微电网

微电网研究系统工程李明洋2013.5.152微电网微电网的概述微电网系统结构特征微电网系统的控制模式微电网发展的关键技术微电网能量管理系统3微电网分布式发电也称分散式发电或分布式供能，一般指将相对小型的发电装置(一般50MW以下)分散布置在用户(负荷)现场或用户附近的发电(供能)方式。分布式电源位置灵活、分散的特点极好地适应了分散电力需求和资源分布，延缓了输、配电网升级换代所需的巨额投资，同时，它与大电网互为备用也使供电可靠性得以改善。分布式发电分布式电源尽管优点突出，但本身存在诸多问题，例如，分布式电源单机接人成本高、控制困难等。另外，分布式电源相对大电网来说是一个不可控源，因此大系统往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源，以期减小其对大电网的冲击。这就大大限制了分布式能源效能的充分发挥。4微电网美国电力可靠性技术解决方案协会(ConsortiumforElectricReliabilityTechnologySolution，CERTS)给出的定义：微电网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，它可同时提供电能和热量；微电网内部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；微电网相对于大电网表现为单一的受控单元，并同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求。日本的微电网研究在世界范围内处于领先地位。由于日本国内能源日益紧缺、负荷日益增加等原因，日本着重于新能源的开发利用。日本微电网定义为：微电网是指在一定区域内利用可控的分布式电源，根据用户需求提供电能的小型系统。欧盟科技框架计划（FrameworkProgramme，FP）给出的定义：利用一次能源；使用微型电源，并可冷、热、电三联供；配有储能装置；使用电力电子装置进行能量调节；可在并网和独立两种方式下运行。微电网定义5微电网①独特性：微电网由微型电源及负荷构成，是一个小型电力系统，与大系统的主要区别在于其灵活的可调度性；②多样性：微电源的组成多种多样，既有传统电源，又有可再生能源。同时，微电网中也包含储能设备，做为系统稳定运行的必要条件，而负荷的类型也很多，如敏感型、非敏感型，可控型、非可控型等；③可控性：根据运行工况的不同，微电网可以选择不同的运行方式，完善的控制策略使得微电网的可靠性得到提高，安全性得到保障；④交互性：作为具备独立发电设备的微电网可以在必要时对主网提供有力支撑，同时主网也可以向微电网提供电能；⑤独立性：微电网在一定条件下可以独立运行，在一定基础上保障了本地的用电需求。微电网特点6微电网中国发展微电网的意义(1)微电网可以提高电力系统的安全性和可靠性，有利于电力系统抗灾能力建设。(2)微电网可以促进可再生能源分布式发电的并网，有利于可再生能源在我国的发展。(3)微电网可以提高供电可靠性和电能质量，有利于提高电网企业的服务水平。(4)微电网能够有效减少对集中式大型发电厂电力生产的依赖以及远距离电能传输、多级变送的损耗，降低网损。(5)微电网能够有效地解决我国西部地区目前常规供电所面临的输电距离远、功率小、线损大、建设变电站费用昂贵的问题，为我国边远及常规电网难以覆盖的地区的电力供应提供有力支持，有利于社会主义新农村建设。7微电网微电网基本结构8微电网微电网基本结构图中包括3条馈线A,B和C及1条负荷母线，网络整体呈辐射状结构。馈线通过主分隔装置(通常是一个静态开关)与配电系统相连，可实现孤网与并网运行模式间的平滑切换。该开关点即PCC(公共连接点）所在的位置，一般选择为配电变压器的原边侧或主网与微电网的分离点。IEEEP1547标准草案规定:在PCC处，微电网的各项技术指标必须满足预定的规范。负荷端的馈线电压通常是480V或更低。图中展示了光伏发电、微型燃气轮机和燃料电池等微电源形式，其中一些接在热力用户附近，为当地提供热源。微电网中配置能量管理器和潮流控制器，前者可实现对整个微电网的综合分析控制，而后者可实现对微电源的就地控制。当负荷变化时，潮流控制器根据本地频率和电压信息进行潮流调节，当地微电源相应增加或减少其功率输出以保持功率平衡。9微电网微电网基本结构图中还示范了针对3类具有不同供电质量要求的负荷的个性化微电源供电方案。对于连接在馈线A上的敏感负荷，采用光伏电池供电;对于连接在馈线C上的可调节负荷，采用燃料电池和微型燃气轮机混合供电;对于连接在馈线B上的可中断负荷，没有设置专门的微电源，而直接由配电网供电。这样，对于敏感负荷和可调节负荷都是采用双源供电模式，外部配电网故障时，馈线A,C上的静态开关会快速动作使重要负荷与故障隔离且不间断向其正常供电，而对于馈线B上的可中断负荷，系统则会根据网络功率平衡的需求，在必要时将其切除。10微电网图（2）直流微电网结构图直流微电网微电网实验系统结构特征11微电网直流微电网的结构如图（2）所示，其特征是系统中的DG、储能装置、负荷等均通过电力电子变换装置连接至直流母线，直流网络再通过逆变装置连接至外部交流电网。直流微电网通过电力电子变换装置可以向不同电压等级的交流、直流负荷提供电能，DG和负荷的波动可由储能装置在直流侧补偿。相比于交流微电网，直流微电网由于各DG与直流母线之间仅存在一级电压变换装置，降低了系统建设成本，在控制上更易实现；同时，由于无需考虑各DG之间的同步问题，在环流抑制上更具优势。直流微电网12微电网图（3）交流微电网结构图交流微电网13微电网目前，交流微电网仍然是微电网的主要形式，其典型结构如图（2）所示。在交流微电网中，DG、储能装置等均通过电力电子装置连接至交流母线，通过对公共连接点(PCC)端口处开关的控制，可实现微电网并网运行与孤岛运行模式的转换。交流微电网14微电网图（4）交直流混合微电网结构图交直流混合微电网15微电网交直流混合微电网交直流混合微电网结构图如图（4）所示。微电网中既含有交流母线又含有直流母线，既可以直接向交流负荷供电又可以直接向直流负荷供电，因此可称为交直流混合微电网。但从整体结构分析，实际上仍可看做是交流微电网，直流微电网可看做是一个独特的电源通过电力电子逆变器接入交流母线。16微电网微电网的控制模式主从控制模式对等控制模式分层控制模式17微电网所谓主从控制模式，是指在微电网处于孤岛运行模式时，其中一个DG(或储能装置)采取定电压和定频率控制(简称V/f控制)，用于向微电网中的其他DG提供电压和频率参考，而其他DG则可采用定功率控制(简称PQ控制)，如图（5）所示。采用V/f控制的DG(或储能装置)控制器称为主控制器，而其他DG的控制器则称为从控制器，各从控制器将根据主控制器来决定自己的运行方式。主从控制模式18微电网主从控制模式适于采用主控制器控制的DG需要满足一定的条件。在微电网处于孤岛运行模式时，作为从控制单元的DG一般为PQ控制，负荷变化主要由作为主控制单元的DG来跟随，因此要求其功率输出应能够在一定范围内可控，且能够足够快地跟随负荷的波动。在采用主从控制的微电网中，当微电网处于并网运行状态时，所有DG一般都采用PQ控制，而一旦转入孤岛模式，则需要作为主控制单元的DG快速由PQ控制模式转换为V/f控制模式，这就要求主控制器能够满足在两种控制模式间快速切换的要求。19微电网图（5）主从控制微电网结构主从控制模式20微电网所谓对等控制模式，是指微电网中所有DG在控制上都具有同等的地位，各控制器间不存在主、从的关系，每个DG都根据接入系统点电压和频率的就地信息进行控制。对等控制模式对于这种控制模式，DG控制器的策略选择十分关键，一种目前备受关注的方法就是Droop控制方法。21微电网图（6）对等控制的微电网结构对等控制模式22微电网分层控制，是指将管理组织分为不同的层级，各个层级在服从整体目标的基础上，相对独立地开展控制活动。电力系统分层控制，根据电力系统管理体制、组织、电网结构和电压等级，各级调度按职责和任务及其管辖范围，对电网的有功-频率、无功-电压、线路潮流进行的控制和管理。分层控制23微电网微电网发展的关键技术大电网应对微电网接入的关键问题大电网与微电网相互作用的机理含微电网的大电网运行策略含微电网的大电网保护构建策略微电网与大电网的电能交易模式24微电网微电网接入大电网后，将对大电网的规划、运行、保护等方面带来深刻影响。开展微电网与大电网相互作用的研究，对揭示二者相互影响的作用规律，进而提出微电网与大电网在规划、运行、保护等方面的改进措施具有重要意义，能够为新型电网系统进行的技术升级和改造提供有力的理论依据。大电网应对微电网接入的关键问题25微电网在微电网和大电网并联运行中，微电网对大电网所表现的电气特性较复杂。目前国内在这二者作用机理方面的研究基本处于起步阶段，拟研究的主要课题包括：微电网稳、暂态运行特性的理论分析及建模方法的研究；微电网对大电网的电压、功角和频率稳定运行的作用机理和对应措施的研究；微电网与大电网控制系统及故障过程相互作用机理的研究和微电网所引起的大电网电能质量的研究。微电网与大电网相互作用机理研究的目的就是要揭示出二者相互作用的本质，发展相关的理论和方法，为含微电网大电网系统的稳定性分析与控制奠定理论基础。大电网与微电网相互作用的机理26微电网含微电网的大电网运行策略对包含微电网的大电网运行策略进行研究，需要从以下6个方面展开：含微电网的大电网短期负荷预测方法；含微电网的大电网调度技术与规范；含微电网的大电网经济运行策略；含微电网的大电网电能质量问题；微电网并网技术与规范；含微电网的大电网安全紧急控制策略。27微电网含微电网的大电网保护构建策略根据含有微电网的大电网保护在实际应用中面临的理论和技术问题，进而开展的课题研究主要集中在不同类型微电网短路电流的特性研究与仿真计算模型的建立、新型大电网保护系统的构建及整定计算原则的研究，以及大电网保护与微电网保护的协调配合机制的研究等关键基础性问题方面。28微电网接入微电网后，电力市场中的交易模式、竞价机制等都将发生变化，形成一种新的格局：一方面，DG作为微电网的重要组成部分，将使电力公司与用户之间形成一种新型关系，用户可以从电力公司买电，也可以在自发自用的基础上，将自己拥有的DG的剩余电能卖给电力公司或为电力公司有偿提供削峰、紧急功率支持等服务；另一方面，微电网并网运行时参与大电网竞争，必将对原有的电力市场交易模式产生影响。微电网与大电网的电能交易模式29微电网微电网能量管理系统（EMS)微电网被定义为发电和负荷的集合，而通常负荷不仅包括了电负荷，还包括热和冷负荷，即热电联供和热电冷三联供。因此，微电网不仅要发电，而且要利用发电的余热以提高总体效率。能量管理系统（EnergyManagementSystem，EMS）的目的即为作出决策以最优地利用发电产生的电和热（冷）。该决策的依据为当地设备对热量的需求、气候的情况、电价、燃料成本等。30微电网微电网能量管理系统(EMS)能量管理系统的调度控制功能：能量管理系统是为整个微电网服务的，即为系统级的，由此首要任务是将设备控制和系统控制加以明确区分，使各自的作用和功能简单明了。微型汽轮机的转速、频率、机端电压、发电机（微电源）的功率因数等应由微电源来控制，他们依据就地信号。CERTS的模型中，EMS只调度系统的潮流和电压。潮流调度时需考虑燃料成本、发电成本、电价、气候条件等。EMS仅控制微电网内某些关键母线的电压幅值，并由多个微电源的控制器配合完成，与配电网相联的母线电压应由所联上级配电网的调度系统来控制。31微电网微电网能量管理系统(EMS)除了上述基本功能外，EMS还具有其他一些功能，如当微电网与配电网解列后微电网应配备快速切负荷的功能，以使微电网内的发电与负荷平衡；由于微电源同时供给电、热等负荷，调度时应同时兼顾，一般情况下往往采取“以热定电”的原则，即满足用户对热负荷需求的条件下再进行电量的调度；微电网中应配备一些储能设备，如蓄电池、超级电容、飞轮等。此外，由于微电网本身位于用户侧，这些用户可能为中心商业区、学校、工厂等，它们本来就有供热、通风、空调等过程控制系统，未来的EMS有可能成为