微网接入配电网的保护控制关键问题研究

论文摘要

分布式发电技术作为一种清洁高效经济的发电技术,近年来受到越来越多的关注。然而随着分布式电源DG的并网渗透率逐渐提高,在改善供电质量的同时,也为传统的配电网系统的运行稳定性与可靠性造成了影响。随着电力行业的发展,微网作为种智能高效的分布式能源管理系统被提出,并成为新世纪电力系统发展的重要方向。微网以分布式发电技术为基础,使用先进的信息控制技术与电力技术,将储能装置、控制装置以及保护装置融为一体,鼓励用户参与电力市场互动管理,对于高效利用新能源,促进可持续发展起到了重要的推动作用。但是作为一门新兴的能量管理控制技术,微网存在着自身运行控制的复杂性,对于传统电力系统的影响也尚待研究解决。本文在PSCAD/EMTDC仿真环境中,从微网的单元级建模出发,逐步建立起微网系统级控制管理模型,对微网的几个关键性问题进行了探索研究。本文首先对分布式电源进行了建模,对基于三相SPWM电压型并网逆变器的分布式电源的数学模型、控制原理和方法进行了详细分析。针对微网运行对DG功率输出控制的需求,采用幅频控制方法实现了DG的功率近似解耦控制。为抑制高次谐波采用LCL滤波器,对LCL滤波器的数学模型与设计原理进行了研究。仿真研究表明,LCL滤波器能有效地消除并网电流谐波,提高电能质量。DG并网运行可靠,具有良好的功率解耦控制性能和一定的动态响应速度,满足工程运行要求。其次,研究了微网对等控制和即插即用特性,通过比较有线与无线控制策略的优缺点,采用主从并联方法对微网运行进行管理,并使用能量管理系统对微网的功率平衡以及电压频率稳定进行控制。其中,主动DG使用V/f控制方法维持微网的电压和频率并承担功率负荷的波动,从动DG使用PQ控制方式输出恒定的有功和无功功率。通过仿真对微网负荷变化与功率控制响应特性进行了研究,验证了主从并联控制方案在微网能量管理中的有效性。此外,对基于主从控制的微网运行模式切换控制策略进行了分析,给出了一套有效的无缝切换控制方案。仿真结果表明,该方案可避免并网过程中负荷电压电流冲击,实现运行模式的无缝切换。然后,为了确保在电网发生故障时微网能够快速切换运行模式,研究了微网反孤岛保护策略。通过分析仿真,验证了基于幅频控制的DG具有较好的反孤岛能力,为进一步减小孤岛检测盲区,克服孤岛功率匹配导致检测失败的问题,引入有功功率正反馈扰动与被动检测相结合的孤岛检测方法。该方法可实现微网多DG无互联同步扰动,实现微网孤岛的快速无盲区检测,提高了微网的反孤岛能力。最后,研究了不同容量和不同接入位置的微网在配电网不同地点发生故障时,对配电网电流保护选择性、灵敏性和可靠性的影响。通过定性分析与定量仿真计算,指出可以通过提高微网功率负荷匹配度降低对过电流保护影响。此外,建立了PQ恒功率控制、PV控制以及恒电流控制方式的分布式电源模型,研究了不同控制特性的分布式电源对电流速断保护的影响,指出DG的控制特性不同会导致不同的故障特性,需要纳入保护方案改造的考虑范围。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 微网系统的概念
• 1.2.1 分布式电源分类
• 1.2.2 国内外微网研究现状
• 1.3 微网研究中的关键技术
• 1.3.1 微网的控制
• 1.3.2 微网的运行
• 1.3.3 微网的保护
• 1.3.4 微网电能质量
• 1.4 论文的主要工作
• 第2章 基于逆变器的分布式电源单元
• 2.1 SPWM逆变器的拓扑结构
• 2.1.1 三相逆变器的数学模型
• 2.1.2 三相逆变器的控制方法
• 2.2 基于幅频控制的逆变器并网控制系统
• 2.2.1 逆变器输出功率特性
• 2.2.2 并网控制系统模型
• 2.2.3 控制参数整定方法
• 2.2.4 LCL滤波器的设计
• 2.3 逆变器功率控制性能仿真
• 2.3.1 输出电能质量
• 2.3.2 功率解耦控制特性
• 2.4 小结
• 第3章 微网即插即用运行控制策略
• 3.1 分布式电源的并联控制策略
• 3.1.1 有线并联控制策略
• 3.1.2 无线并联控制策略
• 3.2 主从并联控制系统设计
• 3.2.1 并联系统运行控制过程
• 3.2.2 能量管理器功能
• 3.3 主从并联运行过程仿真
• 3.3.1 投切负荷过程
• 3.3.2 功率调节过程
• 3.4 微网运行模式的无缝切换策略
• 3.4.1 微网的并网要求
• 3.4.2 模式切换过程中的电压突变
• 3.4.3 并网模式向独立模式的切换
• 3.4.4 独立模式向并网模式的切换
• 3.5 微网运行模式无缝切换策略仿真
• 3.5.1 并网模式向独立模式切换
• 3.5.2 独立模式向并网模式切换
• 3.6 小结
• 第4章 微网孤岛保护研究
• 4.1 孤岛效应检测标准
• 4.2 孤岛效应检测原理
• 4.3 常用的孤岛检测方法
• 4.4 有功功率正反馈扰动法
• 4.4.1 控制系统的孤岛动作特性
• 4.4.2 主动式有功正反馈检测法
• 4.5 孤岛检测性能仿真
• 4.5.1 单DG孤岛检测
• 4.5.2 多DG孤岛检测
• 4.6 小结
• 第5章 微网对配电网继电保护的影响
• 5.1 微网对电流保护的影响
• 5.2 配电网及微网并网模型
• 5.2.1 配电网线路参数
• 5.2.2 配电网负荷参数
• 5.2.3 分布式电源模型
• 5.3 模型馈线保护整定方案
• 5.3.1 电流速断保护整定
• 5.3.2 限时电流速断保护整定
• 5.3.3 定时限过电流保护整定
• 5.3.4 阶段式电流保护的配合
• 5.4 微网接入对电流保护方案的影响
• 5.4.1 微网接入馈线中部
• 5.4.2 微网接入馈线末端
• 5.4.3 微网接入馈线母线
• 5.5 DG控制特性对故障电流的影响
• 5.6 考虑微网并网的配电网保护
• 5.7 微网对配电网的其他影响
• 5.8 小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果