微電網(wǎng)的并網(wǎng)和孤島運(yùn)行

微電網(wǎng)的并網(wǎng)和孤島運(yùn)行

1“分布式”電源系統(tǒng)為了協(xié)調(diào)大電網(wǎng)和分布電源（電網(wǎng)）之間的矛盾，充分利用電網(wǎng)的潛力，為電網(wǎng)和用戶帶來(lái)更多的價(jià)值和效率，聯(lián)邦電氣可靠性技術(shù)解決方案（crets）研究了dr對(duì)低能耗電網(wǎng)的影響，并提出了提高能源系統(tǒng)的可靠性的微電網(wǎng)概念。微電網(wǎng)是一些負(fù)荷和微電源的組合,可作為一個(gè)可控系統(tǒng)來(lái)運(yùn)行,一般與用戶端的配電網(wǎng)相連,至少含有一個(gè)分布式電源和相關(guān)負(fù)荷。微電網(wǎng)技術(shù)為大規(guī)模分布電源應(yīng)用提供了一種有效方法,是新型電力電子技術(shù)、分布式發(fā)電、可再生能源發(fā)電技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù)的綜合。微電網(wǎng)正常通過(guò)變壓器并網(wǎng)運(yùn)行,當(dāng)微電網(wǎng)從公共連接點(diǎn)脫離后,它本身至少可給其中一部分負(fù)荷提供電能,運(yùn)行于孤島狀態(tài)(自治狀態(tài))。現(xiàn)有的電力公司一般不允許電網(wǎng)無(wú)計(jì)劃孤島運(yùn)行和自動(dòng)同步,主要基于人和設(shè)備安全考慮。然而,微電網(wǎng)可以孤島運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行,能在兩者之間平滑切換(經(jīng)孤島檢測(cè)及瞬時(shí)同步化),從而充分利用微電網(wǎng)中的電源。微電網(wǎng)也被稱為分布式電源孤島系統(tǒng),按照范圍、大小和所有權(quán)的不同,分布式電源孤島系統(tǒng)(微電網(wǎng))具有多種形式,可以分為單元孤島、分支路孤島、支路孤島、變電站母線孤島、變電站孤島和鄰近支路孤島(見(jiàn)圖1)。微電網(wǎng)中的微電源可分為2類:第1類是傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī);第2類是通過(guò)電力電子接口與電網(wǎng)聯(lián)接的電源。第2類微電源又分2種:一種是直流電源,如燃料電池、光伏電池等存儲(chǔ)單元;另一種為高頻交流電源,如微型燃?xì)廨啓C(jī),必須進(jìn)行整流,得到的直流電壓可通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電壓。微電網(wǎng)中的微電源也可分為不可控、部分可控和全控3種,并可冷、熱、電三聯(lián)供。有的配有儲(chǔ)能裝置,通過(guò)雙向交/直/交變換器與微電網(wǎng)相聯(lián),使用電力電子裝置進(jìn)行能量調(diào)節(jié)?？煽匚㈦娫吹妮敵龉β士梢杂芍醒氡O(jiān)控單元提供設(shè)定值來(lái)控制。不同的微電源響應(yīng)速度可能不一樣,微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池響應(yīng)速度較慢并缺少慣性,可能出現(xiàn)負(fù)荷跟隨問(wèn)題,其原動(dòng)機(jī)功率輸出的時(shí)間常數(shù)為10~200s,這對(duì)大多數(shù)負(fù)荷來(lái)說(shuō)太慢了,因此微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行時(shí),必須提供某種形式的能量存儲(chǔ),以保證負(fù)荷變化時(shí)的能量平衡。微電網(wǎng)的能量存儲(chǔ)單元(電池或超級(jí)電容)可以安裝在每個(gè)微電源的母線上,也可以直接將存儲(chǔ)單元(電池、飛輪)聯(lián)到電網(wǎng)上,或使用傳統(tǒng)有慣性的發(fā)電機(jī),當(dāng)然如果微電網(wǎng)不要求孤島運(yùn)行,不平衡功率可由電網(wǎng)來(lái)提供,微電網(wǎng)內(nèi)部不需要存儲(chǔ)單元。微電網(wǎng)負(fù)荷可分為可控負(fù)荷和不可控負(fù)荷、重要負(fù)荷和一般負(fù)荷、敏感性的負(fù)荷和非敏感性的負(fù)荷等。實(shí)際中,部分非敏感性的負(fù)荷可看作可控負(fù)荷,可以用于削峰和平滑負(fù)荷波形,當(dāng)需要切負(fù)荷時(shí),非敏感性負(fù)荷中的不可控部分是第1個(gè)被選擇切除的對(duì)象,可以通過(guò)能量管理控制器執(zhí)行。微電網(wǎng)也可以帶熱負(fù)荷,在并網(wǎng)時(shí),配電系統(tǒng)可視為“緩沖總線”,發(fā)出或吸收任何微電網(wǎng)和負(fù)荷之間的功率差,以維持功率平衡;在孤島模式,可以切除部分負(fù)荷或發(fā)電機(jī),來(lái)維持系統(tǒng)功率平衡,保持微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定,因此必須保證關(guān)鍵負(fù)荷享受優(yōu)先服務(wù),能對(duì)用戶提供差別服務(wù),提高特殊負(fù)荷的電能質(zhì)量和可靠性,適應(yīng)負(fù)荷大范圍變化。2微電網(wǎng)運(yùn)行要求微電網(wǎng)的控制和運(yùn)行策略與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)有很大的不同,甚至是概念上完全不同,主要原因如下:(1)分布式電源(DR)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性,尤其是電磁耦合單元,不同于傳統(tǒng)大型水輪機(jī);(2)由于單相負(fù)荷和DR的存在,微電網(wǎng)中內(nèi)部都有一定程度的不平衡;(3)相當(dāng)一部分微電網(wǎng)內(nèi)部電源為不完全可控電源,如風(fēng)力發(fā)電機(jī);(4)短期和長(zhǎng)期儲(chǔ)能單元在微電網(wǎng)控制中起重要作用;(5)在經(jīng)濟(jì)上要求微電網(wǎng)在正常運(yùn)行時(shí),能夠聯(lián)接或切除DR;(6)微電網(wǎng)要能夠提供較好的電能質(zhì)量和對(duì)一些負(fù)荷提供特殊的服務(wù)。微電網(wǎng)存在2種典型的運(yùn)行模式:正常情況下微電網(wǎng)與常規(guī)配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行,稱為并網(wǎng)模式;當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不滿足要求時(shí),微電網(wǎng)將及時(shí)與電網(wǎng)斷開(kāi)而獨(dú)立運(yùn)行,稱為孤島模式(自動(dòng)模式、孤島運(yùn)行、緊急模式、有計(jì)劃孤島)。微電網(wǎng)孤島運(yùn)行的基本要求是微電源(基于逆變器或旋轉(zhuǎn)電機(jī))必須建立一個(gè)穩(wěn)定的電壓和頻率,并且使之處于允許范圍內(nèi)。具體來(lái)講,微電網(wǎng)控制應(yīng)當(dāng)保證:(1)任一微電源的接入對(duì)系統(tǒng)不造成影響;(2)自主選擇運(yùn)行點(diǎn),微電網(wǎng)控制應(yīng)該做到能夠基于本地信息對(duì)電網(wǎng)中的事件,諸如電壓跌落、故障、停電等,做出自主反應(yīng),發(fā)電機(jī)應(yīng)當(dāng)利用本地信息自動(dòng)轉(zhuǎn)到獨(dú)立運(yùn)行方式,而不是像傳統(tǒng)方式中由電網(wǎng)調(diào)度統(tǒng)一協(xié)調(diào);(3)平滑地與電網(wǎng)并列、脫離;(4)對(duì)有功、無(wú)功進(jìn)行獨(dú)立控制;(5)具有校正電壓跌落和系統(tǒng)不平衡的能力。2.1“電壓-無(wú)功”活性控制基于存儲(chǔ)單元的電源,或可控電源,可以控制其輸出功率,負(fù)責(zé)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)的頻率控制,又叫網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成單元,以方便P-Q控制電源的接入。在孤島運(yùn)行時(shí),微電網(wǎng)中的負(fù)荷由本地微電源供電,因此,網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成單元,將控制負(fù)荷的電壓、頻率、維持孤島系統(tǒng)中有功、無(wú)功平衡。網(wǎng)絡(luò)一般由逆變器構(gòu)成單元接口,采用“頻率-有功,電壓-無(wú)功”下垂特性控制電網(wǎng)的電壓頻率,模擬電力系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的下垂特性,使微電網(wǎng)中的負(fù)荷合理分配,該控制采用本地測(cè)量數(shù)據(jù),可以不需要多個(gè)單元之間的通信。如果微電源可以控制其輸出的有功和無(wú)功為常數(shù),這種類型控制稱為P-Q控制,微電源就相當(dāng)于電壓控制電流源。輸出電壓分解成直軸和交軸分量,輸出電流也分成直軸和交軸分量,控制電流的大小和相角,使有功、無(wú)功功率輸出為設(shè)定值,如圖2所示,圖中Pb、Qb、ibd、ibq、Vbd和Vbq為參考值。僅采用基本的P-Q控制來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模微電源構(gòu)成的微電網(wǎng)的控制是不太可能的,為使微電網(wǎng)能夠可靠、穩(wěn)定運(yùn)行,電壓控制是必須要的,如果沒(méi)有電壓控制,微電網(wǎng)將產(chǎn)生電壓無(wú)功振蕩,電壓控制能保證電源之間無(wú)較大的無(wú)功環(huán)流,這與控制大規(guī)模同步發(fā)電機(jī)原理完全一樣,在電力系統(tǒng)中,只要發(fā)電機(jī)之間的阻抗足夠大,就能夠極大減少環(huán)路電流,如果微電網(wǎng)電源沒(méi)有電壓控制,則即使很小的電壓誤差產(chǎn)生的環(huán)流也可能超出微電源的額定值,采用電壓-無(wú)功電流下垂控制可防止這種情況的發(fā)生。2.2協(xié)調(diào)控制方式相對(duì)于所連接的大電網(wǎng),微電網(wǎng)可看作是具有獨(dú)特運(yùn)行特征的虛擬發(fā)電機(jī),并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可以向大電網(wǎng)供電(有時(shí)為負(fù)值)。與常規(guī)發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)相似,微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行需要滿足一定的電壓和頻率條件。但與常規(guī)的發(fā)電機(jī)組不同,由于微電網(wǎng)中分布式電源的種類和特征不同,需要一些特殊的協(xié)調(diào)控制方式才可能使其滿足并網(wǎng)運(yùn)行條件。微電網(wǎng)作為自治系統(tǒng),具有脫網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行的能力,此時(shí)為了滿足負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)電壓和頻率的要求,跟蹤微電網(wǎng)中負(fù)荷的變化,也需要針對(duì)微電網(wǎng)中的分布式電源采取相關(guān)的協(xié)調(diào)控制措施。由于其設(shè)備種類繁多(單純供電、熱電聯(lián)供、冷熱電聯(lián)供等)、運(yùn)行模式多樣(供熱為主發(fā)電為輔、供電為主供熱為輔)、可控程度不同(集中控制、分散控制、自動(dòng)控制、用戶控制),微電網(wǎng)中分布式電源的協(xié)調(diào)控制問(wèn)題非常復(fù)雜。從已有的參考文獻(xiàn)看,有如下幾種主要的控制策略:(1)主從站控制;(2)負(fù)荷、頻率二次控制;(3)連絡(luò)線(tieline)控制;(4)基于多代理技術(shù)的微電網(wǎng)控制方法;(5)多微電網(wǎng)分層分布式控制。2.2.1主站電壓受壓源變換器vsi文獻(xiàn)提出了一種主從站控制策略,圖3為主從站控制的總體結(jié)構(gòu),一個(gè)電壓源變換器(VSI)作為主站,在主電網(wǎng)失電的時(shí)候,提供電壓參考,其他逆變器運(yùn)行在P-Q模式(從站)。本地微電源控制器可接收來(lái)自微電網(wǎng)中央控制器(MGCC)的信息,根據(jù)MGCC信息控制相應(yīng)的微電源。2.2.2次控制應(yīng)用文獻(xiàn)[11-12]提出了負(fù)荷、頻率二次控制策略。孤島時(shí),存儲(chǔ)單元就相當(dāng)于同步發(fā)電機(jī),采用二次控制恢復(fù)電壓和頻率。二次控制主要指下垂特性的移動(dòng),可采用如下2個(gè)方法:(1)本地二次控制,通過(guò)每一個(gè)可控微電源的PI控制器來(lái)實(shí)現(xiàn);(2)由MGCC主導(dǎo)的集中二次控制。2種情況的原動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率目標(biāo)值都根據(jù)頻率偏差來(lái)確定。2.2.3利用微電網(wǎng)作為主網(wǎng)交換的實(shí)體文獻(xiàn)中提出連絡(luò)線(tieline)控制策略,連絡(luò)線(tieline)這里指微電網(wǎng)和主網(wǎng)之間連接饋線,連絡(luò)線控制管理連接點(diǎn)饋線的潮流和電壓,通過(guò)協(xié)調(diào)微電網(wǎng)中各分布式電源,如發(fā)電機(jī)、能量存儲(chǔ)設(shè)備及可控負(fù)荷,使微電網(wǎng)從連接點(diǎn)來(lái)看,是一個(gè)可分離的整體,即微電網(wǎng)是電網(wǎng)的好市民(GoodCitizen),管理自己內(nèi)部的功率并與電網(wǎng)進(jìn)行交換,能對(duì)連接點(diǎn)的電壓提供支持,能控制微電網(wǎng)和主網(wǎng)交換的有功無(wú)功,允許微電網(wǎng)成為獨(dú)立運(yùn)行實(shí)體,可用來(lái)補(bǔ)償某些新能源(如:風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電等)的間歇性。2.2.4微電網(wǎng)分散控制該方法將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的多代理技術(shù)應(yīng)用于微電網(wǎng)控制系統(tǒng)。代理的自治性、反應(yīng)能力、自發(fā)行為等特點(diǎn)正好滿足微電網(wǎng)分散控制的需要,提供了一個(gè)能夠嵌人各種控制功能但又無(wú)需管理者經(jīng)常出現(xiàn)的系統(tǒng)。但目前多代理技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用多集中于協(xié)調(diào)市場(chǎng)交易和對(duì)能量進(jìn)行管理方面,還未深人到對(duì)微電網(wǎng)的頻率、電壓等進(jìn)行控制的層面。2.2.5電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)文獻(xiàn)中提出多微電網(wǎng)分層分布式控制策略,采用一個(gè)中控單元(即MGCC),控制微電網(wǎng)內(nèi)所有元件。MGCC可根據(jù)市場(chǎng)價(jià)格和安全限制情況,通過(guò)設(shè)定每個(gè)DR和可控負(fù)荷的參考值,實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)運(yùn)行的最優(yōu)化和需求側(cè)管理。文獻(xiàn)提出自動(dòng)電子網(wǎng)(AEN)概念,為高滲透率的小型模塊化DR集成提供了解決方案,AEN采用類似傳統(tǒng)電網(wǎng)控制方式,每個(gè)DR可進(jìn)行一次控制、二次控制和三次控制,這樣微電網(wǎng)的控制概念完全與傳統(tǒng)電網(wǎng)相對(duì)應(yīng),不同是微電網(wǎng)是完全分布式控制,而傳統(tǒng)電網(wǎng)是集中監(jiān)督,在每次負(fù)荷和發(fā)電改變時(shí),二次控制能夠使頻率和電壓的偏移趨向零,三次控制是經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行,在功率限制條件下,能保證所有DR單元以燃料消耗等微增率進(jìn)行功率交換,相比較而言,一次控制不采用通信,二次控制和三次控制需要DR之間通信。3多代理的p-q控制微電網(wǎng)孤島運(yùn)行的基本要求是微電源(基于逆變器或旋轉(zhuǎn)電機(jī))必須建立一個(gè)穩(wěn)定的電壓和頻率,并且使之處于允許范圍內(nèi)。下垂控制方法是基于電力電子技術(shù)的“即插即用”與“對(duì)等”的控制思想,采用與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)相類似的下垂特性曲線進(jìn)行控制,將系統(tǒng)的不平衡功率動(dòng)態(tài)分配給各機(jī)組承擔(dān),具有簡(jiǎn)單、可靠、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。但該方法沒(méi)有考慮系統(tǒng)電壓與頻率的恢復(fù)問(wèn)題,也就是類似傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)中的二次調(diào)整問(wèn)題,因此,在微電網(wǎng)遭受嚴(yán)重?cái)_動(dòng)時(shí),系統(tǒng)的頻率質(zhì)量可能無(wú)法保證。此外,該方法僅針對(duì)基于電力電子技術(shù)接口的微電源間的控制。在純下垂、反下垂、連接線控制中,下垂曲線的斜率、發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的功率交換大小決定微電網(wǎng)的頻率和電壓。如果所帶負(fù)荷能承受頻率和電壓波動(dòng),這種控制方法是可以采用的。主從站控制方法、二次負(fù)荷頻率控制和多代理控制方法能保證電壓和頻率不會(huì)偏移正常值太多,這樣就獲得較高的電能質(zhì)量。適合于對(duì)電能質(zhì)量敏感的負(fù)荷。如果只要求在發(fā)電機(jī)或負(fù)荷改變時(shí),對(duì)功率的不平衡提供快速響應(yīng)的功能,就需要有存儲(chǔ)容量足夠的存儲(chǔ)單元;如果存儲(chǔ)單元僅僅用于功率快速產(chǎn)生和吸收,不需要長(zhǎng)時(shí)間輸出功率,在采用主從站控制方法和多代理的協(xié)調(diào)方案中也可以使用容量較小的存儲(chǔ)單元;相比較,如果存儲(chǔ)單元用于補(bǔ)償負(fù)荷,那么存儲(chǔ)單元的容量就要大一些,如采用純下垂方法、反下垂方法、二次負(fù)荷—頻率控制方法,就需要大容量的存儲(chǔ)單元,因存儲(chǔ)單元直接參與頻率控制,它要求在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)輸出和吸收功率。文獻(xiàn)建議,在并網(wǎng)時(shí),存儲(chǔ)單元可以參與微電網(wǎng)的電力市場(chǎng)運(yùn)行。如果逆變器有孤島檢測(cè)的能力,所有的協(xié)調(diào)方法中,除了基于多代理的方法,其他方法都不要求微電源、存儲(chǔ)單元和控制器之間進(jìn)行通信。具有孤島檢測(cè)能力的存儲(chǔ)單元和微電源能自動(dòng)從P-Q控制切換到下垂控制,反之亦然。然而,如果微電源依靠斷路器開(kāi)關(guān)等信息來(lái)決定微電網(wǎng)的狀態(tài),就必須在控制器和微電源間安裝快速通信裝置。基于多代理的P-Q控制需要像以太網(wǎng)之類的通信結(jié)構(gòu),因?yàn)橹醒肟刂茊卧枰芷谛缘匕l(fā)出設(shè)定值,代理之間通信的可靠性是基于多代理控制成功的重要因素。如果孤島時(shí)負(fù)荷超出發(fā)電機(jī)的容量或頻率低于下限值,就要切負(fù)荷,就需要中控單元和負(fù)荷之間的通信。黑啟動(dòng)同樣需要微電網(wǎng)各部分之間的通信。當(dāng)然,黑啟動(dòng)過(guò)程也可以通過(guò)操作者之間電話進(jìn)行。如果是間歇型(光、風(fēng)能)電源或熱電聯(lián)產(chǎn),至少要有一個(gè)微電源具有負(fù)荷跟隨功能。因?yàn)?光、風(fēng)能)電源是隨機(jī)性和間歇性的,熱電聯(lián)產(chǎn)只有在需要供熱時(shí)才工作。只有負(fù)荷跟隨的微電源可以調(diào)節(jié)輸出功率以保持功率平衡。如果安裝的存儲(chǔ)單元較小,采用主從站控制方法以及基于多代理的P-Q控制方法將是最好的選擇。如果存儲(chǔ)單元容量較大,純下垂控制是較好的選擇。如果微電源要求具有反下垂特性,要慎用二次負(fù)荷頻率控制,因?yàn)榇鎯?chǔ)單元僅僅用于負(fù)荷跟隨。如果需要控制間歇性電源的饋線潮流,可以采用連接線(tieline)控制。微電網(wǎng)元件的擁有關(guān)系也影響協(xié)調(diào)方法的選擇。如果微電源屬于幾個(gè)不同用戶所有,每個(gè)用戶都希望利益最大化。如果并網(wǎng)時(shí)微電網(wǎng)向主電網(wǎng)輸出功率,孤島時(shí)由于需求的減少,將迫使微電源減少發(fā)電量,它們將競(jìng)爭(zhēng)發(fā)電?；诙啻淼腜-Q控制最適合于這種情況。用戶和微電源的所有者要事先通過(guò)協(xié)議來(lái)安排需進(jìn)行交換的總功率。如果微電網(wǎng)是屬于單個(gè)用戶,所有的協(xié)調(diào)方法都可以采用,即微電源不用去競(jìng)爭(zhēng)發(fā)電。微電網(wǎng)控制器的目標(biāo)是整個(gè)利益最優(yōu)化,而不是單個(gè)元件利益最大化