低压微电网（精选7篇）
低压微电网 篇1
摘要：直流微电网(DC-MG)提供了一种整合分布式电源的手段,其结构特点是能量存储单元和负载在同一直流侧。以下垂控制为主的控制方式已广泛应用于DC-MG。但是,传统的下垂控制不能同时实现电流精确分配和电压调节。本文提出了应用于直流微电网新的自适应控制方法。该方法不仅能满足精确的电流分配,还能根据不同负载条件调节电压。该控制方法是随着负载增大从而增大下垂增益,以实现精确的电流分配,并仿真验证假设。
关键词：直流微电网,下垂控制,电流分配
1概述
近年来,由于气候变化和化石燃料枯竭,分布式发电(DG)已经引起人们的广泛关注。微电网(MG)是一种集成不同类型负载和DG单元的小型电力系统。其主要特点是灵活,高效,可靠和模块化。然而,微电网的可靠,高效运行取决于DG模块所采取控制策略。通常,微电网分为直流和交流,它们能同时在孤岛效应和并网下运行。由于现在电力系统大都是交流系统,故大多文献集中在交流微电网的研究。最近几年直流微电网获得了研究者的广泛关注。直流微电网与交流微电网相比,具有很多优势,包括更简单的控制方案(由于没有频率和无功功率控制),更高的效率和功率质量,更低的成本。如果采用合适的控制方法,所有这些特点都将实现。本文所述的下垂控制方法,下垂增益随负载电流自动改变,而无需使用与DG单元之间的任何通信连接。
2下垂控制分析
为了比较常规下垂控制方法和本文所述的方法,建立了一个基本的由两个参数相等的电源组成的直流微电网(图1)。其参数为额定电压(Vnom)为50V,负载电流(IL)为20A,额定电流(电源)为10A,线电阻1(r1)为0.1Ω,线电阻2(r2)为0.2Ω,线电感1(L1)为0.2m H,线电感2(L2)为0.4m H。由于两个电源的参数一致,故这两个DG单元的传统下垂控制系统的系数相等。为了进行稳态分析,电缆模型是电阻与电感串联。传统的下垂控制可以表示为
其中,I1是输出电流,n1是下垂增益,Vnom是额定电压,Vref,i是第i个源的参考电压。电流分配的准确性极大的受下垂增益的影响,随着下垂增益增加,电流分配误差增大。在下垂控制中,下垂增益模拟一个虚拟电阻。因此,较高值的增益模拟一个较高的虚拟电阻。这对CPLs的不稳定性影响将显著降低。
3控制方法
本节将提出一种新的自动下垂控制方法。在低负载电流时,由于功率损耗比DG模块的额定功率小得多,DG的输出电流远小于额定电流。另外,低负荷条件对CPLs的不稳定影响并较小。此外,对功率损失和电压调节而言,在低负载时最好选用小下垂增益,这能提高电压调节和系统效率。下垂增益是等效虚拟电阻,增加下垂增益将会增大由CPLs引起电压震荡的阻尼。下垂增益随负载电流的增加而增加。更重要的是增加下垂增益降低了电压调节作用。为了使大下垂增益来获得预想的电压调节性能,下垂特性必须用以补偿压降。下垂特性应在低(高)负载功率的小(大)下垂的增益。因此,该下垂曲线应根据负载电流自动改变其斜率。该下垂方程为
其中Vnom是额定电压,Ii是输出电流,Vref,i是参考电压,I-max,i是第i个电源的最大输出电流,Vmin是最小电压。mi和a分别是下垂曲线常数和系数。故可知等效下垂增益(RD,i)曲线在特定工作点的切线斜率随负载电流的增加而增加。由(2)和所述的电流得到
沿电压轴的等效电压偏移(ΔVi)式可通过等效下垂线与电压轴交点确定
4仿真
为了观察该方法的性能,在MATLAB/simulink中用三个DC-MG模拟三个DG单元。额定电流分别为(DG1;10A,DG2;10A,DG3;5A)。本文所提方法外部电压控制回路的电压作为参考电压。为实现轻负载,则令负载电阻Rload1=2Ω在t=0.2s时,再加一个为Rload2=4Ω的电阻来模拟更高的负载。为了与传统下垂方法作比较,令下垂增益n1=n2=0.2和n3=0.4作为小下垂增益,n1=n2=2和n3=4作为大下垂增益。输出电流如图3所示。在低负载电流时,DG单元的输出电流远小于最大限度值。由于电流分f配并不是特别重要,随着负载增大,DG的输出电流逐步接近最大限度值。本文所述方法,如图所示,通过增加负载,相当于下垂增益自动增大从而达到精确电流分配。
5结论
传统的下垂控制,小下垂增益能产生良好的电压调节,但电流分配不准确,而大下垂增益能做到电流分配准确,但电压调节由限。为了克服这个缺点,本文提出了一种新的控制方法,下垂增益随负载自动改变。仿真结果表明,通过改变负载大小自动的改变下垂增益,能同时实现精确的电流分配和电压调节。
参考文献
[1]郑永伟,陈民铀,李闯,徐瑞林,徐鑫.自适应调节下垂系数的微电网控制策略[J].电力系统自动化,2013.37(7),6-11.
[2]王成山,王守相.分布式发电供能系统若干问题研究[J].电力系统自动化.2008,32(20);1-4.
[3]Guerrero,J.,loh,P.C.,Lee,T.L.etal.:'Advanced control architectures for intelligent microgrids IEEE,2013,60,(4),1263-1270.
低压微电网 篇2
近年来，社会经济的迅速发展导致人们对电能的需求日益提升，微电网以其污染少、效率高、可控性好等优点，受到越来越多的关注[1,2,3]。在实际运行中，微电网基于即插即用(plug and play)与对等(peer to peer)的控制思想和设计理念，不依赖通信，对每个微电源进行就地控制，以降低系统控制成本和增加控制的可靠性[4,5]。应用这种控制思想，下垂控制策略在微电网中得到了广泛的应用。
传统下垂控制方法是基于各并联逆变器的系统等效阻抗呈感性的，对线路的阻感比依赖性较大。然而实际中，微电网多位于低压配电侧，线路阻抗呈阻性或阻感性(R/X>>1)[6]，逆变器输出的有功功率、无功功率分别与频率、电压存在耦合关系，传统下垂控制方法不再适用[7]。目前，解决这一问题常用的方法是通过改变线路的阻感比[8]，使之满足传统下垂控制的要求，即在微电源的逆变器输出端口处串联一个大电感，但这必然会导致系统体积成本和损耗增加，总效率降低。
针对这一问题，文献[9,10,11]提出改变控制环节的网络参数使逆变器输出阻抗呈感性，使有功功率与无功功率解耦，以适应新的下垂控制策略，这导致了控制策略对网络参数的依赖性较大，而且实际上有功与无功也没有完全解耦。实际微电网的控制中，逆变器的控制处在微电源站内部，控制策略对网络参数的依赖以及对外部线路尤其是低压微电网的线路阻抗的忽略，往往会导致系统运行失稳与控制的不利。文献[12,13,14]引入了虚拟阻抗将逆变器的等效输出阻抗设计成阻性，能较好地适用于下垂控制策略，取得了较好的控制效果，但引入的虚拟阻抗会加大系统的等效阻抗，造成较大的电压降落，不利于供电质量的保证。文献[15]提出了“虚拟负电阻”的概念，增加负电阻以抵消系统阻抗中的阻性成分，降低功率耦合，同时也减少了电压降落，但其虚拟负阻抗的取值对计算要求较高，需要对微电网线路阻抗有较高的估算精度。
针对上述问题，本文将在低压微电网三相逆变器的控制策略中引入动态虚拟阻抗，以降低功率耦合，减小电压降落和环流，实现对低压微电网电能质量灵活而有效的控制。
1 下垂控制策略分析
传统下垂控制早期主要使用在高压微电网中，很小，可近似认为sin(28)，cos(28)1。即X>>R，θ≈90°，Z≈j X时，对应的功率表达式和下垂控制方程为
其中：Kp、Kq分别为有功/频率(P-f)下垂系数和无功/电压(Q-V)下垂系数；ωi*、Ui*、Pi*、Qi*分别为参考频率、参考电压、参考有功功率和参考无功功率。
上述控制只能适用于高压微电网中线路阻感比呈感性的状况，对线路的阻抗忽略不计，其上层控制管理系统给出的指令电压值固定不变，没有考虑线路阻抗及负荷的变动，而实际中微网尤其是低压微网的线路阻抗是较大的，负荷的接入和退出对电压波动影响较大，继续采用传统的下垂控制策略会导致系统不稳定，控制不精确，电压质量不高等问题。因此，对传统下垂控制策略进行改进是十分必要的。
为更好地提高低压微电网中分布式电源的利用率，目前对传统下垂控制策略进行改进多集中在通过选取合适的控制参数，减少系统阻性成分，降低系统功率耦合，减小系统阻抗对系统电能质量的不利影响[15]。
文献[16]在控制环节中引入了感性虚拟阻抗，改变了线路阻感比r(28)R X，但线路电阻仍客观存在，为减弱线路阻抗差异对并联均流的影响有一定效果，又提出对下垂控制策略进行改进。
因此，微电网多逆变器并联的改进下垂控制算法可以写为
通过调节下垂控制系数Kpω、Kqu和阻感比r，可分别实现对逆变器输出频率和电压幅值的瞬时控制。但由于不同逆变器的线路长度各异，不同电压等级连接线路对应不同的阻感比，线路阻抗在无法准确测量的情况下，存在很大的不确定性，而控制系统中设定的阻感比数值又需与实际匹配，且该控制策略下，线路电压降落的问题仍然存在。
2 动态虚拟阻抗控制策略
2.1 基本的虚拟阻抗控制策略
目前在微电网中接入虚拟阻抗的方法主要有两大类：一是通过改变逆变器的控制参数，控制调节逆变器的等效输出阻抗，改变微电网的系统阻感性以适应传统的下垂控制策略；二是在微电网逆变器中加入前馈控制环节，参照电压降落调节指令电压，达到模拟实际阻抗的作用。虚拟阻抗的接入，虽然改变了系统的阻感性，但其阻性成分的客观存在仍然会导致系统的功率耦合，忽略阻性成分的影响必然会减弱控制策略的控制效果。
目前对微电网逆变器控制策略的改进多在控制环节中加入虚拟阻抗(包括虚拟电阻和虚拟电感两部分)，改善线路阻感性，使Pf-QV下垂控制能够适用于阻性线路。
构造的虚拟阻抗表达式为
式中：Rv为虚拟电阻；Lv为虚拟电感。系统总阻抗包括逆变器的输出阻抗和线路的虚拟阻抗。在低压微电网中，有线路阻抗Zline=Rline+s Lline。
此时基于虚拟阻抗的阻感比表达式为
加入虚拟阻抗后逆变器等效输出阻抗向感性偏移，系统阻感比减小，降低了功率耦合，增加了控制策略的有效性，但虚拟阻抗会导致压降过大以及谐波放大，降低了电能质量。
2.2 基于虚拟阻抗的双环控制策略
并联逆变器控制采用基于虚拟阻抗的电压电流双闭环控制，基于虚拟阻抗的下垂控制为电压电流环提供了电压参考值。为了得到较好的电压调节特性，电压外环采用比例积分(PI)调节器，产生电感电流参考值，对电感电流的精度要求不高，所以电感电流调节环采用比例调节器，减少系统稳态误差，提高系统的供电质量和稳定性。
如图1所示，u*ref(s)为功率外环交流电压参考值，iG(s)为电流内环控制器传递函数，uG(s)为电压外环控制器传递函数，0u(s)为逆变器输出电压，L、C分别为主电路的滤波电感、滤波电容，KPWM为逆变器的基波脉宽调制比例系数，Zv(s)为虚拟阻抗，0i(s)为负载电流。
在图1所示的控制策略下，加入虚拟阻抗后的逆变器的输出电压为
其中：为逆变器等效输出阻抗，即
逆变器电压闭环传递函数为
在电压电流双环控制中加入虚拟阻抗，改变了阻抗比，增加了对电压、电流环的控制，但仍然没有减小系统的电压降落，这对于输出的电能质量产生了不利影响。
2.3 基于电压降落的动态虚拟阻抗的设计
为了提高负荷供电质量，减少电压降落和环流对电能质量的影响。本文提出动态虚拟阻抗的解决方法。
系统总电压降落为
为保证供电质量，减少系统电压降落和环流，参考式(11)，设动态虚拟阻抗值为
式中：ΔE为系统在微电网负荷侧采样点的电压幅值与逆变器指令电压间的差值；0i(s)为负载电流。随着母线电压、电流的实时采集，虚拟阻抗在动态虚拟阻抗环的作用下，不断自适应地调整取值。将新的虚拟阻抗值代入到式(11)中，计算可得电压降落参考值ΔU，由此可得逆变器新的指令电压值为
在独立运行的微电网中，投入运行时，先给微电网控制环节的指令电压赋值Uref1，同时采集微电网中负荷侧的母线电压，引入负载电压反馈，提高指令电压数值，形成新的指令电压。
此时，逆变器的输出电压相对升高，系统的供电电压将持续维持在正常范围内，克服了对引入虚拟阻抗之后对电压降落的影响。随着虚拟阻抗数值的变化，微电网中的系统阻抗比也在发生变化，本文采用的改进型下垂控制策略，同时考虑了动态虚拟阻抗对系统阻感比的影响以及指令电压的赋值变化，相比于传统的下垂控制策略，在减少电压降落，保证供电质量的同时，能够对微电网进行更好地控制，减小环流。
3 仿真及实验验证
本文基于Matlab/Simulink仿真平台建立了如图2所示的基于动态虚拟阻抗的微电网逆变器多环控制框图，以验证所提控制策略的有效性。其他参数两逆变器均相同，仿真参数见表1,f=50 Hz,fs=10 kW,Pload=10 kW,Qload=3 kvar。
图3为加入动态虚拟阻抗前后并联逆变器输出电压对比图。加入动态虚拟阻抗前，逆变器输出电压幅值约290 V，而系统给定的额定电压为311 V，电压降落明显，而加入动态虚拟阻抗后，逆变器输出电压幅值约310 V，表明动态虚拟阻抗减少了由线路阻抗引起的电压降落，为提高负荷供电电压质量提供了保障。
图4为加入动态虚拟阻抗前后逆变器之间的环流对比图，由图4(a)和图4(b)可以看出，加入动态虚拟阻抗前，逆变器之间的环流为0.3 A左右，而加入动态虚拟阻抗后的逆变器间的环流为0.05 A左右，环流明显得到了更为有效抑制。
如图5所示，当逆变器输出阻抗呈阻感性时，加入动态虚拟阻抗后的下垂控制策略下，系统频率趋于稳定的速度更快，系统能更快地进入稳态运行。由此可见，加入动态虚拟阻抗之后，下垂控制在频率调节时效果更优。
逆变器输出阻抗呈阻感特性时，加入动态虚拟阻抗前后2台逆变器输出有功功率和无功功率对比图如图6和图7所示。加入动态虚拟阻抗前的有功和无功均分效果不好，稳定性不佳，而加入动态虚拟阻抗后的控制策略在0.01 s时就已进入稳定控制，说明加入动态虚拟阻抗后，控制策略能较好地实现有功功率和无功功率的均分。
4 结论
(1)采用动态虚拟阻抗可使低压微网中并联逆变器的系统阻抗呈可调节性，在加强对功率的控制的同时减小了系统电压降落，较好地解决了功率的合理均分问题，且环流得到了有效抑制。
(2)考虑阻感比的改进下垂控制策略，在加入动态虚拟阻抗之后，降低了对线路参数的敏感度，反馈环节使功率控制器具有恒压恒频控制性能，减小了微网系统控制的复杂度，缩短了系统运行趋于稳定所耗时间。
低压微电网 篇3
关键词：微型能源网,风力发电机,微型燃气涡轮机,暂态稳定性,仿真
0 引言
近年来, 分布式发电系统并网运行相关理论与技术研究日益受到关注。微电网作为一种新型的电力系统, 连接着低压配电网的诸多小型模块, 可有效解决分布式电源对电网的影响。微电网存在两种典型的运行模式:正常情况下微电网与常规配电网并网运行, 称为联网模式;当检测到电网故障或电能质量不满足要求时, 微电网将及时与电网断开而独立运行, 称为孤岛模式[1]。微型发电机是功率小于100kW的小单元, 并且绝大部分包含电力电子接口, 主要使用可再生能源或者矿物燃料[2], 在当地热电联产模式中应用。微电网技术可以有效缓解当前的能源危机, 对于自然环境的保护和经济、社会、生态的可持续发展来说至关重要。
当微电网使用单相电路并配单相负载时, 微电网与包括感应电动机在内的动态负载相互作用会出现一些不平衡的状况[3], 这就给电力系统的安全稳定运行带来了不利。对于微电网运行的稳态模型和动态模型, 有必要进行系统的研究。为了模拟这些效果, 分析工具必须能模拟系统的三相状况、中性线、地面指挥和接地线路。该工具应当具备稳态和动态模型, 以应对多种形式的微电源和其接口[4]。
本文介绍了用于均匀三相感应发电机、微型燃气涡轮机和风力发电机的模型[5,6], 单相感应发电机、光伏系统、燃料电池、电网侧逆变器和其他模型被集成在仿真平台中[7,8]。本文展示了微电源模型和发展于微电网项目框架的仿真平台, 该平台可以对包含微型发电机的低压三相网络的稳态和动态操作进行仿真, 这涉及到充足的微电源、机器 (感应电机和同步电机) 和逆变器模型在毫秒时间内的发展。通常, 这些设备被直接耦合到电网, 因而对电网电压和频率产生直接影响。用于分析的仿真工具能够表现微电网在光伏并网和独立操作过程中的动态行为, 包括平衡状态和不平衡状态。
1 微电源模型
1.1 三相对称感应发电机
感应发电机在任意参考系中都是用四阶模型来表示, 采用发电机惯例的定子电流:
其中是基础角频率;ω是任意参考系的转速;下标d、q、r、s分别表示dq轴、定子、转子。
通量与定子、转子绕组电流有关, 关系如下:
电磁转矩表达式如下:
1.2 微型燃气涡轮机
微型燃气涡轮机通常指输出范围为25~300kW的小而简单循环的燃气涡轮机, 它们是燃气涡轮机技术演变的一部分。在典型的微型燃气涡轮机设计中, 该微型发电系统包括涡轮、换热器、发电机和电力电子设备。
本研究中主要关注的是网络的动态特性, 采用的微型燃气涡轮机模型基于以下假设: (1) 换热器不包含在模型中; (2) 燃气涡轮机的温度控制和加速控制对正常工作条件没有影响。
图1是分析微型燃气涡轮机负荷动态行为的简化框图。实际功率控制可以被描述成一个比例积分 (PI) 控制功能, 图1中, Pdem是要求的功率, Pref是基准功率, Pin是施加到所述涡轮机的功率控制变量, Kp是比例增益, Ki是PI控制器的积分增益。
图2为GAST涡轮机模型, Pin是机械功率, Dtur是涡轮机的阻尼, T1是燃油系统滞后时间常数1, T2是燃油系统滞后时间常数2, T3是负载极限时间常数, Lmax是负载限度, KT是温度控制回路增益。
1.3 风力发电机
风力发电机包含几个独立建模的子系统, 子系统的设计基于空气动力学和机械动力学等理论。其中, 变速率风力发电机还涉及发电机和功率转换器系统。下面是各子系统的模型介绍。
1.3.1 空气动力学系统
空气动力系数曲线被用于叶片动力学的研究:
式中, Pa为气动功率;ωr为叶片旋转速度;Tw为气动扭矩;ρ为空气密度;A为转子区域, A=πR2;Cp (λ, β) 为无量纲的性能系数, λ为叶尖速比, β为桨距角;vw为风速。
1.3.2 机械子系统
可以选择3个或者6个弹性相连的质量等价物用于模拟风力发电机的机械系统, 对于低速轴扭转模式, 至少需要使用2个质量等价物, 下式是系统使用3个质量等价物的状态空间方程:
式中, , 为角位置矢量;, 为角速度矢量;TT= [TW, 0, TG], 为外转矩矢量, 由空气动力学和电磁转矩组成;[0 ]3×3和[I ]3×3分别为三阶零矩阵和单位矩阵;[H]=diag (HR, HGB, HG) 是只保留对角线的矩阵;C是刚度矩阵;D是阻尼矩阵。
C矩阵代表高低速轴的弹性, 定义如下:
D矩阵代表内摩擦损耗和转矩损失, 定义为:
其中, 下标{H}、{GB}、{G}分别表示风机叶片、变速箱和发电机。弹性系数矩阵C中, CHGB表示风机叶片和变速箱之间的弹性系数, CGBG表示变速箱和发电机之间的弹性系数;阻尼矩阵D中, DR、DGB、DG分别代表3个质量块的自阻尼系数, 其余为相互之间的互阻尼系数。
2 仿真平台构建
在微电网实现的低压网络中, 导体的电阻比电抗大, 单相线路配单相负载时, 微电网与感应电动机不平衡, 可以将低压网络从整个网络中区分开来。
一个典型的符合拥有三相和中性线的线路或电缆的网络构建如图3所示。
a相的基尔霍夫方程可以记作:
考虑到Vn= (Ia+Ib+Ic) Zn, 为了简化, a相的网格方程省略互耦参数, 得到如下方程:
据此, 我们得到其他两相和反相方程, 最终得到包含联系三相电流与电压的中性线的导纳形式的方程:
式中, Yabc (n) 是原始导纳矩阵, 字母n表示中性线也包含其中;电压下标表示节点之间的电势差。
以电流注入作为分支电流, 分支电压作为节点电压, 可以得到如下两式:
结合方程组 (10) 、 (11) 、 (12) , 得到线路或电缆的节点方程:
如果连接或关联矩阵A可以写成2个三阶单位矩阵AT=[I-I], 那么节点方程可以记作:
含有4条导线的线路或电缆被看成一个含有负荷分支导纳Yabc (n) 的整体。利用这种方法代替各个四线制的线路, 关联矩阵用三阶单位矩阵表示, 结合节点导纳矩阵, 以此来建立网络方程。如果我们用同样的方法处理复合支路导纳, 用单导纳来表示网络的过程是一样的, 用星形连接的恒阻抗负荷将有如下形式的复合导纳:
中低压变压器的建模遵循类似的程序, 在这种情况下, 关联矩阵A展示了相互耦合的分值是联系在一起的。不考虑电源定子的瞬态, 定子阻抗变为网络的一部分, 并且电源看作是电抗后的电动势, 例如旋转电机的瞬时电压在瞬时电抗后面。每个时间步, 电动势的大小和相角都会作为网络的输出被微分方程求出。特别要说的是, 对于3 匹或者1 匹的电压逆变器, 需要的大小和相角是指a相的大小和相角———Ea∠θe (t) , 其中, 相角θe (t) 为:
这和在固定框架下提供Ed和Eq一样, 只需要d轴对准a相轴, 因为它也是旋转机械直接耦合到电网的情况。网络代数方程的解返回到电源, 定子的正序电流和为了控制而需要的其他值作为下一次迭代时的初值, 例如定子终端电压。
显然, 在只考虑正序分量的情况下, 电源提供的内部电势是平衡的, 因此, 求取时域解只是为了求得正序分量值。考虑负序分量时, 假定电源只与其负序阻抗作用, 因而网络导纳矩阵中包含定子阻抗。
整个仿真工具建立于Matlab和Simulink, 采用频域表示 (向量法) 以提高仿真效率, 合理处理中性线并使用自然相量 (a—b—c) 。微电源和动态负载通过其“定子阻抗后面的电动势”等效接到网络求解器, 电网、负载和电源的不平衡可以被简单处理。
3 微电网运行仿真测试
所有的仿真都涉及一个低电压网络研究案例, 其节点带有电源。考虑的干扰包括突然从主网脱落、负载改变、网络单元 (电池逆变器) 的缺失和非可调电源产量水平的改变。
图4是一个低电压网络研究案例, 用来测试仿真工具的性能。
利用仿真工具对许多干扰信号都进行了检查, 主要包括以下几个方面: (1) 从主电网隔离; (2) 微电网负荷的逐步改变; (3) 分散电源产量的改变; (4) 电网形成单元的损失 (电池逆变器) 。
从仿真结果中选出典型的图作分析, 图5、图6和图7分别是电网在0.8s断开时, 电池逆变器产量的改变、电网供应电缆的电流和负载节点的相电压, 图中, 有功功率P和无功功率Q分别用实线和虚线表示。
仿真工具已经建立了网络解算器代码, 仿真基于Matlab运行, 它能解决稳定状态和动态条件下的平衡和不平衡问题。
4 结语
对于微电网并网的稳定运行和动态运行问题, 传统的手段很难进行分析和解决, 本文利用仿真技术, 对中低压微电网进行模拟运行和验证, 结果表明了仿真平台的有效性。仿真工具建立的解算器代码已经在多种网络环境和干扰条件下测试过, 其完善性也在案例中得到证实。在仿真过程中, 电网、负载和电源的不平衡可以被简单处理了, 这可能会带来一些误差, 在后续研究中要合理考虑这些因素。
参考文献
[1]彭克, 王成山, 李琰, 等.典型中低压微电网算例系统设计[J].电力系统自动化, 2011, 35 (18) :31-35.
[2]王成山, 高菲, 李鹏, 等.可再生能源与分布式发电接入技术欧盟研究项目述评[J].南方电网技术, 2008, 2 (6) :1-6.
[3]李鹏.分布式发电微网系统暂态仿真方法研究[D].天津:天津大学, 2010.
[4]王小单.微网建模及电磁暂态仿真研究[D].武汉:华中科技大学, 2012.
[5]闫根弟.动态电力系统数字仿真模型的研究[D].太原:太原理工大学, 2005.
[6]许寅, 陈颖, 梅生伟.风力发电机组暂态仿真模型[J].电力系统自动化, 2011 (9) :100-107.
[7]Hatziargyriou N, Kariniotakis G, Jenkins N, et al.Modelling of micro-sources for security studies[C]//CD-Rom Proceedings of the 2004CIGRE Session.Paris, 2004.
低压微电网 篇4
由于下垂控制器不需要联络线和负载信息就可以实现微电网中多微源间功率平均分配,因此在微电网多微源协调控制中得到广泛的应用[1,2,3]。 然而微源间功率的精确平均分配除了匹配下垂控制器中的下垂系数以外,对微源输出电压、相角及线路阻抗都有严格的要求[4,5]。
低压微电网的线路阻抗主要为阻性[6],不同于高压线路中的感性阻抗特性,原有的经典下垂控制曲线(P - f、Q - U)是否仍然适用于低压微电网引起了广泛的争议。 一般而言,目前通过电压电流环中虚拟阻抗的引入,可以将线路输出阻抗等效为感性阻性、阻感混合型和容性4种。 当等效线路阻抗为感性,依旧可以采用经典的同步发电机P-f、Q-U下垂控制方程,等效后的线路阻抗基本由虚拟阻抗决定,这也是目前常采用的方法;当等效线路阻抗为阻性,由于低压微电网中线路中的阻性比例极大,众多学者认为在低压环境中应该采用阻性网络环境此时,应该采用P-U、Q-f下垂控制方程,这种方法常见于小规模微电网环境中,但是同感性阻抗一样由于虚拟阻抗对等效线路阻抗的增大作用,输出端电压会受到影响,不通过恰当的控制方法,输出电压存在静差达不到额定值;当等效线路阻抗为阻感混合型,由于电压源逆变器普遍采用LC滤波电路,加上低压微电网中一般存在0.4 k V / 10 k V变压器,所以认为低压微电网实际是一个阻感混合型网络,在这种情况下f、U与PQ轴都相关,互相耦合控制较为复杂,一般都通过虚拟阻抗的加入将等效后的线路阻抗变为纯阻性或者纯感性;当等效线路阻抗为容性由于经典的下垂曲线并不具备无功补偿器的倾斜特性,部分学者[7]认为在低压微电网中部署几台容性输出阻抗的逆变器,即接入点电压随着输出功率呈正比,有益于改善电压偏移,实现局部电压调整。
文献[8]提出针对低压微电网的阻抗特点主要为阻性,应该通过电压电流环中虚拟阻抗的引入,将线路等效阻抗设计为阻性。 但是随着微电网环境中非线性负载的大量投入,逆变器输出大量高频谐波从发电端源头严重影响了微电网系统的电能质量阻性等效阻抗并不能抑制高频谐波。 在国内外学者研究的基础上,本文通过对虚拟阻抗的设计,将等效虚拟阻抗设计成在工频附近呈现阻性,满足低压微电网的线路阻抗特点,高频谐波段呈感性,有效抑制非线性负载造成的高频谐波。
此外,针对较大的阻性虚拟阻抗会拉低孤岛运行时输出电压的问题,对功率控制器P-U有功功率环进行了改进,改进后的有功功率环有效消除了微源输出电压的静差,使输出有功功率和无功功率均与输出阻抗无关。 针对传统的功率控制器没有并网相位调节的功能,改进后的功率控制器在Q - f无功功率环加入了并网自动跟踪相角控制器,在计划并网前自动调整微源输出电压相角,直至与大电网相角同步保证并网过程平滑过渡,电压波形无畸变。 仿真及实验均证明了本文所提出方法的有效性和可行性。
1电压电流环控制
采用下垂控制的微源逆变器输出功率除了匹配下垂参数,对输出阻抗也要求相对匹配。 而对逆变器输出阻抗的设计并不能保证完全满足精度要求一般引入虚拟阻抗以更好地满足工频情况时的功率均分[9,10,11,12,13,14,15]。
加入虚拟阻抗后的电压电流环控制框图如图1所示。 其中,电压外环采用比例积分控制,保证输出波形具有较高的跟踪精度;电流内环采用比例控制, 提高系统的动态响应速度。
图1中,unref、u*nref、ioabc、uoabc、inabc分别为输出指令电压、加上虚拟阻抗后的指令电压、负载电流、负载电压和滤波电感的电流;Ku、Kc分别为电容电压、电感电流解耦反馈参数,本文中均取为1;kp、ki为电压环PI控制器参数,K为电流环比例控制器参数;L、C为LC输出滤波器参数;R为电感寄生内阻;KPWM为电压源逆变器VSI(Voltage Source Inverter)等效模型, 一般取常数,本文中KPWM=10;Zload为负载参数;Zvir为引入的虚拟阻抗。
为了简化模型,将图1等效化简成图2,图中uref为指令电压,ur*ef为通过虚拟阻抗修正后的指令电压,uc为逆变器输出电压,uo为负载电压,io为负载电流,G(s)为电压前向增益,Zo(s)为输出滤波阻抗。
根据图2,可以写出:
不加入虚拟阻尼时输出滤波阻抗Zo(s)为:
加入虚拟阻抗Zvir(s)后,等效线路阻抗为:
通过式(5)可以看出只要设计合适的虚拟阻抗, 就可以控制系统等效输出阻抗。 大部分文献通过虚拟阻抗的选取将等效输出阻抗设计成经典下垂曲线的感性[6]和符合低压微电网阻抗特点的阻性[8],如图3所示。
当负载含有大量非线性负载时,为了抑制高频谐波注入等不利影响,文献[16]提出了一种分频下垂控制器,旨在消除逆变器输出低次谐波成分;文献 [17]提出一种混合电压电流控制结合谐振控制消除并网时电流谐波;文献[18]也是通过非线性控制器对输出电压参考值进行了修正。 而本文直接通过设计虚拟阻抗Zvir(s)=K1s / (s+K2),将下垂控制器在工频附近的低频区域设计成低压微电网中普遍的阻性,将高频谐波频谱段设计成感性用于滤去高频谐波本文采用的电压电流环中参数如下:电压环kp= 0.2电压环ki= 20,电流环K = 20,逆变器KPWM= 10,滤波电感L=5 m H,滤波电容C=10 μF,电感寄生电阻R= 0.1 mΩ,电流环反馈Kc= 1, 电压环反馈Ku= 1, 虚拟阻抗参数K1= 1,虚拟阻抗参数K2= 3。
通过新的虚拟阻抗设计,本文中设计的电压电流环可以精确控制等效输出阻抗,满足在工频附近呈阻性、高频谐波区呈感性的特点。 新的等效线路阻抗波特图如图4所示。
通过图4可以看出在工频附近的一段范围内相频特性为0°,而在10 k Hz以下的高频谐波范围内为90° 附近呈感性,可以有效避免高频谐波噪声对微源输出电能质量的影响。
2功率环控制
功率控制环是整个微源下垂控制系统中的外环,用于实现功率自动分配。 功率环和电压电流控制环相对独立,但是也并非完全没有关系。 通过电压电流环中虚拟阻抗的加入决定了线路的等效阻抗特性,由于等效线路阻抗的不同所分别对应的下垂特性曲线也各不相同,所以要根据等效线路呈现的感性、阻性和容性选择下垂控制器的方程[7],不同输出阻抗下垂控制曲线特性如图5所示。 图中,ωn、Un分别为逆变器输出频率和输出电压;Pn*、Qn*分别为逆变器有功给定值和无功给定值;Pn、Qn为微源实际输出功率;ω*和U*分别为频率和电压的设定值;mn和nn分别为Q-f、P-U下垂系数。
本文中等效输出阻抗在工频附近设计成阻性, 所以下垂控制曲线应该如图5(b)特征所示,选择下垂控制器方程:
由于下垂控制中功率控制环和电压电流环是相对独立的,功率控制环得到uref作为指令值输入电压电流环。 根据式(6)得到的传统的功率控制框图如图6所示。 图中,φ 为逆变器输出相角;Pset、Qset分别为有功和无功的设定值。
根据图6可以写出微源输出的有功功率和无功功率[3]:
通过式(7)可知,在稳态时由于无功功率响应存在积分环节,微源VSI输出无功功率与线路阻抗Z无关,稳态时很容易实现2台VSI输出频率 ωA= ωB, 即通过Q - f下垂控制实现并联运行微源输出无功功率精确分配;但是有功功率输出与线路阻抗Zn有关,Zn的变化将使得微源输出电压产生偏差,而且由于没有积分环节,仅通过比例环节稳态时电压存在静差,且鲁棒性较差[5]。
根据上述分析,只要在有功控制环仿照无功控制环加入积分环节,即可最终实现稳态时微源输出电压无静差,并且有功输出与线路阻抗Zn无关。 改进后有功功率控制框图如图7所示,图中Uca为逆变器a相输出电压。 有功控制环中新添加的积分环节虽可以有效提高系统的稳定性,但是会影响系统的动态性能,所以在有功功率环加入比例系数k,本文中k取50,可以有效提高功率变化时微源的动态响应能力。
根据图7,改进后的有功功率输出表达式为:
从式(8)可以看出,实际上通过对有功功率环的修改,加入了输出电压无静差控制器,等效输出阻抗由Zn变为s Zn。 通过这一改进,有效消除了微源输出电压的静差,使有功功率输出和无功功率均与输出阻抗无关。
传统的Q - f环在并网时由于缺少必要的相角调节单元,通过加入并网自动跟踪相角控制器,可以在微源输出相角与大电网完全一致时关闭静态开关。 本文对有功和无功功率环分别改进后的功率控制环如图8所示。
改进后的功率控制环,在有功和无功功率控制环上分别加入了输出电压无静差控制器和并网自动跟踪相角控制器,保证了在孤岛工况下微源输出电压无静差,并网前微源输出相角自动跟踪大电网电压相角。
3仿真与实验
3.1仿真
为了验证本文提出方法的可行性和正确性,基于MATLAB/Simulink建立了如图9所示的系统模型。
仿真系统参数为:每台微源VSI的输出功率一样,微电网初始工作在离网孤岛运行状态,输出滤波器为LC滤波器,其中滤波电感为2m H,电容为10μF, 微源A线路阻抗为0.5+j0.02 Ω,微源B线路阻抗为0.8+j0.1 Ω。
a. 工况1: 阻感性负载 ,2台逆变器不加入虚拟阻抗 , 采用传统的电压电流环控制 。
负载为10 k W纯阻性负载,在仿真0.2 s时刻, 加入10 k W阻性负载和6 k W感性负载。 图10(a)是不加入虚拟阻抗时2台逆变器输出功率,图10(b)是2台逆变器之间的环流,其中iΔ= iA- iB。 通过图10(a) 和图10(b)可以看出不加入虚拟阻抗的情况下,由于线路阻抗的不一致,2个微源不能做到功率精确均分,2台微源VSI之间存在环流。
b. 工况2:阻感性负载 ,2台逆变器均加入本文提出的虚拟阻抗,采用改进的电压电流环控制。
负载为10 k W纯阻性负载,在仿真0.2 s时刻加入10 k W阻性负载和6 k W感性负载。 图10(c)是加入本文提出虚拟阻抗时2台逆变器输出功率,图10(d)是2台逆变器间的环流。 由图10(c)、(d)可看出加入本文提出的虚拟阻抗,2台微源输出功率精确均分,微源VSI之间环流得到抑制。 改进电压电流控制环有效地抑制了由于线路阻抗不匹配或非纯阻性而造成的环流及功率无法精确均分的问题。
c. 工况3:非线性负载,2台逆变器不加入虚拟阻抗,采用传统的电压电流环控制。
图10(e)是不加入虚拟阻抗时逆变器输出电流波形,图10(f)是逆变器输出电流THD。 由图10(e可以看出当负载含有大量非线性负载时,不采用本文提出的改进电压电流环时VSI输出电流含有大量高频谐波,其电流THD为17.00%。
d. 工况4:非线性性负载,2台逆变器均加入本文提出的虚拟阻抗,采用改进的电压电流环控制。
图10(g)是加入本文提出的虚拟阻抗时逆变器输出电流波形,图10(h)是逆变器输出电流THD。 通过图10(g)可以看出采用本文提出的改进电压电流环后,由于加入虚拟阻抗后等效输出阻抗在工频呈阻性、在高频呈感性,有效抑制了高频谐波,这在图10(h)频谱分析中也得到了验证,由于高频谐波的减少,其电流THD降为14.96%。
e. 工况5:逆变器采用传统的功率控制环 ,突然加入阻感性二级负载。
在仿真0.2 s时刻,突然加入10 k W阻性和6 k W感性二级负载。 图10(i)是传统功率环控制下的交流侧母线电压有效值。 通过图10(i)可以看出,交流母线电压和设定值220 V一直存在静差,在仿真0.2时突然加入6 k W感性无功,由于无功缺额,静差被进一步拉大,新的状态达到稳定后,仍存有一定的电压静差。
f. 工况6:逆变器采用改进后的功率控制环,突然加入阻感性二级负载。
在仿真0.2 s时刻,突然加入10 k W阻性和6 k W感性二级负载。 图10(j)是改进的功率环控制下交流侧母线电压有效值。 通过图10(j)可以看出,在系统稳定时交流母线电压完全稳定在220 V,没有波动而且没有静差,电压通过改进的无功功率控制环稳定有效。 在仿真0.2 s时突然加入6 k W感性无功,由于新的无功控制中积分环节的存在,电压动态特性下降,但是在2个工频周期后就回到设定值而且新的稳态电压控制也没有静差。 可以看出采用改进的功率控制环后在离网情况下即使没有大电网箝位, 微源VSI输出电压也无静差且有较好的动态特性。
g. 工况7:逆变器采用传统的功率控制环 ,微电网由孤岛状态切换到并网状态。
微电网在仿真0.15 s时刻从孤岛状态切换为并网状态。 图10(k)是采用传统的功率控制环时并网前后微电网电压波形。 孤岛时微源VSI输出电压具有 π / 6的相角差,由于传统的功率控制环不存在相角跟踪控制器,在并网时刻微电网内电压相角被强行同步至与大电网一致,由于电压突变产生冲击电流对静态开关和敏感负载造成伤害。
h. 工况8:逆变器采用改进后的功率控制环 ,微电网由孤岛状态切换到并网状态。
微电网在仿真0.15 s时刻从孤岛状态切换为并网状态。 图10(l)是采用改进后的功率控制环时并网前后微电网电压波形。 由于采用改进后的功率控制环存在相角跟踪控制器,在计划并网前提前使能孤岛内部电压相角自动同步至与大电网一致后再打开静态开关,并网过程平滑过渡,电压波形无畸变。
3.2实验
为了进一步验证提出的控制策略的正确性和可行性,利用实验室内现有DSP2812平台设计出2台1 k W三相逆变器,直流侧电压源采用电网不控整流再经过Boost升压最终通过一个6 800 μF的电容组稳定在700 V。 其线路阻抗同仿真一致,滤波电感为5 m H,滤波电容为10 μF。 2台VSI共同组成小型模拟孤岛运行下微电网。 IGBT模块采用英飞凌单管IKW40T120,IGBT驱动采用落木源TX-DA962系列六单元驱动。 实验采用TEK示波器DPO2024和电能质量测试仪FLUKE43B对实验波形数据进行记录,实验波形如图11所示。
图11中iA、iB分别为微源A和微源B输出电流,环流iΔ= iA- iB通过TEK示波器自带MATH函数得到。 通过图11(a)和图11(b)的对比可以看出,图11(a)中采用传统下垂控制器时由于线路阻抗不匹配,iA、iB并不相等,2台VSI之间存在一定环流;图11(b)中采用本文中改进型下垂控制器时,可以实现2台VSI输出功率精确均分,微源之间环流基本消除。 当负载为非线性负载时,采用传统下垂控制器实验波形如图11(c)所示,电流THD为29.2%;而采用改进的下垂控制器时由于对高频谐波的抑制,电流THD降至24.8%,实验波形如图11(d)所示。 实验结果验证了加入提出虚拟阻抗改进下垂控制器的正确性和可行性。
4结论
a. 通过电压电流环中虚拟阻抗的设计可以改变线路等效阻抗。 为了在改善微源功率均分的同时抑制非线性负载带来的高频谐波,将线路等效阻抗设计成工频呈阻性,高频呈感性。
b. 电压电流内环和功率外环相对独立 ,但是通过虚拟阻抗的设计后,不同种类的线路等效阻抗对应不同的下垂控制特性曲线。
c. 有功功率环加上电压积分环节有效避免了较大虚拟阻抗带来的电压降落问题,无功功率环加上并网自动跟踪相角控制器有效解决了计划并网前微电网相角同步问题。
摘要：针对低压微电网中采用传统下垂控制器多微源之间功率分配精度不高和非线性负载影响的问题,通过虚拟阻抗的设计,将等效线路阻抗设计为在工频附近呈现阻性,满足低压微电网的线路阻抗特点,同时降低了微源逆变器功率均分控制对输出线路阻抗的敏感性;等效线路阻抗在高频谐波段呈感性,有效抑制非线性负载造成的高频谐波。同时改进了功率控制环,避免了较大的阻性等效输出阻抗造成电压降低的问题,加入的并网自动跟踪相角控制器在计划并网前自动调整微源输出电压相角,保证并网过程平滑过渡。仿真结果验证了提出的改进下垂控制器可以消除微源之间的环流,同时抑制高频谐波,输出电压与设定值无静差且并网过程平滑无冲击;基于DSP的样机实验结果也验证了该方法的正确性和可靠性。
低压微电网 篇5
4.1 组成
剩余电流动作保护装置主要由检测元件、中间放大环节、操作执行机构和试验装置四部分组成。
4.1.1 检测元件
检测元件为零序电流互感器 (也称漏电电流互感器) , 其作用是把检测到的剩余电流信号或触电电流信号, 变换为中间放大环节可以接收的电压或功率信号, 送到中间放大环节。
4.1.2 中间放大环节
中间放大环节是将微弱的剩余电流信号放大, 按装置不同 (放大部件可采用机械装置或电子装置) 构成电磁式保护器或电子式保护器。
4.1.3 操作执行机构
操作执行机构接收到信号后, 使主开关由闭合位置转换到断开位置, 从而切断电源, 是被保护电路脱离电网的跳闸部件。
4.1.4 试验装置
试验装置由试验按钮和电阻组成。当按下试验按钮后, 人为地产生一额定值的故障信号, 检验剩余电流动作保护装置能否正常动作, 机构是否灵敏可靠。
4.2 电流型剩余电流动作保护装置的工作原理
当线路或电气设备漏电时, 将呈现异常的电流或电压信号, 保护器通过检测、处理这些异常电流或电压信号, 促使执行机构动作, 切断电源。人们把根据故障电流动作的保护器叫电流型剩余电流动作保护器, 根据故障电压动作的保护器叫电压型剩余电流动作保护器。由于电压型剩余电流动作保护器结构复杂, 易受外界干扰, 动作稳定性差, 制造成本高, 现已基本淘汰。目前, 国内外保护器的研究和应用, 均以电流型剩余电流动作保护器为主, 因此, 本讲座只简单介绍电流型剩余电流动作保护器的工作原理。
前边已经提到, 保护器主要包括检测元件 (零序电流互感器) 、中间放大环节 (包括放大器、比较器、脱扣器等) 、操作执行机构 (主开关) 以及试验装置等几个部分。零序电流互感器的结构和变压器类似, 由两个相互绝缘, 绕在同一铁心上的绕组组成。当一次绕组中有剩余电流时, 穿过铁心的磁通相量和不为零, 根据电磁感应原理, 二次绕组就会感应出电动势。
把保护器安装在线路中, 零序电流互感器一次绕组与电网线路连接, 二次绕组与中间环节连接。当线路和用电设备正常运行时, 任意时刻流入零序电流互感器的电流与流出零序电流互感器的电流相等, 即零序电流互感器中各相电流的相量和等于零。一次绕组中没有剩余电流, 二次绕组就不可能有感应电流信号输出, 主开关就处于闭合状态, 电源持续向负载供电。
当发生接地故障, 或设备绝缘损坏、漏电, 或人站在地上触及带电体时, 则在故障点产生分流, 此漏电流经大地、变压器中性点形成回路, 未经过零序电流互感器, 因此导致一次绕组中各相电流的相量和不再为零, 一次绕组中产生剩余电流, 在零序电流互感器的环形铁心中产生磁通, 从而使二次绕组有感应信号输送至放大环节。当这个电流值达到该保护器设定的动作电流值时, 迫使脱扣线圈励磁, 强令主开关跳闸, 切断供电回路。以上是电子式电流型剩余电流动作保护器的工作原理。
电磁式电流型剩余电流动作保护器与电子式电流型剩余电流动作保护器的原理大致相仿, 唯一的区别是电磁式电流型剩余电流动作保护器省去了中间环节。检测元件 (零序电流互感器) 二次侧感应电压信号输出后, 直接加到脱扣器上, 当达到设定的动作值时, 脱扣器就动作, 使主开关断开, 分断主电路。
4.3 剩余电流动作保护装置主要参数
4.3.1 额定剩余动作电流
额定剩余动作电流是指在制造厂规定的条件下, 保证保护装置必须动作的剩余电流值。剩余电流动作保护装置的额定剩余动作电流主要有6, 10, 15, 30, 50, 75, 100, 300, 500, 1 000, 3 000, 5 000, 10 000, 20 000mA等多种规格。
4.3.2 额定剩余不动作电流
在规定的条件下, 保护装置不动作的电流值, 一般为剩余动作电流值的1/2。例如, 剩余动作电流30 m A的保护器装置, 当剩余电流值在15 mA以下时, 保护装置不应动作, 否则因灵敏度太高容易误动作, 降低供电可靠性, 影响用电设备的正常运行。
4.3.3 剩余电流动作保护装置的分断时间
分断时间是指从突然施加剩余动作电流的瞬间起到所有极电弧熄灭瞬间为止所经过的时间。
4.3.4 额定电压、频率
额定电压是指剩余电流动作保护器所装设电网的线电压, 有220, 380 V两种;额定频率为50, 60 Hz两种。若电源频率与保护器频率不相符, 将会影响保护器的动作灵敏度以及其他电气性能。
4.3.5 额定电流
额定电流是其所保护电路允许长期通过的最大电流值。保护器额定电流的大小受两方面的限制, 一是主开关触头的通断容量;二是零序电流互感器的铁心尺寸。保护器的额定电流主要有6, 10, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 100, 160, 200, 250, 400 A等多种规格。
4.4 保护器的试验
为确保保护器对线路、用电设备剩余电流保护的可靠性, 对使用中的保护器应定期检测动作的可靠性;安装后正式投入运行前, 应现场模拟试验保护器动作的可靠性;维修更换主要元件后, 要经过规定项目的试验, 看其性能是否符合铭牌指标。对动作不可靠或性能达不到铭牌指标的保护器, 不得安装使用。
4.4.1 运行中保护器的定期试验
对运行中的保护器, 用户每月应对其用试验按钮试验1次;保护器因过电压动作后应试验1次;雷雨季节应增加试验次数;危险场所和临时使用的保护器也应增加试验次数;停用后的保护器使用前做1次试验。试验时, 按下试验按钮, 保护器应迅速跳闸。
4.4.2 保护器安装后的模拟试验
为确保新安装的保护器保护功能准确有效, 正式投入运行前必须进行模拟试验:一是保护器本身的模拟动作试验;二是保护器带负荷的模拟动作试验;三是试验电阻现场接地模拟试验。
(1) 剩余电流动作保护器本身的模拟动作试验。用试验按钮试验3次, 均应正确动作。对具有一次自动重合闸功能的保护器, 还应按照说明书的具体要求, 对其自动重合闸功能进行试验。
(2) 保护器带负荷的模拟动作试验。带负荷分、合交流接触器或开关3次, 不应有误动作。
(3) 外试电阻现场接地模拟试验。外试电阻现场接地模拟试验, 就是用一阻值合适的电阻 (称外试电阻) 模拟单相对地漏电故障, 从而验证保护器是否能够动作跳闸。在分级保护的电路中, 还要验证各级保护是否存在越级动作和误动作。
外试电阻阻值可按下面要求确定。
用于单相电网试验的外试电阻值:
用于三相电网试验的外试电阻值:
式中R——外试电阻阻值, kΩ;
UP——被保护电网的相电压, 一般取220 V;
I△N——保护器的剩余动作电流, mA。
农电工在做外试电阻现场接地模拟试验中, 外试电阻可选择40～60 W的灯泡代替, 或用1 kΩ左右的电阻。
试验方法:把外试电阻和试验按钮动合触头串联后, 两端各接一绝缘电线, 一端与大地连接, 其接地电阻阻值要求与变压器低压侧中性点接地电阻阻值相同。另一端与保护器出线 (负载) 侧的任意相线连接。对于组合式保护器, 必须接在零序电流互感器以下的任一相线上。接好电路后, 按下试验按钮, 按下的时间应约等于保护器额定动作时间, 保护器应可靠动作跳闸。然后把外试电阻的相线连接线依次接到被试电网的其他相线上, 重复以上试验。在以上测试过程中, 整个低压电网应处在运行状态。任何一次试验不得引起上一级剩余电流动作保护装置越级动作和同级其他保护器误动作。
上述方法在现场施工验收时常用, 可这两种方法都不十分可靠。随着电气技术的发展, 我国已生产出能测定剩余电流动作保护器动作电流、动作时间等参数的仪表, 使用这种仪表检测得出的结果将更为可靠和准确。
关于保护器的试验, 最后需要强调两点:一是订货前, 和经维修更换主要元件后, 要进行不动作特性、动作特性、动作时间、极限不动作时间等项目的测试;二是实行分级保护的低压电网, 要对各级剩余电流动作保护器的动作参数整定, 使各级保护器之间额定动作电流和额定动作时间协调配合, 避免越级动作。
5 剩余电流动作断路器
5.1 剩余电流动作断路器的特点用途
剩余电流动作断路器是在断路器的基础上加装剩余电流保护器件而构成的, 因此有剩余电流、短路和过载等保护功能。也有些剩余电流动作断路器是在断路器外加装剩余电流保护附件而组成的。剩余电流动作断路器主要适用于交流50/60 Hz, 额定电压400 V及以下的交流电路中, 当发生人身触电或电网剩余电流超过规定值时, 剩余电流动作断路器能在规定的时间内迅速切断故障电源, 保护人身和设备的安全, 同时还兼有过载和短路保护功能。
5.2 国内常用剩余电流动作断路器种类简介
我国生产的剩余电流动作断路器有90%左右是电子式的, 仅有10%左右是电磁式的。根据用途的不同, 可分为两类:普通用户使用的所谓家用及类似用途的剩余电流动作断路器和专业电工使用的剩余电流动作断路器。其中, 专业电工使用的剩余电流动作断路器主要有剩余电流动作断路器、移动式剩余电流动作断路器等。
5.2.1 家用及类似用途剩余电流动作断路器
(1) 带过电流保护的剩余电流动作断路器。目前国内已大量使用这种保护器, 其主要技术指标为:额定电压220 V或380 V, 额定电流大多为63 A及以下, 有些系列可达到125 A, 额定剩余动作电流多为30 mA及以下, 分断时间不大于0.1 s。带过载和短路保护, 短路分断能力为3, 4, 6, 10 kA。有些产品还带有过电压保护。极数有单极二线、两极、三极和四极等。其中, 近几年研制生产的新型剩余电流动作断路器, 由小型断路器和剩余电流动作保护附件拼装而成, 拼装既可在工厂完成, 也可由电工在现场完成。因此, 特别适合在末端电器、配电箱及城乡居民住宅配电箱中使用。
低压微电网 篇6
1.1概述
我国大约每用电不到2亿千瓦时即死亡1人, 而经济发达国家每用电30～40亿千瓦时才死亡1人。可见我国触电死亡事故率远高于世界上经济发达国家。就农村用电而言, 我国虽然已进行了大规模的电网改造, 用电安全水平显著提高, 但近几年的统计表明:农村触电事故是城市的6倍之多。其主要原因是:农村用电条件差, 未规范安装使用剩余电流动作保护装置;村民安全用电意识淡薄, 电气设备简陋且安装不尽合理;设备缺陷多, 电力线路陈旧、老化, 运行质量差;管理人员技术水平低, 管理不严格;用电设备分散, 移动设备多, 用电环境恶劣, 用电设备超期服役;农民文化水平低, 缺乏电气知识和安全用电常识等。
1.2农村触电事故的特点
1.2.1农村触电事故季节性明显
统计资料表明, 每年二、三季度事故特别多;夏、秋季节触电事故多于春、冬季节, 特别是每年的6～9月事故最为集中。主要原因:一是夏、秋两季雷电暴雨频繁, 多雨潮湿, 电气设备绝缘性能下降, 容易漏电, 地面潮湿, 导电性增强, 容易构成导电回路;二是天气炎热, 空气湿度大, 人体多汗, 皮肤电阻下降, 触电的危险性较大;三是正值农忙季节, 农村用电能量增加, 接触和操作电气设备的机会明显增多, 再加之夏季农民朋友喜欢赤脚露臂, 身体失去了衣物的绝缘保护作用, 触电危险程度增加……以上种种不利的条件, 加上主观上的麻痹大意, 夏、秋季节便成了农村触电事故高发季节。
1.2.2农村低压触电事故明显多于高压触电事故
农村低压触电事故远远多于高压触电事故。主要原因:一是人们接触低压电的机会多, 人们大多不容易接触高压电网, 而低压电网覆盖面大, 点多线长, 分布于乡村的各个角落, 用电设备多, 因此人们触及的机会也多;二是农村配电设备简陋, 线路架设不规范, 管理不严或缺乏管理;三是人们对低压设备和线路容易产生麻痹思想, 缺乏用电安全知识的人员接触低压电力设施的机会多;四是农村家用电器的大量普及, 使人体接触电器机会增多。应当指出, 对专业电工来说, 情况是相反的, 即高压触电事故比低压触电事故多。
1.2.3单相触电事故多于两相触电事故
农村用电, 因接触单相用电设备的概率明显高于三相设备, 单相设备又存在流动性大, 安装不尽规范, 保护措施不完备等问题, 所以造成农村单相触电事故明显多于两相 (指相对相) 触电事故。
1.2.4农村触电事故多发生在电气连接部位
大量事故统计资料表明, 农村大多数触电事故发生在接线端子、缠接线头、压接线头、焊接接头、电缆头、灯头、插头插座、开关电器、控制电器、熔断器等处。主要原因是这些部位机械牢固性较差、接触电阻较大、绝缘强度较低, 容易发生短路、接地和漏电。
1.2.5农村临时用电使用临时性设备、移动设备、携带型设备用电事故多
据近几年的统计, 农村触电死亡事故90%以上是由于临时用电 (含移动用电) 引起的。主要原因:一是农村临时用电多, 每到农忙季节, 农村许多场所需要临时用电, 例如麦场用电、小水泵灌溉、大棚浇菜、田间脱粒等;二是农村在安装这些临时用电设施时, 不遵守相关标准和规范, 甚至私拉乱接, 存在严重安全隐患;三是运行的移动设备和携带型设备紧握在手中, 不但接触电阻小, 而且一旦触电就难以摆脱电源;四是设备经常移动, 工作条件差, 设备和电源容易发生故障和损坏;五是设备移动后, 非专业电工给设备接电源线时, 保护地线与工作中性 (零) 线很容易接错, 一旦接错就会造成触电事故。
1.2.6架空线、进户线触电事故多于室内线触电事故
农村架空线、进户线触电事故多于室内线路触电事故。主要原因:农村架空线、进户线在室外, 容易受到雷击、大风、泥石流、滑坡等不可抗外力, 以及村民在电线杆上拴耕牛、在电线杆周围取土、农用车辆撞击等人为因素影响, 造成架空线接地、断线等故障, 农民朋友赤手拨拉、捡拾断落的带电导线, 也会造成触电事故。同时, 一些农村分支线路不安装剩余电流断路器, 也是导致架空线、进户线触电事故多于室内线路触电事故的原因。
1.2.7错误操作和违章操作造成的触电事故多
统计表明:乡镇企业、家庭作坊、家庭生活用电, 发生触电事故85%以上是由于错误操作和违章操作。主要是由安全教育不够、安全意识淡薄、安全制度不严、安全措施不完善、操作者素质不高、不严格按照使用说明书安装使用电器、对电器说明书中的安全警示语置若罔闻等原因造成的。
1.2.8打工的农民工触电事故多
农民工触电事故多。一是因为农民工从事的大多是危险行业, 如矿业、建筑、机械等。由于这些行业的生产现场经常伴有潮湿、高温, 现场混乱, 移动设备和携带式设备以及金属设备多等不安全因素, 容易发生触电事故。二是因为农民工大多没有经过培训, 文化程度又低, 缺乏必要的电气安全知识。三是因为农民工有懒散的习惯, 责任心不够强。
1.2.9农村触电死亡者以青壮年男性居多
从农村触电死亡者的年龄来看, 以青壮年男性居多。因为这类人一般是农村家庭中的主要劳动力, 也是家中电气设备的主要操作者, 甚至是电气设备的维修者, 但他们对电气知识或一知半解或知之甚少, 盲目蛮干是造成农村青壮年男性触电事故发生的主要因素。
1.3线路和电气设备漏电
线路和电气设备在使用过程中, 由于绝缘机械损伤、老化、受潮、使用不当等原因, 都会发生漏电现象。按有无危害可分为无危害的正常漏电 (也称自然漏电) 和有危害的不正常漏电 (也叫故障漏电) 。
1.3.1线路和电气设备的自然漏电
所有的线路和电气设备都存在不同程度的漏电, 主要由电容性漏电流 (电气设备的带电体与金属外壳之间、线路和大地之间存在着分布电容, 由于电容“隔直流通交流”而起到传导交流电的作用, 因而产生电容性漏电流) 和电阻性漏电流 (电气设备的带电体与金属外壳之间、线路和大地之间是绝缘的, 但绝缘电阻不可能无穷大, 因此会出现泄漏电流) 组成, 均匀地分布在线路和电气设备中, 可以称为是自然漏电, 产生的电流叫自然漏电电流。只要是符合国家标准的线路和电气设备, 自然漏电电流是限定在人体可以承受的电流范围之内的, 对人体没有任何危害。
线路和电气设备的自然漏电电流可用专用仪器测出。对于电力线路, 自然漏电电流与导线的截面积、架设方式、采用的绝缘材料以及温度、湿度、线路的长度有关。例如, 塑料绝缘导线比橡胶绝缘导线的漏电电流大约大1倍;穿金属管的线路漏电电流比穿塑料管的要大;穿管线路的漏电电流比架空线路的漏电电流大。根据实测结果, 常用的穿管线路, 每千米的漏电电流可达数十毫安;额定电流为25 A的电气设备, 在正常状态下漏电电流接近0.1 mA;农村用电容量较低的家庭用电线路, 正常情况下漏电电流约为1 mA;用电容量较大的家庭, 在阴雨潮湿天气, 漏电电流可达到6 mA;电动机启动瞬间的漏电电流, 约为正常运行时的3倍。
1.3.2线路和电气设备的故障漏电
线路和电气设备的故障漏电, 主要有电阻性漏电和短路性漏电2种。国家标准对线路和用电设备的安全性能指标有严格的规定, 只要是符合国家标准的线路和用电设备, 带电部分与外露非带电金属之间的绝缘部分传到外壳的泄漏电流远小于人体感知电流, 对人身安全不会产生威胁。用电设备外壳电阻性漏电达到造成危害的程度, 主要是因为:线路和用电设备超期服役;线路和用电设备在潮湿环境中使用或进水;线路和用电设备绝缘损坏或严重污秽;线路和用电设备长期低压、过载运行等原因。
短路性漏电是不同相的线路之间、相线与中性线或地之间、用电设备外壳与带电部分之间的绝缘彻底损坏或击穿造成的。发生短路性漏电时, 线路或用电设备外壳漏电电压值接近或等于工作电压值, 其主要原因:一是绝缘严重老化、击穿、机械性破损;二是用户电源接线错误。
1.3.3线路或电气设备漏电的危害
线路或电气设备的正常漏电, 一般对人体没有直接危害。对人体有直接危害的是线路或电气设备的故障性漏电。故障性漏电是不该带电的带了电, 不该导电的导了电, 因此, 对人体危险性大, 在有可燃物的场所, 还可能引发火灾。当发生故障性漏电时, 短路性漏电的危害最大。由于线路、用电设备发生短路性漏电时, 外壳带电电压值接近或等于工作电压值, 此时人体接触用电设备, 加在人体上的电压是这种漏电设备的工作电压值, 危险性最大, 会威胁或危及人的生命安全, 是造成人身触电死亡的主要原因, 必须立即排除。当线路或用电设备发生电阻性漏电时, 有无危险主要取决于漏电电阻的大小, 只要加在人体上的电压超过36 V, 人就有生命危险, 并且漏电电阻越小, 加在人体上的电压越高, 人体接触后触电的危险越大。用电设备的电阻性漏电也是人身触电死亡的原因之一, 应引起足够重视。
从技术上讲, 使电气设备达到100%的不发生故障性漏电事故是不可能的, 就是做到了, 代价太高, 也没有必要。从性价比上考虑, 采取一些技术措施预防线路、设备故障漏电事故是可行和有效的。
2低压剩余电流保护的一般方法
目前, 世界上通行的剩余电流 (触电、漏电) 保护方法有保护接地法、接保护中性线法、隔离变压器法、安全电压法、加强绝缘保护法和剩余电流动作保护装置保护法等6种方法。
2.1保护接地法
低压微电网 篇7
1 路径的选择
线路路径规划必须适应农业现代化的需要, 结合山、水、田、林、路、村庄等自然条件通盘考虑, 科学选择路径, 合理布局。要充分考虑河流改道、山洪冲刷、山体滑坡、地基塌陷等自然灾害对线路构成的威胁和损毁。如果采用地埋线进行地下敷设时, 还要考虑尽量选择在地边、路边和渠边, 避开易受山洪、雨水冲刷的地方, 要避开集中堆肥和沤肥的场所, 考虑冻土厚度及地下其他电缆、管道和设施对线路的影响和破坏。要合理地选择T接点和新建线路的导线截面积, 尽量避免或减少迂回供电。
2 配电网布局的选择
中、低压配电网应合理布局, 接线方式灵活、简洁。宜采用放射状结构, 根据负荷需要逐步建设“手拉手”配电网。公用线路应分区分片供电, 供电范围不应交叉重叠。重要乡镇的主干线可选用绝缘导线。对于特殊地段、具有高危和重要用户的线路、重要的联络线路, 可实行差异化设计, 提高抵御自然灾害的能力。线路宜采用单回路架设。中、低压线路供电半径应根据负荷密度来确定, 一般中压线路供电半径城镇不宜超过3 km, 乡村不宜超过10 km;低压线路供电半径城镇不宜超过250 m, 乡村不宜超过400 m。用户特别分散地区和偏远山区供电半径可适当延长, 但应采取适当措施, 满足电压质量要求。应适度推进电网智能化建设, 重点开展新能源分散接入、配电自动化、智能台区、农村用电信息采集等试点建设。配电变压器应按照“小容量、密布点、短半径”的原则安装。配电变压器应布置在负荷中心, 尽量把供电半径控制在400 m以内。一般采用柱上安装方式, 配电变压器底部距地面高度不应低于2.5m。对人口密集、安全性要求高的地区可采用箱式配电站。在有排灌等较大季节性用电负荷的村组, 尽量考虑设置母子配电变压器或可调容变压器。
3 勘测定位
勘测定位时, 一定要确保导线对建筑物的安全距离, 要充分考虑到定位误差、施工误差以及各种因素的加工误差、装配误差等, 对要求保证的安全距离应留有余地。沿街道架设线路时, 要注意档距尽量控制在50m以内。
配电变压器应尽可能安装在负荷中心或重要负荷附近, 且便于更换和检修设备的地方, 同时还应尽量避开车辆、行人较多的场所。位置选择前, 应对现有和未来10年内的负荷情况进行全面细致的调查和预测, 使配电变压器安装位置居于负荷中心。要选择能使该台区内低压电网的线损、低压线路的投资和消耗的材料最少的位置, 从而使低压供电线路投资最省, 电压降最小, 低压线路损耗最小。
410 k V配电变压器的选择
新装及更换配电变压器应选用S11型等节能配电变压器, 负荷变化较大时可采用非晶合金变压器。安装在高层建筑、地下室及有特殊防火要求地点的应采用干式变压器。在选择配电变压器容量时, 应按实际负荷及5~10年电力发展计划来选定。另外, 考虑到农村用电季节性、时间性强及用电负荷波动大的特点, 有条件的村庄可采用母子变压器或调容变压器供电, 以满足不同季节、不同时间的用电需求。
5 电杆的选择
在选择电杆时要根据现场具体情况, 主要考虑导线架设后导线对地和建筑物的安全距离是否足够, 横担对相邻建筑物或其他设施的安全距离是否合格等。当架设双层线路时, 还要考虑上下两层导线间的距离及下层导线对地的安全距离是否符合标准;如遇跨越其他弱电线路及房屋、树木和柴草垛时, 还要考虑导线对其安全距离。一般电杆高度可用以下公式来确定:
式中L——电杆高度, m;
S——导线对地安全距离, m;
fm——对应于选择一档距导线最大弧垂, m;
h——横担至杆顶距离, 一般取0.15 m;
L1——电杆埋深, 一般取L/6, m。
城镇和人口密集地区的低压架空线路宜采用12m及以上混凝土电杆, 其他地区宜采用10 m及以上混凝土电杆, 梢径不小于190 mm, 防止车撞等原因意外断裂。城镇线路档距一般不宜超过50 m, 乡村线路档距一般不宜超过70 m。低压线路可与同一电源10 k V配电线路同杆架设。当10 k V配电线路有分段时, 同杆架设的低压线路不应跨越分段区。
6 导线的选择
导线截面积大小应根据电流指标与经济条件来确定。对于较长线路, 在满足电流以及电压降要求的情况下, 可使导线的截面积加大1~2级。
中压线路县城和产业聚集区, 主干线采用240mm2绝缘导线;分支线采用185 mm2和120 mm2绝缘导线, 最终成为主干网互连线路的分支线宜选用240mm2绝缘导线。县城城区和工业区周边的线路可用裸导线。重要乡镇和农业区主干线采用185 mm2或120mm2, 分支线采用95 mm2, 特别偏远地区可选用50 mm2裸导线。重要乡镇的主干线也可选用绝缘导线。
低压主干线路裸导线截面积应结合供电区域饱和负荷值选定。城镇低压主干线路导线截面积185 mm2, 分支120 mm2或95 mm2, 乡村低压主干线路120 mm2或95 mm2, 分支70 mm2或50 mm2。
城镇和人口密集地区、穿越林区低压架空线路应采用绝缘导线。
7 低压接户线及户表的选择