微电网并离网控制策略研究及实现

微电网并离网控制策略研究及实现

任洛卿，唐成虹，王劲松，黄琦

南瑞集团公司（国网电力科学研究院）, 江苏省南京市211106

The Research and Implementation of Micro-grid's Grid-connected & Off-Grid Control

Strategy

Ren Luoqing, Tang Chenghong, Wang Jinsong, Huang Qi

NARI Group(SGEPRI), Nanjing, Jiangsu 210003

ABSTRACT: This paper analyzes the network structure and operation modes of micro-grid and proposes a method of grid-connected & off-grid control strategy, which is based on fast fault detection and pattern recognition. Improved half-wave Fourier algorithm is used to carry out fast protection computation of the characteristic value so as to implement fast fault detection. The characteristic value is described by logical expressions and its real-time value is used to identify the current running mode and as the criterion to implement smooth switching control between the grid-connected mode and off-grid mode. So far, this method has been successfully applied in Luxi island micro-grid demonstration project.

KEY WORD: micro-grid; fast fault detection; pattern recognition; coordinated control strategy

摘要: 本文对微电网组成结构及运行模式进行分析研究，提出了故障快速检测和运行模式识别的微电网并离网控制策略方案。故障快速检测以改进的半波傅里叶计算为基础，通过对微电网特征量的快速保护运算，实现故障的快速检测。微电网并离网平滑切换控制实现方法，将微电网特征量以逻辑表达式的形式进行描述，通过读取微电网特征变量实时值，识别出微电网当前运行模式，实现微电网并离网平滑切换。目前该方法已经成功应用于鹿西岛微电网示范工程。

关键词: 微电网；故障快速检测；模式识别；协调控制策略

1 引言

微电网由分布式发电、负荷、储能等部分组成，一般与中低压配电网相连，是一种可以运行在并网模式或离网模式的小型配电网系统。随着分布式发电技术的发展，分布式电源数量快速增长。智能微源、节能降耗、提高供电质量的目的[1]，因此微电网是处理大规模分布式发电接入电网的必然选择，微电网技术的发展对未来坚强电网的发展起着至关重要的作用[2-3]。

微电网有并网和离网两种状态。当电网发生故障时，微电网可离网运行，进入独立的孤岛状态。然而在微电网的发展中，微电网的运行控制尤其是并离网切换控制具有一定的难度。当电网发生故障时，分布式发电和储能设备的电力输出与实际负荷的电力需求很可能不平衡，造成大量电能缺额或电能过剩。此时需要迅速进行判断并进行相应的调节控制，使微电网能够平滑切换至离网状态运行。

现有的微电网并离网切换控制装置一般是针对特定并网方式设计，而离网控制操作过程需要人工参与[4-6]，无法自动适应微电网运行方式，很难做到并离网平滑切换控制。因此，研究微电网并离网平滑切换控制策略实现方法[7-12]是保证微电网安全高效运行的迫切需求。

本文对智能微电网的并离网控制策略进行了研究，提出了包括基于快速保护运算的故障检测技术和基于模式自识别的协调控制方法。这些新技术组成的微电网并离网控制策略，使微电网可以在并网和离网模式间实现平滑切换，同时保证重要负荷的持续供电。

2 快速故障检测技术

快速的故障判断是微电网的并离网切换控制的重要基础，而更快速的故障判断需要在更短时间内完成保护量的运算。

传统的全波傅里叶变换是电力系统中经常使用的保护计算方法。

传统计算方法公式如下：

N -1

电网作为智能电网的重要部分，能灵活有效地运用分布式发电和储能设备，达到最大化接纳分布式电

2

a

n

=x

n

N =0

sin(nπ 2π )

N

4∑

N

电网

KG1 KG2

I 母

子微网1 KG3

子微网2

II 母

2

⎰ ⎰ N -1

4

∑

cos( π 2π ) 运行模式 3：两子微网组成大微网，并网运行。 运行模式 4：两子微网组成大微网，离网运行。 b n = N

x n n N =0 N

图中,子微网 1 与子微网 2 之间的 KG3 开关处 传统的保护运算在消除谐波方面有较好的效 果，但是因为需要一个周期的数据窗，计算较为耗 时。为了满足快速检测故障的需求, 我们提出将一 种改进型的半波运算的方法运用于微电网故障检 测。

半波傅里叶计算公式如下：

于合位，子微网 1 的并网点 KG1 处于合位，子微 网 2 的并网点 KG2 处于分位，显示当前微电网正 处于两子微网组成大微网，并网运行的运行模式 3。

根据微电网测控装置采集的微电网运行数据 对微电网的各个特征变量进行定义，将并网点 n 位 置定义为 S(n)，并网点 n 电压信号定义为 U(n)，并 4

a n = T 4

b n = T

T 2

x (t ) s in ωtdt 0 T 2

x (t ) cos ωtdt 0 网点 n 电流信号定义为 I(n)，并网点 n 有功功率为 P(n)。

将定义好的各特征变量代入逻辑表达式中以 进行运算。采用三元式作为微电网逻辑运算代码的 半波运算数据窗为每周期数据点的一半，速度 很快。基于该技术的算法能够比传统的全波算法更 迅速地计算出保护量，从而更快速地检测到故障的 发生，为并离网状态切换的控制和处理提供有利条 件。

3 微电网协调控制方法及实现

3.1 微电网运行模式的识别技术及实现

微电网中存在各种不同的运行模式和组网结 构，在一些大规模微电网中还包括多个子微网，要 对微电网进行协调控制，首先要实现运行模式的识 别。

微电网运行模式识别的基础是网内各节点当 前特征量的反映。通过建立逻辑表达式对所有特征 量进行逻辑运算和判断，可以得知微电网当前各节 点的运行状态以及微电网当前的运行模式。

下面以图 1 所示的一种有较强代表性的微电 网系统为例，说明微电网运行模式识别的运算过 程。

储 能

风 机 光 伏 负 荷 储 能

光 伏 风 机 负 荷

发 发 发 发

电 电

电 电

图 1 微电网一次拓扑图

图 1 所示的微电网由两个子微网组成，标示为 子微网 1、子微网 2。其运行方式有四种，分别是

运行模式 1：子微网 1 单独并网运行。 运行模式 2：子微网 2 单独并网运行。

表达形式。三元式作为一种中间代码形式，更接近 目标代码，更有助于优化微电网模式识别效率 [13-14]。三元式的一般形式为：(op ，arg1，arg2)。 其中，op 为一个运算符，arg1、arg2 是其运算对象， 可以是变量、常数或系统定义的临时变量名。

微电网模式控制器将各种运行模式的逻辑四 则表达式读取到三元式数据结构中,得到其逻辑结 构图，可以更直观地对识别方法进行展现。运行模 式 3 图 2 运行方式判断逻辑结构图

微电网模式控制器在运行过程中持续对该结 构进行计算，如计算结果为真，则判定微电网运行 于模式 3，如计算结果为假，则说明微电网并不运 行于模式 3，此时控制器自动对其他运行模式的结 构进行遍历计算，直至找到当前运行模式，则完成 了微电网运行模式的智能识别。

除了运行模式的识别，改变运行模式的运行判 据也表达为该形式。通过选择性地加入离网触发信 号 Trip(n)、并网信号 Close(n)、有压 VTG(n)、无 流(NoI(n))等相关的触发特征量，对微电网并网运 行稳态、离网稳态、需要并转离、需要离转并等状 态的运行判据进行遍历计算。

当相应判据的计算结果为真时，表明需要对运 行模式作出相应的调整改变。 3.2 微电网控制策略的实现

要实现微电网并离网的控制策略，前提是对要 控制的微电网进行结构分析，通过采集和计算相应

S1 S3

P1

I2 U3 &

&

S2 &

> 0

&

≤ 0.01

& result >

350