微电网运行与控制概论——20140916

微电网运行与控制概论武汉大学电气工程学院主讲人:孙建军[e-mail]目录1 引言2 微电网的结构与组成3 微电网的运行与控制4 分布式发电及微电网发展5总结背景化石能源大机组大电网高电压环境污染能源危机电网安全可再生能源分布式发电DG功率波动稳定性差微电网MG当前大电网大电网发电环节输电环节配电环节用电环节安全高效优质经济集中式单一供电系统分布式发电（DG）DG定义：利用分布式能源，装机规模小，位于用户附近，通过10（35）kV及以下电压等级接入的可再生能源、资源综合利用和能量梯级利用多联供发电设施。海洋能其他形式新能源太阳能天然气风能生物质能分布式能源综合各种关于分布式电源的标准，DG具有四个基本特征。7电网电网特征一：直接向用户供电，潮流一般不穿越上一级变压器。特征二：装机规模小，一般为10MW及以下。18个典型国家（组织）中，13个为10MW及以下，3个为数十MW级，2个为100MW级。特征三：通常接入中低压配电网，一般为10（35）kV及以下。18个典型国家（组织）中，8个为10kV及以下，7个为35kV级，3个为110（66）kV级。特征四：发电类型主要为可再生能源发电、资源综合利用发电、高能效天然气多联供（能效一般达到70%以上）。自发自用！我国分布式电源发展重点是风电、光伏发电、小水电和小型天然气多联供等技术类型。分布式电源的概念常常与可再生能源发电、热电联产的概念发生混淆，大型可再生能源发电、大型燃气蒸汽联合循环机组不属于分布式电源。2大型电厂升压变配电变压器枢纽变电站配电变压器常规电网配电变压器工厂企业内燃机居民光伏电池商业建筑商业建筑内燃机燃气轮机燃气轮机分布式电源接入常规电网并网运行，易满足负荷需求，有助于可再生能源高效和规模化利用时间轴/h0123456789101112131415161718192021222324KW100020003000400005000负荷需求曲线DG输出功率常规电网补充功率差额优点：接入方便，运行简单缺点：系统故障退出运行间歇性影响周边用户能源综合优化困难对电网运行调度提出了挑战上述缺点将制约了DG的发展以分布式电源（DG）为单元输电网络高压配网110KVGGGG中压配网35/10KV低压配网0.4KV负荷负荷DGDGDGDGDG分布式电源并网运行方式分布式电源并网技术纽带！电力电子功率变换技术电子运动代替机械运动DCACDCDCDCAC信号波载波调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLurucurucuOtOtuouofuoUd-Ud1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-谐波振幅0.20.40.60.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角频率(nc+kr)搭积木式综合国内外微电网的定义和基本特征，微电网一般可定义为：以分布式电源为主，利用储能和控制装置进行实时调节，实现网络内部电力电量平衡的小型供电网络，可并网运行也可离网运行。微电网主要是利用储能和控制装置，实现分布式电源与本地负荷电力电量自平衡的微型供电网络，是新技术在配电网中的应用，是智能电网的组成部分。分布式电源并网不一定要依靠微电网技术；但微电网必然包含分布式电源，同时配置能量管理系统、控制装置、储能装置等实现“自治”、“友好”。微电网(MG)微型：微电网电压等级一般在10kV以下；系统规模一般在兆瓦级及以下；与终端用户相连，电能就地利用。清洁：微电网内部分布式电源以清洁能源为主，或是以能源综合利用为目标的发电形式。天然气多联供系统综合利用率一般应在70%以上。自治：微电网内部电力电量能实现基本自平衡，与外部电网的电量交换一般不超过总电量的20%。友好：微电网对大电网有支撑作用，可以为用户提供优质可靠的电力，能实现并网/离网模式的平滑切换。总结美国、欧洲、日本等国20个微电网试点工程，具备以下四个基本特征：能源使用多样性辅助电网优化调度分布式发电可独立运行能量管理系统负荷差异化分级微电网技术特征可大大提高分布式电源的有效运行时间；有助于电网灾变时的重要负荷持续供电；避免间歇式电源对周围用户电能质量的直接影响；有助于可再生能源优化利用和电网节能降损。。。。。。经济与社会意义巨大!微电网的优点目录1 引言2 微电网的结构与组成3 微电网的运行与控制4 分布式发电及微电网发展5总结微电网的拓扑结构太阳能储能装置风电光伏储能冷热电联供冷热电联供微网边界热、冷热、冷中央控制微网母线拓扑结构微网分布式电源微电源控制器功率和电压控制器分段控制设备能量管理系统继电保护系统微电网的组成•直流与交流微网系统直流微网系统-辐射形直流微网系统-环形交流微网系统交直流混合微网系统微网结构特征•简单结构与复杂结构微网简单结构微网复杂结构微网DG微电源控制器/并网逆变器——功能自动调节馈线的潮流；自动调节节点电压及负荷分配；确保系统能够自动平滑地转换孤岛和并网模式响应时间为毫秒级的，控制信号采自本地测量电压和电流；即插即用。一般不需要快速通信协调微电源控制器的运行；投入与退出不改变系统中的已经存在的控制和保护装置。微电源控制器/并网逆变器——特点能量管理系统能量管理系统通过为每个微型电源控制设置功率和电压的参考值来调节微电网的运行状态。其目标为•确保微型电源为负荷提供所需的热能和电能；•保证微电网满足大电网的运行规约；•微型电源的排放和系统的损耗达到昀小；•使微型电源的运行效率达到昀大等。热、冷、电联供友好经济环保充分利用可再生清洁能源自治运行实时能量功率控制用户负荷间歇电源当前信息当前信息预测预测输入输出功率控制分布式电源控制负荷响应控制配网层面DG层面负荷层面继电保护系统•微电网中的继电保护必须同时能够响应大电网和微电网的故障；•对于大电网的故障，所需响应可能是为了保护微电网中非常重要的负荷，应该迅速地将这些负荷与大电网隔离开来；•如果故障发生在可运行于孤岛状态的微电网内部，则所需的保护是将馈线中昀少可能的线路断开，从而消除故障影响。微型涡轮发电机几种微电源的基本原理及控制•回流换热器利用燃烧过程产生的排出废气，增加了系统的效率；•系统中的发电机为永磁发电机，发电机通过电力电子装置并网；•无需发电机转速与电网严格同步，其控制原理及大型汽轮发电机组基本一致。微型涡轮发电机组～整流器逆变器三相380VLLLCu功率变换拓扑整流等效拓扑燃料电池•将燃料(氢）与氧化剂(空气)中的化学能转化为电能；•不是储能设备，是发电设备，所以叫燃料电池；•能量转化效率高，本体效率可达40~60%，大容量热电联合联合循环系统效率可达80%以上，是一般内燃机的2~3倍；•非常环保，污染排放非常小、噪音极小，燃料易获取。2243HCOOHCH222HCOOHCOe氧化e浓缩e光伏电池•光照射到半导体系统上时，系统吸收光能后两端产生电动势，这种现象称为光生伏特效应；•光照强度、温度等影响光伏电池输出电流大小；•为使太阳能电池的输出功率达到最大，不论外界环境如何变化，必须使其运行在这一最大功率点；•可采用电力电子变换器实时地调节PV电池运行电压等于最大功率点的电压来实现最大功率点跟踪。独立运行的PV系统组成并网运行的PV系统组成10...24kV,f=50Hz690V/10000V旁路开关功率控制器交流异步发电机齿轮箱风轮转子brake中压开关软并网控制器运行控制器功率补偿器1nn电机运行在发电状态（一般）05.002.0s调节发电机转速适应风速变化无法调节无功，需增加无功补偿感应式发电机电网提供励磁，一般采用笼型转子风力发电变速恒频发电永磁直驱式发电机主轴承永磁直驱发电机DC机侧变流器网侧变流器风机主控器制动器变桨机构变流控制器10...24kV,f=50Hz变压器主回路断路器开关设备无齿轮箱，发电机转速不同步，能量转换效率高功率控制灵活，电网适应性好，易低电压穿越并网电能质量高，功率因数可控双馈异步发电机10...24kV,f=50Hzor60Hz变压器机侧变流器网侧变流器齿轮箱制动器变桨机构主轴承主回路断路器变流控制器风机主控器异步发电机开关设备调节转速适应风速变化调节转子励磁电流，只需调节转差功率，变流器成本低并网电能质量高，功率因数可控储能设备飞轮储能蓄电池储能超级电容储能超导储能•储能设备并不是个发电设备，但是微网中最关键的设备，主要用于平抑间歇性微电源的功率波动；•大型电力系统中，同步发电机组的旋转动能在维持负荷的动态平衡、减小系统频率的瞬时变化起着重要的作用；•在微电网中燃气轮机、风力发电等微电源容量较小，其旋转动能也小；而光伏发电系统和燃料电池系统根本没有旋转动能，如没有快速双向储能设备的调节，则很难保证系统频率的动态稳定；•应对不同时间尺度变化的功率波动需要选择不同的储能方式。目录1 引言2 微电网的结构与组成3 微电网的运行与控制4 分布式发电及微电网发展5总结微电网的运行方式及控制并网状态离网状态并网离网切换离网并网切换故障检修大电网直供微网运行方式示意图微电网的运行方式及控制并网状态•大电网提供频率和PCC点电压支撑，维持网内功率平衡；•微电源根据电力市场规律选择昀优运行模式以获得昀大的经济效益；•微网内局部电压可由微电源进行调节。离网(孤岛)状态•功率平衡、频率和电压支撑由微电源选择不同控制模式实现；•由于微电源的惯性几乎为零，频率控制具有一定的难度；•必须有储能设备。微电网的运行方式及控制微电源控制模式中央控制器（MGCC）提供下层单元的参考电压值，有功无功设置点等。这样上层和下层之间就存在通信联系，但这些通信不需要实时性。下层从控制单元（slave）需要获得主控制单元（master）的电压的频率支持，需要频率检测装置。比较接近大电网控制模式。难点在于DG控制器之间需要通信和约定•主从：•对等：针对即插即用式微网的主从控制方式，每个设备以对等模式进行自动控制。接入或去掉其中一个不会对微网中其它微型源产生影响。即插即用意味着在电力系统的任何地方都可以安装一个微网单元而不需要对控制部分重新设计。难点在于并网和离网状态切换时的稳定问题物理层控制控制微电源和储能装置，时间常数在毫秒（ms）级到秒（s）级微网运行层实现对微网的电气控制，时间尺度为分钟（min）级分析决策层分析网络状态分析、潮流计算，进行经济性和可靠性评估。时间尺度为小时（h）级用户应用层支持人机交互，支持展示微电网运行状态与功能。微电网分层(主从)控制框图微电源控制策略决定了微电源的外特性，时间尺度ms级改善微电源输出电压/电流波形，提高控制增益和响应速度，时间尺度μs微电源的PQ控制控制目的是使DG输出的有功功率和无功功率等于其参考功率例如当系统频率为50Hz、DG的端口电压为额定值时，DG运行在B点，输出的有功功率和无功功率分别为Pref、Qref；当系统的频率增加，且DG的端口电压幅值增大，此时DG运行点将由B点向A点移动，输出的有功和无功依然为Pref、Qref；当系统的频率减小，且DG的端口电压幅值减小，DG运行点将由B点向C点移动，输出的有功和无功依然为Pref、Qref。控制方法需要系统中有维持电压和频率的DG或电网！控制目的是使DG输出的频率和输出有功、电压和输出无功成线性关系例如当DG输出有功和无功功率分别增加时，DG的运行点由A点向B点移动逼近大机组特性，不需要DG之间通信联系就能实施协调控制，利于实现对等控制模式！fPVQ微电源的Droop控制控制目的是使DG输出的电压和频率不变例如DG输出的有功功率从P1变化到P3，无功功率从Q1变化到Q3，其输出的频率始终为50Hz，电压幅值为额定值常用于离网时主从控制模式中的主电源控制策略！微电源的V/F控制目录1 引言2 微电网的结构与组成3 微电网的运行与控制4 分布式发电及微电网发展5总结各国分布式电源的发展是由其资源分布特点、政策激励和产业基础等决定。1、发展基础政策激励我国小水电