微电网技术

微电网技术（共12篇）

微电网技术 篇1

0 引言

在过去几十年里, 电力系统已发展成为集中发电、远距离输电的大型互联网络系统, 通过复杂的功率潮流等各种控制器可对其连续调节, 并对大多数干扰具有鲁棒性。但是近年来用电负荷不断增加, 电网建设却没有同步发展, 使得远距离输电线路的输送容量不断增大, 受端电网对外来电力的依赖程度也不断提高, 使得电网运行的稳定性和安全性下降。近年的各种大规模停电事故也暴露出目前电力系统的严重缺陷。

鉴于上述问题, 发达国家如德国、日本、美国, 甚至包括一些发展中国家开始研究并应用多种一次能源形式结合、高效、经济的新型电力技术——分布式发电技术DG (Distributed Generation) , 即通过在配电网建立单独的发电单元对重要负荷进行供电, 与此同时, 通过PCU (power-conditioning unit) 和外界电网进行能量交换;因为其特点, 也形象地被称作分散式发电 (Dispersed Generation) 或嵌入式发电 (Embedded Generation) 。随之出现了分布式储能技术 (Distributed Storage) , 通过储能装置储存分布式电源的多余的能量, 如超导线圈、储能电容器及储能能力巨大的超级电容器和飞轮等等。通过对上述技术展开研究得到的系列成果, 并结合电力系统用户对电能质量 (Power Quality) 的要求和电力系统发展趋势, 逐步形成了将上述技术综合在一起而形成的特殊电网形式——微型电网 (Micro Grid) 。

1 微电网技术的几种主要结构

目前, 国际上对微型电网的定义各不相同。美国电气可靠性技术解决方案联合会 (CERTS-Consortium for Electric Reliability Technology Solutions) 给出的定义为:微电网是一种由负荷和微型电源共同组成系统, 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;微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元, 并可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求。图1是美国电力可靠性技术解决方案协会提出的微电网基本结构。

欧盟微电网项目 (European Commission Project Microgrids) 给出的定义是:利用一次能源;使用微型电源, 分为不可控、部分可控和全控三种, 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。

美国威斯康辛麦迪逊分校 (University of Wisconsin-Madison) 的R.H.Lasseter给出的概念是: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。表1列出了国外几种微电网的情况。

2 需要解决的几个主要问题

2.1 储能

由于微电网的结构决定了微电网的分布式发电电源是间歇性发电且能量分布极不均匀的电源。这就需要在微电网中加入足够容量的储能装置来进行能量的储存以及应对潮流等问题。这就对储能装置提出了几项基本的要求:

(1) 大容量, 通常要求在100F的数量级或以上;

(2) 充放电能力强, 即通过电流的能力要强, 以满足快速补偿的需求;

(3) 工作寿命长, 维护简单, 使用安全, 成本较低。

近年来发展了许多储能方式, 如飞轮储能装置, 燃料电池, 超级电容等。其中以超级电容的技术发展最快, 同时以其快速的反应能力也拥有较好的前景。

2.2 控制

由微电网的结构分析可看到, 微电网如此灵活的运行方式与高质量的供电服务, 离不开完善的服务与控制系统。控制问题也正是微电网研究中的一个难点问题。其中一个基本的技术难点在于微电网中的微电源数目太多, 很难要求一个中心控制点对整个系统做出快速反应并进行相应控制, 往往一旦系统中某一控制元件件故障或软件出错, 就可能导致整个系统瘫痪。因此, 微电网控制应该做到能够基于本地信息对电网中的事件做出自主反应, 例如:对于电压跌落、故障、停电等, 发电机应当利用本地信息自动转到独立运行方式, 而不是像传统方式中由电网调度统一协调。

具体来讲, 微电网控制应当保证: (1) 任一微电源的接入不对系统造成影响; (2) 自主选择运行点; (3) 平滑地与电网并列、分离; (4) 对有功、无功进行独立控制; (5) 具有校正电压跌落和系统不平衡的能力。

目前已有3类经典的微电网控制方法:

(1) 基于电力电子技术的“即插即用”与“对等”的控制思想;

(2) 基于功率管理系统的控制;

(3) 基于多代理技术的微电网控制方法。

2.3 保护

微电网的保护问题与传统保护有着极大不同, 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两种工况下, 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知大电网故障, 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。该方法以一个合适的零序电流分量和负序电流分量作为主保护的启动阈值, 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, 但人们仍在探索更加完善的保护策略。发电机和负荷容量对保护的影响、不同类型电源结构 (如基于变流器和不基于变流器) 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 预测

随着各种新能源发电机组装机容量逐渐增大, 由于这些能源的间歇性和不可预知性, 并入电网后的发电容量是不确定的。这一方面会导致供电系统不能稳定运行, 另一方面需要增加旋转备用容量来保证电网可靠运行, 但旋转备用容量的增加又间接增加了电网的整体运营成本因此, 需要对微电网的每一个单元输出功率进行短期和中期预测, 以便进行能量的管理和调度, 保证电网的坚强性。

目前对于风能或太阳能等发电的输出功率的短期预测主要分为:

(1) 物理方法:即通过天气预报进行短期预测;

(2) 统计方法:对长期累积的大量数据进行统计进行中期预测;

(3) 智能学习方法:使用智能算法随时修改更新预测模型。

3 当前比较重要的研究方向

3.1 孤岛检测与保护

正常运行情况下, 由主供电系统及DG共同向周围的负荷供电, 而在主配电系统故障或检修的情况下, 在与之相关的开关设备断开后, 由DG独立向负荷供电。主配电系统断开后, DG与当地负荷一起组成一个小的孤立电网, 称为孤岛 (Island) 。

在孤岛运行方式下, 要求孤岛内电源与负荷的容量必须是平衡的, 如果功率 (有功及无功) 不平衡, 孤岛内的电压和频率将无法维持稳定, 所以也就无法持续运行。从运行模式上, 孤岛分为计划性和非计划性孤岛。

非计划孤岛运行是指因主配电系统侧故障跳闸且DG带非匹配负荷运行的情况。一般来说, 在与主系统分开以后, 非计划孤岛内的功率是不平衡的, 若长时间运行, 必然会导致孤岛系统中电压和频率的严重偏离, 造成DG及其周围负荷用电设备的严重损坏。此外, 在主配电系统侧故障, 配电系统侧保护装置动作跳闸后, 非计划孤岛系统中的DG仍有可能继续向故障点提供短路电流, 使故障得以维持, 绝缘无法恢复, 将会导致系统侧重合闸、备自投或故障后配网重构等无法正确运行。因此, 需要配置孤岛保护, 在非计划性孤岛时控制DG退出运行。

3.2 微电源的响应时间问题

由于微电源瞬时功率跟踪能力弱, 而逆变器接口电路本身又不能提供任何形式的储能, 孤岛运行时, 若不外加能量储存装置而突加负载, 微电源的实际功率输出不能及时满足负荷功率需求, 必然造成暂态功率缺额, 引起负载电压暂态降落。

响应时间问题常见的解决方案是在微电源直流母线处加装储能装置。储能装置的形式有蓄电池、飞轮等, 储能装置本身的控制也是微电网控制研究方向之一。

3.3 微电源的并联问题

微电网孤岛运行时, 会出现几个微电源互联的情况, 很难对它们进行联合P-Q控制。为防止微电源间出现大的无功电流环流, 对各个微电源进行本身电压调节显得十分必要。

当微电源产生的无功电流变为容性时, 微电源输出电压设定值应减小;相反, 当微电源产生的无功电流变为感性时, 微电源输出电压设定值应增大。当临近的两个微电源输出电压设定值相差较远时, Q-E控制可使两个微电源实际输出电压值更接近, 从而避免大的无功电流环流。

4 结语

本文认为, 微电网未来可能的研究方向还有: (1) 孤岛、并网模式下, 现有CERTS频率、电压控制方法的适用性检验; (2) 微电源电压及频率的恢复控制; (3) 微电源并网运行的同步控制; (4) 微电源对系统电能质量的影响及控制; (5) 多个不同类型微电源出力最优控制等。

摘要：回顾了微电网技术的定义与目标, 简单地分析了微电网技术的思想与理论基础, 介绍了几个主要国家的微电网技术发展情况, 并对实现微电网技术所需要解决的一些问题与相应的方法进行了收集和整理。最后根据我国的实际情况对微电网建设提出了一些较为重要的研究方向。

关键词：智能电网,微电网,坚强电网,分布式发电

参考文献

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微电网技术 篇2

而光伏发电作为微电网中一种典型的 DG，其运行具有代表性

[10,37]

：输出功

率的大小易受自然环境（天气等)的影响，产生电能具有明显的阶段性，光照不 充足甚至多日阴天多雨时，对于离网型光伏发电系统会造成供电的不稳定甚至断 电；同时，大规模的并网光伏发电系统经常会因为系统波动大，以及需要得到并 网许可等问题无法进行并网，极大的影响了光伏发电系统的经济性和稳定性。因 此，风力发电等其他类型的 DG 与光伏发电混合、光伏发电配置储能系统等发电 形式来共同构建混合的微电网发电系统，成为提高光伏发电系统友好接入和调节 微电网电能质量的一个研究热点。而对这种随机性较强的 DG 的控制目标，是保 证其供电可靠性和对可再生能源的最大利用率，并且这类 DG 均通过电力电子逆 变器接入微电网，因此对光伏发电这类发电具有明显间歇性的控制策略的研究，可以为其它采用同类型接口的 DG 控制器设计提供模型和理论分析依据。这对微

室内物联网监控系统是多种技术的综合研究与应用,包括传感器

技术、计算机网络技术、数据存储技术以及多种软件应用技术。本文

从室内物联网应用具体实现的角度进行研究与设计,实现了一种实用

化的室内物联网监控应用系统,详细的介绍了室内感知网络软硬件设

计、网络通信系统设计、数据库系统设计以及网络服务器应用程序设

微电网的基本结构和关键技术 篇3

微型电网相对于大电网来说，从某种意义上讲，也可以算是一个孤岛电网，微型电网中，包含有多个分布式电源和储能元件，它通过PCC点和大电网相连，通过系统元器件向大电网负荷供电。分布式电源DG的种类很多，一般有风力发电、太阳能光伏发电、微型燃料电池、微型燃气轮机等等、小型水电、小型电热联产。典型的微型电网基本结构为放射状，内含A、B、C三条馈线；三条馈线通过PCC点（静态开关）和配电系统相接；期待实现微电网在孤岛模式和并网模式中稳定、平滑、无缝的转换；以及实现电能的灵活传输。馈线A、B两个重要的负荷均为敏感电源；馈线C是普通电源也是一个非敏感性的负荷。图中有太阳能光伏电池、微型燃气轮机及燃料电池3种分布式电源向配电网供电；微电网最强大的地方就在于，当主配网的电能质量下降或不满足使用需求时，例如主配网故障的时候，微电网能孤岛独立运行，继续满足用户的用电需求。如果微电网自身不能继续保证优质电能，那么可以断开C馈线上的负荷，待故障消除，电能质量恢复后，主断路器重新合闸，继续保证系统过渡回并网模式。

二、微电网的元件

（1）微型电源。微型电网中的微型电源一般是指，安装在微电网内部的分布式电源和储能装置相结合的装置，而在实际应用中，分布式电源的种类有很多种，其中主要的有：第一，微型燃气轮机。微型燃气轮机的发电效率很高，可以达到30%，一般以天然氣、甲烷、汽油等为燃料；微型燃气轮机的体积小、质量小、效率高，是目前最成熟的分布式电源。第二，太阳能光伏发电。太阳能光伏电池是将太阳能转化成电能，十分清洁，毫无疑问是我们发展绿色能源的重要部分，即便现在光纤的制造成本很高，但是其前景依旧非常乐观。第三，风力发电。风力发电机分为风力机和发电机，风速作用在风力机上，产生了扭力，驱动轮毂旋转，通过齿轮箱高速轴、刹车和连轴器于异步发电机相连，从而发电运行。第四，微型燃料电池。微型燃料电池是利用富含氢元素的燃料和空气中的氧气相结合产生水，氢离子和阳离子的定向移动形成外电流，将化学能转化成为电能。燃料电池通常分为：燃料处理、化学反应堆以及电力电子换流控制器几个部分。燃料电池清洁、高效，效率几乎是传统电厂的2倍，而产物是清洁的水。燃料电池的安装周期短、安装的位置灵活。（2）微型电网的储能装置。对于风力发电、太阳能光伏电池来说，他们的输出受很多的约束，具有明显的周期性和不可预测性；负荷的随机性也很大。那么就需要利用储能装置来功率的波动。当微电源发出的功率有多余的时候，多余的能量可以储存在电池中；当微电网处于孤岛运行状态时，储能设备对其起到一次调频的作用，是微电网能否正常运行的关键因素。

三、微电网的主要技术

（1）微电网的运行。微电网系统有2种运行模式，并网模式和孤岛模式。存在着3种状态：连联网运行、孤岛运行和两者之间互相切换的暂态。并网模式是指，微电网与大电网并网运行，当微电网自身电能多余时，向大电网供应电能，当自身电能不足时，则由大电网补偿微电网。实验证明：合理的控制策略，可以实现并网和孤岛2种模式的平滑过渡及转化。孤岛运行模式是指，当微电网内部的电能质量不合要求或者主电网发生故障时，微电网和主电网断开，形成孤岛运行模式，孤岛模式的正常运行，才为系统提供了更好的可靠性。当微电网运行在并网和孤岛2种模式之间的暂态时，稳定是最重要的问题。如果在并网模式下运行，微电网吸收或输出电能，主电网突然故障，微电网由联网模式突然切换到孤岛模式，那么微电网内部产生的电能和负荷间的需求将会不平衡，从而导致系统的不稳定。一般来说，微型电网的主要目标是：调节微电网内馈线潮流，对无功和有功进行独立解耦控制；调节微型电源接口电压，维持电压的稳定；当处于孤网运行模式的时候，能够保证每个微型电源能快速、正确的响应；根据需求，能自主地实现和主网的分离或者再并网。（2）微电网的控制手段。近几年来，常用的微电网控制手段方法包括以下几个：第一，基于电力电子基础下的即插即用与对等控制。该方法依据控制目标，利用下垂特性曲线对微电网进行控制，将系统内部的功率通过p/f下垂特性分配到每个微电源去，保证其动态平衡，也使得在孤网模式下，微电网内电力供给平衡。但是，该方法不考虑系统内传统电机的二次调频问题。当系统遭到破坏或干扰，系统非常难保证系统内部的频率。第二，微电网功率管理控制。该方法通过对不同模块的控制，间接对有功和无功的单独控制，能满足系统内P/Q、U/F等多种控制的需要；特别在调频时，使用频率恢复算法；其次，加入了无功补偿器，使得功率管理系统能很好的满足不同无功功率的需求，并采取了多种控制法。第三，基于多代理技术的微电网控制。这个方法将传统的电力系统中的多Agent系统应用到微电网控制系统中；多Agent系统具有自治性，可以适应微电网分散控制的需要，提供了可嵌入人工智能化的控制系统。

微电网控制技术研究综述 篇4

关键词：微电网,微网结构,微网的控制,发展与展望

1 概述

分布式发电的使用不仅满足了电能的需求, 同时也在解决电能短缺方面渐渐受到关注, 这点在不能接到已有电网的偏远地区尤为明显。 各国有关微网的各种研究正在进行, 包括微网的结构、微网的控制以及优化运行等[2]。

2 微网结构

微网中的分布式电源分为旋转电机型微源和逆变型微源[3], 以后者为主。 逆变型微源经过逆变器变换为交流后经馈线与微网交流母线相连, 再经静态开关单点与大电网相连。 因此, 微网可以实现并网、孤网两种模式运行, 提高系统的供电可靠性。

3 微网的控制

与传统的电力系统相比, 微网的控制系统的不同体现在以下几点原因:微网的稳态与暂态特性与传统电厂不同;微网具有固有的不平衡负荷如单相负载;微网提供的电能来至不可控源, 如风能、太阳能等;储能元件对控制机制的影响较大。

微电网控制机制的目标是调节电压和频率, 以及有功和无功功率的输出, 以适应各种运行。 微网的控制策略主要可分主从控制和对等控制两种[4]。

3.1 主从控制

主从控制是指在微网处于孤岛运行模式时, 其中一个微源 (或储能装置) 采取定电压和定频率控制 ( V/f控制) , 用于向微网中的其他微源提供电压和频率参考, 而其他微源则可采用恒功率控制 ( PQ控制) 来承担相应的负荷。 采用V/f控制的微源 (或储能装置) 控制器称为主控制器, 一般选端电压可控的微源或储能装置做主控微源;而其他微源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。 因此, 各微源间需要信号线进行互联, 实现信号共享, 对通信系统可靠性要求较高;一旦通信系统奔溃, 微网将不能实现安全稳定运行。

3.2 对等控制

对等控制是指微网中所有微源在控制上都具有相同的地位, 各控制器间不存在主从关系, 各微源根据自身输出端电压的幅值和频率的大小等信息实现本地控制, 因此, 对等控制也被称为分散控制。对于高压系统, 满足电抗远远大于电阻的前提条件, 则发电机输出的有功功率与系统频率强相关, 而与输出电压关系较弱, 因此, 可通过调节系统频率来实现输出有功的大小;同理, 无功功率和端电压之间也存在类似的关联性。 系统频率降低, 发电机的有功功率输出将加大;端电压降低, 发电机输出的无功功率将加大。 微源的下垂控制就是按上述原理对微源进行控制。 在对等控制模式中, 微电网中各微源采用下垂控制。 参与电压、频率调节和控制的多个可控型分布式电源 ( 或储能设备) 在控制上都具有同等的地位, 通常选择P- f和Q- V下垂控制方法, 根据分布式电源接入点就地信息进行控制。与主从控制模式相比, 在对等控制模式中采用下垂控制的分布式电源可以自动实现输出功率的分配, 无需信号线互联, 易于实现分布式电源的即插即用。

4 结论

作为电力系统的新范例, 微电网与传统电力系统相比具有较多优势[5]。 在公共电网受到扰动过程中, 微电网有能力从公共电网中无缝地断开以减小对自身的负荷, 提高供电可靠性。 在高峰负荷期间, 微电网可以承担电网的负荷来提高电网运行可靠性。 微电网可以使用低或零排放发电机组来增强环境效益。 部分微源可实现热电联产机制, 以给用户减轻电力成本。 由于对微电网缺乏深入的研究和一些不利的政策条件, 使微电网技术的发展成为障碍。 但随着电力电子技术和先进控制技术的不断发展, 微电网必将在电力系统中得到广泛的应用。

参考文献

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[4]张连芹.微电网运行若干关键技术研究[D].上海:上海交通大学, 2013.

微电网技术 篇5

微电网能量管理系统

北极星电力信息化网2012-10-31 9:27:05我要投稿 关键词: SCADA太阳能控制系统DCS 北极星电力软件网讯:近日，国家能源局党组成员、副局长刘琦，国家电网公司党组成员、副总经理舒印彪一行到常州佳讯公司参观微电网能量管理系统。该系统包括常州开发区2MW太阳能控制系统、天和工业园区10.72MW太阳能控制系统和中心调度控制系统，常州微电网能量管理系统采用了城乡电网公司PDS6100微电网控制系统，利用就地安装太阳能清洁能源，以多级微电网架构为支撑、能量管理系统为调度运行基础，提高了系统的稳定性及运行效率，减少了对环境的污染，具有太阳能预测、负荷预测、微电网电力调度、SCADA监控、电费计量、电能质量监测、视频监控、WEB发布等多方面功能。

城乡电网公司总工程师王峰陪同参观，介绍了本系统的系统架构、功能特点以及性能指标等，并且演示了江苏省住建部网站如何监测该系统的发电情况。当介绍到国电南自要在该系统增加建设电能质量监测和治理系统时，舒印彪称赞国电南自是负责任和有实力的公司，参观的各位领导对该项目的实施表示肯定与欣喜，认为该系统进一步解决了太阳能发电实用性问题，提高了能源利用效率，有利于太阳能电站的运营和维护，为新能源的今后发展起了示范性作用，同时也对系统如何进一步提高能源利用效率提出了建议。

微电网寻路中国 篇6

（作者为美国劳伦斯·伯克利国家实验室中国能源项目高级研究员）

尽管传统电网为我们提供了一个几百年来值得称道的电能质量和可靠性，但是，愈来愈多的问题和质疑聚焦于传统的集中式电网模式。

相对于化石燃料发电，清洁能源发电（如风能和太阳能发电）是易变和不易预测的，并且大量的像屋顶太阳能光伏这样的小型化装备，以及像插入式电动汽车这样的移动设施，都会对大电网造成挑战。因此，控制和管理大量新建的小型供电源，已促使人们开始对于传统电网替代方式的考虑，例如，通过微电网来本地化管理小规模的、可能会产生问题的众多电源。换言之，如果小型电源被微电网整合，那么传统大电网就能够继续保持集中式管理的优势。基于新的能源供应模式下大电网的缺陷，以及微电网的相对优越性，后者已成为智能电网发展的方向之一。

微电网又称微网，是包含本地化半自主运行的电源、负荷和电热储能设施的集群。相对于大电网，它自成一体，单独控制，可以与大电网连接并网运行，也可以断开连接以“孤岛模式”自行运行。微网作为具有向参与者和传统电网提供双向效益的特点，体现了分布式电力系统的发展方向，也为电网的发展开辟了一条崭新路径。

目前，世界上许多国家试图将分布式能源系统作为智能电网创新解决方案的一部分，以迎接能源和环境问题的挑战。然而，分布式能源资源与传统电网并网也带来了诸如威胁电力质量和可靠性、损害安全性等挑战。微网通过创造适宜小规模电网资源的电力生态系统，为提高分布式能源推广提供了途径。

从微网发展的时间序列来看，欧盟是最早的微网开发先行者，日本新能源产业技术开发机构紧随其后，美国则于近期进一步开展了“可再生能源与分布式系统集成”等项目计划。近年来，中国、韩国和新加坡等亚洲国家在微网方面也表现出浓厚的兴趣。

从2008年开始，大量微网示范项目在中国的大学校园建设施工。目前，中国国家能源局正计划建立100个“新能源城市”示范工程以及30个微网示范工程。另外，中国正在考虑更多地发展分布式能源方案，并于最近起草了《分布式能源管理办法》草案。但是，尽管措施频频，中国国家能源局仍未设立独立的机构专门负责分布式能源发展和政策问题。对于国际经验的评估将有助于中国结合自己的国情，在将来发展并实施成功的微网计划。

从目前来看，中国存在着将微网仅作为供给端解决方案的可能。然而，为了实现可靠性、能源效率和可再生能源利用等诸多收益的最大化，应该将供给解决方案与电力需求的效率和储能等合理因素相整合。实际上，随着微网在中国的发展，一系列政策面临调整，尤其是下列问题需要考虑：制定并网标准；建立负责分布式发电和微网示范项目的专门政府机构；以及制定系列政策促进微网部署等。

迄今为止，中国国家能源局在促进可再生能源、新能源和微网发展方面扮演着非常活跃的角色。但是，鉴于分布式能源的管理职能分散于许多不同部门，而缺乏统一管理和政策指导将导致分布式能源和微网发展面临障碍，国家能源局可以考虑率先领导微网示范计划并负责其成功实施，同时与国家发改委、住建部以及财政部紧密合作共同推进微网建设。

虽然中国的总体政策在分布式发电和热电联产方面显示出积极的态度，但是到目前为止仍然缺乏具体的激励政策。一方面，整体电价政策需要调整，以确保有效地促进微网部署；同时，分时计价、统一定价和净计量等政策也都可以加以考虑，这些措施将在促进微网成功发展、提高可靠性和能源效率以及降低二氧化碳排放量等方面起到积极而重要的作用。

微网与目前占统治地位的集中电力生产、远距离输送、同质服务的传统公用事业模式大相径庭，其功能主要体现在提高电力质量和可靠性、提高能效和可再生能源应用，以及节能减排等方面。实现这些功能，能够为用户提供直接的成本节约和积极的社会效益。从国际经验评估可知，要想实现微网与主电网平行建设，就必须改变现有的管制条件，采取更为积极的激励措施，以获取成本节约和积极的价格优势。

如果能够为微网发展创造一个良好的政策环境，那么，中国将不仅能够建设成功的微网项目，而且在未来成为国际微网部署的领先者。

微电网精密时钟同步技术 篇7

微电网作为一种将分布式能源、负荷、储能以及控制装置等有机结合在一起的小型发配送电系统,被普遍认为是利用分布式能源的有效方式之一[1,2]。微电网的稳定运行对微电网中的测量、控制设备提出了新的要求,特别是时钟同步。这些设备在运行时实时采样、监测、记录各类电能质量数据(如电压、电流、频率、有功),如果没有一个统一的时序和时钟标准将难以满足微电网系统实时数据采样、系统稳定性判别、线路故障定位、故障录波、故障分析、事件顺序记录(SOE)等时间一致性的要求[3]。随着微电网规模的增大和设备数量的增加,微电网系统结构也将趋于复杂。在微电网公共连接点(PCC)接入的智能网关断路器不仅需要快速接受微电网控制中心的调度实现并离网切换,还需要对电网侧与微电网侧的电能质量数据进行实时采集。快速傅里叶变换(FFT)算法采样在工频周期20 ms内采集128个数据,需要快速实时的以太网通信和统一的时序以满足在采集端和微电网控制器端的数据有效性。微电网中逆变器采集数据并上传到微元控制器,由微元控制器下发调度控制指令,如果没有统一的时序和实时的以太网功能,数据采集到控制指令的下发将严重滞后数个工频周期,将给调压、调频等控制算法带来问题[4,5]。采用分层控制的微电网系统,不同层级的自动化设备对微电网系统时钟同步的精度要求也不一致。目前国内微电网技术的研究还处于实验、示范阶段,微电网时钟同步没有统一的技术规范和精度要求,在实际工程中并没有有效解决时钟同步问题。

传统电力系统中主要采用3种方式实现时钟同步:利用全球定位系统(GPS)同步、编码同步、报文同步[6,7]。前两者需要设备添加接收机装置,并且需要单独的硬接线来支持时钟同步的时间数据传输。随着以太网通信在工业现场总线中的应用,基于以太网通信实现的数据报文同步成为应用最广的时钟同步技术。IEC61850中引入了简单网络时间协议(SNTP)作为网络报文对时协议,SNTP是互联网网络时间协议NTP(Network Time Protocol)的简化标准,在局域网中的同步精度在1 ms左右。为满足更高同步精度的要求,网络精密时钟同步委员会在2002年提出第1版精密时钟同步标准IEEE1588标准,2008年提出第2版IEEE1588标准[8,9,10,11,12]。传统电力系统中需要进行时钟同步的智能设备功能简单,主要设备是智能开关与合并单元,而微电网中的设备种类较多、功能复杂。如逆变器、智能网关断路器需要进行针对性的以太网通信功能设计和基于以太网通信的IEEE1588功能设计以满足高精度时钟同步实现的要求。将IEEE1588协议应用于微电网能够很好地解决微电网时钟同步问题,一方面基于以太网的通信方式无需单独的硬接线,更易在工程中应用,另一方面高达亚微秒的时钟同步精度满足对同步精度的要求。

针对微电网一体化的通信网络和高同步精度的需求,本文提出一种基于IEEE1588协议的时钟同步方案。搭建时钟同步平台测试了所提方案下系统的时钟同步精度,并且通过在PCC的智能网关断路器添加事件时序记录功能实现时钟同步技术在微电网中的实际应用。

1 IEEE1588精密时钟同步协议机理

1.1 时钟同步原理

IEEE1588是应用于工业控制和测量领域的具有亚微秒级同步功能的精确时钟同步协议PTP(Precise Time Protocol)。核心算法包括最佳主时钟(BMC)算法和本地时钟同步(LCS)算法[13]。PTP网络中包括普通时钟、边界时钟和透明时钟:定义仅有1个PTP端口的时钟为普通时钟,有多个PTP端口的时钟为边界时钟和透明时钟,网络中的每个节点均被认为是1个时钟。网络中的源时钟称为超主时钟GC(Grandmaster Clock)。每个时钟的工作状态由BMC算法决定,包括主时钟MC(Master Clock)、从时钟SC(Slave Clock)和无源时钟PC(Passive Clock)3种状态。BMC算法完成选举主时钟和生成拓扑结构,通过比较时钟的属性等参数来确定哪一个时钟节点会工作在主时钟状态,进而生成拓扑结构。LCS算法完成本地时钟节点与主时钟的校准[14],如图1所示。

a.在Tm1时刻,主时钟发送Sync报文,当Sync报文到达从时钟时,从时钟记录下报文到达的时刻Ts1。Sync报文的发送时刻会通过Follow Up报文发送给从时钟,这样从时钟就获取了Sync报文从主时钟发送的时刻Tm1和在从时钟接收的时刻Ts1。

b.在Ts3时刻,从时钟向主时钟发送Delay Req报文,并且记录Delay Req报文发送的时刻Ts3,主时钟接收到该Delay Req报文的同时记录该报文的到达时刻Tm3。主时钟将Tm3时刻通过Delay Resp报文发送给从时钟。

c.从时钟接收到Delay Resp报文,至此完成一次同步过程,共获取4个时间信息,分别是Tm1、Ts1、Ts3、Tm3。从时钟根据这4个时间戳信息,计算主从时钟间的时钟偏移(TOffset)和路径延时(TDelay),如式(1)所示。

IEEE1588协议中假定报文的往返路径延时对称,根据式(1)可以推导出时钟偏移和路径延时,如式(2)所示。根据计算的时钟偏移,从时钟可以调节自身时间与主时钟同步。

1.2 硬件时间戳获取

精确的设备发送和接收PTP报文的时刻直接影响同步的精度。在IEC61850通信协议中将记录PTP同步报文离开或到达设备的时刻称为打时间戳,时间戳位置不同,得到的同步精度差别很大。软件时间戳网络时钟同步协议在局域网网络中的对时精度仅为1000μs,而IEC61850标准对电力系统中智能设备的时钟精度按功能要求划分为5个等级(T1—T5),其中用于计量的T5等级精度达到±1μs[15,16]。具备打硬件时间戳功能的IEEE1588协议能实现亚微秒的对时精度,完全能够满足IEC61850标准中的T3等级精度(25μs)。如图2所示,IEEE1588协议利用以太网媒体访问控制(MAC)层打硬件时间戳技术[17],消除了设备响应PTP同步报文的不确定延时,从而极大地提高了时间同步精度。

2 微电网精密时钟同步应用方案

从微电网分层结构特点、具体设备功能和对时钟同步高精度的要求出发,将IEEE1588协议引入微电网系统应综合考虑可靠性、稳定性、冗余性和易维护性[18]。微电网中微电网中央控制器与电网调度中心对数据同步精度的要求仅为毫秒级,逆变器和智能网关断路器由于需要传输采样值信息和并离网切换控制,其需要达到微秒级的同步精度。逆变器采用双核心(DSP与ARM芯片)的设计方案,DSP芯片TMS-320F28335用于实现数据采集与运算,ARM芯片用于实现以太网通信功能及IEEE1588功能。逆变器与智能网关断路器均采用ARM芯片STM32F407,该芯片支持IEEE1588功能。将逆变器和智能网关断路器定义为从时钟设备,将通信网络中的交换设备定义为边界时钟参与整个对时过程,根主时钟作为系统的时钟源,提供北斗卫星时间。由以上定义可以配置如图3所示的微电网精密时钟同步系统。

图3中,微电网中央控制器与电网调度中心由IEC61850协议实现1 ms的时钟同步。设计一台根主时钟作为系统时钟源,通过北斗卫星系统向根主时钟提供标准卫星时间,然后根主时钟将该时间转换成64位格式的IEEE1588时间以UDP/IP数据报文的形式向从时钟设备发送,与从时钟设备完成PTP报文的交换,实现亚微秒级别的时钟同步。当根主时钟不可用时,备用根主时钟将作为系统时钟源代替根主时钟实现系统授时。

根主时钟不仅是微电网系统精确时间来源,同时也是时钟同步系统的监控设备,通过根主时钟可以监控时钟同步系统的从时钟设备数量、北斗卫星时间是否可用等。具体的功能设计如图4所示。

根主时钟能够保证为系统提供精确的卫星时间,而底层从时钟设备采用IEEE1588协议也能保证时钟同步的高精度,但是在实际网络中数据报文通过交换机时会因为网络流量大小出现冲突、丢包等情况,无法确定报文在交换机中的驻留时间。当网络中有多级交换设备时,网络延时的不确定性会使测量的路径延时和时钟偏移与实际情况产生很大偏差。

3 实验验证

3.1 时钟同步精度的验证

为了测试微电网系统时钟同步方案的可行性,搭建了由根主时钟、子微电网控制器、智能网关断路器、逆变器、计算机和示波器组成的时钟同步测试平台。测试实验平台如图5所示。对系统内以太网通信功能进行验证后测量了系统的时钟同步的精度。

根主时钟每隔1 s(可设置)以多播方式向2台从时钟设备发送同步报文,同步报文经过根主时钟和从时钟设备的MAC层与物理(PHY)层之间的介质独立接口(MII)时,直接内存访问(DMA)中断将报文离开或到达设备的精确时间通过以太网描述符的方式发送到应用层中。从时钟设备得到4个时间戳,计算出时钟偏移和路径延时并在下一个CPU时钟周期内将时间调整与主时钟同步,同时从时钟设备的时钟频率相对主时钟的偏移将在数个时钟周期内进行校准,校准时间越长越有助于保持线性时间。

从时钟设备将路径延时和时钟偏移输出显示到计算机上,记录统计了121个数据,时钟偏移维持在4μs内,路径延时维持在14~16μs,如图6所示。

根主时钟和从时钟设备输出自身系统时间的秒脉冲信号,比较两者脉冲信号上升沿间的时间差值可以精确地测量设备之间的同步误差。示波器测量得到主从时钟的同步精度误差约为10μs,2台从时钟设备之间的同步精度误差约为8μs,实验结果如图7所示。图7各子图中,下面的波形为秒脉冲信号的局部(虚线框内波形)放大图。

对比以上2种不同的验证实验结果可以看出,经过同步后的测试系统内时钟同步精度可以维持在10μs以下,2种验证方法都能很好地验证该时钟同步方案应用于微电网中具备高同步精度,并且可以互为佐证。

3.2 微电网时钟同步技术应用

微电网时钟同步技术仅为微电网添加统一时序没有太大的实际工程应用价值,需要将时钟同步以具体的如同步采样、事件时序记录等功能在微电网中应用才能体现时钟同步的意义。智能网关断路器作为微电网接入电网的并离网切换设备,实时采集电网侧和微电网侧的电能质量数据。在数据采集中断中加入电网侧电压故障记录,当出现过电压的情况时,智能网关断路器断开电网并且记录故障时刻,实现微电网PCC故障事件时序记录。

在500 k W微电网工程中将2台经过时钟同步后的智能网关断路器过压值设为200 V后同时接入220 V电网交流母线,2台智能网关断路器出现过压故障,记录下的过压故障时刻发送到子微电网控制器后显示相差约为30μs,由此可以判断2台智能网关断路器在同一时刻发生故障。将故障信息清除,按先后顺序将2台智能网关断路器再接入交流母线,记录的故障时刻与故障发生的先后顺序一致。通过上述对比实验验证和实现了事件时序记录功能,将时钟同步技术以事件时序记录功能的形式初步应用于微电网中。

4 时钟同步系统分析

实验验证发现影响微电网时钟同步精度的因素主要有网络延时的不对称性和时钟的时钟源稳定性两方面。

(1)网络延时不对称。网络延时分为数据报文在传输线路上的延时和数据报文通过交换设备产生的延时,传输线路上的延时在实际网络中可以忽略不计。实验中采用的是普通的交换机,无法确定报文在交换机中的驻留时间。对实验中使用的交换机网络延时测量发现,在一级交换机的网络中路径延时约为14μs,而使用两级交换机时路径延时会高达160μs。解决网络延时不对称的方法主要有运用数字信号处理手段在计算网络延时中加入滤波平滑算法和使用IEEE1588协议定义的透明时钟功能的交换设备。

(2)时钟源稳定性。微电网中根主时钟和从时钟设备采用的是50 MHz外部晶振,晶振的稳定性良好。时钟频率偏差很小,但采用倍频和分频的方式会使频率偏差增大。根主时钟作为时钟源,其稳定性和安全性还需要进行压力测试、冗余测试和实际工业网络环境测试才能保证其作为系统时钟源的安全可靠。

5 结论

微电网技术 篇8

智能电网成为最近的研究热点[1,2],多种微源组成的微电网的应用是重要的研究方向之一[3,4,5,6]。文献[7-8]首次提到微源的即插即用概念(也称为平滑切换或无缝切换)。文献[9]提出一种电压/电流加权控制策略,实现单台逆变器的并网和离网无缝切换。文献[10]提出了包含滤波电感电流环、滤波电容电压环和并网电感功率外环组成的三环切换控制策略,重点分析了储能在微电网运行中的作用。文献[11]提出基于LC滤波的电压/电流环三区域平滑切换策略,减小微电网2种运行模式切换过程中的暂态振荡。文献[12]设计了基于MAS系统和电力电子控制技术的即插即用模型,并分析了微电网中元件协调控制策略。文献[13]提出了一种基于电感电流内环和电容电压外环的双闭环反馈控制方法。文献[14]提出进行幅值相位跟踪,然后合上并网开关进行并网软启动,脱网采用了零电流与零电压的脱网方法,实现单台逆变器的并网和离网无缝切换。文献[15]提出微电网根据大电网调节自身的电压和频率的控制策略。以上文献主要是针对单台微源的分析,对含多台微源的微电网系统即插即用的研究较少;对微电网无缝切换仿真分析较多,大功率实验验证较少;另外已有文献对即插即用具体实现过程分析较少。本文提出的即插即用方案,在实现微电网与公共电网交换能量的同时,能保证微电网内敏感负荷在切换瞬间仍有较高的电能质量供给。

本文以实验室中搭建的微电网为分析对象,采用主控微源恒压恒频和从微源最大功率点跟踪(MPPT)运行的组网策略,以微电网稳定运行为基础,实现微电网与公共电网的即插即用。

1 微电网即插即用拓扑

微电网即插即用技术的关键是微电网稳定运行的同时要实现微电网与公共电网投切瞬间敏感负荷上的电压/电流平稳,无冲击,无中断,较短时间、较小幅值的电压波动。微电网系统即插即用技术的实现方法与微电网自身的拓扑结构有关,微电网拓扑结构主要包括线路的连接方式、微源的容量和位置及其输出滤波器结构、敏感负荷和普通负荷的安装位置等,在这些因素中对即插即用技术实现方案起决定性影响的是微源输出滤波器结构。微源输出滤波器结构直接决定了微电网系统即插即用技术的实现方案,本文主要研究LCL和L滤波器结构微源组成的微电网的即插即用技术实现。

包含LCL和L滤波器结构微源的微电网系统单线图如图1所示,微电网通过公共耦合点与公共电网连接,其中MS1为主控微源(把某台容量较大的微源如逆变型蓄电池储能微源、含储能的光伏微源或微燃机等定义为主控微源),MS2为从微源(把微电网中一些容量较小的微源如光伏发电系统、含逆变的风力发电系统等定义为从微源),CN为接触器或断路器,T为隔离变压器,STS为静态开关,Bus为敏感负荷交流母线。根据系统的控制目标,无论公共电网故障与否,也不管微电网是并网或独立运行模式,敏感负荷交流母线上的电压始终保持连续,且电能质量要保证敏感负荷的要求。这就要求在切换的瞬间交流母线上电压幅值不能有大的波动。

具有L滤波器结构的从微源直接并入这条敏感负荷交流母线,始终以电流源模式并网运行。由于仅有一个电感,控制策略采用单电流环控制即可。由于单电感滤波器结构微源的加入,相应地可在敏感负荷交流母线上接入更多的负荷。当微电网需要独立运行时,具有LCL-STS结构的微源切断与公共电网的连接,然后多个不同滤波器结构的微源组成一个较大的孤岛区域,微源之间可以进行功率互补,确保了内部负荷的不间断供电。通过STS2可以把第2个微源根据微电网运行需求或敏感负荷功率容量需求随时进行投切。当公共电网故障或微电网需要独立运行时,通过STS1可以对微电网与公共电网随时进行投切。当本地微源除供普通负荷和敏感负荷后,仍可以产生多余的电力时,通过STS1馈电到公共电网。如果有多个从微源,其他从微源均以MPPT形式运行,除供本地敏感负荷和普通负荷正常工作之外,同时向公共电网提供电力,输出有功和无功功率。微电网与公共电网之间的平滑投切即插即用技术是本文需要解决的主要问题。

2 基于主控微源恒压恒频的组网控制策略

微电网平滑并网/离网实现即插即用的前提是微电网自身保证较高质量的电压和频率供给,而其关键是对组网主控微源的控制。本文主要研究以可再生能源为主的微电网,微电网与公共电网集中供电相互补充是综合利用现有资源和设备、为用户提供可靠和优质电能、解决目前微电网问题的一种较理想方式。但由于微电网中微源的多样性及其组合的灵活性,使得整个系统的运行和控制变得复杂。根据现有的组网控制技术,组网方式主要有柴油发电机组网、双向变流器组网、SIPLNK组网、不间断电源(UPS)组网、自同步逆变器组网等方案[16,17]。逆变型微源(如光伏发电系统、含逆变的风力发电系统等)大多可采用MPPT运行。本文参考上述组网方案,借鉴光伏发电并入公共电网的控制思路,采用基于主控微源恒压恒频的组网控制策略。

基于主控微源恒压恒频的组网控制策略如图2所示。从微源根据自身特性调节功率输出,使其发挥最高工作效率。主控微源与储能装置一起跟踪负荷变化,调整馈线功率流量,以确保当微电网内负荷发生变化时,公共电网与微电网连接处的馈线功率依然为恒定值。主控微源和多台从微源组网运行,从微源连接到主控微源和负载之间,主控微源首先以电压源模式带本地负载稳定运行,建立起系统的电压和频率。从微源以最大功率运行模式按并网的方式和主控微源组网运行。从微源根据负载上电压的幅值和相位进行锁相。当从微源提供电流输出时,主控微源相应减小电流输出,共同向负载供电。当从微源输出电流超过负载需求时,能量流向主控微源前端的储能装置,把能量存储起来。

基于主控微源恒压恒频的组网方法汲取主从控制和下垂控制的优点,控制方式类似主从控制,实物连接类似下垂控制。每个从微源以较高效率输出,主控微源可提供稳定的电压幅值和频率,微电网整体可以稳定、高效、经济运行。

3 主控微源与公共电网并网过程分析

微电网的即插即用通过主控微源的三环控制策略来实现。主控微源MS1并入公共电网,并网过程中必须满足本地负载电压和公共电网电压同步这一必要前提,同时实现控制策略的转换和静态开关的闭合,这样才能保证在静态开关闭合瞬间不会产生并网电流冲击及本地敏感负荷电压的平滑过渡。并网瞬间控制策略需要从独立运行时的电压源模式转换为并网时的三环电流源模式。

主控微源独立运行时采用滤波电容电压外环加靠近IGBT滤波电感电流内环的双环控制策略。主控微源并网运行时三环控制策略如图3所示,和独立运行时的双环控制系统保持了很好的连续性,易于实现微电网的即插即用。在图3所示的主控微源控制策略中,igd、igq为并网电流给定,对并网电流进行直接实时控制,响应速度快,同时不受系统参数变化和公共电网电压波动的影响,而且三环控制策略可对主电路提供必要的过电流保护。

在微电网运行中,当发出与公共电网并网的指令后,主控微源对公共电网电压进行精确的检测,然后根据检测的结果调整滤波电容电压的状态,使之逐渐与公共电网电压同步,为并网创造先决条件。一般对微源并网的响应时间不做严格限制,这是出于维持本地负载电压波形平滑过渡考虑,即调整过程中不发生幅值和相位的跳变。

在与公共电网电压同步的过程中,通过细微的相位超前或滞后来实现与公共电网电压的同步,此时滤波电容电压在dq坐标系下的给定,Um为采样得到的公共电网电压幅值,θ为给定的初始相位,通过θ的极细微改变实现相位的调整,从而达到与公共电网电压的同步。该同步方法简单,易于数字实现,非常适合三相系统。

4 微电网与公共电网离网过程分析

微电网与公共电网脱离过程通过主控微源离网实现,离网控制的难点在于离网瞬间,要保证敏感负荷上电压没有大的波动。这就要求敏感负荷上电压和相位在离网前后保持一致。以下推导并网运行过程中敏感负荷上的电压幅值和相角,以便在离网瞬间确定电压环的参考给定值。

以单相微源并网逆变器为例,微源并网系统的等效电路和矢量图如图4所示。图中U为经过滤波后的滤波电容电压,其波形近似正弦波;E为理想的公共电网电压;UL为并网电感两端电压;Ig为并网电流。

根据图4(b),通过调节滤波电容电压U的幅值和超前于公共电网电压E的相位角θ,即可改变并网耦合电感两端的电压UL,根据基尔霍夫电压定律得:

其中,ω为公共电网电压角频率。

根据式(1),可以计算出并网电流为:

假定公共电网电压的相位角为0,幅值为E,则E=E∠0°,相应的滤波电容电压为U=U∠θ,当公共电网电压一定时,注入公共电网的功率由并网电流Ig决定,假定Ig=Ig∠α,电流落后α(α值为负数),根据式(2)可以求出相应的滤波电容电压为:

即:

根据并网电流Ig,可以得出此时滤波电容电压的相位和幅值,以三相的形式表示为:

对其进行Park变换得:

式(6)为在向公共电网注入给定的并网电流Ig的前提下,dq坐标系下的滤波电容电压,即控制器需要调节得到的输出电压,因此,可把它作为离网瞬间负载电压给定参考值,即:

将式(7)作为离网瞬间电压环的给定信号,施加到dq坐标系下双环控制策略中,这样就能保证在离网前后敏感负荷上电压和幅值的一致性,保证敏感负荷上电压不出现大的波动。

5 微电网即插即用控制实现

微电网与公共电网的即插即用通过主控微源实现。即插即用技术是并网和离网2种控制技术的统一和综合,把这2种单独的控制技术有机结合起来,实现两者之间的平滑切换,才能保证本地敏感负荷上无大的电压波动。

微电网启动时,可由中央管理单元或本地发出启动指令,首先主控微源启动并建立稳定的电压和频率,从微源与其组网运行,微电网进入稳态运行模式。当微电网接收到并入公共电网的指令时,主控微源迅速实现控制方式的转变,在本地电压与公共电网电压同步后,闭合SCR,实现微电网与公共电网的联网运行。当微电网发出独立运行指令或公共电网电压故障时,微电网能够实时检测并迅速切换为独立运行状态。即插即用前后,能够保证敏感负荷上没有大的电压波动,实现平滑过渡。上述微电网与公共电网平稳并网和独立运行的过渡过程即为微电网的即插即用技术,微电网可以随时由一种稳态运行模式进入另一种稳态运行模式。

6 仿真结果与分析

根据上述分析,以本实验室中主控微源和光伏模拟微源实际容量为例进行仿真和实验研究。采用系统仿真软件MATLAB搭建仿真模型。主控微源采用电压/电流双环控制,仿真时敏感负荷为3Ω的电阻,输出相电流73.3 A。主控微源采用三相四线制以电压源启动,光伏模拟微源通过双向SCR并入,由于隔离变压器变比为168∶380,仿真中设置向负载侧输出电流25 A,光伏模拟微源自身输出56.6 A。

4个切换过程为:

a.主控微源以电压源运行模式启动,在0.04 s光伏模拟微源以电流源运行模式并入主控微源,组成微电网运行;

b.0.08 s把2个微源组成的微电网并入公共电网运行,并网电流逐渐增大至给定值;

c.0.15 s微电网脱离公共电网独立运行,此时对并网电流采用了强制关断策略;

d.0.2 s光伏模拟微源脱离,主控微源独立运行。

图5为敏感负荷上电压波形,图中1、2、3、4为4个切换点,最大电压波动半个周期,这是可以接受的。整体上电压波形平稳,切换瞬间电压峰值最低值为287 V,最高值为337 V,持续时间不足1 ms,微源的投切和微电网的即插即用对敏感负荷影响较小,微电网的即插即用技术正确可行。

图6为主控微源输出电流波形,在4个切换点,均没有电流冲击,主控微源输出电流特性较好。启动至0.04 s主控微源独立输出电流73.3 A;0.04~0.08 s,光伏模拟微源并入,主控微源自动减少自身输出;0.08~0.15 s,微电网向公共电网输出电流,光伏模拟微源输出电流不变,因此主供电增大输出电流至额定值;0.15~0.2 s微电网独立运行,主控微源处于减少输出状态;0.2 s之后,光伏模拟微源切除,主控微源按照负载所需电流输出。从波形可以看出,在光伏模拟微源投切过程和微电网即插即用过程中,主控微源均输出较高质量的电流波形。

图7为光伏模拟微源输出电流波形,从其波形可以看出,光伏模拟微源在0.04 s并入之前,没有电流,当打开双向SCR,输出很快达到给定电流;在0.2 s时关断,有两相没有立即关断,是因为SCR需要在过零点才能关断。从仿真波形看,光伏模拟微源响应快速,能满足系统要求。

通过上述分析和仿真可以看出,本文提出的微电网即插即用技术有效可行,能够实现微电网的稳定运行,微源的投切较容易实现,发生电流冲击引起系统崩溃的可能性较小。

7 实验结果与分析

实验室中主控微源与从微源硬件连接关系如图1所示,主控微源容量为80 kV·A,光伏模拟微源容量为30 kV·A。主控微源以电压源模式独立运行启动,随后光伏模拟微源以电流源模式启动组网到主控微源。待2个微源稳定运行之后,执行即插即用并网指令,微电网与公共电网稳定运行一段时间后,对主控微源执行离网指令,最后光伏模拟微源脱离,主控微源停机。敏感负荷为40 kW的电阻负载。实验波形如图8—10所示。

4个切换过程为:

a.主控微源启动运行,光伏模拟微源与主控微源组成微电网运行;

b.2个微源组成的微电网并入公共电网;

c.2个微源组成的微电网脱离公共电网独立运行;

d.光伏模拟微源脱离主控微源,主控微源独立运行。

图8上图为4个切换过程的整体轮廓,下图为第2个切换过程中微电网并入公共电网瞬间敏感负荷上的电压波形,电压仅有少许幅值波动,约1 ms后又达到稳态,系统动态响应较好。图9和图8切换时刻完全对应,利用四通道的示波器,其中2路测量电压,1路测量电流,最后1路闲置。图9上图为主控微源输出电流整体轮廓,首先主控微源稳定运行,光伏模拟微源并入后缓慢增加至额定输出(切换过程a),此时主控微源减少输出电流至一个定值,然后微电网稳定运行30 s左右,最后微电网执行与公共电网的即插即用指令(切换过程b)。可以看出并网瞬间,主控微源在1/4基波周期内输出电流增大至额定值,随后执行离网指令(切换过程c),最后一个突起为光伏模拟微源脱离瞬间,此时主控微源又恢复为额定输出(切换过程d)。图9下图为第2个切换过程中微电网与公共电网并网瞬间主控微源输出电流展开波形。图10中上半部分的直线为直流母线电压,下半部分的正弦波为光伏摸拟微源输出的其中两相电流。可以看出从微源系统运行稳定,电流波形质量较好。

通过仿真和实验结果可以看出,在微电网即插即用过程中,保证了敏感负荷上电压的连续性、无中断、无冲击、波动幅值小、持续时间短。实现微电网与公共电网能量交换的同时,保证了微电网内敏感负荷的电力供应。还可以得出:微电网的即插即用可以通过对主控微源的控制来实现,提出的微电网即插即用技术方案正确可行。

8 结语

微电网中,当可再生能源占主要部分时通常要充分发挥可再生能源的作用。本文提出一种适合微电网与公共电网即插即用技术的实现方案。采用基于主控微源恒压恒频的组网控制策略,主控微源建立微电网系统的电压和频率,其他从微源以MPPT模式运行,实现微电网的高效率和经济性。在微电网稳定运行基础上提出微电网与公共电网的即插即用技术。微电网通过公共耦合点与公共电网连接,然后通过对微电网中主控微源的并网过程和离网过程平滑切换控制,实现微电网与公共电网即插即用,同时也保证了微电网内敏感负荷上电压的稳定。本文对微电网即插即用的各个实现过程进行了详细具体的分析,并对即插即用过程进行了仿真和实验研究。结果验证了微电网即插即用技术的可行性,而且即插即用实现过程对本地敏感负荷影响较小,系统稳定性较好。

摘要：采用基于主控微源恒压恒频的组网控制策略,主控微源建立微电网的电压和频率,从微源以最大功率点跟踪运行。在微源组网基础上提出微电网的即插即用技术,通过对微电网中主控微源的并网过程和离网过程平滑切换控制,实现微电网与公共电网的能量交换,并保证微电网内敏感负荷上电压稳定。对微电网即插即用的各个实现过程进行了详细分析,并对即插即用过程进行了仿真和实验研究。结果表明微电网即插即用技术正确可行,对本地敏感负荷影响较小,易于硬件实现。

微电网关键技术及研究现状 篇9

1 微电网技术简介

1.1 微电网的组成

微电网的组成包括:(1)微电源或微源,内容涵盖风电、光伏、燃料电池、微型燃气轮机、生物质发电等分布式电源;(2)储能装置,包括功率型(如飞轮、超级电容)和能量型(如铅酸电池、锂电池);(3)监控单元及调度体系;(4)负荷,包括不可中断负荷和可中断负荷;(5)离并网开关,用于将微电网与主网分合。

1.2 微电网的关键技术

微电网关键技术包括:新型电力电子技术、故障监测与保护技术、通信技术、规划技术、运行控制及能量管理技术等。美国、欧洲、日本等地区开展微电网研究已有多年。近年,我国也开始关注这一领域,并已在北京、郑州和广东等地建设了试点工程。就微源与微电网的协调及微电网自身与主网的协调而言,其尚存的技术难点包括:(1)离并网时的无缝切换技术;(2)储能技术及成本;(3)不同时间尺度上微电网内的电量自平衡。

2 微电网技术的研究热点

微电网概念自提出以来,学术界的研究方向主要包括:(1)微电网控制技术;(2)微电网的负荷跟踪及能量管理;(3)微电网保护。近年来的研究则衍生出一些新的热点,可将其划分为2类:一是将传统大电网、配电网的研究课题直接或改动后植入微电网环境下进行新的学术审视和考察,在新背景下继续挖掘“旧课题”的新内涵,如将传统的黑启动概念下放到微电网中,就衍生出微电网黑启动能力的研究[1]。二是一些拓新课题,如微电源建模、微电网通信架构和技术[2]。

2.1 微电网的能量管理

微电网的能量管理是指通过调节微源及储能出力、投切负荷、改变网架结构等手段以满足不同时间尺度上系统的能量平衡和频率稳定。频率波动来自两方面:(1)风、光等间歇性能源的出力波动;(2)主网与微电网交换功率的波动。微电网离网时的频率控制问题,实质是选取某个或多个出力源参与频率调节的过程。例如,对于燃料电池,可通过控制其电解槽的动态响应来平衡系统有功波动[3]。对于交直流混合微电网,由于直流微电网不存在频率问题,因此能量管理策略上允许更灵活,其核心是维持交直流母线电压的稳定。

在频率调节方面,储能具有重要作用。蓄电池等能量型储能用以平抑数分钟乃至数小时尺度上的能量波动,着眼点是宏观上的能量平衡;而飞轮等功率型储能用于应对毫秒级乃至分钟级的短时功率波动,着眼点是微观上的瞬时功率平衡。但是如何实现不同时间尺度上控制策略的自适应切换是实践中的难点。

能量管理的另一个研究热点是微源、储能及负荷的优化运行。与传统配电网不同,此类问题的求解需考虑微电网自身的特点:(1)潮流控制模式,即是否允许双向潮流,双向潮流的上下限等都会影响微电网的运营成本。(2)微电网经调问题本质上是多目标的,其目标函数除发电成本外,还需考虑各种环境因素,如最小化碳排放治理成本及离并网切换时用户的停电成本。(3)微电网经调问题本质上是多约束的,需考虑运行模式(并网或离网)、电价机制(如分时电价)、是否提供辅助服务(如供热)等约束。此外,求解算法上,人工智能算法如粒子群、模糊优化等也有所应用[4]。

2.2 微电网的控制策略

早在1998年,Lasseter等在针对分布式电源控制的讨论中就提出了基于逆变器下垂控制来分摊负荷的思想。其认为可将光伏、燃料电池等出力源视为“原动机”范畴,依靠储能配合可实现不论何种原动机类型的微源接入,微电网对外部电网和负荷都能表现出“一致性”[5]。

微电网除了并网、离网2种稳态运行模式外,还存在二者间的过渡过程。过渡过程的电能质量优劣与否是评价微电网控制策略的重要判据之一。微电网的不同运行方式及微源并网接口的拓扑形式都会导致其控制策略的多样性。此外,储能单元的配置也会影响控制策略的选取。微电网的控制微观上主要是对电力电子变换器的控制,变换器作为微源与微电网的主要接口扮演着能量转化和扰动缓冲的重要角色。其研究的另一重点是离网下的自治稳定运行。微电网离网运行较之并网运行的最大区别在于:并网时,其从PCC处获取主网电压的频率及幅值参考信号以和主网同步运行,离网时,其需设定新的参考信号以实现自治运行。

就学术界已提出的微电网控制架构来说主要有2类,一类是以欧盟MICROGRIDS项目提出的微电网中央控制器(MGCC)为代表的主从控制,可以是单主或多主模式[6];另一类是以美国CERTS微电网为代表的对等控制,各微源处的控制器都能响应系统负荷需求并自动分摊且无需借助和其他微源间的通信。

当前,主从控制的研究主要围绕MGCC为核心的控制体系展开。如将模糊理论用于微源本地控制器的设计[7];将最小化势函数法用于MGCC的设计等[8]。当然,主从控制需借助MGCC与各微源本地控制器间的频繁通信,故会增加系统成本。

对等控制的研究重点是对传统下垂控制器进行改进。针对低压线路呈阻性的特点,有学者提出基于虚拟同步旋转轴的解耦控制策略[9]。针对传统下垂控制存在的抗干扰性差等不足,有2种改进措施,一是从外环入手,如采用带高阶微分修正项的下垂控制或自适应变下垂系数以克服离网下的不确定扰动。二是修改内环,如引入高级滑模控制算法[10],避免微电网电压在负荷或电源出力剧烈变化时震荡。

实践中由于下垂深度不能太大等原因,下垂控制在当前实际工程中应用较少,大多采用主从控制。考虑到未来通信成本的进一步下降,各种实用化的主从控制算法的实现和改进仍是今后一段时期微电网控制研究的重点。

2.3 微电网的稳定性

当前,对微电网稳定性的研究多集中于小扰动稳定性分析,研究手段大多为用状态空间法对微电网系统建模,在平衡点处线性化后求出状态矩阵的特征根来进行稳定性判定。就稳定性而言,微电网的一个特点是其网内会存在较多分散接入的间歇性出力源,因此在研究稳定性时可考虑随机性因素,由此也衍生出基于概率理论的稳定分析算法,如点估计法[11]。另一显著不同在于,微电网中可能同时存在旋转型和逆变型电源,尤其是同时考虑旋转型及逆变型电源时,研究思路较为新颖,可以探讨诸如微电网临界稳定时,逆变型电源与旋转型电源的出力比例等问题。

此外,现有研究大多针对微电网自身稳定性而未涉及微电网与配网稳定性的相互影响,鉴于此,后者可作为微电网稳定性进一步的研究方向。

2.4 微电网的建模仿真

微电网的建模仿真主要集中于微源本体建模和逆变器等电力电子接口建模。从工具上来看,以MATLAB/Simulink和PSCAD/EMTDC为主。也有学者从较新的视角针对微电网某一专题采用多学科手段建模,如将风电、光伏出力用概率分布进行表征,并采用蒙特卡罗法对微电网供电可靠性进行分析[12];或借助负荷建模理论,利用元件的相似性对微网整体建模[13],也是一种新颖的研究思路。

2.5 微电网的继电保护

微电网保护的研究源自对DG保护的研究。由于仅为少数DG保护进行分散投资,无论从成本还是保护配置维护上而言并不经济,因此,更好解决方案是将众DG构成微电网,并视作整体来进行保护设计[14]。然而,微电网接入会对配网保护产生如下根本性影响:

(1)传统配网辐射供电、单向潮流的特点将不复存在,原有遵循时序配合的三段式保护需加装方向元件或纵联保护。配网发生故障时,微电网会提供故障电流,此时原有配网保护需重新配置。

(2)保护设计需考虑是否允许故障后微电网离网运行。微电网离网与并网2种模式下的保护设计有所不同:并网时,逆变器输出电流受上限约束(如热约束),故障时不能提供足够大的短路电流,与离网运行时有较大差异,故保护配置需分开设计。针对离网时微电网的保护问题,需研究针对逆变型电源的新型故障定位及类型识别算法[15]。

微电网保护的研究趋势包括:(1)在传统方法上融入人工智能技术和新型暂态保护原理,以提高保护对方向信息的敏感性;(2)基于分层分区或多代理思想的多级保护体系设计;(3)直流微电网保护设计。

2.6 其他

关于微电网的潮流计算,如何尽可能少地修改雅克比矩阵以提高算法效率是研究重点,有学者主张根据出力特性划分不同微源在潮流计算中的节点类型[16]。基于多代理系统(MAS)的控制架构是当前微电网控制领域的前沿方向之一。所谓多代理控制,即将人工智能领域的智能代理(agent)概念映射到实际微电网中的各部分,如主电网Agent、微电网Agent和元件Agent[17]。通过Agent通信来完成微电网的控制。研究手段大多是利用开源的多代理建模平台如JADE、Zeus[18]等对Agent间的协调控制策略进行离线或实时的仿真验证。

3 国内外应用研究现状

近年来微电网的研究不仅在前述理论方面取得了较大进展,另一方面,国际上众多示范工程及试验系统也相继建立起来[19],为微电网应用研究奠定了基础:美国,CERTS的微电网项目已在俄亥俄州的Dolan技术中心进行了物理装置的测试。欧洲,希腊、德国等地已有微电网示范项目处于运行阶段。日本、英国等发达国家也开展了适合本国国情的微电网研究计划。如日本的微电网应用研究主要在其发展较成熟的光伏设施基础上,走以家庭光伏并网发电、商业中心区燃料电池电站配合储能为特色的微电网建设路线。

目前,国内微电网应用研究单位集中在部分高校、科研院所及电力企业,如天津大学、合肥工业大学、杭州电子科技大学、中科院电工所、中国电科院等,各自建立了相应的微电网示范项目或实验室,研究微电网的控制、运行及对主网安全稳定运行的影响。实际工程方面,由于牵涉到电网的正常运营,因此必须由电网公司主导进行,如国家电网公司建设的河南财专微电网示范工程,作为国内第一个正式投入运行的微电网试点项目,取得了良好的运行业绩和社会效益。

可以看出,当前国内微电网应用研究的特点是涉研单位较广,但尚无某个机构拥有完整的集试验、仿真、检测等功能于一体的微电网应用研究平台。因此,就微电网应用研究而言,我国目前在国际上的知名度和影响力还较为有限,另一方面也表明在国家电监会及各电网公司等部门的政策支持下,国内相关单位在此领域还大有可为。

4 结束语

综上所述,微电网是以逆变型微电源为主的小型供电网络,能量管理上具有较高的自治性和灵活性,其核心技术是离网稳定运行及离并网时的无缝切换。文中认为微电网技术后续的研究可着眼于:微电网能量管理及通信架构;实用化的离网运行控制及无缝切换技术;微电网与配网稳定性的相互影响;微电网继电保护的新算法和新架构;微电网运营的政策法规研究;微电网建模仿真及一体化试验平台。参考文献:

摘要：微电网技术能够解决传统分布式发电分散接入、单独并网所带来的整体不受控的问题;当发生电网扰动时,其可有效解决单个分布式电源上关键负荷面临的电能质量问题,同时有利于提升电网可控性。从能量管理、控制策略、继电保护等方面阐述了微电网技术近年来的研究热点及发展趋势,讨论了需要解决的若干关键技术问题,结合相关试点示范工程介绍了国内微电网应用研究现状,展望了微电网技术今后的发展方向。

含微电网的配电网保护技术研究 篇10

随着能源环境问题的日益突出和国家对智能电网发展的推进, 微电网及其关键技术成为世界各国关注的热点。微电网是分布式清洁能源接入电网的主要形式之一, 也是电能供给就地平衡的主要方法之一。微电网与主电网之间的补充和支撑的协调关系, 不仅可以保证微电网的电能供给品质, 也可以减轻主电网的输电压力, 是未来电力系统的重要发展趋势之一。

2 常规配电网保护配置现状

一般说来, 常规中压配电网为10 k V的单向辐射型网络或“手拉手”环网型开环运行方式, 对于单向辐射型网络配电网继电保护, 一般配置传统的三段式电流保护:瞬时电流速断保护;限时电流速断保护;定时限过电流保护。对于电缆线路, 故障一般是永久性的, 一般不配置重合闸, 架空线路可配置重合闸。对于“手拉手”环网型的网络结构, 采用重合器模式实现配电自动化, 配电网保护采用阶段式电流保护与重合器、分段器配合实现故障的隔离。常规低压配电系统保护配置通常采用带继电保护的低压断路器及熔断器保护、热继电器保护等。

3 微电网对配电网保护的影响

微电网接入配电网运行时, 潮流出现双向流动, 对单向辐射性配电网带来的影响主要有末端故障电流助增保护灵敏度降低问题、相邻线路保护误动及重合闸不成功等问题。同时, 基于分布式发电的微电网有多种运行方式, 其改变会影响继电保护方案和整定计算的数值。

3.1 微电网对主馈线电流保护的影响

图1为含分布式电源的10 k V配电网结构图。图2、图3中Es、Xs为系统电源的电势和等值电抗;EDG、XDG为分布式电源的电势和等值电抗;XT为变压器的等值电抗;XAB、XBC为线路AB段和BC段的等值电抗。以上参数均取标幺值。

3.1.1 增大线路的保护范围

图1中K1点短路, DG并网前后流过保护2的故障电流分别为IK2, I'K2。

由此可见, DG对流过保护2的短路电流有助增作用, 增大其保护范围, 可能使I段保护延伸到下一段线路。

3.1.2 减小线路的保护范围

图1中K1点短路, DG并网前后流过保护1的故障电流分别为IK1, I'K1。

由此可见, DG减小了系统侧电源流过保护1的短路电流, 使保护1的保护范围减小。

3.1.3 导致线路保护误动作

图1中K2点短路, 对于保护1, DG并网前没有短路电流流过, DG并网后会提供反向的短路电流I″K1。

如果DG的容量较大, I'K1将导致保护1误动作。

3.2 微电网对重合闸的影响

对于放射状配电网结构, 重合闸在快速恢复瞬时性故障线路的供电时, 不会对配电系统产生太大的冲击和破坏, 保证供电可靠性。DG并网后, 若线路发生故障, 保护动作仅隔离了系统电源与故障点的电气联系, 而DG则有可能没有跳离线路, 与配电网相连继续工作, 在电网中形成由DG单独供电的电力孤岛, 这些孤岛仍保持功率和电压在额定值附近运行, 给重合闸带来的不利因素有: (1) 非同期合闸, 是指失去系统电源后, DG可能加速或者减速运行, 致使电力孤岛与电网不能保持同步, 出现一个相角差, 由于非同期合闸引起的冲击电流很大, 线路保护可能再次动作, 系统电源投入失败。 (2) 故障点电弧持续, 是指由于保护动作仅断开了系统电源, DG可能继续向故障点提供短路电流, 致使故障点不能熄弧, 这样瞬时性故障变成永久性故障, 重合闸失败。

3.3 微电网对分支线路重合器、分段器和熔断器的影响

基于断路器的电流保护一旦动作, 将导致整条线路断电, 因此在分支线路上一般采用重合器、分段器和熔断器等组成的保护, DG并网后会破坏各元件之间的配合, 主要体现在以下三个方面。

3.3.1 导致重合器误动作

图4中K1点故障, DG会通过本线路对故障点提供短路电流。如果此电流足够大, 将导致重合器R2误动作。

3.3.2 导致分段器不能正常分断

图4中K2点故障, 重合器R2跳开系统电源, 但DG仍然对其下游线路供电, 分段器S2和S3始终有电流流过, 不能正常分断。

3.3.3 破坏熔断器之间的保护配合

图5中K1点故障, DG并网前, 熔断器FU1和FU2通过相等的短路电流, FU1的熔断时间大于FU2, 因此FU2优先于FU1熔断, 隔离了故障部分, 使停电面积最小;DG并网后, K2点故障, 熔断器FU1和FU2仍通过相等的短路电流, 但此时却需要FU1优先于FU2熔断, 即需要FU1的熔断时间小于FU2, 破坏了熔断器之间的保护配合。

4 改进措施

保护装置的误动作和拒动作造成配电网故障时正常区域供电中断, 故障区域不能及时隔离。针对含微电网的配电网, 可通过改进措施以满足继电保护选择性、灵敏性、速动性和可靠性要求。

1) 考虑微电网接入后重新整定各保护装置的启动电流, 同时在保护1上加装功率方向闭锁元件, 该元件只当短路功率方向由母线A流向母线B时动作;而当短路功率方向由母线B流向母线A时不动作, 避免了保护的误动作和拒动。但这种措施仅适用于含DG的微电网并网运行状态, 因为当DG单独供电时需要再次整定各保护装置的启动电流。

2) 为了消除微电网对重合闸的影响, 需在DG侧装设低周、低压解裂装置, 通过适当延长重合闸动作时间, 使DG在合闸前断开与故障点的联系, 同时系统侧检线路无压, DG侧检同期。

3) 采用基于电压扰动的反时限加速保护策略。此保护不仅可以准确地判断故障的类型和位置, 而且能够保证系统在发生故障时具有优良的动作性能, 满足继电保护选择性和快速性的要求。

基于电压扰动的反时限加速保护策略实际上是一种根据分布式电源输出电压发生扰动的情况来判断微电网内部是否发生故障, 以及发生了何种类型的故障的一种保护。同时, 此保护还可以根据扰动电压的强弱来控制保护的动作速度。它是一种适用于微电网自身保护的快速检测方法。

4) 给微电网系统加装故障限流器。限流器在检测到线路短路故障后表现为高阻抗, 通过快速改变故障线路的阻抗参数, 将短路电流限制在低水平, 而在正常负荷条件下阻抗为零, 解决了故障时DG提供的助增电流影响配电网电流保护的问题[12]。同时, 由于故障电流变得很小, 基于重合器、分断器、熔断器的支线保护能够正常工作。

5 结语

微电网的并网运行影响到配电网的故障电流, 使原有的保护动作整定值不再适用, 给重合闸带来了不利因素, 同时也扰乱了基于重合器、分断器、熔断器等自动化电器的支线保护。本文分析了微电网的接入对配电网继电保护的影响, 通过构建案例验证了理论分析的正确性, 并针对上述问题提出了改进措施。

摘要：微电网是智能电网的有机组成部分, 并网后会改变原有配电网的结构, 进而对配电网继电保护产生影响。说明了微电网的含义及常规配电网继电保护的重要性, 较全面地分析了微电网接入对配电网产生的影响, 最后提出了针对新型结构的配电网继电保护的改进措施。

关键词：微电网,配电网,故障电流,继电保护

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微电网继电保护的研究与应用 篇11

关键词：微电网；继电保护；电网运行；电网系统；配电网 文献标识码：A

中图分类号：TM773 文章编号：1009-2374（2015）18-0058-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.030

微网即微型电网，其主要组成部分为分布式新能源和就近的负载。微网的主要优点是对可再生资源的利用率较高，解决了长距离输电的高线损、高投资的弊端，供电质量、供电灵活性和电力系统可靠性较高。但微电网的运行需要依靠继电保护，继电保护装置在故障发生后能够对故障的区域和分量进行及时检测，并使近路开关跳闸，从而隔离故障，避免了大范围停电。由此可知，微电网继

电保护装置在电网系统中起着至关重要的作用。

1 微电网继电保护面临的问题

微电网内短路电流的大小和方向随着分布式电源的接入而改变，从而导致传统的配电网保护的配合关系受到影响，继而导致一系列的问题产生：（1）配电系统在故障发生时可不用直接退出分布式电流，只需要进行离网模式运行就可，这种模式可对负荷不间断供电。所以井网、离网两种运行模式在微网中均会应用，井网和离网状态下存在较大的故障电流差；（2）同步发电机、异步发电机和逆变器是分布式电源的三种形式，其三种之间具有不同的短路特性。逆变器分布式电源故障电流与额定电流的比为1/2左右，首先是因为其安装了快速响应限流功能，并且其余两种发电机的容量与大机组相比更是较少，其次暂态电势直接影响着短路电流，故障电流的大小与分布式电源的故障状态息息相关；（3）逆变器电源作为主电源的离网模式，其具有较小的转动惯量，故障若切除不及时，直接导致系统的电压和频率缺乏稳定性，电源受自身的低压保护动作跳开，最后造成停电事故的发生。分布式电源的自身保护动作时间应与电网保护分离，一旦微电网出现故障，微电网保护可先于上游电网后背保护动作，可对避免越级跳闸发生。故障若发生在微电网之外，为了避免对分布式电源或负荷产生不必要的切除，微网内元件的所有保护应躲开模式切换动作时间；（4）若备自投装置应用于微电网母线中，有几个方面需要特别注意。动作时间较模式切换时间短，确保备自投先区域模式切换动作，应合理考虑备自投检无压判据因分布式电源的作用失效。若微网内线路有重合闸功能和电源时，为防止非同期合闸，应具备检同期合闸的功能。

2 微电网继电保护研究

微电网继电保护方法可分为方向纵联、差动电流、电压扰动、过电流四种，方向纵联保护是基于方向比较的原理，对故障相邻区域多测点的故障方向信息进行比较，从而对故障位置做出准确的判断，并采取相应的保护策略。该种保护方法依据为电流的方向，不涉及负荷和分布式电源侧的电流大小。其传送是以开关量和动作信号为主，减少传输数据，无较高的网络宽带要求，因此，该保护具有较高的可靠性。差动电流保护的建立基础为基尔霍夫电流定理，在高压电网中作为元件主保护被广泛应用，其具有灵敏度高、选择性好、保护间配合简单等优点。差动电流保護只需对保护区的流入和流出的不平衡电流进行检测，定值为最大不平衡电流以下即可。差动电流保护应用于微网各区域内，可对区内和区外的故障进行判别，从而避免越级跳闸导致的事故发生。各微电网保护区域之间不需要以定值进行各级保护配合，仅将各保护区域的最大平衡电流保护考虑在内即可。但差动电流保护在故障电流较小时期灵敏度较低，当保护区域发生内部故障时，如出现高阻接地或重负荷时，故障电流将较小，最终出现保护拒动现象。电压扰动保护是建立在通讯系统支持上，其有效性在高阻故障发生时，具体在微电网中的适应性尚不明确。传统配电网的过电流保护均只考虑单向电流，各级保护之间的保护范围的区分主要是依据整定值大小，故障电流在馈线上不存在电源的情况下是由电网侧指向故障点。电流超出限值为检测故障的基本依据。传统的过电流保护必须经过改进才能应用于微电网中，有研究表明应用故障限流器来减小分布电源提供的故障电流，确保微电网保护能够应用低成本的熔丝等装置，并且在反时限过流保护中应用低电压加速方法使微网具有高度适应能力。

3 微电网继电保护的应用

微电网继电保护的研究可分为两种方向：（1）以保护的原理为出发点，将传统的过电流保护应用于微电网中，该保护可适应微电网不同的运行方式，并利用成本较低和已有的保护装置。对于微电网继电保护所面临的问题也有一些研究，但研究成果均缺乏实际应用，且有局限性。过流保护若基于限流器之上，会存在牺牲故障电流大小的问题，保护的灵敏度降低，过流保护会因为小工作电流和最大工作电流之间有较大的差距而失效，而扰动保护检测方法缺乏有效性，微电网系统需要选择合适的保护原理，在选择合理的情况下能够将大多数故障检测出来；（2）主要的研究基础为智能装置和通信系统，目的是创建对不同的微电网运行方式均能识别的自适应智能保护系统。在信息技术飞速发展的带动下，广域保护系统被逐渐应用和研究，该系统能够对电网各地的实时动态信息进行捕捉，并且是在同一参考时间的前提下进行的。

广域保护系统使用于微电网继电保护中主要有以下四点原因：（1）系统是以多点同步信息的采取方式，在保护策略上能实现差动保护。而差动保护具有诸多的优点，比较适合在微电网中作为主保护，从而将过流保护取代；（2）广域保护系统的平台开发均是建立在先进的硬件之上的，可收集并分析处理各点的信息，并对微电网的运行状态加以识别，继而做好保护措施；（3）在通信方面，可避免由于通信原因造成的保护拒动或误动，具有高度的可靠性；（4）广域保护系统是在掌握全网运行信息的基础上实现控制微网，避免了传统的保护控制动作不当的事故发生。广域保护系统同时也需要不断完善功能才能满足微电网继电保护的需求。

4 结语

微电网在近年来呈现逐渐发展的趋势，微电网的运行必须依靠保护装置，同时，微电网也需要解决所面临的新问题，微电网继电保护也需进行深入的研究，合理的微电网继电保护方案是微电网保护的前提，还需要进一步以实验检验其性能。

参考文献

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[3] 郭晓敏.微机继电保护测试装置的研究与应用[D].太原理工大学，2008.

微电网蓄电池储能控制技术研究 篇12

然而微电网中的微源所发出的电具有随机性、间歇性、出力变化快等特点, 包括风能和太阳能在内的基于可再生能源的微源的分布式供电技术已成为我国能源领域的发展重点。受自然条件限制, 随着微电网的广泛应用, 其不稳定性对配电网的影响越来越突出, 使得的储能技术成为解决可再生能源大规模应用瓶颈的重要手段之一种。

1 包含储能系统的微电网

1.1 系统结构

储能系统主要由电池组、电池管理系统 (battery management system, BMS) 、能量转换系统 (power converter system, PCS) 、隔离变压器、双向变流器、变流器监控装置及辅助设备构成。系统可以满足频繁充放电及微网孤岛运行功能的需求, 系统组成参见图1。系统可根据上级调度指令完成各种充电、放电等高级控制策略, 在微电网中应用最为广泛且最具有发展前途。随着电力电子设备的飞速发展, 储能系统在微网中的作用日益明显[20—26]。在微电网中的储能主要用于改善电能质量、负荷均衡[27]、削峰填谷[28—31]及临时孤岛运行[32]、运行备用[33]、提高微电网的经济效益等。

能量控制装置PCS控制器通过LAN通信信道接收后台控制指令, 根据功率指令的符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电, 实现对电网有功功率及无功功率的调节。PCS控制器通过CAN接口与电池管理系统通讯, 获取电池组状态信息, 可实现对电池的保护性充放电, 确保电池运行安全。

储能装置在微电网中发生作用的形式有:接在微电源的直流母线上, 包含重要负荷的馈线上或者微电网的交流母线上。可再生能源经过逆变电路接入母线上;储能系统通过逆变器接入交流母线上, 消除可再生能源间歇性发电对微电网系统的影响;通过PCS系统的控制, 保证负荷的所接受电能质量和供电可靠性, 维持整个系统的功率平衡。

1.2 微电网的基本控制方法

当微电网在并网运行时, 大电网可以为微电网提供稳定的能量;当微电网离网运行时, MG通过配置储能缓冲动态功率波动, 增强系统惯性[34—36]。利用储能系统给微电网提供缺额的功率。。随着分布式发电装机容量的不断增大, 其功率波动性和间断性对系统的影响也越来越明显, 很多与微电网有关的技术课题亟待解决[37—39]:文献[40—44]对分布式电源的控制特性进行了深入分析, 为了保证微电网正常运行, 文献[45—51]对微电网的保护进行了讨论。蓄电池储能系统由蓄电池与变换器及其他相关电力电子元器件组成。微源发出的电以及储能装置输出的电通过逆变装置实现电能输出, 逆变器控制策率主要包括恒功率 (P/Q) 控制、恒压恒频 (V/f) 控制以及下垂控制等[52—56]。因此并网逆变器的研究已成为分布式发电领域的一个研究热点[57—61], 适当的控制策略可以, 提高MG动态稳定性能[62—67], 同时, 通过运行特性的分析可以进一步优化的控制策略[68,69]。

1.2.1 恒功率 (P/Q) 控制

微电源和交流电网之间通过逆变器作为接口, 其最基本的功能就是控制输出有功和无功功率[70]。在PQ控制方式下, 通过调节微电源输出的有功功率和无功功率下垂特性曲线可以使功率保持于设定值, 微源向系统注入一定的有功和无功功率。在外部给定参考功率值后, 通过解耦控制, 完成有功分量和无功分量的解耦, 然后分别控制[71]。

如果以保证可再生能源的最大利用率为目标, 即分布式电源能输出多少功率就输出多少功率[72]。逆变器的PQ控制方式适用于微电网并网运行, 当微电网脱离大电网孤岛运行时, 如果仅有一种微源, 并且使用这种控制方式, 微电源不能为微电网提供电压和频率的支撑。

储能单元采用PQ控制方式.将可再生能源的功率与实际功率的差作为储能单元有功功率的给定指令值, 这样, 可以保证微电网系统向外电网的输出功率平滑。

1.2.2 恒压恒频 (V/f) 控制

恒压恒频控制法是控制逆变器的输出的电压和频率为给定量[73]。微电网在离网运行模式下, 在微电源中需要至少一种作为主电源, 在电压和频率方面为整个微电网提供的支撑, 保证微电网的运行正常。其控制流程图如图2所示[74]。

采用V/f控制, 当微网中的有功功率和无功功率输输出发生变化时, 微源的电压和频率没有发生改变, 因此, 这种控制方式主要是用来维持孤网情况下的电压和频率稳定的, 电源的方法要能满足系统负荷功率不断变化需求。由于任何电源的容量都是有限制的, 只能为负荷供给有限的功率, 因此在应用中采用V/f控制方法必须需要提前计算好微网离网运行的时间和负荷需求变化范围。

微电源的支路采用是储存能量的装备和电源共同构成的, 储能装备在直流侧安装, 如果电压在储能装备和电源的作用下不变, 则可以用直流电压源代表。储能逆变器采用V/f控制方式, 建立并维持微电网电压及频率。

1.3 下垂控制

在从并网方式转变到离网状态时, 采用恒压恒频控制策略的微源根据负荷功率的变化来调节自身的电压和频率值, 采用恒功率控制方式的微源则通过改变电压和频率来实现自身负荷的功率要求。

逆变器控制方式有电压型 (voltage source type) 、电流型 (current source type) 等多种型式。逆变器将直流电力切断时, 直流侧的电压保持一定的方式称为电压型, 直流侧的电流保持一定的方式称为电流型, 太阳能光伏系统一般使用电压型逆变器[75]。如果以电流源作为控制方式, 需要在系统发电处串进很大的电感, 这样将影响导致系统的动态性和结果输出。因此, 电压源的控制方式为大多数发电系统所接受。

实际的微电网是有多种逆变电源联合运行, 输出的电压都可以等效为一个可控的电压源, 这些电压源为微电网内的所有负荷提供电流, 因此它们的频率、相位、幅值必须协调配合。

电压频率下垂法的是在并联的逆变电源系统里, 每个单元首先检测本身的输出功率, 利用下垂控制获得输出功率的电压幅值和电压频率。为了得到合适的无功功率和有功功率, 调节电压频率和幅值。

根据电压频率下垂特性, 功率输出少的微元增加功率的输出, 输出功率比较多, 就会逐步减少功率的输出, 直到系统内部环流处于最小的状态为止。

在微电网系统里, 各个电源的输出电压幅值和频率按照以下的式 (1) ~式 (3) 变化。

式中, f0n为第n台逆变电源在空载情况下的角频率;V0n为第n台逆变电源在空载情况下的电压幅值;mn为角频率的下垂系数;nn为电压幅值的下垂系数;Pn为正常运行下, 第n台逆变电源的有功功率;Qn为正常运行下, 第n台逆变电源的无功功率。

图3显示V/f的控制线路示意图。由图中可知, 改变电源输出V的幅值和频率以后, 会达到新的稳定状态。新的工作点使输出的功率优化。在电源的下垂斜率不变时, 其输出功率会是相同的值。因此, 通过下垂调节, 负载消耗功率是能够调节的, 但过程常会在输出的电压幅值以及频率方面的稳定状态产生影响。

在微网系统中, 种类不同的分布式电源可能的控制特性有很大差异, 对于分布式电源中的光伏发电, 若采用V/f控制, 因为发电输出功率受阳光强度、温度、湿度等影响较大, 所发电能具有明显的波动性, 如果要求不管电源输出功率变化如何, 根据负荷需求来调整发电量, 输出电压的幅值和频率不变, 则需要配备储能装置。为微网的离网运行提供稳定的电压和频率, 需要具备负荷功率跟随特性。如图3[76], 电源有功功率输出从Pl变化到P3, 无功功率从Q1变化到Q3, 其输出的频率始终为50 Hz, 电压幅值为额定值。

2 铅酸电池的充放电特性

2.1 铅酸电池的储能特性

鉴于微电网系统的特点和储能的作用, 对储能装置的性能特点具有较为独特的要求。概括起来包括:能量密度大, 能够以较小的体积重量提供较大的能量;功率密度大, 能够提供系统功率突变时所需的补偿功率, 具有较快的响应速度;储能效率高;高低温性能好, 能够适应一些特殊环境;以及环境友好等。现阶段微电网中可利用的储能装置主要包括蓄电池储能、超导储能、飞轮储能、超级电容器储能[77]等。

微电网内的储能设施要适应以下条件:①用户距离配电变电站较远, 地理位置偏僻, 依靠太阳光能采集能量较为经济合理;②接受到的热辐射变化幅度大, 自然条件变化较快, 难以预测与掌控;③放电功率必须得到保证。在微电网系统中, 现阶段由于技术和成本的原因, 铅酸蓄电池的优势还比较明显, 但是从长远考虑, 随着超级电容、锂电池等价格的下降、技术的成熟和环保要求的逐渐提高, 将会在微电网中得到更加广泛的运用。抽水储能、压缩空气储能要受到外部条件的限制, 需要特殊的地理条件和场地, 无法满足微电网并、离网转换及正常运行时实时控制的动态需求;电磁储能、钠硫电池、液流电池技术尚不成熟, 还没有进入大规模商用阶段, 因此本文选用了铅酸电池作为研究的对象, 主要是通过对试验分析的方法研究储能装置充放电特性, 揭示电池的电化学特性, 研究如何选择合适的储能装置。

2.2 铅酸电池的放电特性

蓄电池是1859年由普兰特 (Plante) 发明的, 至今已有一百多年的历史。其中的铅酸蓄电池自发明后因为其价格低廉、大电流放电及环境温度范围大等优点, 在化学电源中一直占有绝对优势。电化学专家应用电化学理论和热力学理论建立了许多蓄电池数学模型, 大多数的蓄电池电化学模型主要是为设计电池本身服务[78,79], 铅酸电池的放电特性是一族曲线。在一定的环境温度下 (通常为25℃) [80], 随放电电流的不同, 电池端电压与放电时间的关系称为放电曲线。

2.2 铅酸电池的充电特性

充电曲线通常有三条:

2.2.1 充电电流曲线

在充电开始阶段, 充电电流是一个恒定值, 随着氢离子和水损失, 电池的储能能力下降, 电池容量的恢复, 充电电流逐渐下降, 电池基本充满后, 转入浮充电状态。

2.2.2 充电电压曲线

在电池恒流充电阶段, 电池的电压上升幅度较快, 称为升压充电。当恒流充电结束时, 电池的电压基本保持不变, 称为恒压充电。在恒压充电阶段, 电池的电流逐渐减小, 并最终趋于0, 结束恒压充电阶段, 转入浮充电, 以保持电池的储能, 防止电池的自放电。

2.2.3 充电容量曲线

在恒流充电阶段, 电池的容量基本呈线性增长;在恒压充电阶段, 容量增长的速度减慢;恒压充电结束后, 容量基本恢复到100%;转入浮充电后, 容量基本不再明显增长。

铅酸蓄电池充电通常要完成两个任务, 首先是尽可能快地使电池恢复额定容量, 其次是用涓流充电补充电池因自放电而损失的电量, 以维持电池的额定容量。

2.3 铅酸蓄电池储能特性

在光伏发电系统中常采用铅酸电池作为系统的储能装置, 一个稳定、可靠和使用寿命长的铅酸电池充放电系统, 除了酸蓄电池的质量外, 最重要就是充放电控制电路及其相应的控制方法。传统充电方法多采用小电流慢充电。而快速充电方法是在很短时间内向铅酸蓄电池充满电能, 其目的是为了提高充电速度和效率, 同时提高铅酸蓄电池的循环充电次数。

铅酸电池正负电极为二氧化铅和铅, 以硫酸为电解质。铅酸电池组具有吸附电解质结构, 工作时形成的氧能够复合, 并能在浮充和深循环应用下工作。虽然铅酸电池占有空间比较大, 效率受周围环境温度影响比较大, 且对环境有一定的污染, 但是其成本低廉, 原材料丰富, 制造技术成熟, 能够实现大规模生产且销售渠道广, 因此得到了十分广泛的应用。四阶动态电路网络模型[81,82]是等效电路模型中比较著名的一种模型。经典CIEMAT模型常被铅酸电池模型采用[83,84]。此模型的蓄电池的特性主要由电压源和一个可变内阻描述。

蓄电池模型以内阻模型的应用最为广泛, 该模型的特点是将电池等价为一个理想电压源UOC与内阻R0的串联的物理模型, 电阻R0用来模拟电池的欧姆内阻和极化内阻的总和。通过物理模型推导出公式, 由试验数据拟合出公式系数来做计算[85,86]。图4为内阻模型的等效电路, 即一个近似于理想的电压源串联一个内阻。

电路结构如图4所示。

式 (4) 和式 (5) 可以求解出相关参数。

计算模型主要分为热计算、电压计算和电池充电状态 (SOC) 计算三个主要部分。

(1) 热计算:热计算模块主要对电池的温度调节系统进行模拟, 并计算电池温度变化。

(2) 电压计算:电压计算模块负责计算电池的端电压和内阻。

(3) SOC计算:多数模型采用安培时间积分法。SOC定义为剩余容量与总容量的百分比。

3 微电网内铅酸电池使用性能分析

如果微源发电系统是采用光伏发电, 考虑到光伏系统組件的寿命达到20年以上, 控制器、逆变器的寿命达到10年以上, 因此, 储能电池应满足循环寿命越长越好, 至少需5年以上, 如50%DOD放电深度下循环寿命应达到1 000次以上, 国外专用产品已达到2 500~3 500次。综合性能均应符合信息产业标准和IEC61427标准要求。

蓄电池循环使用时其寿命主要决定于放电深度, 放电深度即使用过程中放电到何种程度开始充电[87]。根据蓄电池的充电状态 (SOC) 进行充放电控制。由于蓄电池的端电压与环境温度、充放电电流、蓄电池容量等很多因素相关, 它能够根据蓄电池的SOC智能的选择充电模式[88]。对于一个在实际中运行的系统来说, 多数系统通过在线校正消除误差。校正误差的方法有很多种, 模型参考自适应在控制理论中是一种次最优的方法[89], 在研究中可以考虑借鉴模型参考自适应思想对蓄电池剩余容量模型进行校正[90]。

蓄电池的放电容量为放电电流与放电时间的乘积。一般情况下, 蓄电池容量指的是环境温度25℃下, 蓄电池0.05C的放电容量 (即20 h率容量) , 记为C20。

当放电电流不恒定而是随时间变化时, 电池输出的电量要用积分求得, 即

式 (6) 中, C为电池放掉的容量;I为放电电流;t为放电时间。

由胶体蓄电池放电特性曲线和剩余容量和开路电压关系图可得胶体铅酸蓄电池计算容量如公式 (7) 所示

式 (7) 中, n为放电倍率, h为放电小时数, Cn为蓄电池计算容量, C为蓄电池标称容量。

根据蓝天电源公司提供在标准实验台对胶体蓄电池开路电压0.05C、0.1C、0.2C放电时系列1-020和系列1-021的测试数据, 放电截止电压均为10.80V。1-020和1-021系列铅酸蓄电池0.05C, 放电时间约为21 h, 放电电流为5 A;0.1C放电时, 放电时间约为10 h, 放电电流 (0.1C) 10 A;0.2C5放电约为4 h。在此过程中电压基本呈线性变化, 放电率与放电电压也基本呈线性变化, 如图5、图6所示放电电压变化曲线图, 说明电池性能优良, 符合使用标准。

由容量计算公式可得:C20=105 A·h;C10=100A·h;C5=80 A·h, 三个不同放电倍率放电率分别为105%、100%、80%, 由蓄电池的放电性能可知, 铅酸蓄电池的放电特性是放电电流越大, 终止电压越低;达到终止电压的时间越短, 电池相应容量越小。在本次实验的两个系列电池中, 其终止电压相同, 在不同的放电率下, 放电电流越大, 达到放电终止电压的时间越短, 电池容量越小。

根据试验数据可得1-020系列和1-021系列在5 A时放电率为106.68%、107.79%, 10 A放电率为102.48%、102.94%, 20 A放电率为87.67%、89.58%两个系列电池放电容量均大于计算容量, 说明电池满足使用要求。如果电池在定电流放电过程中, 达到规定终止电压时, 用时过短, 放电容量小于电池容量的80%;或是电池定电流放电时, 电压变化较快, 此时应该对蓄电池进行检测, 并根据检测结果对电池性能进行判断, 作出是否予以更换的决定。

本测试实验还对6-CNJ100系列电池做了大电流放电实验, 其放电时间可以参考蓝天电源公司胶体铅酸蓄电池产品标准手册中的定电流放电, 放电测试曲线可以与定电流放电表进行比较。图7为胶体铅酸蓄电池试验充电曲线。

由放电曲线图可得到10.8 V终止电压时50 A用时86 min, 100 A放电时用时32 min, 胶体蓄电池放电曲线和定电流放电表相比, 满足时间要求。

本实验中是蓄电池采用定电流充电, 此充电过程中系统采用定电流定电压脉冲充电放电去极化的快速充电法。其特点是, 以恒定大电流5 A充电, 待充到一定电压 (相当于蓄电池出气点的电压) 时, 停止充电, 进行10 A大电流去极化放电, 然后再以恒定大电流5 A充电, 依此, 充、放电过程循环交替进行, 放电脉冲的宽度随蓄电池充入电量的增加而增加。其脉冲去极化充电曲线如图7所示。蓄电池循环使用时其寿命与长期欠充状态、小电流放电、蓄过充电、过充电和温度等有关。

4 总结