針對微電網(wǎng)儲能技術(shù)與短路故障問題綜合概論

胡經(jīng)偉

摘 要：隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電力需求增加，日益緊張的能源問題為電力行業(yè)和環(huán)境保護(hù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。已發(fā)展成為集中發(fā)電，遠(yuǎn)距離輸電的大型互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)也暴露了當(dāng)前電力系統(tǒng)安全性差、效益低等缺陷。針對這些問題，需要加大新能源以及可再生能源的發(fā)展力度，實(shí)行分布式發(fā)電。另外，一方面微電網(wǎng)的儲能技術(shù)一直是制約微電網(wǎng)發(fā)展一個重大瓶頸，另一方面，當(dāng)微電網(wǎng)出現(xiàn)短路引起一系列相關(guān)問題也是一重大課題，文章即對其相關(guān)問題作出相應(yīng)探討與分析。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；短路故障；儲能

中圖分類號：TM72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）31-0046-02

引言

微電網(wǎng)主要的特點(diǎn)是“微和精”，“微”是指微電網(wǎng)與大規(guī)模系統(tǒng)相比更加“小巧”；“精”是指其結(jié)合了多種裝置 ，例如微電源、儲能裝置、負(fù)荷及控制裝置。微電網(wǎng)為保證供電可靠性方面發(fā)揮著穩(wěn)定的作用。但不可否認(rèn)的是微電網(wǎng)的出現(xiàn)也增加了故障的復(fù)雜性。為了使微電網(wǎng)更加穩(wěn)定，研究可靠的保護(hù)方案成為首要任務(wù)。微電網(wǎng)通過控制系統(tǒng)管理網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的各分布式電源，使各分布式電源工作在最佳狀態(tài)充分利用給類再生能源的同時又可有效的抑制單個分布式電源并網(wǎng)給系統(tǒng)帶來的沖擊性。微電網(wǎng)與大電網(wǎng)相結(jié)合的供電方式將是今后配電網(wǎng)的發(fā)展的重要方向，未來的配電網(wǎng)將會是大量的微電網(wǎng)并入。完善保護(hù)和控制系統(tǒng)是今后微電網(wǎng)技術(shù)能夠繼續(xù)有效的發(fā)展并廣泛的加以應(yīng)用的重要保障。

1 微電網(wǎng)儲能

微電網(wǎng)的電能通過某種裝置轉(zhuǎn)換成其他便于存儲的能量高效存儲起來，儲能主要是實(shí)現(xiàn)在需要時候以提供必要的電能實(shí)供相應(yīng)場合應(yīng)用一種技術(shù)。裝置兩大部分構(gòu)成包括：儲能裝置和由電力電子器件組成。儲能裝置主要實(shí)現(xiàn)能量的儲存、釋放或快速功率交換。電網(wǎng)接入裝置實(shí)現(xiàn)儲能裝置與電網(wǎng)之間的能量雙向傳遞與轉(zhuǎn)換， 實(shí)現(xiàn)電力調(diào)峰、能源優(yōu)化、提高供電可靠性和電力系統(tǒng)穩(wěn)定性等功能。儲能系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)微電源性能，保證用戶的供電質(zhì)量，提高微電網(wǎng)供電可靠性，因此研究儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 微電網(wǎng)儲能意義

2.1 提供短時供電

在正常情況下，微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，微電網(wǎng)將及時與電網(wǎng)斷開，切換到孤島運(yùn)行狀態(tài)。微電網(wǎng)在這兩種模式的轉(zhuǎn)換中，通常會有一定的功率缺額，由于光伏發(fā)電夜間無光、風(fēng)力發(fā)電無風(fēng)等外界條件的變化，會經(jīng)常導(dǎo)致沒有電能輸出，這時就需要儲能系統(tǒng)向系統(tǒng)中的用戶持續(xù)供電。

2.2 削峰填谷

電能的生產(chǎn)、輸送和消費(fèi)實(shí)際上是同時進(jìn)行的，不能大量存儲。微電網(wǎng)存在大量的分布式電源，用電負(fù)荷總是不均衡的，在不同時間和季節(jié)出現(xiàn)了峰谷差大的現(xiàn)象。現(xiàn)階段電網(wǎng)中絕大部分的調(diào)峰只能依靠常規(guī)電廠來承擔(dān)，增加對電力設(shè)備的投資成本，其中絕大部分要由燃煤電廠負(fù)擔(dān)，單位煤耗增加。儲能系統(tǒng)可以在負(fù)荷低谷時將電能存儲，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時發(fā)電，提供出力，使得火電機(jī)組穩(wěn)定出力運(yùn)行，降低成本，保證電網(wǎng)穩(wěn)定安全運(yùn)行。而且，儲能系統(tǒng)相對傳統(tǒng)的調(diào)峰電廠響應(yīng)速度以ms為單位，啟停迅速，調(diào)節(jié)方便。

2.3 保證電能質(zhì)量

電力系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的重要內(nèi)容是指電壓與頻率必須要滿足相關(guān)條件要求，其中電壓是由無功頻率所決定的，必須保證在任何時候可以進(jìn)行無功的交換，進(jìn)而來調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。在另一方面，還必須通過電力電子器件的控制來調(diào)節(jié)輸入/輸出功率，以滿足用戶的負(fù)荷的需求，能夠根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷變化快速調(diào)整出力來穩(wěn)定系統(tǒng)頻率，改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

2.4 滿足可再生能源發(fā)展的需要

多數(shù)可再生能源諸如太陽能、風(fēng)能、潮汐能等具有隨機(jī)性、間歇性以及季節(jié)性的顯著特點(diǎn)，當(dāng)外界的光照、溫度、風(fēng)力等發(fā)生變化時，微源相應(yīng)的輸出能量就會發(fā)生變化，造成母線及附近電網(wǎng)的電壓波動，同時因?yàn)椴⒕W(wǎng)與脫網(wǎng)的相對動態(tài)變化性，難免引起電壓沖擊與供電質(zhì)量問題。利用儲能系統(tǒng)將可再生能源間接輸入電網(wǎng)或存儲起來，連續(xù)穩(wěn)定地為電網(wǎng)供電。大大地提高了可再生能源利用率和電網(wǎng)供電質(zhì)量，使可再生能源得到最大化的開發(fā)利用，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

3 微電網(wǎng)保護(hù)難點(diǎn)

微電網(wǎng)一般是直接并入配網(wǎng)中，而單電源輻射狀的配電網(wǎng)中的繼電保護(hù)常采用過電流保護(hù)方案。微電網(wǎng)中的微電源通常是經(jīng)過逆變器接入，為了保護(hù)電力電子元件，逆變器控制部分中會添加限流模塊，這樣逆變型分布式電源在系統(tǒng)故障時，就不會向故障點(diǎn)供應(yīng)很大的短路電流，雖然微電網(wǎng)中一般都含有多個微電源，可能會有多個電源提供短路電流，但是和大系統(tǒng)的短路電流相比還是小很多，從而給傳統(tǒng)的過電流保護(hù)帶來嚴(yán)重影響，造成傳統(tǒng)的過電流保護(hù)配置可能不再適用；在選擇性、速動性、靈敏性和可靠性方面難以滿足繼電保護(hù)各方面的的要求。因此需要研究適用與微電網(wǎng)的新的繼電保護(hù)方案。本章在以上理論分析的基礎(chǔ)上，以微電網(wǎng)的運(yùn)行和故障的特殊性為切入點(diǎn)，分析微電網(wǎng)保護(hù)所要面臨的新問題，進(jìn)而提出能夠滿足孤島微電網(wǎng)可靠運(yùn)行的保護(hù)原理。

4 微電網(wǎng)PSCAD故障模型

組成微電網(wǎng)的分布式電源也稱為微電源。微網(wǎng)中根據(jù)發(fā)電方式和能量的轉(zhuǎn)換過程，可將現(xiàn)有的微電源等效為一個直流電源加逆變器再加上濾波裝置。微電源一般可以采用恒功率控制方式（P-Q控制）或者恒電壓頻率控制方式（V-f控制）。V/f 控制方式可以實(shí)現(xiàn)情況改變時微電源之間變化功率的共享，能夠保證電壓和頻率的穩(wěn)定性。在 PQ 控制方式下，微電源向系統(tǒng)注入預(yù)定數(shù)值的有功和無功功率，選擇合適的坐標(biāo)變換參考軸，可對有功功率和無功功率分別進(jìn)行控制。逆變器的PQ 控制方式適合于微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時的情況，當(dāng)微電網(wǎng)脫離大電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時，使用這種控制方式的微電源不能為微電網(wǎng)提供電壓和頻率的有效支撐。本文所建的微電網(wǎng)模型均采用恒電壓頻率控制方式。如圖1所示建立微電網(wǎng)故障模型。

5 微電網(wǎng)孤網(wǎng)故障下仿真分析

微電網(wǎng)有并網(wǎng)和孤島2種運(yùn)行模式。微電網(wǎng)孤島運(yùn)行故障如圖1所示：為研究線路以及微電源發(fā)生單相短路故障時的電流特征。本仿真微電網(wǎng)在并網(wǎng)和孤島運(yùn)行模式下發(fā)生故障時，故障線路的故障特征也不一樣。下面將以單相接地故障為例，分析微電網(wǎng)孤島運(yùn)行模式下故障線路的特點(diǎn)。由圖2可知，孤島運(yùn)行時發(fā)生單相短路故障時，恒壓恒頻控制的微電源DG2發(fā)生單相短路接地故障時，由于微電源自身的控制使其電流在增幅約為2倍左右。而DG2的故障作為DG1的遠(yuǎn)端故障，能提供的故障電流有限，故使得穩(wěn)態(tài)故障電流的幅值也很小，不高于額定電流的2倍。

6 結(jié)束語

本文在PSCAD/EMTDC軟件平臺上建立了含2個逆變型微電源的微電網(wǎng)仿真模型，對孤島和并網(wǎng)兩種運(yùn)行模式下微電源和線路發(fā)生單相接地短路故障進(jìn)行仿真，可以得出看出在孤島模式下，微電源受恒壓恒頻控制，其輸出的故障電流小于額定電流的2倍。

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