的供電穩(wěn)定性。

同時，由于微電網(wǎng)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(wǎng)內(nèi)部支路保護

微電網(wǎng)支路級保護主要負責微電網(wǎng)內(nèi)部支路上的電壓、電流進行采樣和計算，對負荷支路、儲能設(shè)備支路、發(fā)電設(shè)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(tǒng)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(wǎng)設(shè)備級保護

微電網(wǎng)設(shè)備級保護主要針對分布式發(fā)電、儲能設(shè)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(shè)備及特定使用環(huán)境，衍生了一些其他保護功能，如直流發(fā)電設(shè)備、蓄電池的自動穩(wěn)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(nèi)變化時，設(shè)備能自動穩(wěn)壓輸出。反接保護功能能有效避免直流供電設(shè)備的正負極接線故障，以免損壞蓄電池和設(shè)備。在蓄電池欠壓或逆變出現(xiàn)故障的狀態(tài)下，設(shè)備可將負載自動切換到市電供電，保障了系統(tǒng)的供電穩(wěn)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(fā)電及微電網(wǎng)運行控制試點工程是國內(nèi)首個包含光伏發(fā)電、電力儲能，并具有微電網(wǎng)特性的試點工程，該項目以河南財政稅務(wù)高等?？茖W校屋頂380kW光伏項目為依托結(jié)合開展，由380kW光伏發(fā)電系統(tǒng)、2×100kW／100kW·h磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)、約34路用電負荷、微電網(wǎng)控制和保護單元構(gòu)成光儲聯(lián)合微電網(wǎng)系統(tǒng)，可實現(xiàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)到離網(wǎng)，離網(wǎng)到并網(wǎng)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(wǎng)試點項目試驗流程及分析

微電網(wǎng)目前已運行8個多月，通過多方機構(gòu)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(wǎng)試點項目試驗流程Fig.3 Flow chart for the project

在微電網(wǎng)并網(wǎng)正常運行，斷開微電網(wǎng)入口處10kV斷路器，微電網(wǎng)從并網(wǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣聧u離網(wǎng)運行。離網(wǎng)后系統(tǒng)級保護和設(shè)備級保護檢測到孤島發(fā)生，設(shè)備級保護作用短暫停止對微電網(wǎng)負荷供電，系統(tǒng)級保護執(zhí)行切除微電網(wǎng)380V斷路器動作，同時切除設(shè)定的分布式發(fā)電設(shè)備或負荷，以維持微電網(wǎng)離網(wǎng)穩(wěn)定運行。

圖4展示了微電網(wǎng)離網(wǎng)瞬間的電壓波動情況。進入離網(wǎng)孤島狀態(tài)后，微電網(wǎng)啟動主控儲能設(shè)備或主控旋轉(zhuǎn)電源，通過離網(wǎng)能量控制的調(diào)度，合理投入或切除分布式發(fā)電，調(diào)節(jié)儲能設(shè)備出力，逐步恢復(fù)部分微電網(wǎng)負荷供電，維持離網(wǎng)后微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，如圖5所示。

圖4 微電網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)電壓波形Fig.4 Voltage waveform of micro－grid from grid－connection to off－grid

試驗執(zhí)行合10kV斷路器動作，微電網(wǎng)系統(tǒng)級保護執(zhí)行自動同期并網(wǎng)動作，自動合380V斷路器，恢復(fù)微電網(wǎng)所有負荷的供電。

由圖6波形可看出，當微電網(wǎng)由離網(wǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)入并網(wǎng)狀態(tài)時，380V母線電壓瞬間跌落后立即恢復(fù)正常，光伏逆變器實現(xiàn)了低電壓穿越，保證了光伏不間斷發(fā)電，同時儲能系統(tǒng)在擾動后也恢復(fù)了正常工作，實現(xiàn)了微電網(wǎng)系統(tǒng)由離網(wǎng)到并網(wǎng)的平滑切換。

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

圖6 微電網(wǎng)離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)電壓波形Fig.6 Voltage waveform of micro－grid from off－grid to grid－connection

圖7為微電網(wǎng)試點項目并離網(wǎng)切換試驗全過程電壓趨勢圖。

試驗表明：該項目能達到預(yù)期目標，具有合理控制微電網(wǎng)的并離網(wǎng)切換，控制和調(diào)整分布式發(fā)電設(shè)備出力和儲能設(shè)備的充放電，維持微電網(wǎng)離網(wǎng)能量平衡，在微電網(wǎng)交換功率較大時準確檢測出孤島發(fā)生，并及時同期并網(wǎng)等微電網(wǎng)系統(tǒng)級、支路級、設(shè)備級保護功能，同時也發(fā)現(xiàn)下述問題。

問題1 微電網(wǎng)離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)期間，由于受分布式發(fā)電設(shè)備的特性限制，出現(xiàn)了短暫停電現(xiàn)象；

問題2 微電網(wǎng)并網(wǎng)期間，分布式發(fā)電設(shè)備發(fā)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(wǎng)并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)電壓與微電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)離網(wǎng)電壓差距明顯，勢必會影響各級保護動作。

圖7 并離網(wǎng)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(wǎng)內(nèi)部通訊建設(shè)

微電網(wǎng)建設(shè)充分利用分布式發(fā)電能源，是智能電網(wǎng)建設(shè)的一個重要方面；同時微電網(wǎng)面向用戶，連接電網(wǎng)監(jiān)控和終端用電、發(fā)電、儲能設(shè)備，故障保護、節(jié)能控制、高效利用都強調(diào)電網(wǎng)各大小部分之間的配合和協(xié)調(diào)，而當前微電網(wǎng)采用的通訊架構(gòu)基本無法實現(xiàn)微電網(wǎng)納入智能電網(wǎng)中的基本作用，所以在微電網(wǎng)通信網(wǎng)建設(shè)方面有很大發(fā)展空間。

隨著因特網(wǎng)協(xié)議是IPV4的升級換代、光纖通信的普及、電力寬帶的建設(shè)、3G／4G及其他無線技術(shù)的成熟，微電網(wǎng)的建設(shè)必將打破瓶頸制約，進入飛速發(fā)展的時代。

4.2 微電網(wǎng)孤島檢測原理及解決方案

如圖8所示，并網(wǎng)運行時，電網(wǎng)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(fā)電（DG）與系統(tǒng)并網(wǎng)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(wǎng)提供的有功、無功。

進一步可得：

非計劃孤島產(chǎn)生后，主系統(tǒng)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(nèi)部一般會產(chǎn)生功率缺額，即（ΔP≠0，ΔQ≠0），致使PCC點電壓、頻率發(fā)生相應(yīng)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(wǎng)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(wǎng)系統(tǒng)。主動檢測法通過在分布式發(fā)電設(shè)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(wǎng)運行時，由于受電網(wǎng)鉗制，擾動信號作用很小；當發(fā)生孤島時，擾動信號的作用就較明顯，可通過檢測PCC點系統(tǒng)的響應(yīng)，判斷是否有孤島發(fā)生。開關(guān)狀態(tài)檢測方法是依靠通信的方式檢測開關(guān)狀態(tài)，與DG（distributed generation）類型無關(guān)，對于單個或多個逆變器的孤島檢測都有效，也不會對電網(wǎng)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(qū)和多DG的擾動。三種檢測方案各有利弊，主動檢測盲區(qū)相對較小，但是對電網(wǎng)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(qū)較大且定值難以確定；隨著微電網(wǎng)通信的發(fā)展，基于有線、無線高效通信技術(shù)，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(wǎng)、平滑離網(wǎng)

微電網(wǎng)在工作狀態(tài)下，需要對當前微電網(wǎng)內(nèi)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(wǎng)與配電網(wǎng)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(jiān)測，制定離網(wǎng)和并網(wǎng)狀態(tài)下兩套最優(yōu)控制模式，一旦微電網(wǎng)發(fā)生并網(wǎng)或離網(wǎng)之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，可根據(jù)最優(yōu)控制模式調(diào)整負荷、分布式發(fā)電出力、儲能設(shè)備充放電等，實現(xiàn)并離網(wǎng)裝換的平滑、無縫過渡。

微電網(wǎng)平滑離網(wǎng)的關(guān)鍵：①離網(wǎng)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(quán)統(tǒng)一等原則與周邊的負荷構(gòu)成功率平衡區(qū)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(wěn)定運行的孤島微電網(wǎng)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(wǎng)，既能幫助排除微電網(wǎng)內(nèi)故障，又能極大化分布式能源的利用。

微電網(wǎng)平滑并網(wǎng)的關(guān)鍵：①兩端壓差必須接近零；②并網(wǎng)時電流必須從大電網(wǎng)流向微電網(wǎng)。

4.4 微電網(wǎng)并網(wǎng)、離網(wǎng)保護定值的區(qū)別

在并網(wǎng)條件下，微電網(wǎng)內(nèi)發(fā)生故障時的故障特性與傳統(tǒng)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(wǎng)條件下保護配置方案應(yīng)考慮短路電流方向及大小的改變。同時在并網(wǎng)條件下發(fā)生故障時，不論是微電網(wǎng)側(cè)還是配網(wǎng)側(cè)故障，都以斷開微電網(wǎng)為先，以避免由于微電網(wǎng)的加入使故障特性復(fù)雜化，影響重合閘的策略等。

在孤島離網(wǎng)條件下，由于分布式電源的特殊性，其短路容量較小，當系統(tǒng)發(fā)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(diào)整。

由于微電網(wǎng)在并網(wǎng)和孤島條件下不同的故障特性，微電網(wǎng)保護必須依據(jù)微電網(wǎng)運行狀態(tài)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(chǔ)上建立一個監(jiān)管系統(tǒng)，依據(jù)微電網(wǎng)運行狀態(tài)調(diào)整微電網(wǎng)保護配置。

5 結(jié)語

在河南分布式光伏發(fā)電及微電網(wǎng)運行控制試點工程的建設(shè)及調(diào)試過程中，驗證了微電網(wǎng)保護控制設(shè)計方案的細節(jié)，總結(jié)了微電網(wǎng)建設(shè)的實踐經(jīng)驗，促進了微電網(wǎng)的發(fā)展。

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