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安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书
微电源故障输出特性和微电网保护方案初探
摘要
分布式发电不仅具有环保、效率高、安装地因地制宜等优点，而且可节省长距离输电线路的投资成本和损耗，保障在大电网发生意外停电时，能够提供基本的能源供应。然而，分布式发电的随机性、小容量、小惯性、低过载能力等缺点，以及分布式发电接入对大电网的影响等诸多因素都制约着分布式发电技术的推广和实用，微电网技术的出现就是为了解决这些难题。
本文首先对逆变型分布式电源的工作原理以及控制策略进行了理论分析，并在此基础上分别详细分析了在PQ控制以及VF控制下逆变型分布式电源的故障输出特性，并在Matlab/Simulink仿真环境下进行仿真，验证了控制策略的有效性以及故障输出特性分析的正确性。最后阐述了微电网的配置、保护层次和逻辑，以及基于全局信息的集中式保护方案。
关键词：逆变型分布式电源，故障输出特性，微电网，仿真，保护方案
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安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书
ABSTRACT
The 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 cost, 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.Many 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 failure 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 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
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目录
摘要 .............................................................................. 1 ABSTRACT .......................................................................... 2 第一章 绪论 ...................................................................... 4
1.1 课题的背景和意义 ......................................................... 4 1.2 国内外微电网的研究现状 ................................................... 5
1.2.1 各国对微电网的定义和研究方向 ....................................... 5 1.2.2 微电网保护的研究现状 ............................................... 6 1.3 本文研究主要内容 ......................................................... 8 第二章 微电网的控制策略及故障特性分析 ............................................ 9
2.1 微电网的结构特点 ......................................................... 9 2.2 微电源的分类及控制原理 .................................................. 11
2.2.1 微电源的分类 ...................................................... 11 2.2.2 逆变型分布式电源的工作原理 ........................................ 11 2.2.3 逆变型分布式电源的控制方法 ........................................ 12 2.3 逆变型分布式电源的故障输出特性分析 ...................................... 14
2.3.1 逆变型分布式电源的模型简化 ........................................ 14 2.3.2 恒压恒频控制下IBDG的故障输出特性分析 ............................. 15 2.3.3 恒功率控制下IBDG 的故障输出特性分析............................... 20 2.4 本章小结 ................................................................ 22 第三章 微电源故障特性研究 ....................................................... 23
3.1 PQ和V/F控制模型搭建 ................................................... 23 3.2 控制策略仿真算例 ........................................................ 24 3.3 IBDG的故障暂态仿真 ..................................................... 26
3.3.1 恒压恒频控制下IBDG的故障输出仿真 ................................. 26 3.3.2 恒功率控制下IBDG 的故障输出仿真 .................................. 29 3.4 本章小结 ................................................................ 33 第四章 微电网的保护 ............................................................. 34
4.1 基于电流序分量的保护方法 ................................................ 34 4.2 保护的层次和逻辑 ........................................................ 35 4.2 基于全局信息的集中式保护 ................................................ 36
4.2.1 微电网内的保护配置 ................................................ 37 4.2.2 集中式保护方案的实现基础 .......................................... 38 4.3 孤岛检测与保护分析 ...................................................... 39 4.4 本章小结 ................................................................ 41 总结 ............................................................................. 42 致谢 ............................................................................. 43 参考文献 ......................................................................... 44
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安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书
第一章 绪论
1.1 课题的背景和意义
随着经济和科学技术的大力发展，大电网在过去数十年里发展迅猛，成为电力供
应的主要渠道。然而，这些集中式供电的大电网也存在一些弊端和不足，特别是近几年来，接连几次发生了世界范围内的大面积停电事故以后，大电网的脆弱性充分地暴露出来，特别是在发生自然灾害、电网事故的紧急情况下，军工、医院、金融等系统突然断电造成的不仅仅是经济损失，还会危及社会的安全和稳定。 目前分布式发电机的数量在电力系统中占得比例越来越高，各国对利用清洁可再生能源发电的重视，促使了分布式发电技术的迅猛发展。所谓的分布式发电(Distributed Generation, DG)，通常是指采用各种分散存在的清洁能源，包括风能、太阳能、小型水能等可再生能源进行发电供能。分布式发电具有灵活性特点，可以在峰谷电价下启动，减小电费支出。同时，对于边远贫困地区安装小型DG装置，可以充分利用当地资源，避免因长距离输电而造成的损耗，从而有效提高系统的可靠性与稳定性。分布式发电还具有很强的机动性，具有投资少和见效快的特点，从而弥补了大电网在稳定性与安全性方面的不足。当地震、洪水、冰灾等自然灾害或者人为破坏等突发灾难而导致大电网崩溃时，分布式发电能够继续对重要用户进行供电，从而避免因大范围停电给国家重要部门带来的损害。
分布式发电虽然具有很多优点，但是本身也存在许多缺点，例如，分布式电源控制困难和单机接入成本高等；另外，分布式电源与大电网相比是不可控源，而且对电网及用户造成了巨大冲击，对系统的运行、电能质量、保护可靠性等都带来不利影响，使得并网的规模受到限制。因此电网往往采取隔离和限制的方式来处理分布式电源的接入，从而削弱了分布式发电效能的利用。
为了充分发挥DG的优势，减少DG对电网的冲击及一些负面影响，尽最大可能的实现DG的效益和价值。在本世纪初专家们提出了微电网(Micro-grid)的概念，微电网也称为微网，是指通过电力电子器件把以可再生能源为主的分布式电源连接起来，结合能量转换装置、监控系统、保护等技术而成带动相关负荷的微型发配电系统，能够提供电能和热量，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，同时还满足用户对电能质量和供电可靠性、安全性的要求，既可以并网运行也可以孤岛运行的微型电网。微电网中的电源也称为微电源(Micro-Generator, MG)，主要有水力发电、风力发电、光伏发电等。为了提高微电网运行的可靠性和电能质量，微电网中一般还包含电能存储装置，如飞轮储能系统、超导电磁储能系统、超级电容等。微电源和储能系统安装在用户侧，具有低成本、低污染等特点。
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安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书
微电网的引入，对传统中低压配网的保护带来了挑战：原本辐射状线路的单向潮流方向可能变成双向，传统分布式系统保护可能由于微电网内结构变化而退出。同时，电力电子器件在DG中的使用，使得故障电流幅值通常只有额定电流的2-3倍。微电网在并网运行和孤岛运行下均应能够响应于故障，做到大电网侧故障不动作，网内故障时迅速正确响应，成为了微电网保护的关键和难点。
1.2 国内外微电网的研究现状
1.2.1 各国对微电网的定义和研究方向
微电网解决了DG高渗透率并网问题，并能充分发挥DG的各种优势，成为了公共
电网的有效补充和利用形式，自然受到世界各国越来越多的关注与支持，发展潜力十分巨大。
1) 美国微电网的研究
美国是最早提出微电网概念的国家。1999年，美国电气可靠性技术解决方案协会(CERTS)首次并较完整的将微电网定义为：微电网相对大电网来说是一个单一受控单元，可以为用户提供高质量电能和用电安全需求。微电网内部由微电源和负荷组成，可以同时产生电能和热能；微电源产生的能量来自于内部电力电子器件的转换；并且提出了“即插即用”以及“对等”控制思路和设计方案，这成为了微电网概念中最早和最权威的概念。目前美国已经对微电网的建模与仿真、保护与控制以及经济运行等方面理论进行了分析，并逐步形成了相关的管理政策和法规；同时，美国政府将建设“电网现代化”建设与微电网结合，将以后研究和发展的重点放在为重要负荷供电可靠性提高、满足用户多样化用电需求、实现智能化、降低成本等。
2) 欧盟微电网的研究
欧盟微电网研究机构将微电网定义为：配有储能装置的；使用一次能源，经过电力电子器件对能量控制和转换；可冷、热、电三联供；集中多种微型分布式发电装置。欧盟将电力系统的发展方向定为“智能电网”的方向，而微电网本身的智能化、能量利用的多元化以及环境友好等优势，已经成为了他们研究的重点。目前，在多国建设的不同规模的实验项目上已经对微网的运行、控制、通信、保护及安全等理论进行了验证，并且将后期的研究工作定为建设示范工程、更先进的控制策略、DG大规模接入以及由传统电网向智能电网过渡等方面。
3) 日本微电网的研究
由于一次能源的匮乏以及负荷需求的迅速增长，日本十分重视可再生能源在本国能源结构中越来越多的利用。微电网能极大发挥分布式电源效能的理念促使了微电网在日本的飞速发展。日本的微电网定义为：根据客户需求，在部分特殊区域装设分布式能源的小型系统，为其提供电能和热能。他们对微电网的研究方向主要设在对电能需求多样化方面、能源利用率以及环保方面。目前日本政府已经与国家重点科研室、
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