第一章緒論1．1課題研究的背景和意義隨著時(shí)間的推移，經(jīng)濟(jì)和科學(xué)的迅速發(fā)展，人們對(duì)大電網(wǎng)有了更深的認(rèn)知，讓其成為在現(xiàn)在電力供應(yīng)的主要渠道。但是，過(guò)去幾年中世界上經(jīng)常發(fā)生一些大面積停電的事故，讓人們看出現(xiàn)今的大電網(wǎng)存在許多隱患和不足。，如果發(fā)生自然災(zāi)害或者緊急情況下，突然停電會(huì)對(duì)軍隊(duì)，醫(yī)院，金融等體系造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，影響社會(huì)安定與發(fā)展。目前，在電力系統(tǒng)中分布式電電機(jī)的數(shù)量越來(lái)越多，促使分布式發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展。分布式發(fā)電，一般是指利用各種清潔能源，包括風(fēng)能，太陽(yáng)能，小型水能等可再生能源生產(chǎn)電力能源。分布式發(fā)電非常有靈活性，可以在峰谷電價(jià)時(shí)啟動(dòng)，降低用電成本。與此同時(shí)，邊遠(yuǎn)貧困地區(qū)安裝一個(gè)小型分布式發(fā)電設(shè)備，可以充分利用當(dāng)?shù)刭Y源，以避免損失，由于長(zhǎng)距離傳輸，有效提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。分布式發(fā)電還具有較高的機(jī)動(dòng)性，具有投資少，見(jiàn)效快的特點(diǎn)，從而彌補(bǔ)了大型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性方面的問(wèn)題。當(dāng)?shù)卣?，水?zāi)，冰災(zāi)等自然災(zāi)害或意外事故而造成電網(wǎng)奔潰，分布式發(fā)電可以繼續(xù)對(duì)一部分用戶供電，從而避免大規(guī)模的停電給國(guó)家造成損失。分布式發(fā)電，雖然具有許多優(yōu)點(diǎn)，但也有不少不足，此外，相比于大電網(wǎng)，分布式電源是不可控源，造成了電網(wǎng)和用戶對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行，電能質(zhì)量，可靠性等方面產(chǎn)生巨大的影響，使得并網(wǎng)的規(guī)模受到限制。所以往往采取隔離和限制的方式應(yīng)對(duì)分布式電源接入，從而削弱了使用分布式發(fā)電的利用率。為了充分利用分布式發(fā)電，減少對(duì)電網(wǎng)和一些負(fù)面影響的沖擊，以達(dá)到盡可能高的效率和價(jià)值。在本世紀(jì)初，有專家提出微型電網(wǎng)的概念，稱為微網(wǎng)，是指用電力電子器件為可再生能源為主的分布式電源連接起來(lái)，用能量轉(zhuǎn)換裝置，控制系統(tǒng)，能夠供給電力和熱能，是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制，保護(hù)和管理，也能滿足用戶的電能供應(yīng)，安全和電能質(zhì)量的要求，可以并網(wǎng)也可以孤島運(yùn)行的小型電網(wǎng)。微電源，主要有水力發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電，太陽(yáng)能發(fā)電。為了提高微電網(wǎng)的可靠性和電力質(zhì)量，還含有電能儲(chǔ)存裝置，如飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，超導(dǎo)存儲(chǔ)系統(tǒng)，超級(jí)電容器。引入微電網(wǎng)，是對(duì)傳統(tǒng)的低電壓配電網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)的一個(gè)挑戰(zhàn)：輻射狀線路的單向潮流方向可能變成雙向，使得傳統(tǒng)的保護(hù)分布式系統(tǒng)不得不退出。同時(shí)，在DG中使用，故障電流幅值額定電流通常只有2-3倍。孤島運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行都能夠做到大電網(wǎng)故障不懂做，對(duì)網(wǎng)內(nèi)故障做出有效的響應(yīng)，成為了微電網(wǎng)保護(hù)的難點(diǎn)和關(guān)鍵。1.2微電網(wǎng)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)內(nèi)外對(duì)微網(wǎng)的定義和研究方向微電網(wǎng)解決了高滲透率的并網(wǎng)問(wèn)題，發(fā)揮其各種優(yōu)勢(shì)，成為一種有效形式，自然越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視和支持，發(fā)展?jié)摿薮蟆?．美國(guó)微網(wǎng)美國(guó)在早期提出微電網(wǎng)的概念。在1999年，對(duì)于電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(huì)（CERTS），第一次完整的對(duì)微電網(wǎng)定義：微電網(wǎng)是一個(gè)由單一單元控制，能夠?yàn)橛脩籼峁└哔|(zhì)量和安全的需要。內(nèi)部微電網(wǎng)由微電源和負(fù)載共同產(chǎn)生電能和熱能;微電源產(chǎn)生的能量是由電力電子器件內(nèi)部所產(chǎn)生;并提出了“即插即用”和“對(duì)等”控制的想法和設(shè)計(jì)，這成為微電網(wǎng)概念的最早和最權(quán)威的概念。目前，美國(guó)對(duì)建模與仿真，保護(hù)和控制，以及經(jīng)濟(jì)和理論等方面進(jìn)行了分析，并逐步形成了相關(guān)管理政策和法規(guī);同時(shí)，美國(guó)政府將建立一個(gè)“電網(wǎng)現(xiàn)代化”和微電網(wǎng)建設(shè)相結(jié)合，重點(diǎn)將對(duì)研究和開(kāi)發(fā)未來(lái)提高重要負(fù)荷供電可靠性，以滿足不同用戶的用電需求，智能化和降低成本。2．日本微電網(wǎng)由于缺乏能源和負(fù)荷快速增長(zhǎng)的需求，日本重視在其能源結(jié)構(gòu)越來(lái)越多的利用非常重視可再生能源。微電網(wǎng)可以發(fā)揮分布式電源效率的想法促使微電網(wǎng)在日本的快速發(fā)展。日本微電網(wǎng)定義為：根據(jù)用戶需求，在安裝小型分布式能源系統(tǒng)的一些特殊領(lǐng)域，為客戶提供電力和熱能。他們研究微電網(wǎng)主要分布在能源多樣化，能源效率和環(huán)境保護(hù)的需求。日本政府現(xiàn)在與，國(guó)內(nèi)高校，相關(guān)企業(yè)與國(guó)家重點(diǎn)科研室合作，在利用新能源和可再生能源利用和微電網(wǎng)的發(fā)展取得了良好的效果。3．歐盟微電網(wǎng)歐盟研究機(jī)構(gòu)對(duì)微電網(wǎng)微型電網(wǎng)的定義是：存儲(chǔ)設(shè)備;使用的主要能源，通過(guò)電力電子能量控制和轉(zhuǎn)換;可冷，熱，電三聯(lián)供;更加注重微型分布式發(fā)電設(shè)備。歐盟將“智能電網(wǎng)”的方向歸為電力系統(tǒng)的發(fā)展方向，而微電網(wǎng)本身智能化，多元化的能源利用和環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為他們研究的重點(diǎn)。目前，不同規(guī)模的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的跨國(guó)公司已經(jīng)在運(yùn)行的微電網(wǎng)，控制，通信，防護(hù)等安全理論得到了驗(yàn)證，后期會(huì)作為示范項(xiàng)目，更先進(jìn)的控制策略，DG接入和從傳統(tǒng)的電網(wǎng)規(guī)模過(guò)渡到智能電網(wǎng)等。4．中國(guó)微電網(wǎng)中國(guó)的電網(wǎng)，通過(guò)參照微電網(wǎng)國(guó)外微電網(wǎng)特性定義的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的定義是：：微電網(wǎng)是一種用傳統(tǒng)電源的獨(dú)立控制系統(tǒng)，由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，為周圍負(fù)荷提供熱能、電能的特殊電網(wǎng)；目的在于滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量和供電安全要求，并且通過(guò)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)行的自我控制；微電網(wǎng)是一個(gè)可控的整體單元，可以較好實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)、孤島的切換。國(guó)家863和973項(xiàng)目中共同開(kāi)設(shè)了微電網(wǎng)研究課題。廣州、內(nèi)蒙古、北京等地通過(guò)引入數(shù)多國(guó)外技術(shù)建成了近10座微網(wǎng)系統(tǒng)。1.2.2微電網(wǎng)的保護(hù)微電網(wǎng)與多個(gè)分布式電源和能量存儲(chǔ)裝置，徹底改變了分配系統(tǒng)的故障的特性。和在網(wǎng)格和微電網(wǎng)孤島的兩種操作條件，不同大小的短路電流有很大的不同。因此，如何能在一個(gè)孤島和并網(wǎng)斷電以響應(yīng)內(nèi)部，并在快速感知電網(wǎng)故障的情況下，同時(shí)確保保護(hù)的選擇性，快速性，靈敏性和可靠性是至關(guān)重要的。微電網(wǎng)保護(hù)克服微網(wǎng)接入傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)保護(hù)帶來(lái)的影響，同時(shí)也能滿足新的要求，其中包括保障微電網(wǎng)分配系統(tǒng)，以確保分布式發(fā)電能量供應(yīng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵的可靠性。由于微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行兩種工作模式，微電網(wǎng)如何識(shí)別公共電網(wǎng)的各種故障，并做出正確的反應(yīng)，以確定是否需要孤網(wǎng)運(yùn)行是一個(gè)重大問(wèn)題;另外，微型網(wǎng)的大量功率電子換流器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的存在也使得電能質(zhì)量問(wèn)題更加令人關(guān)注。從系統(tǒng)的分布式發(fā)電功能的現(xiàn)行做法來(lái)看，微電網(wǎng)的保護(hù)和控制是分布式發(fā)電供能系統(tǒng)的主要技術(shù)瓶頸之一。繼電器微電網(wǎng)必須遵循兩個(gè)原則：（1）無(wú)論是在孤網(wǎng)運(yùn)行模式或并網(wǎng)運(yùn)行模式微電網(wǎng)保護(hù)策略必須一致;（2）短路故障，必需迅速清除電源的短路電流。通過(guò)電力電子逆變器訪問(wèn)新的微電網(wǎng)，大量的電力電子設(shè)備將改變故障電流，故障電流微電網(wǎng)是正常的電流一般不超過(guò)2次。因此傳統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)裝置已不再適用，我們不考慮故障電流的幅。新的保護(hù)策略還有待提高。另一個(gè)困難是，微網(wǎng)中繼電網(wǎng)與公共電網(wǎng)連接（PCC）。微電網(wǎng)具有并聯(lián)運(yùn)行和孤立運(yùn)行模式。微電網(wǎng)通過(guò)PCC和公共電網(wǎng)連接，PCC在靜態(tài)開(kāi)關(guān)和相應(yīng)的繼電保護(hù)對(duì)微電網(wǎng)保護(hù)是一個(gè)難點(diǎn)。它必須能準(zhǔn)確地判斷電網(wǎng)和各種故障做出快速反應(yīng)來(lái)決定是否微電網(wǎng)需要進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)這兩種模式微電網(wǎng)問(wèn)順利交接。微電網(wǎng)系統(tǒng)級(jí)保護(hù)主要目的是確保公共電網(wǎng)運(yùn)行的永久性故障或微網(wǎng)不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，微電網(wǎng)可以快速平滑進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行，降低接入電網(wǎng)對(duì)公共配電網(wǎng)的影響。同時(shí)，確保安全微電網(wǎng)過(guò)渡到新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。微電網(wǎng)系統(tǒng)保護(hù)的關(guān)鍵是其與PCC的公用配電網(wǎng)絡(luò)的交界處。從上面的分析，微網(wǎng)和配電網(wǎng)中繼電保護(hù)運(yùn)行的影響主要取決于兩個(gè)因素：注入配電網(wǎng)短路電流幅度和持續(xù)時(shí)間。當(dāng)公共電網(wǎng)運(yùn)行的永久性故障或微網(wǎng)不符合進(jìn)入微電網(wǎng)孤立運(yùn)行所需要的標(biāo)準(zhǔn)，PCC迅速采取行動(dòng)，能夠減少微電網(wǎng)配電網(wǎng)絡(luò)的不利影響。因此，控制和保護(hù)設(shè)備安裝PCC必須能夠檢測(cè)各種故障情況，準(zhǔn)確判斷電網(wǎng)，迅速作出反應(yīng)，決定是否進(jìn)入微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行。微電網(wǎng)單元級(jí)保護(hù)必須考慮兩個(gè)方面：處理各種內(nèi)部微電網(wǎng)故障運(yùn)行的能力;微電網(wǎng)PCC在轉(zhuǎn)換成孤網(wǎng)運(yùn)行的外部電網(wǎng)故障，必須確保微電網(wǎng)可以平滑地過(guò)渡到新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，如果內(nèi)部的微電網(wǎng)出現(xiàn)故障迅速排除故障，以確保安全，穩(wěn)定。1.3本文的研究?jī)?nèi)容第一章講述了微電網(wǎng)的背景和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，概述了現(xiàn)今微電網(wǎng)保護(hù)的研究方向，并且闡述了本文的研究意義。第二章具體介紹了微電網(wǎng)的控制，結(jié)構(gòu)，分類和原理。并且分別介紹了PQ和V/F兩種控制方法。第三章著重并針對(duì)PQ和V/F控制這兩種控制策略下的分布式電源的故障輸出特性分析。并且利用PSCAD軟件對(duì)這兩種控制分別搭建微電網(wǎng)仿真模型。第四章對(duì)本文概括總結(jié)，分析在研究過(guò)程中遇到的問(wèn)題和麻煩。

第二章微電網(wǎng)的控制微網(wǎng)中的為電源有很多種，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，它的性能特性也不同。例如，對(duì)于微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池，其輸出可人工干預(yù)，既為有功功率和無(wú)功功率控制，可以實(shí)現(xiàn)電壓頻率控制，微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)提供電壓和頻率支持，是一種非間歇微源;以及用于風(fēng)能，太陽(yáng)能和其他形式的發(fā)電，這是輸出功率大大受天氣??的影響具有波動(dòng)性和間歇性的輸出特性。這樣的電源一般是恒定功率控制策略，即跟蹤最大功率輸出目標(biāo)，電流波形和輸出功率由逆變器控制，可以平衡電動(dòng)機(jī)的最大功率與電網(wǎng)輸送的功率，以保證可再生能源的利用最大化。2.1微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)從結(jié)構(gòu)上看，微網(wǎng)具有多個(gè)是一個(gè)負(fù)載和DG微電力系統(tǒng)，通過(guò)能量管理系統(tǒng)，靈活交流輸電系統(tǒng)的控制裝置（例如，潮流控制器，電壓控制器等）和所述保護(hù)裝置組成。微電網(wǎng)本身可以是直流或者是交流網(wǎng)絡(luò)，交流微電網(wǎng)可以是單相或三相系統(tǒng)。它可以連接到一個(gè)低壓或中壓配電網(wǎng)。微網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)示于圖2-1中，分布式電源包括光伏發(fā)電，微型渦輪機(jī)和燃料電池系統(tǒng)，連接到A，B饋線。微電網(wǎng)和電網(wǎng)連接是公共耦合點(diǎn)之間進(jìn)行的分段設(shè)備，以確保大電網(wǎng)故障的快速斷開(kāi)。更簡(jiǎn)單地說(shuō)，微網(wǎng)可以被看作是一個(gè)電源和控制設(shè)備的一個(gè)分布式系統(tǒng)，能源管理系統(tǒng)作為控制中心，包含在復(fù)雜的內(nèi)部以及電力質(zhì)量監(jiān)測(cè)和保護(hù)設(shè)備，以確保微電網(wǎng)運(yùn)行可靠，并且響應(yīng)大電力需求。另一個(gè)特點(diǎn)是，該微電網(wǎng)分布式網(wǎng)絡(luò)可以連接到一個(gè)環(huán)網(wǎng)，以提高系統(tǒng)的可靠性。因?yàn)镈G更靠近負(fù)載，燃料電池和微動(dòng)力渦輪機(jī)等可用于提高能源效率。燃料電池的蓄電池的安裝可產(chǎn)生受控的輸出功率，以滿足電網(wǎng)或開(kāi)關(guān)瞬態(tài)負(fù)載需求。風(fēng)力發(fā)電及太陽(yáng)能發(fā)電通常是從風(fēng)力渦輪機(jī)和太陽(yáng)能電池板跟蹤最大功率（功率跟蹤的最大點(diǎn)，MPPT）。類似地，風(fēng)力渦輪機(jī)的安裝和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生控制存儲(chǔ)單元可以輸出功率，以滿足發(fā)電和負(fù)載的需求。總之，微電網(wǎng)能量的最佳使用提供了機(jī)會(huì)，可以合理地需要不同的配置，以適應(yīng)不同地區(qū)的發(fā)電單元的環(huán)境和不同的工作負(fù)載，提高使用效率電能和熱能的。A，B兩饋線故障發(fā)生時(shí)大電網(wǎng)側(cè)也可以與獨(dú)立的電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)斷開(kāi)后，以滿足負(fù)載或負(fù)載敏感不間斷本地電源;在C饋線連接一般用電要求不高的非敏感負(fù)載，通常直接由大電網(wǎng)供電。圖2-1微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)微電網(wǎng)運(yùn)行主要有兩個(gè)：并網(wǎng)模式和孤島模式。并網(wǎng)時(shí)，主要功能是提供電能和提供本地支持的電壓和功率，使用功率電子元件，DG也產(chǎn)生一個(gè)可控的無(wú)功功率。這可以減少線路損耗，提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)可以分別為有功功率和無(wú)功功率參考值，例如太陽(yáng)能和風(fēng)能等DG最大功率輸出可以通過(guò)MPPT跟蹤控制的各個(gè)DG進(jìn)行控制。另一種操作模式孤島模式，并且它是在微網(wǎng)從電網(wǎng)斷開(kāi)（例如，當(dāng)一個(gè)大電網(wǎng)斷電）繼續(xù)提供電源給本地負(fù)載操作模式，以確保孤島的穩(wěn)定運(yùn)行，其內(nèi)部控制DG我們需要滿足以下三個(gè)要求：第一，所有的DG能源供應(yīng)的總和應(yīng)能滿足內(nèi)網(wǎng)負(fù)荷的需求，從而避免通過(guò)能力大小損壞設(shè)備間共享DG造成負(fù)載。第二，可以采用DG電壓控制，以確保在電源電壓的范圍內(nèi)的所有值。第三，都必須同步和DG微電網(wǎng)頻率的控制。取決于控制兩種工作模式，以確保微電網(wǎng)的正常操作的方法，每個(gè)DG帶有一個(gè)快速和可靠的孤島檢測(cè)技術(shù)也很重要。為了確保故障被清除微電網(wǎng)重新進(jìn)入穩(wěn)定的大電網(wǎng)，微電網(wǎng)也需要重新同步技術(shù)。因?yàn)镻CC端子電壓振幅，頻率和相位角，與終端值大電網(wǎng)側(cè)不同。因此，閉合開(kāi)關(guān)前將需要使用同步技術(shù)，同步技術(shù)是保證平穩(wěn)過(guò)渡。最后，保護(hù)微電網(wǎng)是另一個(gè)非常重要的問(wèn)題。不管是大電網(wǎng)側(cè)或內(nèi)部微電網(wǎng)故障，微電網(wǎng)必須能夠迅速作出反應(yīng)，以新的方案和保護(hù)方式，這是因?yàn)椋海?）傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)的保護(hù)可能是由于徑向微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化而退出。（2）限留幅值通常只有2-3倍的額定電流，傳統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)方法不再適用于微電網(wǎng)。（3）傳統(tǒng)的保護(hù)由于分布式動(dòng)力造成嚴(yán)重的影響，每個(gè)DG可能會(huì)增加故障電流的大小?？傊?，需要將微電網(wǎng)的保護(hù)進(jìn)行重新配置和故障電流需要重新計(jì)算和估計(jì)。2.2微電源的分類及原理2.2.1微電源的分類微網(wǎng)的最重要組成部分是為電源，電力電子技術(shù)是實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，各種微電源接入大都是通過(guò)逆變器，響應(yīng)時(shí)間都在毫秒級(jí)?？刂品绞侥軌蛞揽勘镜匦畔?，也可以憑借通信手段。這些微電源三大類（按照并網(wǎng)方式）。（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)示意圖（3）頻率的交流電源，如小水電機(jī)組，柴油發(fā)電機(jī)，小型風(fēng)力等。由于這種電源是電力電子接口和網(wǎng)絡(luò)采取直接的方式，不具有能夠快速調(diào)整，因此較少出現(xiàn)在微電網(wǎng)。2.2.2分布式電源的工作原理如圖2-4三相電壓型逆變器的并網(wǎng)拓?fù)潆娐?，三相逆變器將等效后的微電源直流輸出電壓逆變?yōu)槿嘟涣麟?，?jīng)過(guò)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(guò)電感的電流，為電容中流過(guò)的電流，為流向負(fù)載和電網(wǎng)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(lái)使逆變橋產(chǎn)生閥觸發(fā)脈沖。圖2-5逆變器的控制方案2.3分布式電源的控制方法2.3.1V/F控制微電網(wǎng)在獨(dú)立的狀態(tài)，我們需要使用V/f控制模式。微型逆變器本身提供一個(gè)參考電壓，其參考頻率下降特性。在v/f控制模式時(shí)，控制模塊獲取負(fù)載電壓，然后用參考電壓值，并最終由電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)中，變頻器產(chǎn)生所需的圖3.1所示的具體原則控制信號(hào)。V/f控制，使微電源可以被增加或減少相應(yīng)的功率輸出，通過(guò)改變其自身的頻率和電壓，以實(shí)現(xiàn)微功率的變化的條件之間的功率共享的變化，以確保電壓和頻率的穩(wěn)定。圖3.1逆變器的V/f控制原理示意圖2.3.2PQ控制在PQ控制，微電源系統(tǒng)注入一個(gè)預(yù)定值有功功率和無(wú)功功率。在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，先給定一個(gè)功率參考值，在選擇所述測(cè)得的逆變器輸出電壓的適當(dāng)坐標(biāo)變換基準(zhǔn)軸坐標(biāo)變換，可以使得有功分量和無(wú)功分量解禍后分別控制，圖3.2所示。PQ逆變器控制方法是適合微電網(wǎng)與大型電網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)作，采用這種控制的微功率不能提供電壓和用于微電網(wǎng)頻率的支持，因此，如果動(dòng)力不足，系統(tǒng)將微電網(wǎng)瓦解后獨(dú)立運(yùn)行。圖3.2逆變器的PQ控制原理示意圖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。介紹了PQ及V/F兩種控制方式，為下章的仿真分析打下理論基礎(chǔ)。第三章微源故障特性分析及仿真3.1分布式電源的故障分析3.1.1V/F控制下故障特性分析本節(jié)以如圖3-1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3-1IBDG故障分析等效電路圖3-1中X、和是連接電抗、輸電線路和負(fù)載的等效阻抗。是逆變器輸出端口電壓，U、I目的是保護(hù)安裝點(diǎn)電壓以及電流。下文將對(duì)各種不同故障下的情況進(jìn)行分析1)三相短路故障如果系統(tǒng)中有該故障發(fā)生的時(shí)候，因?yàn)楦飨鄬?duì)稱，所以可以等效成單相電路再分析。當(dāng)系統(tǒng)再正常工況下，IBDG輸出端口保護(hù)安裝點(diǎn)的電壓、電流和IBDG輸出功率如式（2-5）。 （2-5）當(dāng)系統(tǒng)末端有三相金屬性接地故障時(shí)，IBDG輸出端口的電壓、電流和功率關(guān)系如下所示（2-6）。（2-6）可見(jiàn)，因?yàn)橄到y(tǒng)發(fā)生故障時(shí)阻抗由（）減小至，利用恒壓恒頻控制的IBDG，是為了保證輸出端口的母線電壓U不變就會(huì)增大輸出電流到I，其輸出功率也將隨I的增大而提升到。每當(dāng)故障點(diǎn)越接近分布式電源，系統(tǒng)中的等效阻抗會(huì)變小，輸出電流越大，輸出的功率則變大。當(dāng)輸出功率升到最大值，電壓、電流與功率的關(guān)系如式（2-7），式中為電源輸出端口到故障點(diǎn)間等效阻抗。（2-7）因此，當(dāng)輸出功率到后，IBDG就不會(huì)持續(xù)維持恒壓恒頻控制，出口電壓將下降。阻抗越小，出口電壓則越小，電流將會(huì)越大。為了使電力電子器件運(yùn)行的安全性以及穩(wěn)定性，在逆變器的控制裝置里，都會(huì)裝有一個(gè)限流裝置。一般當(dāng)輸出電流達(dá)到最大后，將不會(huì)增大。這時(shí)，IBDG的輸出功率會(huì)隨著出口電壓的下降隨之下降。綜上所述，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相金屬性接地故障時(shí)，再V/F控制下IBDG的故障特性就隨著故障程度的不同，會(huì)分成三段定量的關(guān)系：（1）在輸出是在功率達(dá)到最大之前滿足：，IBDG表現(xiàn)出恒壓恒頻電源，輸出功率會(huì)隨著電流的增大而增大。（2）在輸出功率達(dá)到最大之后，輸出電流變成最大之前滿足：，IBDG就是恒功率源。（3）在輸出電流達(dá)到最大之后，滿足：，IBDG呈現(xiàn)出恒流源。由于在上述(2)、(3)的情況下，IBDG出口電壓則大幅度的下降，其低電壓保護(hù)則會(huì)馬上動(dòng)作退出運(yùn)行。2)不對(duì)稱故障若系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路和兩相相間短路以及兩相短路接地的類型的不對(duì)稱故障時(shí)，由于系統(tǒng)的對(duì)稱性已經(jīng)被破壞破壞，系統(tǒng)中出現(xiàn)不對(duì)稱的電流以及電壓。在分析過(guò)程中，會(huì)利用對(duì)稱分量法以不對(duì)稱的三相電流以及電壓各自分解成三組逐個(gè)對(duì)稱的正、負(fù)、零序分量，再利用線性電路迭加原理，對(duì)正、負(fù)、零序分量分別按照對(duì)稱三相電路求解，最后將其結(jié)果進(jìn)行迭加。一般取A相作為基準(zhǔn)項(xiàng)，其對(duì)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?lè)较颍回?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。在正常運(yùn)行的情況下，因?yàn)镮BDG控制器中的PWM控制脈沖的發(fā)生是以對(duì)稱方式發(fā)送的，它產(chǎn)生波形的幅值以及直流側(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)，叫做逆變器的調(diào)制比，與IBDG電路主結(jié)構(gòu)以及電壓脈寬有關(guān)，為IBDG輸出電壓以及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，負(fù)序、零序電流會(huì)流過(guò)IBDG。通常情況下，因?yàn)镮BDG直流側(cè)并聯(lián)的電容容量是有限，所以不對(duì)稱電流的流過(guò)會(huì)對(duì)直流側(cè)的電壓產(chǎn)生影響。零序電流和IBDG輸出的正序電壓相乘得到的三相瞬時(shí)功率和是零，所以它對(duì)直流側(cè)電壓不會(huì)有影響。但是對(duì)于負(fù)序電流來(lái)講，它與IBDG輸出的正序電壓相乘，計(jì)算得到三相瞬時(shí)功率之和是會(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，能使直流側(cè)電壓產(chǎn)生一個(gè)二倍工頻的擾動(dòng)。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)能看出，由于逆變器直流側(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（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，所以此時(shí)IBDG還由一個(gè)負(fù)序源以及三次諧波源組成。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和并聯(lián)電容的容值相關(guān)，電容越大，直流側(cè)的電壓越穩(wěn)定，此時(shí)二倍頻波動(dòng)幅度會(huì)變小。實(shí)際的運(yùn)用中，一般采用硬件以及軟件兩種方式來(lái)減小直流側(cè)電容電壓的波動(dòng)：在控制環(huán)節(jié)里加入了低通濾波器，在功率控制中利用積分平均值的算法，可以有效的抑制二倍頻率波動(dòng)電壓的幅值，減少IBDG輸出的負(fù)序以及三次諧波的分量，能讓其幅值的數(shù)量級(jí)和高次諧波接近?；谝陨戏治霰砻鳎诓粚?duì)稱短路故障的情況下，研究IBDG的輸出特性，能忽略它的輸出電壓中的負(fù)序分量和三倍頻量帶來(lái)的影響，將其近似等效為只有基頻正序量的電壓源。因此，系統(tǒng)側(cè)看進(jìn)去，IBDG出口對(duì)系統(tǒng)的零序、負(fù)序電壓相當(dāng)于短路，因此認(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2-10BC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(méi)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2-12BC相間短路復(fù)合序網(wǎng)因?yàn)楹銐汉泐l控制，故障前后IBDG的輸出電壓不變，當(dāng)系統(tǒng)阻抗已知的情況下，能求得故障后的正序電流：（2-14）由此能看出，因?yàn)樨?fù)序網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)以至于系統(tǒng)總阻抗變小，正序電流較正常運(yùn)行時(shí)增加。IBDG流過(guò)的負(fù)序電流如下所示：（2-15）由式（2-15），故障后IBDG會(huì)有較大的負(fù)序電流。這是由于IBDG的逆變器出口對(duì)負(fù)序電壓短路，若系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，僅有連接電抗X和IBDG到故障點(diǎn)間的線路阻抗對(duì)負(fù)序電流可以有限流的作用，所以容易在IBDG中有負(fù)序過(guò)電流。與此同時(shí)，IBDG出口保護(hù)安裝點(diǎn)負(fù)序電壓如下：（2-16）綜上所述，若系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱短路故障時(shí)，利用恒壓恒頻控制IBDG出口的正序電壓保持恒定，正序電流增大，會(huì)出現(xiàn)明顯的負(fù)序電流。又因?yàn)镮BDG本身結(jié)構(gòu)的原因，它的零、負(fù)序電壓不明顯。3.1.1PQ控制下故障特性分析下文為了簡(jiǎn)化理論分析，還是用圖2-14的IBDG單獨(dú)供電系統(tǒng)，對(duì)恒功率控制的故障輸出特性做出分析。1)三相短路故障為了研究三相短路故障下恒功率控制IBDG的輸出特性，和上文一樣，還是利用單相電路進(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）三相金屬性接地故障在線路末端發(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）綜上所述，由于故障后的系統(tǒng)阻抗由（）減小目的是，PQ控制下的IBDG將增大輸出電流I為來(lái)保持輸出功率不變，同時(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，若統(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，能分為以下兩段定量關(guān)系：（1）當(dāng)輸出電流沒(méi)有達(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，出口端電壓會(huì)與故障電流輸出值的增大隨之減小。（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)到最大之后，分布式電源中的保護(hù)裝置會(huì)自動(dòng)作切除。所以在下文分析中，只考慮該控制下的IBDG是一恒功率源。2)不對(duì)稱故障利用對(duì)稱分量法進(jìn)行分析，故障前IBDG的輸出功率有（故障前）：（2-19）其中，、、及、、分別為IBDG出口三相電壓和電流。將式（2-19）上的相電壓和電流根據(jù)公式（2-8）轉(zhuǎn)換成正、負(fù)、零序分量表示，則：（2-20）其中，正、負(fù)、零序電壓有：（2-21）與2.2.2節(jié)得出的結(jié)論一樣，IBDG出口的正序電壓從逆變器出口正序電壓以及連接電抗X中的正序壓降合成。負(fù)、零序電壓則是負(fù)、零序電流經(jīng)過(guò)連接電抗X產(chǎn)生的壓降。因?yàn)闉V波裝置阻抗很小，所以IBDG出口負(fù)、零序電壓很小。將式（2-21）代入式（2-20）得出：（2-22）出現(xiàn)不對(duì)稱故障后，由于負(fù)、零序電流的產(chǎn)生，就是增加了容性負(fù)荷，采用恒功率控制的IBDG是為了保證其輸出的功率不會(huì)改變，而IBDG輸出的正序分量只與有功功率有關(guān)，如式（2-23），其中是故障后其等效阻抗。（2-23）在故障前后IBDG輸出的有功功率不變，能根據(jù)式（2-23）得出故障后的正序電流。研究BC相相間短路故障，考慮線路以及負(fù)載的相序等效阻抗一樣，故障后系統(tǒng)等效阻抗：（2-24）求其實(shí)部，得：（2-25）得出正序電流有：（2-26）因?yàn)?，由于兩相相間短路后的正序電流與正常運(yùn)行相比有所增加。負(fù)序電流幅值再恒功率控制的IBDG下為：（2-27）有式（2-27），因?yàn)槲㈦娋W(wǎng)中，負(fù)荷的阻抗遠(yuǎn)大于線路阻抗，所以流經(jīng)IBDG的負(fù)序電流將會(huì)很大。若系統(tǒng)發(fā)生兩相相間短路故障，利用恒功率控制IBDG的輸出功率不會(huì)改變，正序電流增大，還會(huì)出現(xiàn)很大的負(fù)序電流。并且系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路以及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。3.2PQ和V/F控制仿真通過(guò)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3-1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Load2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(wú)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/f控制的微電源進(jìn)行仿真。Load1及Load2的參數(shù)分別為：=23kW，=10kVar；=10kW，=6kVar。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3-4所示。圖3-4單個(gè)V/f電源仿真波形從仿真結(jié)果可以看出，V/f控制的逆變電源只要是在容量允許范圍內(nèi)，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)荷需求，增加或者減少發(fā)出的功率，并且保持網(wǎng)內(nèi)電壓和頻率基本穩(wěn)定。3.2.1V/F控制仿真下文針對(duì)恒壓恒頻控制的IBDG進(jìn)行了故障仿真，用來(lái)驗(yàn)證前文的理論分析。參與驗(yàn)證的故障類型有三相金屬性接地短路、BC兩相相間短路以及A相單相接地短路，上述三類故障發(fā)生時(shí)刻都是0.3s。三相金屬性接地短路故障出現(xiàn)在不同位置時(shí)，PWM_VF出口電壓、電流和輸出功率如表3-1所示。表3-1PWM_VF出口三相短路中的故障特征故障點(diǎn)位置故障電壓（V）故障電流（A）故障功率（KVA）Line-VF90%2203422.9Line-VF50%2206040.3Line-VF10%7010058出口處01000恒壓恒頻控制的逆變器PWM_VF容量是60KVA，當(dāng)故障點(diǎn)的由遠(yuǎn)到近，故障電流對(duì)應(yīng)增大，由于恒壓恒頻控制的作用下，故障電壓保持恒定。若PWM_VF的輸出功率達(dá)到最大后，就無(wú)法持續(xù)維持電壓，如表中線路Line_VF中50%處發(fā)生故障的情況，此時(shí)電壓下降明顯。若故障點(diǎn)在Line_VF的10%處與出口處時(shí)，故障電流達(dá)到逆變器的電流輸出極限，不會(huì)再增大。由此可見(jiàn)，上表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合上文的理論分析，驗(yàn)證了2.3.2節(jié)的結(jié)論。2)不對(duì)稱短路故障0.3s時(shí)發(fā)生單相接地短路，故障點(diǎn)在線路的10%處、50%處、90%處時(shí)，VF控制的逆變器出口的電壓、電流如圖3-5、圖3-6、圖3-7所示圖3-5線路Line_VF10%處單相接地的故障特性圖3-6線路Line_VF50%處單相接地的故障特性圖3-7線路Line_VF90%處單相接地的故障特性0.3s時(shí)發(fā)生BC兩相相間短路，故障點(diǎn)在線路的10%處、50處、90%處時(shí)，PWM_VF出口的電壓、電流及頻率如圖3-8、圖3-9、圖3-10所示。圖3-8線路Line_VF10%處兩相相間短路的故障特性圖3-9線路Line_VF50%處兩相相間短路的故障特性圖3-10線路Line_VF90%處兩相相間短路的故障特性由圖3-6、圖3-7、圖3-8、圖3-9、圖3-10能看出，若系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱短路故障時(shí)，利用恒壓恒頻控制的IBDG可以維持出口正序電壓恒定，負(fù)、零序電壓的幅值大大小于正序電壓。與此同時(shí)，系統(tǒng)中產(chǎn)生了明顯的負(fù)序電流。