我國微電網(wǎng)技術(shù)研究進展,電氣工程論文

我們國家微電網(wǎng)技術(shù)研究進展,電氣工程論文內(nèi)容摘要：微電網(wǎng)是集發(fā)、配、用電為一體的自治系統(tǒng)，構(gòu)建了全新的能源技術(shù)公平競爭體系，具有長久的技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益。本文首先從供電形式角度就溝通、直流、交直流混合3種形式微電網(wǎng)進行講明，總結(jié)了微電網(wǎng)中的儲能技術(shù)；然后，著重分析了分層控制中每層控制的詳細特征、特殊架構(gòu)、優(yōu)化算法與發(fā)展規(guī)律，指出了各層控制的問題及研究方向，討論了微電網(wǎng)規(guī)劃設計方式方法理論，并研究了微電網(wǎng)安全保衛(wèi)機制；最后，結(jié)合當下現(xiàn)在狀況，闡述了微電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系，提出了微電網(wǎng)將來發(fā)展建議。本文關(guān)鍵詞語：微電網(wǎng)技術(shù)；可再生能源；儲能技術(shù)；控制策略；保衛(wèi)機制；能源互聯(lián)網(wǎng)。0、引言。近年來，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出用電負荷不斷增加、輸電容量逐步增大的特點，大容量集中式發(fā)電、遠距離高電壓傳輸?shù)幕ヂ?lián)大電網(wǎng)運營成本高、運行難度大、調(diào)節(jié)能力弱的問題日益凸顯，難以知足用戶越來越高的安全性、可靠性、多樣性、靈敏性供電需求。隨著新型電力電子技術(shù)的不斷成熟，基于風、光、熱、儲等綠色能源的分布式發(fā)電技術(shù)蓬勃發(fā)展。分布式發(fā)電具有能源利用率高、環(huán)境污染小、供電靈敏性強、投入成本低等優(yōu)點，開發(fā)利用高效經(jīng)濟、靈敏可靠的分布式發(fā)電技術(shù)是解決能源危機和環(huán)境問題的有效途徑。為了減緩大規(guī)模的分布式電源單機入網(wǎng)對大電網(wǎng)的沖擊，彌補電力系統(tǒng)對分布式電源廣泛浸透承載能力的缺乏，充分發(fā)揮分布式發(fā)電技術(shù)的優(yōu)勢，微電網(wǎng)[1-2]的概念應運而生。微電網(wǎng)具有多源低慣性供能、多形式協(xié)調(diào)運行、多模塊互補支撐、多級架構(gòu)靈敏互動的特點，是由分布式電源、負荷單元及儲能裝置根據(jù)特定的拓撲構(gòu)造組成的具備獨立管理、保衛(wèi)、控制能力的集約化新型電力網(wǎng)絡，是以新能源發(fā)電技術(shù)為支柱、低慣性電力電子裝置為主導的多約束、多狀態(tài)、多維度的復雜自治電力系統(tǒng)。微電網(wǎng)有并網(wǎng)和孤島兩種運行形式，并且能夠在兩種形式之間平滑無縫切換，一般通過單點接入主網(wǎng)，具有即插即用的靈敏性和可控性，是將來智能電網(wǎng)的重要組成部分[3].當微電網(wǎng)處于并網(wǎng)形式時，能實現(xiàn)公共電網(wǎng)、分布式電源與負荷的一體化協(xié)調(diào)運行和各種能源資源的梯級高效利用；當大電網(wǎng)發(fā)生故障時，微電網(wǎng)通過解列控制進入孤島形式，單獨向敏感負荷供電，充分知足用戶對供電安全性、可靠性需求。在863、973國家重點項目的支持下，我們國家微電網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展。2020年，國家能源局制定的(可再生能源發(fā)展十二五規(guī)劃〕指出，到2021年我們國家將建成30個新能源微電網(wǎng)示范工程。2021年7月，國家能源局發(fā)布了(關(guān)于推進新能源微電網(wǎng)示范項目建設的指導意見〕，國家能源局將結(jié)合項目詳細技術(shù)經(jīng)濟性會同有關(guān)部門研究制定相關(guān)支持政策，使微電網(wǎng)發(fā)展上升到新的高度。2021年9月，國家能源局又發(fā)布了(配電網(wǎng)建設改造行動計劃〔2021-2020年〕〕，將新能源與分布式電源并網(wǎng)、微電網(wǎng)示范工程列入配網(wǎng)建設規(guī)劃。本文首先對溝通、直流、交直流混合三種形式的微電網(wǎng)進行講明，介紹了微電網(wǎng)中的儲能技術(shù)的發(fā)展狀況，然后從控制策略、規(guī)劃設計、保衛(wèi)機制等方面進行討論，扼要介紹了能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并提出了微電網(wǎng)將來發(fā)展建議。1、微電網(wǎng)簡介。微電網(wǎng)分為溝通微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)。溝通微電網(wǎng)中，風機、微燃機等輸出溝通電的分布式電源通常直接或經(jīng)AC/DC/AC轉(zhuǎn)換裝置連接至溝通母線，而光伏模塊、燃料電池等輸出直流電的分布式電源則必須經(jīng)過DC/AC逆變器連接至溝通母線，分布式電源和公共電網(wǎng)按照特定的計劃為負荷供電。鑒于分布式電源的隨機性和間歇性，電力潮流的雙向流動性等特點，溝通微電網(wǎng)在電能質(zhì)量、保衛(wèi)控制方面面臨宏大挑戰(zhàn)。因而，具體的網(wǎng)絡架構(gòu)規(guī)劃、可靠的保衛(wèi)通信系統(tǒng)、穩(wěn)定的運行控制技術(shù)是溝通微電網(wǎng)良好運營的關(guān)鍵。直流網(wǎng)絡構(gòu)架是將來微電網(wǎng)發(fā)展的方向，愈加符合負荷多樣性的發(fā)展趨勢，分布式電源、儲能系統(tǒng)、交直流負荷等均通過電力電子裝置連接至直流母線，儲能系統(tǒng)能夠通過電力電子裝置補償分布式電源和負荷的波動。與溝通微電網(wǎng)相比，直流微電網(wǎng)具有損耗小、效率高、控制簡單等優(yōu)勢[4-6],但是，直流微電網(wǎng)僅僅處于起步階段且規(guī)劃設計缺乏成熟統(tǒng)一的標準，大規(guī)模推廣與發(fā)展是一個長期的經(jīng)過。交直流混合微電網(wǎng)既含有直流母線又含有溝通母線，既能夠直接向直流負荷供電又能夠直接向溝通負荷供電，解決了屢次換流帶來的眾多問題，降低了電力變換帶來的能量損耗，具有更高層次的效率和靈敏性[7],是將來最有潛力的配電網(wǎng)形式。其具有直流部分獨立運行、溝通部分獨立運行、交直流部分協(xié)調(diào)運行3種運行形式，囊括了溝通微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)的優(yōu)點，對交直流分布式電源皆有較好的兼容性。2、微電網(wǎng)中的儲能技術(shù)。以風能、太陽能等新能源為主的分布式電源大規(guī)模集成浸透使微電網(wǎng)在供電質(zhì)量、連續(xù)性、穩(wěn)定性等方面面臨嚴峻挑戰(zhàn)。高效可靠的儲能系統(tǒng)通過控制供需能量提供類似慣性的功能，是以新能源為支柱、低慣性電力電子裝置為主導的微電網(wǎng)正常運行的保證。微電網(wǎng)中儲能技術(shù)應用如下[8-10]:①通過合理有序的儲能系統(tǒng)控制策略，彌補分布式電源隨機性、間歇性和不可控性缺陷，加強分布式電源的穩(wěn)定性與可調(diào)度性；②在負荷低谷時充電，在負荷高峰時放電，作為微電網(wǎng)能量緩沖環(huán)節(jié)實現(xiàn)負荷的削峰填谷；③基于儲能系統(tǒng)的快速響應特性，減緩形式切換過渡的暫態(tài)沖擊，實現(xiàn)微電網(wǎng)無縫平滑切換，并為微電網(wǎng)的孤島運行提供電壓和頻率支撐；④為微電網(wǎng)提供有功功率支撐或無功功率補償，平滑微電網(wǎng)電壓波動，改善微電網(wǎng)的電能質(zhì)量。儲能系統(tǒng)分類標準很多，根據(jù)電能供給速度儲能系統(tǒng)可分為3類[10]:①服務于能量管理體系的小時級電能供給儲能系統(tǒng)；②處理電力瞬時短缺的分鐘級電能供給儲能系統(tǒng)；③用于有功或無功功率補償?shù)拿爰夒娔芄┙o儲能系統(tǒng)。為了充分發(fā)揮儲能系統(tǒng)的優(yōu)勢，通常將不同性能的儲能裝置進行互補組合。能量密度大的蓄電池和功率密度大、循環(huán)壽命長的超級電容組合成的混合儲能系統(tǒng)能夠提高功率輸出能力，延長使用壽命[11];超級電容與壓縮空氣儲能優(yōu)化組成的混合儲能系統(tǒng)在大容量存儲的條件下具有高動態(tài)響應性能[12].在微電網(wǎng)運行經(jīng)過中，需要整合不同的儲能裝置以到達特定的運行目的，混合儲能系統(tǒng)是儲能技術(shù)發(fā)展和應用的趨勢。3、基于分層理念的微電網(wǎng)控制策略。穩(wěn)定可靠的控制策略是微電網(wǎng)良好運行的保證，也是其優(yōu)勢充分發(fā)揮的關(guān)鍵。基于分層理念構(gòu)成的微電網(wǎng)系統(tǒng)控制策略是當下最常用的控制架構(gòu)，也是微電網(wǎng)控制技術(shù)不斷發(fā)展完善的方向，利用分層控制架構(gòu)能夠在不同的時間尺度上實現(xiàn)對微電網(wǎng)電氣量的控制，分層控制包括第一層、第二層及第三層控制三部分。3.1第一層控制。第一層控制為分布式電源和負荷本地自主控制，主要通過分布式電源控制器和負荷控制器實現(xiàn)有功功率和無功功率特定分配、維持微電網(wǎng)孤島經(jīng)過中電壓和頻率的穩(wěn)定，提高微電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能，其需要最快響應分布式電源供能和負荷需求的變化。分布式電源的控制是第一層控制的關(guān)鍵，當前多采用雙環(huán)控制形式：內(nèi)環(huán)動態(tài)響應較快，通過不同的控制算法提高逆變器輸出信號的質(zhì)量；外環(huán)動態(tài)響應較慢，通過不同的控制策略到達特定控制目的。內(nèi)環(huán)控制算法中最常用的是經(jīng)典PI調(diào)節(jié)器，其是適用于線性時不變、單輸入單輸出系統(tǒng)的線性控制器，由于對直流量具有較好的調(diào)節(jié)效果，而調(diào)節(jié)溝通量時存在穩(wěn)態(tài)誤差，往往用于旋轉(zhuǎn)坐標系控制，具有控制構(gòu)造清楚明晰簡單的優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)大部分的控制目的[13].比例諧振控制器〔propor-tionalresonant,PR〕能夠?qū)崿F(xiàn)溝通量的有效控制，同時具有較高的動態(tài)性能和低次諧波控制效果，但是不能解決高次諧波問題，且控制器參數(shù)設計復雜性較高，其通常運用于靜止坐標系的控制[14].另外，滯環(huán)控制和無差拍控制能夠?qū)崿F(xiàn)非線性控制，而預測控制、滑?？刂频人惴ㄔ谖墨I[13-14]中被具體講明，這些算法能夠通過不同的控制方式實現(xiàn)各自的控制目的。外環(huán)控制策略常見的有：恒功率控制、恒壓/恒頻控制和下垂控制。恒功率控制利用電網(wǎng)電壓和頻率作為支撐，通過有功功率和無功功率解耦控制實現(xiàn)分布式電源功率輸出的恒定，一般應用于微電網(wǎng)并網(wǎng)運行狀態(tài)。恒壓/恒頻控制主要應用于微電網(wǎng)孤島運行狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)分布式電源輸出的有功功率和無功功率實現(xiàn)系統(tǒng)頻率和電壓的穩(wěn)定。下垂控制模擬發(fā)電機功頻特性，通過對逆變器輸出電壓的幅值和頻率的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)有功功率和無功功率的特定分配，不需要額外的通信線路，既能夠應用于孤島形式可以以應用于并網(wǎng)形式，是當前最有發(fā)展和應用潛力的分布式電源控制策略。傳統(tǒng)下垂控制有一定缺陷：低壓線路呈阻性，導致逆變器間環(huán)流大，功率分配不精到準確；孤島形式下，電壓和頻率會隨著負荷變化而波動；為有差控制，會有頻率和電壓的偏差；下垂系數(shù)過大會導致電壓和頻率波動劇烈，下垂系數(shù)過小又會導致功率分配不精到準確。因而，很多改良下垂控制被提出。為消除線路阻抗對下垂控制的影響，通常有兩種改良方式方法[15-17]:①通過分析和補償線路阻抗對有功和無功功率的影響實現(xiàn)電壓和頻率下垂控制的解耦；②通過逆變器合理控制輸出虛擬阻抗。為了減小下垂系數(shù)的影響，改良的自適應調(diào)節(jié)下垂系數(shù)控制方式方法被提出[18-19],提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。另外，通過二次調(diào)壓調(diào)頻[20-21]維持系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定也是改良下垂控制的方向之一。主從