微電源故障輸出特性和微電網(wǎng)保護(hù)方案初探畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、微電源故障輸出特性和微電網(wǎng)保護(hù)方案初探摘要分布式發(fā)電不僅具有環(huán)保、效率高、安裝地因地制宜等優(yōu)點(diǎn)，而且可節(jié)省長(zhǎng)距離輸電線路的投資成本和損耗，保障在大電網(wǎng)發(fā)生意外停電時(shí)，能夠提供基本的能源供應(yīng)。然而，分布式發(fā)電的隨機(jī)性、小容量、小慣性、低過載能力等缺點(diǎn)，以及分布式發(fā)電接入對(duì)大電網(wǎng)的影響等諸多因素都制約著分布式發(fā)電技術(shù)的推廣和實(shí)用，微電網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)就是為了解決這些難題。本文首先對(duì)逆變型分布式電源的工作原理以及控制策略進(jìn)行了理論分析，并在此基礎(chǔ)上分別詳細(xì)分析了在pq控制以及vf控制下逆變型分布式電源的故障輸出特性，并在matlab/simulink仿真環(huán)境下進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了控制策略的有效性以及故障輸出

2、特性分析的正確性。最后闡述了微電網(wǎng)的配置、保護(hù)層次和邏輯，以及基于全局信息的集中式保護(hù)方案。關(guān)鍵詞：逆變型分布式電源，故障輸出特性，微電網(wǎng)，仿真，保護(hù)方案abstractthe distributed generation（dg）is eco-friendly, high efficiency and has advantage in installation location of localization. moreover, it can reduce the transmission and distribution line loss, lower the operation cos

3、t, guarantee basic energy supply when the power grid power has malfunction. however, there also some disadvantages for the distributed power generation, such as randomness, small capacity, small inertia, low overload ability, the influence of distributed generation access to power grid and so on.man

4、y factors restrict the application and promotion of distributed power generation technology.the emergence of micro-grid technology is to solve these problems.firstly ,the works and control strategies of distributed generation are analyzed theoretically,and on the basis of this analysis，the output fa

5、ilure characteristics on the pq power control,v/f control of the inverter distributed generation are analyzed in detail.and runs a simulated modeling test under the simulation environment of matlab/simulink software,verify the effectiveness of the control strategy,and the accuracy of output failure

6、characteristics analysis.finally elaborated the level of protection device and the protection logic of the microgrid,and centralized protection program on the basis of global information. key words: distributed generator, output failure characteristics, microgrid,simulation, protection program目錄摘要1a

7、bstract2第一章 緒論41.1 課題的背景和意義41.2 國(guó)內(nèi)外微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀51.2.1 各國(guó)對(duì)微電網(wǎng)的定義和研究方向51.2.2 微電網(wǎng)保護(hù)的研究現(xiàn)狀61.3 本文研究主要內(nèi)容8第二章 微電網(wǎng)的控制策略及故障特性分析92.1 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)92.2 微電源的分類及控制原理112.2.1 微電源的分類112.2.2 逆變型分布式電源的工作原理112.2.3 逆變型分布式電源的控制方法122.3 逆變型分布式電源的故障輸出特性分析142.3.1 逆變型分布式電源的模型簡(jiǎn)化142.3.2 恒壓恒頻控制下ibdg的故障輸出特性分析152.3.3 恒功率控制下ibdg 的故障輸出特性分析2

8、02.4 本章小結(jié)22第三章 微電源故障特性研究233.1 pq和v/f控制模型搭建233.2 控制策略仿真算例243.3 ibdg的故障暫態(tài)仿真263.3.1 恒壓恒頻控制下ibdg的故障輸出仿真263.3.2 恒功率控制下ibdg 的故障輸出仿真293.4 本章小結(jié)33第四章 微電網(wǎng)的保護(hù)344.1 基于電流序分量的保護(hù)方法344.2 保護(hù)的層次和邏輯354.2 基于全局信息的集中式保護(hù)364.2.1 微電網(wǎng)內(nèi)的保護(hù)配置374.2.2 集中式保護(hù)方案的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)384.3 孤島檢測(cè)與保護(hù)分析394.4 本章小結(jié)41總結(jié)42致謝43參考文獻(xiàn)44第一章 緒論1.1 課題的背景和意義 隨著經(jīng)濟(jì)和科

9、學(xué)技術(shù)的大力發(fā)展，大電網(wǎng)在過去數(shù)十年里發(fā)展迅猛，成為電力供應(yīng)的主要渠道。然而，這些集中式供電的大電網(wǎng)也存在一些弊端和不足，特別是近幾年來，接連幾次發(fā)生了世界范圍內(nèi)的大面積停電事故以后，大電網(wǎng)的脆弱性充分地暴露出來，特別是在發(fā)生自然災(zāi)害、電網(wǎng)事故的緊急情況下，軍工、醫(yī)院、金融等系統(tǒng)突然斷電造成的不僅僅是經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)危及社會(huì)的安全和穩(wěn)定。 目前分布式發(fā)電機(jī)的數(shù)量在電力系統(tǒng)中占得比例越來越高，各國(guó)對(duì)利用清潔可再生能源發(fā)電的重視，促使了分布式發(fā)電技術(shù)的迅猛發(fā)展。所謂的分布式發(fā)電(distributed generation, dg)，通常是指采用各種分散存在的清潔能源，包括風(fēng)能、太陽(yáng)能、小型水能等可

10、再生能源進(jìn)行發(fā)電供能。分布式發(fā)電具有靈活性特點(diǎn)，可以在峰谷電價(jià)下啟動(dòng)，減小電費(fèi)支出。同時(shí)，對(duì)于邊遠(yuǎn)貧困地區(qū)安裝小型dg裝置，可以充分利用當(dāng)?shù)刭Y源，避免因長(zhǎng)距離輸電而造成的損耗，從而有效提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。分布式發(fā)電還具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，具有投資少和見效快的特點(diǎn)，從而彌補(bǔ)了大電網(wǎng)在穩(wěn)定性與安全性方面的不足。當(dāng)?shù)卣?、洪水、冰?zāi)等自然災(zāi)害或者人為破壞等突發(fā)災(zāi)難而導(dǎo)致大電網(wǎng)崩潰時(shí)，分布式發(fā)電能夠繼續(xù)對(duì)重要用戶進(jìn)行供電，從而避免因大范圍停電給國(guó)家重要部門帶來的損害。 分布式發(fā)電雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是本身也存在許多缺點(diǎn)，例如，分布式電源控制困難和單機(jī)接入成本高等；另外，分布式電源與大電網(wǎng)相比是不可控源

11、，而且對(duì)電網(wǎng)及用戶造成了巨大沖擊，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行、電能質(zhì)量、保護(hù)可靠性等都帶來不利影響，使得并網(wǎng)的規(guī)模受到限制。因此電網(wǎng)往往采取隔離和限制的方式來處理分布式電源的接入，從而削弱了分布式發(fā)電效能的利用。 為了充分發(fā)揮dg的優(yōu)勢(shì)，減少dg對(duì)電網(wǎng)的沖擊及一些負(fù)面影響，盡最大可能的實(shí)現(xiàn)dg的效益和價(jià)值。在本世紀(jì)初專家們提出了微電網(wǎng)(micro-grid)的概念，微電網(wǎng)也稱為微網(wǎng)，是指通過電力電子器件把以可再生能源為主的分布式電源連接起來，結(jié)合能量轉(zhuǎn)換裝置、監(jiān)控系統(tǒng)、保護(hù)等技術(shù)而成帶動(dòng)相關(guān)負(fù)荷的微型發(fā)配電系統(tǒng)，能夠提供電能和熱量，是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)，同時(shí)還滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量和供電

12、可靠性、安全性的要求，既可以并網(wǎng)運(yùn)行也可以孤島運(yùn)行的微型電網(wǎng)。微電網(wǎng)中的電源也稱為微電源(micro-generator, mg)，主要有水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等。為了提高微電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和電能質(zhì)量，微電網(wǎng)中一般還包含電能存儲(chǔ)裝置，如飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)、超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能系統(tǒng)、超級(jí)電容等。微電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝在用戶側(cè)，具有低成本、低污染等特點(diǎn)。 微電網(wǎng)的引入，對(duì)傳統(tǒng)中低壓配網(wǎng)的保護(hù)帶來了挑戰(zhàn)：原本輻射狀線路的單向潮流方向可能變成雙向，傳統(tǒng)分布式系統(tǒng)保護(hù)可能由于微電網(wǎng)內(nèi)結(jié)構(gòu)變化而退出。同時(shí)，電力電子器件在dg中的使用，使得故障電流幅值通常只有額定電流的2-3倍。微電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行下均應(yīng)能夠響

13、應(yīng)于故障，做到大電網(wǎng)側(cè)故障不動(dòng)作，網(wǎng)內(nèi)故障時(shí)迅速正確響應(yīng)，成為了微電網(wǎng)保護(hù)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。1.2 國(guó)內(nèi)外微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀1.2.1 各國(guó)對(duì)微電網(wǎng)的定義和研究方向 微電網(wǎng)解決了dg高滲透率并網(wǎng)問題，并能充分發(fā)揮dg的各種優(yōu)勢(shì)，成為了公共電網(wǎng)的有效補(bǔ)充和利用形式，自然受到世界各國(guó)越來越多的關(guān)注與支持，發(fā)展?jié)摿κ志薮蟆?1) 美國(guó)微電網(wǎng)的研究 美國(guó)是最早提出微電網(wǎng)概念的國(guó)家。1999年，美國(guó)電氣可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(huì)(certs)首次并較完整的將微電網(wǎng)定義為：微電網(wǎng)相對(duì)大電網(wǎng)來說是一個(gè)單一受控單元，可以為用戶提供高質(zhì)量電能和用電安全需求。微電網(wǎng)內(nèi)部由微電源和負(fù)荷組成，可以同時(shí)產(chǎn)生電能和熱能；微電源產(chǎn)

14、生的能量來自于內(nèi)部電力電子器件的轉(zhuǎn)換；并且提出了“即插即用”以及“對(duì)等”控制思路和設(shè)計(jì)方案，這成為了微電網(wǎng)概念中最早和最權(quán)威的概念。目前美國(guó)已經(jīng)對(duì)微電網(wǎng)的建模與仿真、保護(hù)與控制以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等方面理論進(jìn)行了分析，并逐步形成了相關(guān)的管理政策和法規(guī)；同時(shí)，美國(guó)政府將建設(shè)“電網(wǎng)現(xiàn)代化”建設(shè)與微電網(wǎng)結(jié)合，將以后研究和發(fā)展的重點(diǎn)放在為重要負(fù)荷供電可靠性提高、滿足用戶多樣化用電需求、實(shí)現(xiàn)智能化、降低成本等。2) 歐盟微電網(wǎng)的研究 歐盟微電網(wǎng)研究機(jī)構(gòu)將微電網(wǎng)定義為：配有儲(chǔ)能裝置的；使用一次能源，經(jīng)過電力電子器件對(duì)能量控制和轉(zhuǎn)換；可冷、熱、電三聯(lián)供；集中多種微型分布式發(fā)電裝置。歐盟將電力系統(tǒng)的發(fā)展方向定為“智能

15、電網(wǎng)”的方向，而微電網(wǎng)本身的智能化、能量利用的多元化以及環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為了他們研究的重點(diǎn)。目前，在多國(guó)建設(shè)的不同規(guī)模的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上已經(jīng)對(duì)微網(wǎng)的運(yùn)行、控制、通信、保護(hù)及安全等理論進(jìn)行了驗(yàn)證，并且將后期的研究工作定為建設(shè)示范工程、更先進(jìn)的控制策略、dg大規(guī)模接入以及由傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)過渡等方面。3) 日本微電網(wǎng)的研究 由于一次能源的匱乏以及負(fù)荷需求的迅速增長(zhǎng)，日本十分重視可再生能源在本國(guó)能源結(jié)構(gòu)中越來越多的利用。微電網(wǎng)能極大發(fā)揮分布式電源效能的理念促使了微電網(wǎng)在日本的飛速發(fā)展。日本的微電網(wǎng)定義為：根據(jù)客戶需求，在部分特殊區(qū)域裝設(shè)分布式能源的小型系統(tǒng)，為其提供電能和熱能。他們對(duì)微電網(wǎng)的研究方

16、向主要設(shè)在對(duì)電能需求多樣化方面、能源利用率以及環(huán)保方面。目前日本政府已經(jīng)與國(guó)家重點(diǎn)科研室、國(guó)內(nèi)高校、相關(guān)企業(yè)合作，在新能源利用與可再生能源的使用以及微電網(wǎng)發(fā)展方面取得了不錯(cuò)的成果。 4) 微電網(wǎng)在我國(guó)的研究和發(fā)展 結(jié)合我國(guó)電網(wǎng)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，參考國(guó)外微電網(wǎng)定義的特點(diǎn)，我國(guó)將微電網(wǎng)定義為：微電網(wǎng)是一種基于傳統(tǒng)電源的獨(dú)立控制系統(tǒng)，通過本地分布式能源或者中、小型發(fā)電機(jī)較大規(guī)模的優(yōu)化配置，向周圍負(fù)荷提供熱能、電能的特殊電網(wǎng)；在充分滿足用電客戶對(duì)電能質(zhì)量和供電安全要求的基礎(chǔ)上，通過利用內(nèi)部電源和負(fù)荷的可控性，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行的自治；微電網(wǎng)對(duì)大電網(wǎng)表現(xiàn)為一個(gè)可控的整體單元，可以平滑實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)、孤

17、島的切換。國(guó)家863和973項(xiàng)目中都開設(shè)了微電網(wǎng)研究課題。廣州、內(nèi)蒙古、北京等地已經(jīng)通過引入國(guó)外技術(shù)建成了近10座微網(wǎng)示范系統(tǒng)。微電網(wǎng)的發(fā)展對(duì)我國(guó)來說具有重要意義：我國(guó)幅員遼闊，清潔能源布局分散、隨機(jī)和間歇。微電網(wǎng)可將分散的dg整合，最大化接納分布式能源；可解決偏遠(yuǎn)農(nóng)村無電或缺電問題，對(duì)逐步實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義新農(nóng)村的電氣化問題提供解決方式；多種互補(bǔ)式能源同時(shí)提供冷、熱、電能，加上儲(chǔ)能單元的調(diào)節(jié)控制，對(duì)提高我國(guó)能源利用效率，減輕環(huán)境污染具有重大意義；面臨地震、洪水、颶風(fēng)等自然災(zāi)害時(shí)，微電網(wǎng)的加入能夠提高電網(wǎng)抗災(zāi)能力，保證不間斷供電；微電網(wǎng)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警能力，對(duì)改善供電可靠性，滿足不同用戶電能質(zhì)量

18、需求具有重大意義。1.2.2 微電網(wǎng)保護(hù)的研究現(xiàn)狀通常情況下，低壓配電網(wǎng)呈單電源輻射狀結(jié)構(gòu)，微電網(wǎng)中由于多個(gè)分布式電源的引入，潮流雙向流通，使得短路電流的整定計(jì)算變得更加復(fù)雜。微電源之間的距離可能很短，區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障時(shí)電壓可能非常接近，這將造成所形成的故障判據(jù)的靈敏度不夠。文獻(xiàn)3研究了通過電力電子器件接入電網(wǎng)的分布式電源的控制和保護(hù)問題，詳細(xì)分析了在網(wǎng)絡(luò)不同運(yùn)行模式下微電源的不同控制方式和對(duì)保護(hù)的影響問題。文獻(xiàn)4利用動(dòng)態(tài)仿真很好地回避建立系統(tǒng)阻抗矩陣的問題，并且分析了帶逆變器并網(wǎng)的dg給配網(wǎng)繼電保護(hù)帶來的影響，并得出結(jié)論：經(jīng)逆變器的dg并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的影響并不十分明顯。文獻(xiàn)5研究了孤島運(yùn)行下的微電

19、網(wǎng)在失去配電網(wǎng)容量支撐時(shí)，由于分布式電源自身容量較小，其故障特性與并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)差別很大的問題。文獻(xiàn)6通過仿真驗(yàn)證了微電網(wǎng)的故障電流一般情況下遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主電網(wǎng)的故障電流，傳統(tǒng)的電流保護(hù)無法應(yīng)對(duì)微電網(wǎng)保護(hù)的特殊性。微電網(wǎng)中微電源的容量一般都很小，在孤島模式或兩種模式轉(zhuǎn)換過程中，操作或微電源波動(dòng)都可能會(huì)出現(xiàn)較長(zhǎng)的暫態(tài)過程?？傊?，dg并網(wǎng)給微電網(wǎng)保護(hù)帶來了一系列問題。由于聯(lián)網(wǎng)時(shí)短路容量大，多個(gè)dg接入點(diǎn)不同或是故障類型不確定，引起故障電流方向多變和保護(hù)整定困難；另外一點(diǎn)就是包括光伏電池、燃料電池這類逆變型電源，由于內(nèi)部熱過載能力較低，輸出電流一般被限制為額定電流的2-3倍，很難利用故障電流進(jìn)行故障定位。因

20、此，人們開始探索其它保護(hù)技術(shù)。一種方法是針對(duì)孤島下電流大小不足以使傳統(tǒng)過流保護(hù)裝置動(dòng)作而使用儲(chǔ)能系統(tǒng)為微電網(wǎng)提供故障電流；另一種方法是提取新的不受這兩種特點(diǎn)影響的故障特征量來檢測(cè)故障并動(dòng)作于保護(hù)，使微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)7通過控制故障dg接口逆變器的直流側(cè)電壓，改變故障時(shí)的輸出電流。也有學(xué)者提出安裝補(bǔ)償性電流源的方法，但是這種方案要根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)開啟或關(guān)閉，所以高度依賴于孤島檢測(cè)技術(shù)和補(bǔ)償性電流源的可靠性操作,這種方法是不經(jīng)濟(jì)的。文獻(xiàn)8提出了一種在孤島和并網(wǎng)下相同的保護(hù)策略。文中將微電網(wǎng)劃分為5個(gè)保護(hù)區(qū)，每個(gè)區(qū)之間裝設(shè)有三相電流互感器，中性線上設(shè)有三相和電流互感器。針對(duì)單相接地故障和相間

21、故障，提出對(duì)稱分量法和差分電流法相結(jié)合的保護(hù)策略，過電流保護(hù)作為后備。但這種策略無法檢測(cè)三相短路故障，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)通用性不高。文獻(xiàn)9提出了一種新的基于電壓擾動(dòng)量的方法，通過將逆變器接口采集到的三相交流電壓量從abc坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到dq同步坐標(biāo)系下的直流量，并用與參考值的差值判斷故障類型，當(dāng)微電網(wǎng)中有故障發(fā)生時(shí)，接口電壓將發(fā)生變化，的值可能是從零到最大值的擺動(dòng)量、直流量和擺動(dòng)量的疊加或是恒定直流量三種形式，由此就可以判定出單相、兩相和三相故障中的哪種故障；并通過和相鄰繼電器的通信比較來判斷故障發(fā)生在區(qū)內(nèi)還是區(qū)外。該方法避開了運(yùn)行方式帶來的故障電流差異，但是不適合單相跳閘。文獻(xiàn)10使用繼電器監(jiān)測(cè)

22、逆變型電源端口輸出的電壓，通過對(duì)電壓的離散傅里葉變換和諧波畸變率分析，判斷故障相和故障位置。實(shí)現(xiàn)技術(shù)難點(diǎn)就是thd門檻值的設(shè)定和通信的同步，對(duì)包含多個(gè)dg的微電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)困難。文獻(xiàn)11設(shè)計(jì)了一種新式繼電器用來應(yīng)對(duì)微電網(wǎng)孤島下逆變型電源的限流導(dǎo)致的微電網(wǎng)孤島運(yùn)行下故障電流小的問題。但是這種方法成本過高，而且該裝置目前也在研究階段。微電網(wǎng)保護(hù)的快速性也是尤為重要的，當(dāng)微網(wǎng)饋線上直接聯(lián)有旋轉(zhuǎn)電機(jī)時(shí)，必須保證用戶側(cè)的保護(hù)足夠快速的動(dòng)作來減少故障電壓跌落的持續(xù)時(shí)間，尤其是保證孤島運(yùn)行時(shí)的微網(wǎng)在故障清除后穩(wěn)定運(yùn)行。因此，從微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行角度來看，保護(hù)的快速響應(yīng)能力和在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后的同步能力是十分重要的

23、。總之，如何能確保微電網(wǎng)內(nèi)的保護(hù)在正常操作和擾動(dòng)下，可靠不動(dòng)作；在孤島和聯(lián)網(wǎng)不同運(yùn)行方式下，均對(duì)內(nèi)部故障及時(shí)作出正確判斷，并且在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)快速感知大電網(wǎng)側(cè)故障，同時(shí)能夠保證內(nèi)部保護(hù)的靈敏性、可靠性、選擇性和快速性。配電網(wǎng)中傳統(tǒng)的電壓電流保護(hù)顯然已經(jīng)無法滿足微電網(wǎng)保護(hù)的特殊要求，國(guó)內(nèi)外的研究也剛剛起步，還有很多難題沒有攻克，缺少一種行之有效的保護(hù)策略。針對(duì)以上情況，本文分析了微電網(wǎng)繼電保護(hù)中應(yīng)調(diào)整的對(duì)策。最后，分析了微電網(wǎng)主要的保護(hù)情況。 1.3 本文研究主要內(nèi)容第一章概述了微電網(wǎng)技術(shù)的背景和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，介紹了微電網(wǎng)保護(hù)的研究現(xiàn)狀，并闡述了本課題的研究意義。第二章介紹了微電源的分類，著重介紹了逆變

24、型分布式電源接口逆變器的控制策略，并分別針對(duì)恒壓恒頻控制和恒功率控制這兩種逆變器控制策略下的分布式電源的故障輸出特性進(jìn)行了理論分析第三章用matlab軟件分別搭建微電網(wǎng)仿真模型，并用仿真算例驗(yàn)證了控制策略的正確性，研究了在故障電流達(dá)到故障限流之前逆變型分布式電源端口的輸出特性，并仿真給出了相應(yīng)的特征量變化第四章基于以上理論分析及仿真結(jié)果，提出具體的微電網(wǎng)保護(hù)方案。第二章 微電網(wǎng)的控制策略及故障特性分析微網(wǎng)內(nèi)的微源種類多樣，包括微型燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)機(jī)、燃料電池、光伏電池和儲(chǔ)能電容器等，其工作特性也各不相同。比如對(duì)于微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池而言，其出力可以人為干預(yù)調(diào)節(jié)，既可以對(duì)有功無功進(jìn)行控制，也可以實(shí)

25、現(xiàn)電壓頻率控制，在微網(wǎng)孤島時(shí)提供網(wǎng)內(nèi)電壓和頻率支撐，屬于非間歇式微源；而對(duì)于風(fēng)能、太陽(yáng)能等發(fā)電形式，其輸出具有波動(dòng)性和間歇性特點(diǎn)，輸出功率受天氣影響很大。這類電源一般采用恒功率控制策略，即跟蹤目標(biāo)的最大功率輸出，通過并網(wǎng)逆變器控制電流波形和輸出功率，使其向電網(wǎng)輸送的功率與電動(dòng)機(jī)或者光伏陣列所發(fā)出的最大功率相平衡，以保證可再生能源能夠達(dá)到最大的利用率。本章首先詳細(xì)介紹微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和微電源的分類，針對(duì)微電網(wǎng)中通常采用的逆變型分布式電源的工作原理和特點(diǎn)不同，區(qū)分采用不同的控制策略，進(jìn)而搭建微電網(wǎng)的模型，對(duì)不同控制策略下的逆變型分布式電源的故障進(jìn)行理論分析。2.1 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)從結(jié)構(gòu)上看，微電

26、網(wǎng)是一個(gè)帶有多個(gè)負(fù)載及dg的微型電力系統(tǒng)，通過一個(gè)能量管理系統(tǒng)、靈活交流輸電系統(tǒng)控制裝置(例如，功率潮流控制器，電壓控制器等)以及保護(hù)裝置構(gòu)成。微電網(wǎng)自身可以是直流或者交流網(wǎng)絡(luò)，交流微電網(wǎng)可以是一個(gè)單相或是三相的系統(tǒng)。它可以被連接到一個(gè)低壓或者中壓的配電網(wǎng)中。微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，它包含的分布式電源包括光伏發(fā)電、微汽輪機(jī)以及燃料電池系統(tǒng)，連接在a、b饋線中。微電網(wǎng)和大電網(wǎng)之間的連接是由公共耦合點(diǎn)(point of common coupling, pcc)處的分?jǐn)嘣O(shè)備(通常為一個(gè)靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān))來保證一旦大電網(wǎng)故障時(shí)的快速斷開。更簡(jiǎn)單的說，微電網(wǎng)可以看做是一個(gè)包含了電源和控制設(shè)施的分布

27、式系統(tǒng)，能量管理系統(tǒng)作為微電網(wǎng)的控制中心，內(nèi)部包含了保護(hù)設(shè)備的配合以及電能質(zhì)量監(jiān)控管理，來保證微電網(wǎng)的可靠操作以及對(duì)大電網(wǎng)需求的響應(yīng)。微電網(wǎng)的另一個(gè)特點(diǎn)是該分布式的網(wǎng)絡(luò)可以連接為一個(gè)環(huán)網(wǎng)，來提高系統(tǒng)的可靠性。由于dg更接近負(fù)荷，燃料電池及微汽輪機(jī)之類的電源就可以作為熱電聯(lián)產(chǎn)的電源來提高能源的利用率。加裝了蓄電池的燃料電池可以產(chǎn)生可控的輸出功率來滿足大電網(wǎng)或者負(fù)荷切換瞬間的需求。風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電通常有來自風(fēng)機(jī)和太陽(yáng)能電池板的最大功率跟蹤(maximum point of power tracking, mppt)。同樣，加裝了儲(chǔ)能單元的風(fēng)機(jī)和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)能夠產(chǎn)生可控的輸出功率來滿足發(fā)電和負(fù)荷

28、的需要?？傊?，微電網(wǎng)為能源的最佳利用提供了機(jī)會(huì)，可以根據(jù)不同的地區(qū)環(huán)境和不同的負(fù)荷需要合理的配置不同的發(fā)電單元以全面提高電能和熱能的使用效率。a、b兩條饋線當(dāng)大電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)與大電網(wǎng)斷開后的獨(dú)立運(yùn)行，因此可以滿足對(duì)可調(diào)節(jié)負(fù)荷或敏感負(fù)荷的不間斷本地供電；c饋線上一般連接用電要求不高的非敏感負(fù)荷，通常是由大電網(wǎng)直接供電。圖2-1 微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)微電網(wǎng)的運(yùn)行方式主要有兩種：并網(wǎng)模式和孤島模式。并網(wǎng)時(shí)，dg的主要功能是提供電能并提供本地電壓和功率支撐，由于電力電子元件的使用，dg還能產(chǎn)生可控的無功功率。這樣能夠降低線路損耗，提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)可以單獨(dú)控制每一個(gè)dg

29、的有功和無功參考值，例如光伏和風(fēng)力發(fā)電之類的dg也可以由mppt跟蹤控制輸出最大的功率。另一個(gè)運(yùn)行模式是孤島運(yùn)行，它是在微電網(wǎng)從大電網(wǎng)斷開后(例如，當(dāng)大電網(wǎng)斷電時(shí))持續(xù)為本地負(fù)荷提供電能的運(yùn)行方式，保證孤島能穩(wěn)定運(yùn)行，其內(nèi)部dg的控制需要滿足以下三個(gè)需求：第一，所有dg供能總和應(yīng)能滿足網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷需要，由此可以避免dg間通過容量大小分擔(dān)負(fù)荷而造成的設(shè)備損壞。第二，有dg能夠采用電壓控制來保證所有線路電壓值在范圍內(nèi)。第三，所有dg必須同步并提供微電網(wǎng)的頻率控制。根據(jù)兩種運(yùn)行模式下的不同的控制方法，為保證微電網(wǎng)的正常運(yùn)行，每個(gè)dg都帶有快速可靠的孤島檢測(cè)技術(shù)也十分重要。為保證故障清除后微電網(wǎng)重新穩(wěn)定并

30、入大電網(wǎng)，微電網(wǎng)還需要有再同步技術(shù)。由于孤島模式下微電網(wǎng)側(cè)的pcc終端電壓幅值，頻率和相角，可能與大電網(wǎng)側(cè)的終端值不同。所以，在閉合開關(guān)前就需要采用再同步技術(shù)，再同步技術(shù)是為了保證重新聯(lián)網(wǎng)時(shí)的平滑過渡。最后，保護(hù)是微電網(wǎng)另一個(gè)十分重要的問題。無論是大電網(wǎng)側(cè)或是微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生故障，微電網(wǎng)都需要能夠快速響應(yīng)于新的保護(hù)方案以及配合方法，這是因?yàn)椋?（1）傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)保護(hù)可能由于微電網(wǎng)的放射狀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而退出。（2）電力電子器件在dg中的使用，限流幅值通常只有額定電流的2-3倍，傳統(tǒng)的過電流保護(hù)方法不再適合于微電網(wǎng)。（3）傳統(tǒng)的保護(hù)由于分布式電源的接入受到嚴(yán)重的影響，每個(gè)dg都可能增加故障電流大

31、小?？傊㈦娋W(wǎng)的保護(hù)需要重新配置并且故障電流需要重新計(jì)算和估計(jì)。2.2 微電源的分類及控制原理2.2.1 微電源的分類微電源是微網(wǎng)的重要組成部分，它的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是電力電子技術(shù)，各種微電源接入大都是通過逆變器聯(lián)接的，響應(yīng)時(shí)間都在毫秒級(jí)?？刂品绞郊瓤梢砸揽勘镜匦畔ⅲ部梢越柚谕ㄐ攀侄?。這些微電源按照并網(wǎng)方式的不同可以分為三大類。 （1）直流電源，如燃料電池、光伏電池、直流風(fēng)機(jī)等。其并網(wǎng)方式如圖2-2所示。圖2-2 直流逆變型電源并網(wǎng)示意圖（2）交直交電源，如微型燃?xì)廨啓C(jī)、變速恒頻風(fēng)機(jī)等某些發(fā)電形式雖為交流，但不為工頻或不恒為工頻的微源。其并網(wǎng)方式如圖2-3所示。圖2-3 交直交逆變型電源并網(wǎng)示意

32、圖（3）工頻交流電源，如小水電機(jī)組、柴油發(fā)電機(jī)、小風(fēng)機(jī)等。由于這類電源沒有電力電子接口，采取直接并網(wǎng)方式，不具快速調(diào)節(jié)能力，所以在微電網(wǎng)中較少出現(xiàn)。后文中將以上前兩種電源統(tǒng)稱為逆變器接口的分布式電源(inverter-interfaced distributed generators)，簡(jiǎn)稱ibdg 。2.2.2 逆變型分布式電源的工作原理如圖2-4所示為三相電壓型逆變器的并網(wǎng)拓?fù)潆娐罚嗄孀兤鲗⒌刃Ш蟮奈㈦娫粗绷鬏敵鲭妷耗孀優(yōu)槿嘟涣麟?，?jīng)過lc濾波后輸送到負(fù)荷端。其中，、為濾波器參數(shù)，、為線路參數(shù)，為逆變器的輸出電壓，為負(fù)載的端電壓，為流過電感的電流，為電容中流過的電流，為流向負(fù)載和電網(wǎng)

33、的電流之和。圖2-4 三相逆變器并網(wǎng)拓?fù)潆娐返湫湍孀兤鞯目刂品桨溉鐖D2-5所示，兩個(gè)級(jí)聯(lián)的控制回路分別為相位控制和幅值控制。它們將現(xiàn)場(chǎng)采集信息和控制信號(hào)作為輸入，根據(jù)相應(yīng)的控制策略，為 pwm控制提供輸入，以此來使逆變橋產(chǎn)生閥觸發(fā)脈沖。圖2-5 逆變器的控制方案2.2.3 逆變型分布式電源的控制方法常見的微電源接口逆變器控制方法有恒功率(pq)控制和恒壓恒頻(v/f)控制。 1) pq控制對(duì)于風(fēng)能、太陽(yáng)能等發(fā)電形式，其輸出功率具有波動(dòng)性和間歇性特點(diǎn)，受天氣影響很大。這類電源一般采用pq控制策略，即跟蹤目標(biāo)的最大功率輸出，通過并網(wǎng)逆變器控制電流波形和輸出功率，使其向電網(wǎng)輸送的功率與電動(dòng)機(jī)或者光伏

34、陣列所發(fā)出的最大功率相平衡，以保證可再生能源能夠達(dá)到最大的利用率。下面就說明一下pq控制的原理：pq控制是通過有功和無功電流的調(diào)節(jié)，令其跟蹤參考電流而實(shí)現(xiàn)。逆變器三相對(duì)稱系統(tǒng)中，并網(wǎng)基波電壓為，相電壓幅值為，則有： （2-1）從靜止abc坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系的變換(稱為park變換，或dq變換)： （2-2）對(duì)進(jìn)行dq變換可得： （2-3）可以看出三相電壓在靜止abc坐標(biāo)系下是耦合的，但是在旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)下，d 軸分量和q軸分量不相耦合，并且為一個(gè)常數(shù)，=0。逆變器輸出電流i，經(jīng)過dq變換后得d軸和q軸電流分別是、。由于 = 0，所以當(dāng)設(shè)定逆變器輸出有功功率和無功，則逆變器輸出參考電流為 （2

35、-4）由式可以看出，有功功率p由決定，無功功率q由決定，把逆變器輸出功率的控制問題轉(zhuǎn)化成對(duì)電流的控制問題，其控制原理如圖2-6所示，經(jīng)過dq0坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，對(duì)功率進(jìn)行解耦后，將實(shí)際測(cè)量的功率值與給定值相比較，經(jīng)過pi控制器實(shí)現(xiàn)無差控制。圖2-6 逆變器pq控制圖pq控制方式適用于微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式，當(dāng)微電網(wǎng)斷開pcc開關(guān)運(yùn)行時(shí)，pq控制下的微電源不能維持電壓頻率的穩(wěn)定，系統(tǒng)將會(huì)瓦解。2) v/f控制通常v/f控制方式用于微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)的逆變電源。在該狀態(tài)下，微電網(wǎng)中必須至少有一個(gè)dg作為主控電源，為整個(gè)獨(dú)立的微電網(wǎng)提供電壓和頻率的參考值，來保證電壓和頻率始終運(yùn)行在一定水平。v/f控制方式的實(shí)質(zhì)是

36、不論逆變電源輸出功率如何變化，逆變器輸出的電壓幅值和頻率一直維持不變。但由于孤島容量有限，一旦出現(xiàn)功率缺額，必須要切除次要負(fù)荷才能保證重要負(fù)荷繼續(xù)工作。因此v/f控制方式應(yīng)具有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，能更快響應(yīng)跟蹤負(fù)荷投切，保證逆變器輸出電壓穩(wěn)定。為了解決這一問題，v/f控制采用電壓電流雙環(huán)控制，能利用逆變器反饋電壓以調(diào)節(jié)交流側(cè)電壓來保證輸出電壓的穩(wěn)定，不僅使逆變器控制系統(tǒng)的帶寬增大，加快了逆變器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并使其對(duì)非線性負(fù)載擾動(dòng)的適應(yīng)能力加強(qiáng)了。v/f控制方式結(jié)構(gòu)如圖 2-7所示。圖2-7 典型 v/f 控制器結(jié)構(gòu)2.3 逆變型分布式電源的故障輸出特性分析2.3.1 逆變型分布式電源的模型簡(jiǎn)化

37、通常，在ibdg逆變器前的直流母線上都接有電容，該電容在暫態(tài)時(shí)可以提供電能，相當(dāng)于同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸提供的旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)能維持暫態(tài)能量平衡。由于電容的儲(chǔ)能作用，直流側(cè)母線電壓不易發(fā)生突變。因此，在研究逆變型分布式電源時(shí)，在模型中可以忽略發(fā)電機(jī)部分的影響而不失一般性。以直流-交流的并網(wǎng)方式為例，其模型簡(jiǎn)化如圖2-8所示。該圖顯示了發(fā)電機(jī)、直流升壓模塊可以用一個(gè)直流電壓源進(jìn)行取代。由于橢圓形虛線括起的兩部分的外部表現(xiàn)基本相同，因此這種簡(jiǎn)化是合理的。圖2-8 ibdg的模型簡(jiǎn)化 圖2-11中逆變器與系統(tǒng)間的連接電抗x主要是由濾波器電抗和變壓器（假設(shè)逆變器經(jīng)變壓器接入電網(wǎng)）的漏電抗組成。2.3.2 恒壓恒頻控制

38、下ibdg的故障輸出特性分析 本節(jié)以如圖2-9所示的等效電路，以恒壓恒頻控制的ibdg單獨(dú)供電的系統(tǒng)為例，進(jìn)行不同類型故障的理論分析。圖2-9 ibdg 故障分析等效電路 圖2-9中，為逆變器出口電壓，u、i為保護(hù)安裝點(diǎn)電壓和電流，x、和分別為連接電抗、輸電線路和負(fù)載的等效阻抗。 1) 三相短路故障 當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生三相短路故障時(shí)，由于各相對(duì)稱，因此可簡(jiǎn)化為單相電路進(jìn)行分析。正常運(yùn)行時(shí)，ibdg出口保護(hù)安裝點(diǎn)的電壓、電流及ibdg輸出功率如式（2-5）所示。 （2-5） 當(dāng)線路末端發(fā)生三相金屬性接地故障時(shí)，ibdg出口電壓、電流及功率關(guān)系如式（2-6）。 （2-6） 可見，由于故障后系統(tǒng)阻抗由（）

39、減小至，采用恒壓恒頻控制的ibdg為了保證出口母線電壓u不變將增大輸出電流至i，其輸出功率也會(huì)隨電流的增大而上升至。 故障點(diǎn)越接近分布式電源，則系統(tǒng)等效阻抗越小，輸出電流越大，輸出功率也越大。當(dāng)輸出功率達(dá)到極限后，電壓、電流與功率的關(guān)系如式（2-7）所示，式中為電源出口至故障點(diǎn)間等效阻抗。 （2-7） 可見，當(dāng)輸出功率達(dá)到極限后，作為微電網(wǎng)能量平衡的調(diào)節(jié)器，ibdg將無法繼續(xù)維持恒壓恒頻控制，導(dǎo)致出口電壓下降。等效阻抗越小，出口電壓越小，電流越大。 為了保障電力電子器件運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，在逆變器的控制裝置中，大都設(shè)有一個(gè)電流限制裝置。一般當(dāng)輸出電流達(dá)到所設(shè)極限后，將不再增大。此時(shí)，ibdg

40、的輸出功率將隨著出口電壓的跌落而下降。 綜上所述，當(dāng)發(fā)生三相金屬性接地故障時(shí)，恒壓恒頻控制下ibdg的故障特性隨著故障嚴(yán)重程度的不同，可以分為三段定量關(guān)系： （1）在輸出視在功率達(dá)到極限之前滿足：，ibdg表現(xiàn)為一恒壓恒頻電源，輸出功率隨電流的增大而增大。 （2）在輸出視在功率達(dá)到極限之后，輸出電流達(dá)到極限之前滿足：，ibdg表現(xiàn)為一恒功率源。（3）在輸出電流達(dá)到極限之后，滿足：，ibdg表現(xiàn)為恒流源。 由于在第(2)、(3)的故障特性下，ibdg出口電壓會(huì)有大幅度的跌落，分布式電源自身的低電壓保護(hù)將迅速動(dòng)作使其退出運(yùn)行。因此，在后續(xù)分析中，將主要針對(duì)第(1)段故障特性，假定恒壓恒頻控制的ib

41、dg為一恒壓源。 2) 不對(duì)稱故障當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路、兩相相間短路或兩相短路接地等類型的不對(duì)稱故障時(shí)，由于系統(tǒng)的對(duì)稱性受到破壞，網(wǎng)絡(luò)中會(huì)出現(xiàn)不對(duì)稱的電流和電壓。在分析過程中，常采用對(duì)稱分量法將不對(duì)稱的三相電流和電壓各自分解為三組分別對(duì)稱的正、負(fù)、零序分量，再利用線性電路的迭加原理，對(duì)正、負(fù)、零序分量分別按對(duì)稱三相電路進(jìn)行求解，最后將其結(jié)果進(jìn)行迭加。通常取a相作為基準(zhǔn)項(xiàng)，其對(duì)稱分量與三相向量之間的關(guān)系為： （2-8）式中，并且，；正序分量的三相幅值分別相等，相位彼此之間相差，相序?yàn)轫槙r(shí)針方向；負(fù)序分量的三相幅值也相等，相位彼此之間相差，相序與正序恰好相反；零序分量的三相幅值相等，相位相同。在

42、正常運(yùn)行的情況下，由于ibdg 控制器中的pwm控制脈沖的發(fā)生是按對(duì)稱方式發(fā)送的，它產(chǎn)生波形的幅值和直流側(cè)的電容電壓有關(guān)。設(shè)為直流側(cè)電容電壓，逆變器輸出三相電壓瞬時(shí)值分別為 、，他們之間的關(guān)系如式(2-9)所示。其中，k 為常數(shù)，稱作逆變器的調(diào)制比，與ibdg電路主結(jié)構(gòu)和電壓脈寬有關(guān)，為ibdg輸出電壓和同步電壓參考值之間的夾角。 （2-9）在系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障的情況下，ibdg中會(huì)流過負(fù)序、零序電流。通常情況下，由于ibdg直流側(cè)并聯(lián)的電容容量有限，不對(duì)稱電流的流過會(huì)對(duì)直流側(cè)的電壓產(chǎn)生影響。零序電流與 ibdg輸出的正序電壓相乘得到的三相瞬時(shí)功率和為零，所以它對(duì)直流側(cè)電壓沒有影響。但是對(duì)于負(fù)

43、序電流來說，它與ibdg輸出的正序電壓相乘，計(jì)算得到三相瞬時(shí)功率之和將會(huì)為一個(gè)二倍工頻的波動(dòng)頻率。它會(huì)影響到ibdg 有限容量的直流電容電壓，會(huì)使直流側(cè)電壓產(chǎn)生一個(gè)二倍工頻的擾動(dòng)，該結(jié)論在眾多文獻(xiàn)中得到推導(dǎo)和論證12，并且有文獻(xiàn)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證13。直流側(cè)電容電壓在考慮電容電壓二倍頻波動(dòng)后表示為： （2-10） 式中為電容的直流分量，為二倍頻擾動(dòng)的電壓幅值，為初相角。將式(2-10)代入式(2-9)，得到在不對(duì)稱故障情況下ibdg出口三相電壓的瞬時(shí)值表達(dá)式，如式(2-11)所示。 (2-11)可以看出，因?yàn)槟孀兤髦绷鱾?cè)的電容電壓二倍頻擾動(dòng)的存在，使得pwm輸出的瞬時(shí)電勢(shì)中除了含有基頻正序量

44、（第一項(xiàng)）、基頻負(fù)序量（第二項(xiàng)），還產(chǎn)生了三倍頻正序量，故此時(shí)ibdg還由一個(gè)負(fù)序源和三次諧波源組成。以兩倍工頻頻率波動(dòng)的直流側(cè)電容電壓的幅值與直流源的大小以及并聯(lián)電容的容值相關(guān)，電容越大，直流側(cè)的電壓越穩(wěn)定，同時(shí)二倍頻波動(dòng)幅度越小。實(shí)際的運(yùn)用中，通常采用硬件和軟件兩種方式來減小直流側(cè)電容電壓的波動(dòng)：在控制環(huán)節(jié)中加入低通濾波器，在功率控制環(huán)中采用積分平均值的算法，都能夠有效的抑制二倍頻波動(dòng)電壓的幅值，減少ibdg輸出的負(fù)序和三次諧波分量，使其幅值的數(shù)量級(jí)與高次諧波接近?；谝陨戏治霰砻?，在不對(duì)稱短路故障下，研究ibdg的輸出特性，可以忽略其輸出電壓中的負(fù)序分量和三倍頻量的影響，將其近似等效為只

45、包含基頻正序量的電壓源。所以，從系統(tǒng)側(cè)看進(jìn)去，ibdg出口對(duì)系統(tǒng)零序、負(fù)序電壓相當(dāng)于短路，所以認(rèn)為ibdg的零序、負(fù)序內(nèi)阻等于逆變器與系統(tǒng)間的連接電抗x。以兩相相間短路為例，如圖2-10所示的三相電路中，當(dāng)k點(diǎn)發(fā)生兩相相間短路時(shí)，相對(duì)應(yīng)的序網(wǎng)絡(luò)等值電路如圖2-11所示， 為相間短路時(shí)ibdg出口處的正序等效電動(dòng)勢(shì)。圖2-10 bc 相間短路電路圖圖2-11 序網(wǎng)絡(luò)等效電路圖 bc 相間短路的邊界條件為 （2-12）將式(2-12)代入式(2-8)，可以得到用序分量表示的短路邊界條件為： （2-13）由上式可以看出，兩相相間短路時(shí)，沒有零序網(wǎng)絡(luò)，滿足此邊界條件的復(fù)合序網(wǎng)如圖2-12所示。圖2-1

46、2 bc相間短路復(fù)合序網(wǎng)由于恒壓恒頻控制，故障前后ibdg的輸出電壓恒定，在系統(tǒng)阻抗已知的情況下，可以求得故障后的正序電流（線路與負(fù)載的正、負(fù)序等效阻抗相等）： （2-14）可見，由于負(fù)序網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)導(dǎo)致系統(tǒng)總阻抗減小，正序電流較正常運(yùn)行時(shí)有所增加。ibdg 流過的負(fù)序電流有： （2-15）由式（2-15），故障后ibdg會(huì)流過較大的負(fù)序電流。這是因?yàn)閕bdg的逆變器出口對(duì)負(fù)序電壓短路，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，只有連接電抗x以及ibdg到故障點(diǎn)間的線路阻抗對(duì)負(fù)序電流起限流作用，因此很容易在ibdg中產(chǎn)生負(fù)序過電流。同時(shí)，ibdg出口保護(hù)安裝點(diǎn)的負(fù)序電壓為： （2-16）由于 ibdg 的逆變器出

47、口對(duì)負(fù)序電壓短路，保護(hù)安裝點(diǎn)采集到的負(fù)序電壓是負(fù)序電流在連接電抗x上的壓降。然而，相較于線路阻抗及負(fù)荷等效阻抗，ibdg的連接電抗x很小，因此當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生不對(duì)稱短路故障后ibdg出口采集到的負(fù)序電壓也很?。▽?duì)于其它類型的不對(duì)稱短路故障，零序電壓也有相同的結(jié)論）。綜上所述，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱短路故障后，采用恒壓恒頻控制ibdg出口的正序電壓保持不變，正序電流增大，同時(shí)出現(xiàn)明顯的負(fù)序電流。由于ibdg本身結(jié)構(gòu)的關(guān)系，其零、負(fù)序電壓不明顯。2.3.3 恒功率控制下ibdg 的故障輸出特性分析由于恒功率控制與恒壓恒頻控制不同，其目的是使ibdg輸出的恒定的有功功率和無功功率，不能夠維持系統(tǒng)的電壓和頻率，

48、因此在孤島運(yùn)行下，恒功率控制的 ibdg 不能單獨(dú)帶負(fù)荷運(yùn)行，需要恒壓恒頻控制的 ibdg 配合為系統(tǒng)供電。此處為了簡(jiǎn)化理論分析，仍以圖2-14所示的ibdg單獨(dú)供電系統(tǒng)，對(duì)恒功率控制的故障輸出特性進(jìn)行分析如下。 1) 三相短路故障在研究三相短路故障下恒功率控制ibdg的輸出特性時(shí)，與上節(jié)相似，仍采用單相電路進(jìn)行分析。正常運(yùn)行時(shí)，ibdg的輸出功率如式（2-17）所示。 （2-17） 線路末端有三相金屬性接地故障發(fā)生時(shí)，逆變器出口端的電壓、電流和功率之間的關(guān)系如式(2-18)。 （2-18） 可知，因?yàn)楣收虾蟮南到y(tǒng)阻抗由（）減小為，pq 控制下的ibdg將增大輸出電流i為來保持輸出功率不變，同

49、時(shí)，出口電壓u降低為。故障點(diǎn)越靠近分布式電源，系統(tǒng)的等值阻抗越小，電壓就越低，電流輸出值就越大。當(dāng)輸出電流達(dá)到ibdg的設(shè)定極限值之后將不再增加。 綜上所述，當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生三相接地短路故障時(shí)，pq控制下的ibdg故障特性根據(jù)故障的嚴(yán)重程度不同，可分為以下兩段定量關(guān)系： （1）當(dāng)輸出電流未達(dá)到ibdg設(shè)定電流極限時(shí)滿足：，ibdg對(duì)外表現(xiàn)出一恒功率電源，出口端電壓隨故障電流輸出值的增大而減小。 （2）當(dāng)輸出電流達(dá)到ibdg設(shè)定電流極限時(shí)滿足：，ibdg對(duì)外表現(xiàn)出一恒定電流源。 綜上可知，當(dāng)故障電流達(dá)到極限之后，分布式電源內(nèi)部的保護(hù)裝置會(huì)動(dòng)作切除。因此在后續(xù)分析中，僅考慮該控制下的ibdg為一恒功率

50、源。 2) 不對(duì)稱故障 對(duì)于恒功率控制ibdg的不對(duì)稱短路故障分析，仍采用2.4.2節(jié)的結(jié)論，認(rèn)為三相對(duì)稱調(diào)制控制的電壓源型逆變器是一個(gè)只含有基頻正序量的電壓源。 采用對(duì)稱分量法進(jìn)行分析，故障后序網(wǎng)絡(luò)電路可參考2.4.2節(jié)中的圖2-11。 故障前ibdg的輸出功率有： （2-19）其中， 、 、 及 、 、 分別為ibdg出口三相電壓及電流。將式（2-19）中的相電壓及電流根據(jù)公式（2-8）轉(zhuǎn)換成正、負(fù)、零序分量表示，有： （2-20）其中，正、負(fù)、零序電壓有： （2-21）與2.2.2節(jié)所得的結(jié)論類似，ibdg出口的正序電壓由逆變器出口正序電壓和連接電抗 x 上的正序壓降合成。而負(fù)、零序電壓

51、是負(fù)、零序電流流經(jīng)連接電抗 x產(chǎn)生的壓降。由于濾波裝置阻抗很小，因此ibdg出口負(fù)、零序電壓很小。將式（2-21）代入式（2-20）可得： （2-22）當(dāng)發(fā)生不對(duì)稱故障后，由于負(fù)、零序電流的出現(xiàn)，相當(dāng)于增加了容性負(fù)荷，采用恒功率控制的ibdg為了保證輸出功率恒定，在輸出的正序分量上增加了相應(yīng)的感性功率來進(jìn)行抵消。而ibdg 輸出的有功功率僅與正序分量有關(guān)，如式（2-23），其中為故障后系統(tǒng)等效阻抗。 （2-23）由于恒功率控制，故障前后ibdg輸出的有功功率恒定，在系統(tǒng)阻抗已知的情況下，可以根據(jù)式（2-23）求得故障后的正序電流。以bc相相間短路故障為例，復(fù)合序網(wǎng)可參考2.4.2節(jié)圖2-12。

52、考慮到線路與負(fù)載的正、負(fù)序等效阻抗相等，故障后系統(tǒng)等效阻抗有： （2-24）求其實(shí)部，得：（2-25）則故障后正序電流有： （2-26）由于 ，因此兩相相間短路后的正序電流較正常運(yùn)行時(shí)有所增加。對(duì)于恒功率控制的ibdg，負(fù)序電流的幅值為： （2-27）由式（2-27），由于微電網(wǎng)中，負(fù)荷的阻抗遠(yuǎn)大于線路阻抗，因此流經(jīng)ibdg的負(fù)序電流將會(huì)很大。綜上所述，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生兩相相間短路故障后，采用恒功率控制ibdg的輸出功率保持不變，正序電流增大，并出現(xiàn)較大的負(fù)序電流。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路和兩相接地短路等不對(duì)稱短路故障時(shí)，也有相似的結(jié)論。2.4 本章小結(jié)本章首先介紹了微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)，對(duì)微電源進(jìn)行

53、了簡(jiǎn)單的分類并簡(jiǎn)單的介紹了分布式電源的工作原理，詳細(xì)對(duì)分布式電源的控制策略以及基于不同控制方式下的故障特性進(jìn)行了分析，為下章的仿真分析打下理論基礎(chǔ)。第三章 微電源故障特性研究3.1 pq和v/f控制模型搭建 通過前文所述的方法控制微電源出口電流進(jìn)而控制輸出功率、出口電壓和系統(tǒng)頻率，從而實(shí)現(xiàn)pq控制和v/f控制。微電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)和控制環(huán)節(jié)在matlab中搭建的模型如圖3-1所示。pq控制vf控制圖3-13.2 控制策略仿真算例為了驗(yàn)證兩電源控制策略的有效性，對(duì)所搭建的恒功率控制和恒壓恒頻控制的微電源進(jìn)行穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下的仿真驗(yàn)證。主電路仿真圖如圖3-2所示，控制電路仿真如圖2-6,2-7。pq控制下主電路仿真圖vf控制下主電路仿真圖圖3-2 主電路仿真圖pq控制下load1及l(fā)oad2的參數(shù)分別為： = 20kw， = 3kvar；= 10kw， = 4kvar。仿真時(shí)間為1s，在0.3s時(shí)增加負(fù)載load2,0.5s時(shí)切除負(fù)載load2。仿真波形如圖3-3所示。圖3-3 單個(gè)pq電源帶負(fù)載輸出波形 由仿真波形可以看出，pq 控制的微電源 ms1 在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷變化的情況下，能始終按照設(shè)定的有功10kw和無功功率3kvar發(fā)出恒定功率，負(fù)荷的增加量完全由大電網(wǎng)提供。期間電壓波動(dòng)量不明顯，頻率也能保持相對(duì)的穩(wěn)定。隨后，對(duì)v