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今天带给大家的是天津大学李永丽教授课题组关于微电网安全防御体系下电压分层分区控制方面的详细内容, 该文原文发表在2015年《电力系统自动化》第13期, 敬请品读。
微电网安全防御体系下电压分层分区控制
DOI：10.7500/AEPS20140702003
张玮亚, 李永丽, 孙广宇, 靳伟, 李小叶
微电网按照规模不同可分为单元微电网、多单元微电网和公共微电网三种类型。公共微电网是多单元微电网互联组成的大规模群落系统, 各单元微电网功率供给平衡, 能够实现灵活的运行方式切换, 有助于分布式能源的多样性、多节点、跨区域发展。规模较大的公共微电网要求各单元微电网具有孤岛运行能力及优质的电压质量, 对于保护和控制提出了严苛的要求。国内外学者针对公共微电网公共微电网安全防御体系的研究主要围绕保护和紧急控制方案的设计, 实现故障区域快速隔离并形成区域型孤岛, 而未考虑此时可能出现的复杂电压波动问题, 由于缺少保护和紧急控制与微电网局部和全局电压控制的配合, 难以满足用户优质电能质量的需求。仅从保护和紧急控制的角度设计微电网安全防御体系显然是片面的。
针对大量接入分布式能源的公共微电网, 已有文献研究并提出分布式能源参与电压控制的方案。但这些方案在实施中存在如下两个问题。
1) 控制灵活性差, 对分布式能源容量要求高。
2) 没有考虑电压控制和微电网保护和紧急控制的配合。微电网保护和紧急控制以维持全局安全为目标, 电压控制以维持局部电压为目标, 两者存在“点-面”矛盾。仅强调快速电压波动抑制的电压控制思路可能在故障或不正常运行状态消除前消耗大量分布式能源的功率储备, 加速微电网失稳。
针对上述不足, 本文结合微电网分层综合控制框架, 提出了一种微电网安全防御体系下的电压分层分区控制(HPVC)方案, 使得该体系能同时实现保障微电网安全和提供优质电能两大核心目标。电压分层分区控制方案基于电压控制型分布式能源主动参与电压控制, 对分布式能源容量的需求低, 不仅解决了电压质量控制的“点-面”矛盾, 而且通过电压分区独立控制实现了微电网安全防御体系下电压质量的全局综合优化。
在公共微电网中, 负荷和分布式能源以共公共连接点(PCC)形成单元微电网, 各公共连接点功能和拓扑对等, 因此, 本文按照公共连接点将微电网对等分区进行控制管理。微电网安全防御体系依托于分层控制框架(如下图所示), 采用三层双向通道光纤互联结构, 形成“一个整体、三个平面、三个层次”的控制结构。
1) 一个整体, 实现微电网控制和运行的协调。
2) 三个平面, 实现微电网的安全运行：第1控制平面为优化运行平面, 构成微电网的运行体系, 是准实时主动控制；第2控制平面为微电网线路保护、设备保护和动态电压控制平面, 是强实时被动控制；第3控制平面为微电网紧急控制和自适应电压恢复控制平面, 是实时主动控制。“三道防线”是电力系统安全防御体系的重要组成部分。微电网由于规模有限, 可以将三道防线简化为两道防线：第一道防线是微电网保护, 第二道防线是微电网紧急控制。
3) 三个层次, 即微电网综合控制系统分为以下三层。
：完成微电网三个控制平面的展开。在第1控制平面通过优化算法实现微电网优化运行：确定运行模式, 对设备投切、调度和功率流动进行统筹管理；调整各分布式能源输出功率参考值或下垂曲线稳态参考点等信息。在微电网发生故障时, 自动转入第2控制平面, 采集保护动作信息, 分布式能源电气量信息, 以及开关信息；当保护不能确保微电网正常运行时, 主动转入第3控制平面确保微电网恢复正常。
公共连接点区域控制层：微电网控制的中坚环节, 、电压分层分区控制, 以及微电网孤岛重构后的区域微电网控制。
分布式能源本地控制层：接收公共连接点区域控制层的控制信号完成分布式能源本地控制。
微电网安全防御体系下的电压分层分区控制方案由公共连接点区域控制器控制区内各分布式能源完成(图1)。故障发生前, 分布式能源工作在图1所示的第1控制平面, 接收公共连接点区域控制器下发的控制信号完成本地控制；故障发生后, 公共连接点区域控制器检测电压波动情况启动电压分层分区控制, 生成控制信号下发至分布式能源, 由其本地控制器执行。微电网保护是断路器型保护, 固有动作时间较长(低压断路器动作时间一般为100~300 ms), 因此电压分层分区控制配合微电网保护和紧急控制, 分两阶段完成：
1) 第1阶段：故障发生后, 微电网保护不会立即动作, 公共连接点区域控制器通过电压波动检测, 根据故障后相电压最大、最小值以及最大最小相电压差值的不同情况, 投入动态电压控制并设定电压参考值信号, 下发给区内各分布式能源, 维持公共连接点电压在相电压安全带, 同时消除了电压控制过程中的电压相位跳变, 一方面避免故障隔离之前分布式能源大量的功率输出, 降低对主动参与电压控制分布式能源的容量需求；另一方面确保分布式能源不脱网并能持续供出电流, 有利于保护动作。动态电压控制持续到微电网保护动作完成故障切除。
2) 第2阶段：公共连接点区域控制系统接收到第2控制平面结束信号后, 延时等待断路器灭弧过程完成(延时时间根据电压等级和断路器提前整定), 继而进入自适应电压恢复控制, 设定电压参考值控制信号, 下发至区内各分布式能源。在二次电压恢复过程中, 公共连接点区域控制器生成的相电压控制参考值按照指数趋近律方程从初始值变化到1, 继而自动停止, 相电压偏差越大, 整个调整过程的时间为越小。实现了区域孤岛形成之后各分区母线电压的平滑二次恢复, 辅助微电网完成分区自愈以及重新并网。此过程对分布式能源的容量的需求低(无需向故障点供给电流)。综上, 微电网保护和紧急控制与电压分层分区控制的配合时序如下图所示。
通过仿真算例验证了本文方案的有效性。该方案具有以下三个特点：
1) 针对含有多公共连接点多分布式能源的复杂微电网部署分层、分级、分区域的综合控制系统, 根据通信通道的完备性完成不同的控制方案, 具有较强的灵活性。
2) 该方案在故障发生保护未动作切除故障阶段, 以相电压不越过低压配电系统公共连接点相电压安全带为目标控制相电压参考值, 降低了公共连接点电压不平衡度, 同时消除了电压控制过程中的电压相位跳变, 在分布式能源容量有限的条件下实现了最大限度的电压趋优控制。对于相电压的控制可以协助分布式能源完成低电压穿越, 提高微电网分区电压控制能力, 降低对主动参与微电网电压控制的分布式能源的容量需求。
3) 充分考虑了电压分层分区控制和微电网保护和紧急控制的时序配合, 在公共连接点电压紧急控制时限内以最小容量完成公共连接点相电压控制, 随后依据电压偏差程度完成自适应电压恢复控制, 避免电压恢复过程中可能带来的二次冲击, 恶化电能质量。
张玮亚, 博士研究生, 主要从事电力系统保护与控制、微电网控制及电能质量控制的研究, 在SCI源类期刊发表论文4篇, EI源类期刊发表论文5篇。所属课题组在天津大学李永丽教授的带领下, 在电力系统保护与控制方向, 可再生能源控制技术和电能质量控制技术等方面积累了深厚的研究基础及实践经验。课题组先后承担并完成了国家科技部863计划课题“微型电网并网、控制与保护技术”；国家科技部重点基础研究发展计划973子课题“微网及含微网配电系统的保护原理与技术”。完成多项国家自然科学基金、天津市自然科学基金项目。完成多项与ABB公司, 国家电网、南方电网、许继公司、南瑞公司、深瑞公司合作项目。
课题组在2010年“超/特高压电力系统保护原理与技术”课题获天津市技术发明一等奖；2010年“基于故障录波的高压直流输电线路故障综合测距方法及相关软件研究”课题获南方电网科技进步二等奖和专利发明三等奖；2006年“电力系统单相自适应重合闸的研制”获天津市科技进步三等奖。2005年“乌海电网短路电流计算软件开发”获华北电网科技成果推广应用三等奖, 内蒙古电力公司应用技术研究二等奖。1999年“微机高压、。
本文引文信息：
张玮亚,李永丽,孙广宇,等.微电网安全防御体系下电压分层分区控制[J].电力系统自动化,2015,39(13):1-7. DOI: 10.7500/AEPS20140702003.
ZHANG Weiya,LI Yongli,SUN Guangyu, et al.Hierarchical-partitioned Voltage Control Under Security Safeguard System of Microgrid[J].Automation of Electric Power Systems,2015,39(13):1-7. DOI: 10.7500/AEPS20140702003.
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