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分布式电源单机接入成本高,控制困难等;
分布式电源相对大电网来说是一个不可控源,大系统往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源,以减小其对大电网的冲击。
当电力系统发生故障时,分布式电源往往都须在第一时间退出运行,这就大大限制了分布式发电效能的充分发挥。
为协调大电网与分布式电源间的矛盾,充分挖掘分布式电源为电网和用户带来的价值和效益,提出并不断发展了微电网(Microgrid)的概念。
优势:
微电网,也被称为分布式能源孤岛系统,将发电机、负荷、储能装置及控制装置等系统地结合在一起,形成一个单一可控的单元,同时向用户供给电能和热能。
微电网中的电源多为微电源,亦即含有电力电子界面的小型机组(小于100kW),包括微型燃气轮机,燃料电池、光伏电池以及超级电容、飞轮、蓄电池等储能装置。
微电网接在用户侧,具有低成本、低电压、低污染等特点。
微电网既可与大电网联网运行,也可在电网故障或需要时与主网断开单独运行。
微网具有双重角色。
对于电网,微电网作为一个大小可以改变的智能负载,为本地电力系统提供了可调度负荷,可以在数秒内做出响应以满足系统需要,适时向大电网提供有力支撑;
可以在维修系统同时不影响客户的负荷;
可以减轻(延长)配电网更新换代,采用IEEE1547.4标准,指导分布式电源孤岛运行,能够消除某些特殊操作要求产生的技术阻碍。
对于用户,微电网作为一个可定制的电源,可以满足用户多样化的需求,例如,增强局部供电可靠性,降低馈电损耗,支持当地电压,通过利用废热提高效率,提供电压下陷的校正,或作为不可中断电源服务等。
此外,紧紧围绕全系统能量需求的设计理念和向用户提供多样化电能质量的供电理念,是微电网的2个重要特征。
在接入问题上,微电网的并网标准只针对微电网与大电网的公共连接点(PCC),而不针对各个具体的微电源。
微电网不仅解决了分布式电源的大规模接入问题,充分发挥了分布式电源的各项优势,还为用户带来了其他多方面的效益。
微网将从根本上改变传统的应对负荷增长的方式,在降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性等方面具有巨大潜力。
1.2国内外研究现状
随着经济的高速发展和能耗的日益增加,各国的电力工业面临着一系列前所未有的严峻挑战:
能源危机、系统老化、污染问题、一次能源匮乏、能源利用率低以及用户对电能质量的要求高等。
微网在DGS的高效应用以及灵活、智能控制方面表现出极大的潜能和优势,成为很多发达国家发展电力行业、解决能源问题的主要战略之一。
目前,北美、欧盟、日本等已加快进行微网的研究和调试,并根据各自的能源政策和电力系统的现有状况,提出了具有不同特色的微网概念和发展规划。
CERTS最早提出微网的概念,其也是所有微网概念中最具代表性的一个。
CERTS对微网的主要思想和关键技术问题进行了详细地概述,说明CERTS微网有静态开关和自治微型电源2个主要部件,并系统阐述了微网的结构、控制方式、继电保护以及经济性评价等相关问题。
目前,美国CERTS微网的初步理论和方法已在美国电力公司Walnut微网测试基地得到了成功验证。
由美国北部电力系统承接的MadRiver微网是美国第一个微网示范性工程,微网的建模和仿真方法、保护和控制策略以及经济效益在此工程中得到了验证,关于微网的管理
条例和法规得到了完善,因此MadRiver微网成为美国微网工程的成功范例。
同时美国能源部制订了“Grid2030”发展战略,即以微网形式整合和利用微型分布式发电系统的阶段性计划,详细阐述了今后微网的发展规划。
此外,加拿大BC和Quebec两家水电公司已经开始开展微网示范性工程的建设,测试微网的主动孤网运行状况,旨在通过合理地安置独立发电装置(independentpowerproducer,IPP)改善用户侧供电可靠性。
从电力市场自身需求、电能安全供给以及环境保护等方面综合考虑,欧洲在2005年提出了“智能电网”的计划,并在2006年出台了该计划的技术实现方案。
作为欧洲2020年及后续电力的发展目标,该计划指出未来欧洲电网应具有灵活、可接入、可靠和经济等特点。
为此,欧洲提出要充分使用DGS、智能技术、先进的电力电子技术等实现集中式供电与分布式发电的高效整合,积极鼓励独立运营商和发电商参与电力市场交易,快速推进电网技术的发展。
微网必将成为欧洲未来电网发展的重要组成部分。
目前,欧盟主要资助和推进“Microgrids”和“MoreMicrogrids”2个微网项目,通过拓展和发展微网概念,增加微型发电装置的渗透率,初步形成微网的运行、控制、保护、安全以及通信等基本理论,希腊、德国、西班牙等国家建立了不同规模的微网实验室。
德国太阳能研究所建成的微网实验室的规模最大,容量达到200kVA,该研究所还在其实验平台上设计安装了简单的能量管理系统。
欧盟对微网的研究主要集中在可再生微型发电系统的控制策略和微网的规划、多微网管理运行优化工具的研发和技术、商业化规范的制定、示范性微网测试平台的推广、电力系统运行性能的综合评估等,这些可为DGS和可再生能源系统大规模并入微网以及传统电网向智能电网过渡提供条件。
日本根据本国资源日益缺乏、负荷需求增长迅速的发展现状,开展了微网的研究。
目前,日本已在国内建立了多个微网工程。
近年来,可再生能源和新能源一直是日本电力行业关注的重点之一,新能源与工业技术发展组织大力支持一系列微网示范性工程,并鼓励可再生和分布式发电技术在微网的应用。
日本在微网的网架拓扑结构、微网集成控制、热电冷综合利用等方面开展了一系列研究,为DGS和基于可再生电源的大规模独立系统的应用提供了较为广阔的发展空间。
1.3本文研究内容
微网是一种可将各种微电源组合起来为当地负荷提供电能的低压电网。
大多数微电源通过逆变器接口与主电网连接,虽然降低了系统的惯性,但微电源的控制灵活性增加。
孤岛和并网运行是微网两种典型运行模式,提高了供电可靠性,但也增加了系统在频率电压及能量平衡等方面的控制难度。
目前对各种不同类型的微电源在两种不同运行模式下控制方法的研究相对成熟,但是在对两种模式切换过程研究的较少。
本文主要研究了微网在两种运行模式下的控制方法,以及微网孤岛/并网模式控制策略,微网控制系统构成等。
主要工作如下:
首先,简述了微网的基本概念,介绍了微网的基本结构,功能和特点以及微网的关键技术。
其次,针对微网独立和并网运行两种运行模式,介绍了两种运行模式,对两种控制策略的比较,以及微网由孤岛/并网模式控制策略。
最后,对本文进行了总结,微电网的发展在我国尚处在起始阶段,不间断电力变电站的概念体现了微电网的思想,但微电网在我国的发展和实用化还有待进一步研究。
毫无疑问,微电网在我国有着巨大的应用潜力和发展前景。
2.内容
2.1微网的基本概念
目前,国际上对微网的定义没有统一的标准。
美国电气可靠性技术解决方案联合会(CERTS)给出的微网定义为:
微网是一种由负荷和微源共同组成的系统,它可向用户同时提供电能和热能;
微网内的电源主要由电力电子器件负责能量的转换,并提供必需的控制;
微网相对于外部大电网表现为单一的受控单元,并可满足用户对电能质量和供电安全等方面的要求。
相应微网结构如图1所示,它采用微型燃气轮机和燃料电池作为主要的电源,储能装置连接在直流侧与分布式电源一起作为一个整体通过电力电子接口连接到微网。
其控制方案相关研究重点是分布式电源的“即插即用”式控制方法。
到目前为止,他们不允许微网向大电网供电。
图1美国微网结构图
欧盟微电网项目(EuropeanCommissionProjectMicro-grids)给出的定义是:
微网是一种小型电力系统,它可充分利用一次能源,提供冷、热、电三联供,配有储能装置,所使用的微源分为不可控、部分可控和全控三种,使用电力电子装置进行能量调节。
他们的实验室微网结构如图2所示,光伏(PV)、燃料电池和微型燃气轮机通过电力电子接口连接到微网,小的风力发电机直接连接到微网,中心储能单元被安装在交流母线侧。
微网系统采用分层控制策略,并且允许微网作为电网中分布式电源的一部分向大电网供电。
图2欧盟微网结构图
美国威斯康辛麦迪逊分校(UniversityofWisconsin-Madison)的R.H.Lasseter给出的定义是:
微电网是一个由负载和微型电源组成的独立可控系统,对当地提供电能和热能。
这种概念提供了一个新的模型来描述微电网的操作;
微电网可被看作在电网中一个可控的单元,它可以在数秒钟内反应来满足外部输配电网络的需求;
对用户来说,微电网可以满足他们特定的需求:
增加本地可靠性,降低馈线损耗,保持本地电压,通过利用余热提供更高的效率,保证电压降的修正或者提供不间断电源。
图3是威斯康新大学新能源实验室的微电网结构图。
图3威斯康新大学新能源实验室的微电网结构图
基本单元应包含微能源、蓄能装置、管理系统以及负荷。
2.2微网的基本结构
微网一般是由多条辐射状馈线和负载群组成,辐射状配电网通过固态转换开关(StaticTransferSwitch)在公共耦合点(Pointofcommoncoupling)与主干配电系统相连。
每条馈线具有断路器和潮流控制器。
微网通信结构:
微网的通信结构是由三个基本层组成,首层是微网中央控制器(MicrogridCentralController),次层是负荷控制器(LoadController)和微源控制器(MicrosourceController),底层是可控负荷与可控微源。
图1中的微网包括3条馈线A,B和C,整个网络呈放射状。
馈线通过微网主隔离装置(一般是静态开关)与配电系统相连,可实现孤网与并网运行模式间的平滑无缝转换。
其中A和B为敏感负荷(重要负荷),安装有多个DGS,馈线A中含有一个运行于热电联产的DCS,该DGS向用户提供热能和电能。
馈线C为非敏感性负荷,孤网情况下微网内部过负荷运行时,可以切断系统对C的供电。
当外界大电网出现故障停电或电能质量问题时,微网可通过主断路器切断与电网的联系,孤网运行。
此时,微网的负荷全部由DGS承担,馈线C继续通过母线得到来自主网的电能并维持正常运行。
如果孤网情况下无法保证电能的供需平衡,可以断开馈线C,停止对非重要负荷供电。
当故障消除后,主断路器重新合上,微网重新恢复和主电网功角同步运行,保证系统平稳过渡到孤网前的运行状态。
在微网的这种结构下,多个DGS局部就地向重要负荷提供电能和电压支撑,这在很大程度上减少了直接从大电网买电和电力线传输的负担,并可增强重要负荷抵御来自主网故障影响的能力。
微网的基本拓扑结构
2.3微网的功能与特点
能源来源主要为可再生能源;
发电系统类型可为微型燃气轮机(Micro-Turbine)、内燃机(Gas-Engine、燃料电池(FualCell、太阳能电池(PVPanel、风力发电机(WindGenerator)、生物质能(BiomassEnergy)等;
系统容量为20kW-10MW;
网内的用户配电电压等级为380V,或者包括10.5kV;
如与外部电网进行能量交换,电压等级由微电网的具体应用等情况而定。
基于分布式能源系统的微型电网具有三个独特功能:
(1)微源与负荷控制
分布式发电和微电网利用分布式发电控制进行有功和无功的控制。
当网压或负载发生变化时,与DG耦合的功率和电压控制器能快速响应,无须与上级系统通信。
(2)微网中央控制
微网中央控制器为每个微型电源的控制器设定工作点(功率和电压工作点以及微元控制开关),提供运行控制功能,其响应时间以分钟计算。
(3)电网保护:
微电网内的保护通过电力电子技术实现与电网接口,实现配电网与微网间柔性、可控的连接,确保微网在不同运行情况下灵活快速的切换,以及配电系统和微网的运行安全性、可靠性、经济性。
微电网具有以下特点:
(1)独立性。
微网是由微型电源(微源)及负荷构成的小型电力系统,一般通过单点接入大电网,即从电网端看进去微网是一个可控发电单元或者负荷。
在一定条件下可以独立运行,保障本地负荷的用电需求。
(2)灵活性。
能运行在并网模式和孤网模式。
并网模式是微网的常态运行模式,此模式下微网既可从主网吸收功率,也可在政策允许下向主网输送功率。
当主网发生故障时,微网自动进入孤网模式,故障清除后微网可自动恢复并网运行。
(3)交互性。
微网在必要时可作为主网的后备电源,在紧急情况下帮助主网大电厂进行黑启动。
(4)经济性。
微网内含有大量清洁电源,可根据制定的经济运行策略对各微源出力进行最优分配,使微网整体经济效益达到最优。
(5)安全及可靠性:
调峰问题(与燃气互补)、备用问题,提高供电可靠性和供电质量,防止大面积停电事故的发生,防灾害(战争、地震、恐怖活动等)。
2.4微网中的关键技术
2.4.1微电网控制方法:
微电网控制主要主要有三种经典的控制方法:
(1)基于电力电子技术的“即插即用”与“对等”的控制思想
该方法根据微电网控制要求,灵活选择与传统发电机相类似的下垂特性曲线进行控制,将系统的不平衡功率动态分配给各机组承担,具有简单、可靠、易于实现的特点。
但该方法没有考虑系统电压与频率的恢复问题,也就是类似传统发电机中的二次调整问题。
因此,在微电网遭受严重扰动时,系统的频率质量可能无法保证。
此外,该方法没有讨论在微电网运行模式切换时的过渡过程。
(2)基于功率管理系统的控制
该方法根据微电网控制要求,灵活选择与传统发电机相类似的下垂特性曲线进行制,将系统的不平衡功率动态分配给各机组承担,具有简单、可靠、易于实现的特。
但该方法没有考虑系统电压与频率的恢复问题,也就是类似传统发电机中的二次整问题,因此,在微电网遭受严重扰动时,系统的频率质量可能无法保证。
此外,该法没有讨论在微电网运行模式切换时的过渡过程。
(3)基于多代理技术的微电网控制方法:
该方法将传统电力系统中的多代理技术应用于微电网控制系统。
代理的自治性、反应能力、自发行为等特点,正好满足微电网分散控制的需要,提供了一个能够嵌入各种控制性能但又无需管理者经常出现的系统。
但目前多代理技术在微电网中的应用多集中于协调市场交易、对能量进行管理方面,还未深入到对微电网中的频率、电压等进行控制的层面。
要使多代理技术在微电网控制系统中发挥更大作用,仍有大量研究工作需要进行。
2.4.2微电网的保护:
微电网的保护与传统保护有着极大的不同,典型表现有:
(1)潮流的双向流通;
(2)微电网在并网运行与独立运行种工况下,短路电流大小不同且差异很大。
因此,如何在独立和并网两种运行工况下均能对微电网内部故障做出响应以及在并网情况下快速感应大电网故障,同时保证保护的选择性、快速性、灵敏性与可靠性,是微电网保护的关键,也是微电网保护的难点。
传统的电流保护显然无法满足微电网保护的特殊要求。
目前,针对单相接地故障与线间故障,有学者提出了基于对称电流分量检测的保护策略。
该方法以超过一定阈值的零序电流分量和负序电流分量作为主保护的启动值,将传统的过电流保护与之结合可取得良好的效果。
虽然国际上已有学者研制出微电网保护的硬件装置,但人们仍在对更加完善的保护策略进行积极探索。
发电机和负荷容量对保护的影响,不同类型发电机(如基于变流器与不基于变流器)对保护的影响及微电网不同运行方式和不同设计结构对保护的影响等问题都是微电网保护策略研究中所关注的重点。
2.4.3微电网接入标准:
微电网的接入标准也是人们较为普遍关注的问题。
目前,IEEE已重新修改了分布式电源的入网标准。
新标准中的IEEEP1547.4对分布式独立电力系统的设计、运行及接人系统导则进行了详细的规定。
2.4.4微电源:
微电源是微电网中重要主成部分。
它反应时间在毫秒级,采集本地信息来控制微电源。
微电源自身中基本的动作不需要为电源之间的联系,即每个变换器在负荷变化的情况下不用与其他电源等装置进行数据交换。
控制器的基本输入量是输出功率的稳定点时的母线电压和功率。
在时域中,电源总供给功率和负荷总需求功率都是动态变化的,并且两者之间并不是每时每刻都能达到供需平衡。
在电源总发电功率大于负荷总需求功率时,将多余的能量储存在储能单元中;
同样,在电源总发电功率小于负荷总需求功率时,将储能单元中储能的能量发恰当的方式释放出来。
如今,储能方式有许多种,各种方式的性能也各异。
需要研究根据系统稳定的需求来选择储能方式。
传统电力系统的电源都是同步发电机。
然而,微电源因燃料来源不同,我们可以将供电电源分成三种基本的大类:
1)直流电源,如燃料电池、太阳能电池、蓄电池以及储能电容器等。
2)交直交电源,如微轮机,其发出的电流电需要整流后再进行逆变。
3)工频交流电流,如以鼠笼式感应电机为主的风力发电机和传统的小功率同步发电机。
2.5微网控制
2.5.1微网的运行模式
并网运行模式:
所谓并网运行是指微网与由大机组供电的电网(本文称为主网)并列运行,即与常规配电网在主回路上存在电器连接,连接点一般称为“公共连接点”(简称PCC)。
微网并网运行按照功率交换方式可分为普通并网和并网不上网两种,前者微网可以向电网输送多余功率,而后者则严格禁止微网机组的功率外送,即PCC处功率流向只能从电网流向微网用户。
微网并网的连接方式可以采用交流直接连接,经电流源换流器连接,经电压源换流器连接。
离网运行模式(即孤岛运行模式):
当微网根据情况需要独立运行或主网发生故障时,应迅速断开与主网的连接,转入孤岛运行模式;
当主网供电恢复正常时,或根据情况需要微网并网运行时,将处于孤岛运行模式的微网重新联入公共电网。
2.5.2两种控制策略的比较
2.5.2.1主从控制
进入孤岛模式后,“主从式”控制策略通过一台或几台微电源来承担电压,频率的稳定工作,其它从属微电源仍采取PQ控制方式来维持微电网的功率平稳。
2.5.2.2对等控制
“对等式”是各微电源之间不存在从属关系,所有的微电源均根据预先设定的控制模式去进行功率的调节,共同来维持系统电压频率的稳定。
2.5.3微网的并网/孤岛运行控制策略
2.5.3.1DG控制策略
可再生能源DG通常通过逆变器接入电网,其基本控制方式有P-Q控制,V/F控制和下垂控制。
P-Q控制是指为实现间歇性电源的最大利用率,输出有功和无功,控制测略简单,但不能保证微网电压和频率稳定。
下垂控制主要应用在微网的对等控制中,实现多DG出力的协调控制,但下垂控制是一种有差控制,无法使微网频率或电压恢复至原来的并网水平。
V/F控制又下垂控制发展而来,一般用在可控电源上,保证微网输出电压的幅值和频率恒定,通过频率偏差和电压偏差计算出孤岛后的微电网功率差额,从而确定DG需要增发的出力,采用PI控制器实现频率和电压的无差控制。
2.5.3.2综合控制策略
对于含多种DG的微网系统,现有研究结果主要采用对等控制和主从控制两种整体控制策略,对等控制简单可靠,易于实现,但牺牲了频率和电压的稳定性;
主从控制可以支撑微网电压和频率,但对主控单元有较强的依赖性。
2.5.4微网控制系统构成
微网控制系统主要由管理、监测和控制三部分构成其系统结构如下:
其它监测回路参数
管理层主要实现对不同用电情况进行逻辑编程,从而使电网运行在高效节能的状态。
并能将数据上传到上级监管系统。
其主要由HMI界面显示界面和远传系统组成。
控制模块主要实现对发电机、市电和太阳能回路接触器的分合以及对发电机频率、相位进行调节并对太阳能控制系统发出并网和解列命令。
其主要由开关控制回路、发电机并网调节系统和太阳能控制系统组成。
监测模块主要是通过安装在市电供电电源回路的ION7650对供电电源的电能质量、功率输出情况进行监测,同时将数据反馈到微网控制系统以作为系统并网发电或者解列的依据。
2.5.4.1系统的可用性
系统的设计充分考虑了在整个工程环境中的不同因素,以保证在现场安装调试后立即适用并进入稳定可靠运行,系统年可用率大于99.9%。
2.5.4.2系统的可维护性
系统的硬件、软件设备便于维护,各部件都具有自检和联机诊断校验的能力。
软件有备份,便于工程师安装启动,应用程序易于扩充,数据库存取为用户程序留有接口并提供二次开发的数据库资料,支持其他大型数据库(如SQLServer),可以向以太网数据库服务器传送实时数据,便于用户自行编制的程序加入系统中运行。
2.5.4.3系统的可靠性
系统在工程现场运行具有很高的可靠性,其平均无故障时间MTBF≥50000小时。
2.5.4.4系统的容错能力
软、硬件设备具有良好的容错能力,当各软、硬件功能与数据采集处理系统的通讯出错,以及当运行人员或工程师在操作过程中发生一般性错误时,均不影响系统的正常运行。
对意外情况引起的故障,系统具备恢复能力。
2.5.4.5系统的安全性
正常情况下,硬件和软件设备的运行均不会危及变电站的安全稳定运行和工作人员的安全。
3.结论与展望
微网技术的出现弥补了分布式发电技术的不足,使得分布式新能源发电技术得到了更充分的发挥。
本文综述性的介绍了微网的技术,微网目前的发展现状,分析了微网的基本结构,功能和特点,以及关键技术,微网控制系统等。
目前,中国尚未提出明确的微电网概念,但微电网的特点适应中国电力发展的需求与方向,在中国有着广阔的发展前景,具体体现在:
1)微电网是中国发展可再生能源的有效形式。
“十一五”规划已将积极推动和鼓励可再生能源的发展作为中国的重点发展战略之一。
一方面,充分利用可再生能源发电对于中国调整能源结构、保护环境、开发西部、解决农村用能及边远地区用电、进行生态建设等均具有重要意义;
另一方面,中国可再生能源的发展潜力十分巨大
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