微电网模型及其继电保护研究

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1、0引言在过去的几十年里，由于电力需求的增长，大电网体现出了巨大的优势，因此得到迅速发展。但同时，集中式大电网的弊端：成本高、运行难度大、无法满足用户愈来愈多的安全性和可靠性需求等越来越明显。大电网是一个复杂的系统，各种自动控制装置、继电保护装置以及与之相关的通信系统及设施，遍布电力网络各处。在系统中任一涉及电网状态的较大变化，将立刻或轻或重的影响全网，有的引起继电保护和自动调控装置的动作，有的甚至会引起在现场的人员与各级电网调度人员的干预。这种自然和人工干预的动态变化和行为组合，既相互关联又相互影响，错综复杂。当电力系统发生某种大的扰动，一些不可预测因素可能相互叠加。虽然人们可以采取诸多

2、防护措施，以减少电网大停电事故的发生，但是，正是由于不利因素叠加的不可预知性，造成电网故障大停电不可避免。这是遍及世界的电力系统的灾害。特别是近几年来，世界范围内接连几次发生大面积的停电事故，大电网的脆弱性充分体现出来。还有，在发生自然灾害、电网事故的紧急状况下，医院、金融、军功等系统的突然断电不仅仅会造成经济损失，还可能危害社会的安全与稳定。因此，人们开始对电力系统的发展模式另辟蹊径。尤其是2003年北美大停电后，国际专家得出了这样一个结论——发展分布式电源比通过改造电网来加强安全更快捷、简便。我国2008南方雪灾也给了我们教训：在注意集中发展大电网的同时，在负荷集中中心建立足够容量的

3、分布式电源，以便在紧急时刻供应人们的基本能量需求。分布式发电（DG）位置灵活分散，能够适应电力需求和资源的分布，但鉴于其单机接入成本高，容量小，受制于自然条件，缺少灵活可控等特点，大电网采取隔离限制的方式来处理DG，这样就间接限制了新能源的利用。微电网是分布式发电的重要形式之一，它是指在一定的区域内把分布式电源如：微型燃气轮起、风电、太阳能光伏发电、燃料电池、储能装置等联系起来满足本地区负荷供电需求或供热或冷，并且能与传统电网连接，也能孤岛运行独立满足当地负荷的电力需求。微电网是一个单一可控的单元，它接在用户侧具有低成本、低电压、低污染等特点[1-3]。微电网作为分布式电源的典型形式，作

4、为大电网的有效补充，已经引起了国内外学者的广泛关注。—7—1微电网结构1.1美国CERTS微电网结构如图1所示，是美国电力可靠性技术解决方案协会（CERTS）提出的微电网结构[4]。该微电网呈辐射状结构，由A，B，C三条馈线组成。其中馈线A、B为敏感性负荷，根据负荷需求设置微电源位置，馈线B能够实现热电联产。每个微电源出口可以调节功率和电压，可以在能量管理系统的支配下调节各自功率分配和电压、潮流。这种结构，灵活方便，提高了对重要负荷供电的可靠性。图1CERTS微电网结构1.2欧盟微电网结构如图2所示，是欧盟的实验室微电网结构。欧盟定义的微电网为：充分利用分布式能源，把模块化的分布式电源互

5、联，实现冷热电联产，结合储能连接到配电网低压侧的系统[5]。如图2所示，光伏、微型燃气轮机、蓄电池都是通过电力电子接口连接到微电网的，而小型风力发电机则是直接连接到微电网。系统采取分层控制的策略，并允许微电网系统向大电网供电。欧盟鼓励运营商和发电商参与电力市场交易，其微电网具有智能、清洁、高效以及能量的多级多元化应用特点。—7—图2欧盟微电网结构图1.3日本微电网结构日本没有给出明确是微电网定义，但是由于国内资源匮乏、负荷增长迅速，为微电网研究做出了很大的贡献。如图3所示为日本著名的仙台微电网的结构模型。它包括两台微型燃气轮机，光伏等微电源。并且微电网内部存在直流和交流母线分别供应直流负

6、荷和交流负荷，母线上还安装了动态电压恢复装置（DVR），能够提高用户的电能质量。图3仙台微电网结构—7—2微电网运行方式与控制策略微电网有两种运行模式，即与大电网并网运行和孤岛运行。文献[6]提出与大电网并网运行时，所有微电源可以采取PQ控制，系统的有功和无功平衡由大电网来调节，微电网不参与大电网的操作。孤岛运行时，因为光伏和风力发电这样的可再生能源，有明显的间歇性，它们功率输出的大小受环境影响较大，如果要它们保持恒定的功率输出，需要很大的储能单元，这显然是不经济的，所以为了保证能源的最大利用效率，这样的分布式电源一般始终采取PQ控制策略。而微型燃气轮机和燃料电池这种微电影控制比较容易实

7、现，既可以根据给定的有功和无功进行控制，又可以方便的实现V/f控制，采用V/f控制可以保证微电网在孤岛运行时的频率和电压的稳定。但是微电网在并网运行和孤岛运行两种方式下切换时，微型燃气轮机和燃料电池控制策略切换的成功率不能保证，一种好的控制方法应该简单而可靠，因此文献[7]提出可再生能源如风电、太阳能等微电源的控制应该采取保持其能源的最大利用效率的PQ控制，而微型燃气轮机、燃料电池等则用V/f控制，使微电网满足与大电网连接时的接口要