微网通信

微网通信（共7篇）

微网通信 篇1

0 引言

微网是由各种微电源设备和本地负荷通过电力电子接口紧密集成为单一可控的微型电气网络系统,并在公共连接点(PCC)处通过静态开关与大电网相连接[1]。对大电网来说,微网系统就成了一个单一的可调度单元。微网可独立运行也可与大电网并网运行。微网的能量管理系统为大量的分布式发电系统、储能系统和本地负荷之间提供协调控制,实现各发电单元和负载、储能单元之间能量的优化调度和微网系统经济运行。然而,当前国内风电机组、光伏等分布式发电和储能等微电源系统生产厂家众多,通信方式和通信协议多样,如Modbus,IEC60870-5-104,IEC 60870-5-103等,还没有出台统一的微网数据通信标准,给微网能量管理系统的信息集成和控制系统的设计增加了难度。

IEC 61850系列标准是国际电工委员会提出的一种应用于电力系统中的公共通信标准。该标准采用面向对象思想对变电站涉及的设备与通信服务进行了功能建模、数据建模,具有信息分层、信息模型与通信协议独立、数据自描述、面向对象的统一建模等特点[2],现广泛应用于智能变电站中,并拓展至对连接于配电网的分布式能源的数据建模,如光伏系统[3]、储能系统[4]以及电动汽车充电站的电能质量监控系统[5]等。

为了更好地适应分布式发电中的应用,IEC61850在原有标准的基础上共增加28个以D开头的分布式能源系统专用的逻辑节点[6,7],但该标准主要针对接入配电网的单个分布式能源系统应用。这些应用通常用于配电系统对分布式电源的监视,并没有考虑微网运行控制与能量管理系统应用对数据通信建模的新需求,例如,对微电源进行实时的优化控制、实现微网优化运行和并网/离网运行状态的无缝切换等。这些新的需求对数据的实时性和可靠性提出了更高的要求。因此,IEC 61850在微网中的应用还处在研究与探讨阶段,现有的微网示范系统还缺少相关的应用经验。目前现有文献的研究主要涉及分布式设备的逻辑建模[8]、IEC 61850协议在微网监控和保护系统中的应用[9,10]、IEC 61850协议与多代理结合在微网中的应用[11]等。文献[12,13]参考数字变电站的三层结构,将微网系统分为三层结构,探讨了IEC 61850在微网中的应用;文献[14]探讨了IEC 61850在微网继电保护方面的应用;文献[15]针对基于IEC 61850标准的微网交互信息的需求,建立了微网分层信息结构,提出了各层设备信息模型的通用设计方法。上述文献所采取的建模方法都是面向微网单个子设备建模,并没有给出微网完整的信息体系结构和针对微网分布式单元即插即用或微网拓扑具有时变性的特点提出有效的建模方法。

本文基于微网能量管理系统三层通信体系结构,根据能量管理系统的应用需求和微网分布式发电单元即插即用的应用特点,采用面向对象的思想,以分布式电源整体系统或负荷单元系统建立了基于IEC 61850的微网底层设备的数据信息模型,并给出了IEC 61850客户端和服务器在微网能量管理系统中的具体实现方法,搭建了测试平台,对微网各层通信体系结构下的信息交互的效率进行了实际测试。

1 基于IEC 61850的微网数据通信结构

本文提出的基于IEC 61850的微网数据总体通信结构如图1所示,分为三个层次:底层微网物理设备层及其数据接口、中间协议转换层、上层微网能量控制与管理层。

微网设备层相对应微网的底层设备包括风电机组、光伏阵列、燃料电池组、柴油机等能源设备及其整流器、逆变器、斩波器等电力电子设备接口,也包括断路器、变压器、交流母线、直流母线等电力系统设备。一般来说,每种设备都有自己的数据测量及转化模块。由于底层设备的厂商不同,使用的通信协议也可能不同,这将由于微网设备层中没有统一的通信协议,导致微网数据采集与监控(SCADA)系统设计困难。因此,考虑现有技术的现状,本文设计了基于IEC 61850的协议转换层。该协议转换层主要包含IEC 61850服务器,将微网设备层中的传统协议转换为IEC 61850协议,通过交换机与微网能量管理系统中SCADA系统的IEC 61850客户端进行实时通信和实现与微网底层设备的数据交换。当新的底层设备接入微网时,会主动发送“自动报告”信息包,这个信息包包括描述设备的基本信息、IP、通信端口、版本等信息,当IEC 61850服务器收到底层设备的“自动报告”信息包,会根据“自动报告”信息包中的描述设备的基本信息来更新智能电子设备(IED)配置描述(ICD)文件,同时根据“自动报告”信息包中的IP、通信端口来实现IEC 61850服务器和新的底层设备之间的数据交换,这样就可以实现设备的即插即用功能。协议转换层信息模型与通信协议相对独立,根据单个IEC 61850服务器处理数据的能力和设备数据的规模确定IEC 61850服务器的数量。

微网控制层包含微网SCADA系统和微网实时运行监控、微网潮流分析、光电/风电/负荷预测、微网实时优化、微网经济调度等微网能量管理系统的高级应用。微网SCADA系统接收的数据遵循IEC61850标准,对数据的实时性要求很高。每条实时数据都能在服务器模型中找到相对应的数据模型,实时数据通过服务器转化为IEC 61850协议数据后每条数据都可看成是一个含有约束条件的节点。IEC 61850客户端通过连接IEC 61850服务器获得IEC 61850协议的实时数据后,根据约束条件的不同将数据分类为遥信(FC=ST)、遥测(FC=MX)、遥控(FC=CO)等,并分别存储在相应的实时数据库数据表中,数据库索引由传统的点号改为IEC61850路径名,进而实现了数据和对应的实时数据库的自动映射[16],客户端实现数据自动存储的过程如附录A图A1所示。

2 微网底层设备建模

IEC 61850标准中采用面向对象的建模思想来建立数据模型,结合第1节中所述的能量管理系统中数据应用的特点,本文提出了一种采取面向分布式单元或负荷整体建模的思想来建立微网数据模型,即在建模时根据面向对象的思想,把每个分布式电源系统看作一个整体,将描述该分布式电源整体系统的所有设备状态的测点信息进行分类,如遥控点、遥测点、遥信点、遥调点,并设计成描述这个设备对象的属性,从而建立微网底层设备的IEC 61850数据模型。

本文以微网中的风力发电单元为例,介绍微网底层设备的建模过程。这种建模方式与IEC 61400-25的区别如附录A图A2所示。IEC 61400-25中利用具有不同逻辑功能的逻辑节点来描述风力发电系统中的单个设备,将这些逻辑节点集成在一起组成了风力发电系统的IEC 61850模型。本文中提出的建模方式将整个风力发电系统看作一个整体,系统中的各测点数据都包含在一个通用输入/输出(I/O)逻辑节点GGIO中。

如一个微网系统中的风电场中包含了3个风力发电单元,每个风力发电单元包含风力机、风力发电机、电力电子变换器、断路器和继电器等设备。风电场建模对应关系如图2所示。微网中ICD文件中规定IED名为Microgrid,逻辑设备对应微网中的风电场,命名WP。逻辑设备下包含5个逻辑节点:LLN0和LPHD为基本逻辑节点,wguGGIO1中包含1号风力发电单元的所有测点信息(wgu为逻辑节点GGIO的前缀,表示风力发电单元;1为逻辑节点实例号,表示1号),wguGGIO2包含2号风力发电单元的所有测点信息,wguGGIO3包含3号风力发电单元的所有测点信息。建模完成后,风电场中所有测点都会在模型中找到与其对应的数据对象,如风电场中实时风速的遥测量有效值存入IEC61850模型中的“MicrogridWP/wguGGIO1.AnIn1.mag.f”数据属性中。

与IEC 61400-25方法相比,本文提出的面向分布式电源整体系统或负荷单元系统的建模方法有以下优点。

1)避免创建新的逻辑节点,更符合IEC 61850的规范。

2)设备建模只需要3种逻辑节点,建模简单、方便。

3)一个分布式电源或负荷单元中的所有动态数据都包含在一个通用I/O逻辑节点GGIO中,数据集成方便。表1为通用I/O逻辑节点GGIO包含的数据对象与微网设备测点的对应关系。

3 IEC 61850服务器和客户端的设计

本文设计的微网通信体系中,协议转换层和微网控制层采用客户端/服务器的模式进行通信。IEC 61850服务器处于协议转换层,可将底层微网设备的传统协议转化为IEC 61850通信协议,内部实现过程如图3所示。

服务器解析描述底层设备的ICD文件从而生成服务器的抽象通信接口(ACSI)信息模型和服务,协议解析器解析底层传统协议数据并将解析后的数据填充至ACSI信息模型中,ACSI信息模型和服务通过特殊通信服务映射(SCSM)映射到底层可传输的制造报文规范(MMS)协议,最后采用规范、灵活、易扩展的抽象语法标记(ASN.1)将MMS协议数据单元(PDU)进行编码变成二进制数据流,发送到网络上传输。所设计的服务器将通过基于TCP/IP协议的MMS协议与上层IEC 61850客户端通信。在微网能量管理系统中IEC 61850服务器实现的主要功能如下。

1)对下可接收底层设备传送上来的各测点数据,包括模拟测量值和设备的状态值,也可向底层设备下发控制指令(如果该设备是可控的)。

2)对上可将从微网设备层采集到的各测点采样值远程传送给能量管理系统中的IEC 61850客户端,并可接收IEC 61850客户端发送的控制命令。

能量管理系统中IEC 61850客户端在微网分层信息体系结构中属于微网控制层,集成在微网中的SCADA系统中,为SCADA系统和微网管理系统服务。能量管理系统中IEC 61850客户端的内部实现过程如图4所示。

首先,能量管理系统中与SCADA系统集成的IEC 61850客户端通过服务器的IP地址和串口号与IEC 61850服务器建立Socket连接,完成能量管理系统中IEC 61850客户端服务的初始化。能量管理系统中IEC 61850客户端就可以通过这些服务从IEC 61850服务器中获取微网底层设备模型,并根据IEC 61850服务器模型中数据的路径向IEC61850服务器端发送读写命令。当IEC 61850服务器端接收到这些读写命令请求后,将会响应并返回读写结果。在微网能量管理系统中IEC 61850客户端主要实现的功能如下。

1)远程数据采集,采集的数据可包括遥测值、遥信值、数据集、报告控制,服务器中数据上传方式有两种:①上位机IEC 61850客户端定时发起;②IEC61850服务器主动上传。

2)远程控制回发,IEC 61850客户端接收到微网管理系统发出的决策指令后,可向IEC 61850服务器远程发送控制指令。

3)将实时数据存入实时数据库中,以供SCADA系统和微网管理系统调用微网中的实时数据,保证采集到数据的实时性。

4 实验验证

本文采用的微网实验平台系统包括一组光伏发电阵列PV、两组储能系统Bat1和Bat2,以及一组负荷Load,其中PV系统容量为80kW,Bat1的最大充电功率、最大放电功率均为30kW,Bat2的最大充电功率、最大放电功率均为20kW,其负荷的最大功率是100kW,Bat1和Bat2的最小荷电状态(SOC)和最大SOC分别是0.2和1,对应的拓扑图如附录A图A3所示。

该微网采用如第1节所述的三层控制结构,上层的能量管理系统以微网的经济运行为目标,其中底层设备采用的通信协议是Modbus,通过协议转化层把Modbus协议转化为IEC 61850协议,和上层的能量管理系统进行双向的通信。为了验证本文所提出的信息交互模型的有效性,首先对微网系统建模,然后按第2节所示的方法生成微网的ICD文件,并把ICD文件载入IEC 61850服务器中,这样IEC 61850服务器就可以通过TCP/IP与上位机能量管理系统进行信息交互,最后设计了以下4个实验。

1)IEC 61850服务器与底层设备的交互实验

本实验分别对底层设备的一组遥测点、遥调点、遥信点、遥控点的数据以及IEC 61850服务器中的报告控制模块的通信进行了测试,其通信所需的时间的测试结果如表2所示。结果表明实验中所测试的“四遥”数据(即遥测点、遥信点、遥控点、遥调点的数据)所需时间均小于20ms,满足通信准确性和快速性的要求。

2)IEC 61850与能量管理系统的交互实验

本实验测试了能量管理系统中与SCADA系统集成的IEC 61850客户端与IEC 61850服务器通过数据集和逐条数据路径分别在单线程和多线程机制下的通信效率。测试方法为:设定不同的数据交互模式,通过读取相同数量的数据,比较发送数据和接收完数据的时间差,所测试的结果如表3所示。

表3测试结果表明:通过数据集在多线程并发机制下,能量管理系统IEC 61850客户端读取到的数据最快,能量管理系统IEC 61850客户端与服务器间的通信完全遵循IEC 61850标准,实现前面所述的能量管理系统IEC 61850客户端与IEC 61850服务器的功能。

3)能量管理系统存储来自IEC 61850服务器的数据的实验

本实验测试使用的数据库为MySql数据库,实时数据库为MySql内存数据库,其存储引擎为MEMORY,历史数据库为MySql关系型数据库,存储引擎为InnoDB。测试过程为:通过不同的数据存储方式将微网模型中3个逻辑节点(GGIO1/GGIO2/GGIO3)中共75条遥测点数据一次插入数据库表中,测试了数据存入数据库所消耗的时间,表4为不同数据存储方式所需时间的测试结果,其中:方式1表示数据通过单个数据路径获取数据再存入实时库;方式2表示数据通过数据集获取再存入实时库;方式3表示数据存入实时数据库;方式4表示数据直接存入历史数据库;方式5表示数据先存入实时库再转存历史库;方式6表示数据先直接存入实时库再直接存入历史库。

由表4可知,通过读取数据集方式获得数据,先将数据存入实时库中再将数据转存到历史数据库中的方法(方式3)所消耗的时间最短(310 ms),最有利于保持数据的实时性。还需要说明的是上述测试是在普通PC机上实现的,随着硬件水平的提高,所需要的耗时可以进一步下降。

4)能量管理系统实时运行完整实验

本实验对基于IEC 61850的能量管理系统的实时运行进行了完整的测试。该实验过程中,能量管理系统采用了削峰填谷的调度策略,在电价谷时刻,由微网来吸收电网中多余的电量,在用电高峰时刻,尽可能利用微网内的发电单元和储能单元来满足负荷,其削峰填谷的调度策略的核心是利用电网的阶梯电价来控制PCC的功率流动方向,从而使微网的经济效益最高。数据流动过程为:首先,能量管理系统把24h的经济调度计划发给IEC 61850服务器,IEC 61850服务器能够正确地接收到能量管理系统下发的经济调度计划,然后通过协议转化层把IEC61850协议转为Modbus协议,最终把经济调度计划下发给底层设备,同时能量管理系统的SCADA系统实时采集底层设备上传的数据,能量管理系统对实时采集数据的信息进行分析和计算,得到实时优化的数据,然后把实时优化的数据通过协议转换层对底层设备的出力进行调整,这样微网就可以用最经济的方式维持运行。

图5为一天的实验运行结果:微网各发电设备出力和负荷的曲线图。图6为微网中储能设备的计划出力和实际出力的对比图,从图6可以看出储能的实际出力和储能的计划出力基本吻合。

运行结果表明,本文所设计的IEC 61850数据模型能够适应微网能量管理系统三层控制对数据交互不同时间尺度的要求。

5 结语

本文提出了一种基于IEC 61850协议的微网SCADA系统通信体系结构,并提出采用面向对象的思想,以分布式电源整体系统或负荷单元系统来建立微网模型建模方法,以及对应的IEC 61850客户端和服务器的具体实现方法。所提出的方法在实际微网示范系统平台上进行了测试。结果表明,这种建模方法不仅可以使能量管理系统的不同应用模块的数据交换更加方便、简单、实用,而且可以大幅度地提高IEC 61850信息模型的配置效率,即使对于那些不熟悉IEC 61850标准的用户也可以快速地配置出微网信息模型配置文件ICD文件,同时满足微网对数据交互不同时间尺度的要求。但是,本文尚未给出完整的IEC 61850一致性测试实验,这也是需要进一步研究的重点。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

微网通信 篇2

随着光伏、风力、生物质发电等新能源发电技术快速发展,分布式电源并网要求势在必行。直流微电网使用直流配电方式,不需要控制电压相位和频率,具有高可靠性、高效率、控制简单以及易于接入新能源等优点[1],为分布式电源并网提供了有效的解决途径。随着配电系统的发展,直流微电网将比交流微电网更具优势[2]。

直流微网变换器的均流控制主要可归纳为两类,主从控制和下垂控制。主从控制由于高成本、高复杂度、低可靠性的缺点,在微电网中应用受限。下垂控制具有冗余性好、控制简单、可靠性高的优点,但带来母线电压跌落,因此对电压质量造成一定的影响[3]; 并且,微网结构、线路阻抗发生变化时,均流精度下降。因此,为了提高传统下垂法均流精度并抑制直流母线电压跌落,国内外许多学者均展开了研究。

文献[4-5]提出一种分段下垂控制方法,在轻载和满载时采用两个不同的下垂系数,重载时减小下垂系数; 文献[6-7]更进一步,根据负载大小连续调节下垂系数。以上文献提出的改进下垂方案可改善负载调整率,但均流精度会受影响。文献[8]同步地提高每个变换器的输出基准电压抬升母线电压,但并未考虑到变换器切换和负载变化的情况。文献[9]引入低带宽通信来调整基准电压,可实现稳态均流和母线电压抬升,其缺陷在于下垂系数固定; 负载变化时,需依赖通信重新调整,动态响应慢,动态均流性能不佳( 下文简称此法为改进下垂法) 。

本研究搭建2 台300 W直流变换器样机并联运行,每台变换器通过低带宽通信获取相邻变换器信息,调节下垂系数及电压扰动量,实现负载的动稳态均流和母线电压跌落补偿。

1传统下垂法分析

微网中多个直流变换器并联运行时,由于它们的输出特性不可能完全一致,输出阻抗低的变换器将提供大部分甚至全部电流,从而造成并联运行的不均流。下垂法通过增大变换器输出阻抗,使各变换器输出特性趋于相近,来达到均流的目的。

两变换器直流微网系统的简化模型如图1 所示。

下垂控制法可以表示为:

式中: Voi— 第i个变换器输出电压; V*dci— 输出基准电压; ioi— 变换器输出电流; Rdi— 下垂系数值,i = 1,2.

一般地,令两变换器基准电压V*dc1= V*dc2,则从图1 可以推导出:

式中: Ri— 变换器等效输出阻抗,i = 1,2,其值等于下垂系数Rdi加上线路阻抗Rlinei。

可知,变换器输出电流与其等效输出阻抗Ri成反比,Ri越大变换器输出电流越小,反之输出电流越大,如图2( a) 所示。要实现负载电流在两变换器间均分,需要满足R1= R2。

在系统较小时,线路阻抗往往数值很小,因此选择一个稍大的下垂系数,则满足Rdi> > Rlinei,式( 4) 可改写成:

只要两变换器下垂系数Rd1= Rd2,即可实现io1=io2。然而,上述假设只对小系统成立,系统较大时,线路阻抗值不能忽略,式( 5) 不成立,从而io1≠ io2,电流分配不均。

当负载突然加重时,输出阻抗低的变换器将承担大部分的电流,甚至超过其额定输出能力,造成微网母线电压突降甚至变换器损坏。因此,线路阻抗不仅影响稳态均流精度,也会恶化动态响应。

此外,从图2( a) 可知负载变大时,母线电压跌落ΔVdc较大,有可能超出直流母线电压的最大变化范围,这也是下垂法的固有缺陷之一。另外,由于采样存在偏差,两变换器的基准电压V*dci难以做到一致,由图2( b) 知,基准电压的偏差也会造成输出电流的偏差,导致均流精度下降。

2自适应下垂法

为了解决传统下垂法母线电压跌落以及均流性能易受线路阻抗影响的问题,本研究提出了基于低带宽通信的自适应下垂法。通过CAN总线交换相邻变换器的电压电流信息,自适应地调节下垂系数使两变换器等效输出阻抗相等实现稳态和动态均流,并更新电压扰动量来抬升母线电压。自适应下垂法的具体控制策略如图( 3) 所示。

如图3( a) 所示,自适应下垂法包括电流和电压两个调整环来改变变换器的输出特性。两个变换器在控制上是完全一致的,本研究以变换器1 为例阐述自适应下垂法的工作原理。

2. 1电流调整环& 动态均流

输出电流io1与变换器平均电流的差值iek可反映电流偏差,经PI运算得到下垂系数扰动量 δr1,在初始下垂系数Rd1基础上叠加 δr1,得到更新的下垂系数,效果如图3( b) 所示。

若io1> io2,则iek> 0,δr1> 0,变换器1 下垂系数增大,输出阻抗增大,最终将导致输出电流io1减小; 反之亦然。只要两变换器输出电流存在偏差,PI控制器不断调整下垂系数,直至消除偏差,达到均流。

电流调整环自适应调节下垂系数,可克服线路阻抗影响,使变换器输出阻抗相等。每个变换器输出特性调整一致后,下垂系数适应微网系统,不再变化。即使负载发生突变,电流也能动态均分。因此,自适应下垂法能同时实现稳态和动态均流。

2. 2 电压调整环

两变换器平均电压与母线基准电压V*dc的差值反映了母线电压跌落量,经PI运算得到电压扰动量 δv1,此扰动量将叠加到输出电压参考,用来抬升母线电压,效果如图3( b) 所示。为了维持母线电压在限定的范围内,引入限幅器环节限制输出电压参考V*o1的上、下限:

从式( 7,8) 可知,δv1可增大输出电压参考,抵消下垂控制带来的电压降落v1d,使输出电压参考重新接近母线基准电压V*dc,进而补偿电压跌落。只要变换器平均输出电压低于V*dc,PI控制器将不断调整电压扰动量 δv1,直至平均电压达到V*dc。

改进下垂法也基于低带宽通信构建了电流、电压PI调整环,可实现稳态均流和母线电压补偿。但两个调整环输出均为电压扰动信号,下垂系数始终为初值固定不变,其控制效果可参考图3( b) δv1对变换器V -I下垂特性的影响。该方案仅调整输出电压基准值,不改变变换器输出特性。当负载变化时,需要依赖通信重新计算电流调整环和电压调整环,动态响应慢,动态均流性能差。

2. 3 CAN总线低带宽通信

CAN是一种多主方式串行数控通讯总线,具有实时性、高可靠性、灵活性、高抗电磁干扰性等优点。由CAN总线构成的通信网络中,理论上可以挂接无数个节点,非常适合微网并联系统的使用。

对于主从控制,主机利用高速通信实时发送电流参考给从机,一旦主机或者通信出现问题,系统将无法正常运行,可靠性低。传统下垂法无需通信,分布式电源自主控制,可靠性高。自适应下垂法仅利用通信仅引入了两个扰动量 δr1、δv1改进控制效果,变换器仍实现本地自主控制,因此低带宽通信( LBC) 即可满足控制的需要。本研究设置通信周期为10 ms,开关频率f为40 k Hz,也即每400 个开关周期通信一次。

3实验及结果分析

为了验证提出的自适应下垂法的可行性,本研究设计了2 台基于DSP28035 的数字化直流变换器并联运行,构建母线电压为48 V的直流微网。变换器采用隔离半桥电路拓扑,主要参数如下: 输入电压Vin=200 V,变压器原副边匝数比Nps= 1. 25,滤波电感Lo=120 μH,滤波电容Co= 200 μF,两变换器基准电压Vdc1*=Vdc2*=48 V。

图4( a) 、( b) 对比研究了自适应下垂法的均流效果。图4( a) 负载电流io= 6 A,初始阶段采用传统下垂法均流,两变换器输出电流偏差io2- io1= 2. 2 A,均流误差大; 加入自适应下垂法后,经过0. 55 s的调节时间,两变换器输出电流均为3 A,电流偏差值趋于零,实现了负载均流。图4( b) 负载电流io= 10 A,同样验证了均流控制方法的有效性。

两种控制策略的稳态输出特性如表1 所示。负载电流io从6 A增至10 A,跌落电压占母线电压比例ΔVdc/ Vdc( 下文简称为跌落比) 从1. 1% 增至2% ,跌落比随负载变大显著增大,这是传统下垂法的固有缺陷。采用自适应下垂法后,两台变换器的输出电压均增大并稳定在额定值48 V,跌落比从2% 下降到0. 02% ,实验结果证明了改进下垂法抬升母线电压的能力。同时,采用自适应下垂法,稳态均流误差从超过50% 减小到3% 以内,均流精度明显提高。

图5( a) 、5( b) 展示了自适应下垂法负载突变时的响应。图5( a) 负载电流io从5 A突增至10 A,单台变换器输出电流从2. 5 A增大到5 A的过程中,两电流变化趋势一致,始终保持近似相等,最大差值仅0. 3 A,即动态均流误差仅3% ; 经过100 μs( 4 个开关周期) 便达到稳态,动态响应快。图5( b) 负载电流io从10 A突减到5 A,切载的过程同图5( a) 类似,两个切载实验验证了自适应下垂法优良的动态均流性能。

图6( a) 、6( b) 展示了采用改进下垂法的负载突变时的反应。从图可知,该改进下垂法稳态时两变换器电流精确分配,稳态均流精度高。图6( a) 负载电流io从5 A突增至10 A,两变换器动态输出电流不平衡,最大差值达到1. 5A,动态均流误差达到15% ,动态均流效果差; 动态过程经过500 ms才能达到稳定,动态响应慢。图6( b) 负载电流io从10 A突减到5 A,两变换器最大电流差为1A,动态过程持续500 ms。对比图5、图6 证明了自适应下垂法在负载阶跃变化时,优良的动态均流性能。

4 结束语

本研究从传统下垂法原理出发,分析其均流性能易受线路阻抗和负载影响以及重载时母线电压跌落的缺点。针对下垂法缺点,提出了基于低带宽通信的自适应下垂法,构造电流调整环调节下垂系数、电压调整环抬升参考电压,提高均流精度同时补偿母线电压跌落,并实现系统动态均流,动态误差小于3% 。最后搭建了2× 300 W实验样机并联运行,验证了提出控制策略的有效性。

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微网技术应用与分析 篇3

新能源及可再生能源发电——分布式发电/分布式电源(distributed generation, DG/distributed resource,DR)已成为当前研究热点[1,2,3,4,5,6]。但大量分布式电源并网将有可能造成电力系统对其不可控制和难以管理的局面,并引发相应的电能质量、电网安全性和稳定性等诸多问题。为了解决电力系统与分布式电源间的矛盾,充分发挥分布式电源为电力系统和用户所带来的技术经济效益,进一步提高电力系统运行的灵活性、可控性和经济性,以及更好地满足电力用户对电能质量和供电可靠性的更高要求,微网(microgrid)概念应运而生,并很快成为国内外电气工程研究领域的最新前沿课题之一。与常规的分布式电源直接并网相比,微网灵活、系统地将分布式电源与本地负荷组为一个整体,通过柔性控制可以大大降低分布式电源并网运行对电力系统的影响。大量关于微网的理论技术研究工作正在积极展开,美国、欧盟、日本等发达国家(地区)已率先建立了一些微网示范工程及实验测试系统。微网理论技术研究及示范工程建设在中国也已得到高度重视,国家科技部863计划、973计划等已将微网研发项目列入重点资助范围。

本文重点对微网的概念与结构、运行与控制进行阐述,并在分析国外不同特点示范工程与试验测试系统以及国内微网研究现状与动态的基础上,对中国微网技术的发展进行分析探讨,并给出微网技术中有待研究的重要课题。

1 微网的概念与结构

2001年美国著名的威斯康星大学麦迪逊校部的Lasseter教授首先提出了微网的概念[7,8],并在威斯康星大学建立了一个微网试验系统,系统容量200 kW,电压等级为208 V/480 V,该系统内的主要分布式电源为微燃机和燃料电池等。在此基础上,威斯康星大学又开展了更大规模的微网工程项目的研发。美国电气可靠性技术解决方案联合会(CERTS)和欧盟微网项目组也相继对微网给出了定义。微网是一种由负荷和微电源(microsources,即微网中的分布式电源)及储能装置共同组成的有机系统。微电源主要通过电力电子技术实现能量的转换及控制。相对于电力系统(主电网),微网是系统中的一个可控单元,它可以在短时间内作出响应以满足外部主电网的需要;而对于用户,微网可以满足本地负荷的特定电能质量要求,并可提高供电可靠性、降低线损等。

利用微网技术可整合多种形式的分布式电源,并考虑当地配电网的特点,在一个局部区域内直接将分布式电源、电力网络和本地用户有机地组合在一起。微网可以方便地实现(冷)热电联供[9,10,11,12,13,14],并可以结合电蓄冷(热)技术,缓解电网高峰用电压力,实现用电的移峰填谷,优化和提高能源利用效率,减轻能源动力系统对环境的影响,实现能源的梯级利用,为将来智能电网(smart grid)的实现提供必备的技术基础[15]。

微网结构中的馈线多为放射状,微网与主电网相连接的点为公共耦合点(point of coupling,PoC),在PoC处有一个主接口(connection interface,CI),通常是由微网并网专用控制开关——固态断路器(solid state breaker,SSB)或背靠背式的AC/DC/AC电力电子换流器构成。微网中的某些馈线上连接有重要敏感负荷,因此这些馈线上应就近安装微电源,必要时应配备电能质量调节装置,以更好地满足重要负荷对供电可靠性及电能质量的高要求。这些馈线上也装有SSB,当主电网故障或者主电网的电能质量不能满足重要负荷需求时,微网可以在小于1个工频周期的时间内与主电网快速分离,进而更好地保障重要电力用户的用电要求。在没有重要负荷的馈线上可以不安装微电源,而是通过公共母线对其进行供电。微网的基本结构如图1所示。需要指出的是,并不是图中所有元件都是必需的,如何确定可能的组合主要取决于微网的容量及本地负荷对微网性能的具体要求[16]。

图1中的DG可以是不同类型的分布式电源,例如光伏电源、风力发电、微型燃气轮机、燃料电池等;储能单元可以是蓄电池、超级电容器、超导储能、飞轮等;负荷也可以是各种类型的,包括阻抗性负荷、电动机负荷及热负荷等。各单元都通过电力电子接口(PEI)接入微网。一般说来,向一个单元增加一个PEI意味着增加了一个控制装置,进而可以提高该单元的响应速度及整个微网的鲁棒性。将从各单元的PEI输出端及CI两侧采集到的电压电流信号送到控制中心,可实现对整个微网的协调控制和优化运行管理。

2 微网的运行与控制方式

微网有2种基本的运行方式,即并网运行和独立运行。大多数情况下微网与主电网并网运行,此时微网中的负荷可以从微网或者主电网得到电力供应。当主电网发生各种故障、扰动及电能质量不满足负荷要求时,微网将快速与主电网断开并且平滑过渡到独立运行,以确保重要负荷不受影响[17,18,19]。在这2种基本的运行方式中,包括4种运行阶段:即①微网并网运行的暂态阶段(并网的过渡过程);②微网并网运行的稳态阶段;③微网独立运行的暂态阶段(离网的过渡过程);④微网独立运行的稳态阶段。微网必须确保在这4种运行阶段下都稳定可靠,且必须满足相应的入网要求。IEEE标准委员会近几年来一直在进行微网标准的制定和完善工作。该标准涵盖微网及含有分布式电源的孤立系统。该标准为微网的规划设计、运行管理及微网与主电网的并网和离网运行控制提供了技术依据。

微网的控制系统需要满足以下几个要求:

1)并网运行方式中微网控制系统能够快速检测主电网的扰动及电能质量变化并作出迅速响应;

2)微网可以实现快速无冲击地并入主电网或者与主电网分离;

3)有功和无功可以实现解耦控制;

4)各种微电源的输出功率通过相互协调可以与负荷需求动态匹配,并可动态实现微网与主电网之间潮流的定向、定量调整。

在微网中,光伏发电系统、风力发电系统等微电源受自然气候影响,输出功率具有波动性、随机性、间歇性。对此,可结合微网中的燃料电池发电系统、微燃机、储能装置等,实现微网中的功率平衡调节,大大降低间歇式分布式电源对电网的随机影响,增强功率调节的可控性[20]。要想可靠实现微网中的各个组成单元(具有各种特性的微电源、储能装置等)作为一个有机整体正常运行,必须要对其进行某种程度上的集中控制或者分散协调控制[21,22,23,24,25]。在集中控制模式下,控制中心对微网的运行状态进行采样,并通过专门的快速通信网络向各个微电源或者是那些起主导作用的微电源发出控制信号。这意味着各个微电源都服从统一调度、集中分配。图1所示的微网结构正是采用了这种控制模式。在分散协调控制模式下,微网中每个单元都根据就地运行情况各自进行响应。各个微电源及储能装置的响应速度必须能够确保微网的稳定性要求。

3 世界主要发达国家微网研究现状及典型示范工程

美国、欧盟、日本等发达国家(地区)对微网率先进行了深入研究,在微网的运行、控制、保护、能量管理以及对电力系统的影响等方面进行了大量研究工作,建立了一些可实际应用的微网示范工程及微网测试系统[16,26,27,28,29,30,31,32,33]。美国能源部与美国通用电气公司就微网技术项目展开合作,为微网的实际应用开发先进的控制技术、能量管理系统及保护策略等。2008年美国国家自然科学基金(NSF)在电气、通信、计算机系统(electrical, communications and cyber systems,ECCS)研究领域的重大研究项目之一为可重构的微网测试系统研究。2009年美国电力系统工程研究中心(PSERC)在原研究基础上继续把微网技术作为重点研究方向之一。日本新能源工业技术发展组织(NEDO)在“利用可再生能源的地区性电网工程”项目中启动了3个微网示范工程,分别设在日本的八户、爱知、京都。德国、希腊、西班牙、荷兰等欧盟国家也纷纷建立了典型微网示范工程及测试系统。“欧盟第五框架计划”用于微网技术专项研究的资金为450万欧元,该项目由雅典国立技术大学领衔负责,众多高校和国家的电力公司及著名电力设备制造厂商参与,取得了包括分布式电源的稳态和暂态分析、独立和互联运行理论及控制算法、当地黑启动技术、分布式电源接口响应的定义和功能要求、接地和保护方案、可靠性的量化分析方法等多项研究成果[34]。“欧盟第六框架计划”继续加大力度支持微网的深入研究,投资金额为800万欧元,主要解决如何进一步提高微网运行效率、实现多个微网之间的整合及制定标准化协议、多微网对电力系统的影响等问题。“欧盟第七框架计划”在原有微网研究基础上又提出发展智能电网的构想。

CERTS AEP微网是美国早期的典型微网示范工程。CERTS由美国电力公司(AEP)、TECOGEN公司、美国北方电力系统、S&C电气公司、桑迪亚国家实验室和威斯康星大学联合组成。CERTS AEP微网结构如图2所示。该微网内的馈线为放射状结构,主电网与微网连接线路长160 m,通过一个变比为13.2 kV/480 V、容量为1.5 MVA的变压器相连。由3个容量为60 kW的热电联供(combined heat and power,CHP)作为微源。微源通过逆变器接口与微网线路相连,结合P-f,V-Q下垂特性控制及PI控制将终端电压及输出的有功作为控制变量对其进行控制[16]。该微网内有4组波动性阻抗负荷,各自所需的峰值功率为95 kW,第4组负荷还包括一个感应电动机,以用来进行独立的电动机启动测试。储能装置通过DC/DC斩波,再经过逆变器接口与微网线路相连。

2006年,日本电信巨头NTT公司的子公司NTT设备公司在仙台市的东北福祉大学建立了一个微网示范工程[35]。具体结构如图3所示。该微网内的电源主要包括1个容量为250 kW的燃料电池(MCFC)、2个容量为350 kW的燃气机、1个50 kW的光伏电源及蓄电池组。该微网向大学内的5幢建筑提供电力供应和热能供应,并且通过一根5 km长的独立传输线向仙台市的一些居民、高中及一个水处理厂供能。该微网内采用了动态电压恢复器(dynamic voltage restorer,DVR),为一些用户处的电压暂降或中断提供动态电压补偿。

仙台微网工程的最大特点就是在实现多种分布式电源并网发电的同时,实现了多种电能质量及多种电能形式的电力供应,即实现了用户电力技术(custom power)和灵活、可靠和智能的配电系统(flexible,reliable and intelligent electrical energy delivery system,FRIENDS)的功能。仙台微网中的多种电能质量的供应包括优质供电、高质供电及常质供电;多种电能形式的供应包括交流供电和直流供电,这些均通过不同的换流技术来实现[36]。

西班牙Labein研究所建立了一个分布式发电和微网的综合测试系统,其具体结构如图4所示。通过2个容量为1 250 kVA的变压器与主电网相连,该测试系统还包含一个110 kW的电网仿真系统。微电源主要是光伏电源、风力发电、柴油发电机及微型燃气轮机;储能装置包括蓄电池、超级电容器及飞轮等;负荷包括电阻性负荷和感性负荷。该测试系统的特点是设计了集中控制方式和分散控制方式2种控制模式,可以对各种情况进行测试并且能够实现整个微网的重构。网络重构有利于微网在故障情况下的快速恢复,保障电压质量和供电可靠性;通过网络重构,可以优化微网结构,使微网发挥最大效率,有利于微网的安全稳定运行。

4 中国的微网建设现状

微网在新能源及可再生能源发电规模化并网应用上的独特作用及可行性已得到了国内专家学者的高度重视和充分认可[37,38,39]。国内相关科研院所对微网的各项研究工作、研究计划正积极展开。

2007年度安徽省国际科技合作计划项目“分布式多能互补能源微网供电系统集成与控制技术研究”由合肥工业大学与加拿大New Brunswick大学共同合作研究,合肥工业大学光伏工程研究中心作为中方执行单位。合肥工业大学在校园内建立了一个示范型的独立“微网”系统,即利用太阳能和风能发电建成了一个小型电网,发电200 kW,市电停电时可以供应该校一幢楼照明。

2008年10月,由中日双方共同实施的“先进稳定并网光伏发电微网系统”,在杭州电子科技大学正式投入测试使用。该项目是中日两国政府可再生能源科技合作项目,总投资5亿日元,这是目前国际上唯一的光伏发电比例达50%的实验微型电网,并成功供应2幢教学楼的用电。在阳光充足的日子里,2幢教学楼的供电基本依赖于太阳能,但在阴天或者晚上,就要依靠120 kW柴油发电机组和蓄电池组供电。这个系统的太阳光年发电量预期在120(MW·h)/a,基本满足2幢教学楼的用电需求,经济效益、社会效益显著。

三菱电气在中国的新疆地区也建立了一个小型微网,其中包括2个光伏电源,容量分别为10 kW和60 kW,1个容量为80 kW的蓄电池储能系统,及1个容量为100 kW的发电机。它们通过就地控制器实现功率的调整。负荷为40户民宅及3个商铺。其具体结构如图5所示。

2008年11月,由南方电网公司承担的国家863计划项目“MW级燃气轮机分布式冷电联供技术集成与示范研究”课题与“兆瓦级冷热电联供分布式能源微网系统并网关键技术研究与工程示范”课题示范工程技术方案通过专家评审。该示范工程实现:①并网条件下,以系统优化配置技术为指导的系统优化匹配设计及运行控制;②形成模块化的典型冷电联供系统,为分布式供能系统的推广应用提供支撑;③燃气余热的制冷与除湿、蓄能等电冷联供高效技术的集成。

5 对中国微网发展的分析与建议

中国正处在社会经济发展的重要转型期,随着城镇化、工业化进程加快,农村能源需求数量和结构将发生明显改变。目前,国内农村能源基础设施落后,依靠传统的能源很难满足农村经济社会发展的需求,农村能源紧缺的矛盾还将进一步显现。新农村能源建设不能延续过去资源耗竭型的发展模式,而是要充分发挥农村尤其是西部农村地区资源优势,因地制宜地利用本地小水电、太阳能、沼气能、垃圾发电等分布式供能系统,建立本地特色的微网结构,进而增加电力供应,提高供电可靠性,提高电力及可再生能源在农村能源消费中的比重,这是解决能源供需矛盾、缓解环境压力的关键出路。

针对中国一次电网与发达国家一次电网相比相对薄弱的现状,微网可以作为一次电网的有力补充,显著提高供电的安全可靠性。美国和欧洲一些发达国家的天然气资源非常丰富,且天然气管道布局均匀。而中国天然气供应有一定局限,只够民用,不够发电,还要解决长管线问题,需要大量经费。因此无法像国外微网工程那样大量使用微型燃气轮机发电。另外,中国能源基地与工业基地发展不平衡,宽广的荒漠地区集中在西部与北部,有大片未利用的土地、丰富的太阳能与风能资源,是未来综合能源基地的首选对象[40]。新疆、内蒙古、甘肃、青海等4省区面积占全国40%、人口占全国6%,经济欠发达,当地丰富的太阳能发电和风力发电必须解决规模化并网问题。微网技术是解决这一问题的有效途径,从而实现能源的优化配置,缓解东部、南部等发达地区能源紧张问题。而东部、南部等沿海发达地区也需充分利用自身优势,大力发展海上风电、波浪能发电、潮汐能发电、光伏发电等分布式发电技术,并与扬水储能、压缩空气储能等大容量储能方式相结合,削峰填谷。微网可以有效整合这些分布式发电技术和储能技术,提高能源利用效率,应用前景广阔。

需要说明的是,中国微网的发展模式不必受国外已有文献和示范工程束缚,而应依据国内不同地区新能源及可再生能源发电的实际条件和需求,结合中国光电建筑一体化(BIPV)和“金太阳示范工程”的相关政策,广泛应用在光伏并网、风光互补、水光互补发电项目中,因地制宜,以实现新能源及可再生能源并网发电的综合技术经济效益最大化为目标,建设具有中国特色的微网工程。

同时,建议在以下几个方面开展微网技术的研究:①微网的数学建模及仿真方法;②微网与主电网的相互作用机理;③微网与主电网并网、离网的切换控制技术;④微网的优化经济运行;⑤微网中的电能质量分析与控制方法;⑥微网对主电网潮流的影响与作用;⑦微网的静态稳定、暂态稳定问题;⑧微网的监测与保护;⑨微网中关键设备的研制;⑩微网的技术经济指标评估体系;(11)微网的规划设计方法;(12)微网的运行规范及相关标准的制定;(13)微网集成技术;(14)中国特色的微网问题研究;(15)微网实验平台与示范工程建设等。

摘要：微网(microgrid)技术可以有效整合新能源及可再生能源发电——分布式发电的优势,同时为新能源及可再生能源并网发电规模化应用提供了新的技术途径。微网不仅能够有效提高能源的梯级综合利用效率,而且可作为主电网的有效互补电网,提高供电可靠性和电能质量,是国内外电气工程研究领域的最新前沿课题之一。文中对微网的概念、基本结构及其工作原理进行了详细阐述,并分析了微网的基本运行方式和控制策略。同时对国外不同特点的典型微网示范工程及实验测试系统进行了分析。最后,详细阐述了中国微网技术研究现状与动态,结合中国实际情况论述了中国特色微网的建设,给出了微网技术中有待研究的重要课题。

微网故障特征和保护原理 篇4

关键词：微网技术,故障特征,保护原理

1 微网技术概述

能源是人类生存和发展的重要源泉, 但不可否认的是, 由于长期人们过度的需求, 导致能源正在日益枯竭, 同时, 环境污染也成为近年来世界各国所面对的主要问题。电力是国民经济的重要命脉, 如今, 世界绝大部分地区都在采用大电网集中供电, 但其供电的安全可靠性却由于其自身缺陷而日益明显。分布式发电系统是电力行业的重要技术改革, 与大型电站相比, 分布式发电设备安装周期较短, 节省投资成本, 还可以提高能源利用率。但这种系统也具备一定的缺陷, 由于其规模大, 很容易对电网造成一定的冲击。为了减少这种冲击的影响, 微网技术应运而生。

微网的核心在于其“微和精”。“微”在于这种技术是一个独立的可控单元, 与大规模系统相比更加“小巧”;“精”在于其结合了多种装置, 微电源、储能装置、负荷及控制装置。微网虽“微”, 但功能却不容小视, 这种技术包括各种所需的能量, 电力电子装置负责能量转换, 为其电源提供充足的动力。微网以其简单灵活的操作方式, 为保证供电可靠性发挥着稳定的功效。

微网技术的出现却加剧了故障的复杂性, 如果微网内部的设备故障, 要确保故障及时隔离, 使微网系统能够继续正常并网运行。如果微网外部发生故障, 要确定故障及时隔离后, 及时将微网与主网分开继续正常运行, 解列后的微网如果再次出现故障, 就要保持二次故障之后的正常操作和运行。根据微网接入后的种种故障保护动作来看, 必须要进一步研究微网在不同的运行模式当中的故障情况, 针对不同的故障采取不同的解决办法, 这样才能使微网技术顺利发展。

2 微网孤岛及穿越运行的原则

如果仅从微网运行的系统中的公共耦合点考虑, 无法判断故障位置。故障有可能发生在配电网侧, 微网内部和联络线上。故障位置确定后, 就要对微网的运行规则进行分析。下面根据微网的负荷的重要程度、微网与配电网的功率交换量以及相关的微网并网标准等方面, 分析微网孤岛和穿越运行的原则。

微网与配电网的隔离并不是一成不变的, 根据故障的位置, 如果是发生在联络线上, 则需要将微网和配电网分离, 这样才能顺利切除故障。如果故障发生在微网内部的电气设备, 为了便于识别故障, 通常根据故障电流的增大数值进一步判断, 由微网内部的保护切除故障即可。如果故障发生在配电网, 可以根据情况决定分离还是继续连接, 从而使微网作微网孤岛运行或故障穿越运行。

微网作孤岛运行时, 可以节省成本, 不必再另外添加判断故障的元件。一旦发生故障, 微网自动作孤岛运行, 不影响配电网的安全性和可靠性。

3 微网孤岛及故障穿越运行的策略

3.1 断开联络线, 微网作孤岛运行

断开联络线使微网作孤岛运行, 主要是针对含有敏感负荷的微网, 可作为配电网坚实的后备力量。

3.2 保持微网与配电网的连接

保持微网与配电网的连接, 主要是针对不含有敏感负荷的微网, 与第一种策略所针对的微网条件相反。但这种方式会有一定的难度, 无论是微网故障还是配电网故障, 这种方式不可能完全采取一种模式来切除故障, 因此就需要分别区分配网故障和微网内部故障的相关操作, 如果是微网内部故障, 就要保持联络线上的静态开关直接断开。

4 联络线保护原理和方案

联络线保护是根据微网孤岛运行和穿越运行的策略的需要而产生的, 下面就针对联络线保护原理作讨论。微网孤岛和微网故障穿越运行的联络线保护装置是不同的, 一个比较简单, 一个相对复杂。

4.1 微网孤岛运行时的联络线保护

微网孤岛运行时的联络线保护相对比较简单, 根据微网孤岛运行的前提来看, 联络线没有任何选择性的直接断开, 而不再去判断究竟是何种故障。联络线保护不需要经过“思考”直接断开, 对故障的位置不必定位, 因此联络线保护任务较为简单:无论是微网内部故障还是配电网故障, 断开连接后, 微网作孤岛运行, 保持供电的安全性和可靠性。如果故障发生在联络线上, 直接切除故障即可。

4.2 微网故障穿越运行时的联络线保护

微网故障穿越运行时的联络线保护相对复杂, 联络线要保持微网与配电网相连, 故障的位置无论在哪都要为微网故障作穿越运行考虑。对于靠近微网侧的联络线保护, 分为两种。

故障在联络线上时, 要及时、稳妥地切除故障;微网内部故障或配电网故障时, 要遏制低电压对微电源造成的损伤。

对于远离微网侧的保护则要考虑到保护灵敏性等要求, 因为联络线两端实际上是一种这双电源网络, 其线路两端与配电网和微网分别相连, 对保护灵敏性的要求很高, 可配置方向元件进一步提高保护的可靠性。这种距离保护基本不会受到运行方式的干扰, 在多电源网络中是一种很可靠的保护方式。

5 结论

本文通过分析微网孤岛和穿越运行的原则和要求, 进一步阐述了微网和配电网的隔离策略, 及微网作孤岛运行和穿越运行时的策略, 由此引出联络线保护的重要性, 并根据不同的隔离策略提出相应的网络线保护方案。

目前对于微网的研究还在不断的探索中。随着社会的发展, 对于能源的需求量越来越高, 如果仅仅靠自然界不可再生的能源, 这对于人类今后生活的影响是十分不利的。除了通过发展各种可再生能源, 还要解决这些能源大规模与电网相接之后的不利影响, 微网可以提高能源的利用率, 因此大力研究和发展微网技术是十分必要的。

参考文献

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微网运行控制策略的研究 篇5

随着国民经济的发展,人们对能源的需求不断增长。仅以电力生产为例,当前电力生产仍以煤、天然气等不可再生资源作为主要生产能源,而国内的火力发电更是占发电总量的78%[1]。各国学者已经将目光对准了一种新型的发电技术:分布式发电(Distributed Generation,DG),以及由它带来的新型的电网形式:微网(Microgrid)[2]。微网由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成,是能够实现自我控制、保护和管理的自治小型发配电系统,它既可以与外部电网并网运行,也可以孤立运行,是智能电网的重要组成部分。

但由于DG基于电力电子接口接入微网,发电效率会受环境影响,电源稳定性较差,克服扰动的能力也较弱。特别是在微网孤岛运行脱离电网的支撑时,微网的稳定就成为关键问题。对微网而言,微网的控制应尽可能基于本地信息,因此如何协调微网中各DG并进行合理的控制是微网安全可靠运行的关键,也是微网关键技术所在[3]。

本文主要针对微网的DG控制,将电力电子逆变器的控制策略作为切入点,对目前DG控制的主要3种方法进行理论和仿真研究,在此基础上提出一套控制策略来实现微网的稳定控制。

1 微网结构

微网由若干分布式电源、负荷以及线路阻抗、开关等组成,并与配电网相连。各电源通过不同的控制方法并联入微网母线。一般微网至少含有一个稳定的组网DG,在微网的运行中起支撑作用DG单元通过各自的控制单元和静态开关与配电系统的母线(PCC)连在一起,同时连接各种负荷。静态开关可以灵活地控制电能的接收和输送,实现微网在并网和孤岛2种状态下的平滑切换。为保证微网孤岛状态运行的稳定性,通过控制各个负荷开关来切断一般负荷,保证重要负荷的供电。当微网由孤岛转为并网时,DG控制单元控制微网的频率、相位和电压幅值,使其达到并网的要求后再闭合静态开关连上配电网。

2并网运行

在分布式电源中,风力发电、光伏发电、温差发电等可再生能源发电都极易受环境的影响,本文将这类分布式电源称为并网DG[4]。由于DG输出功率受外界环境的影响很大,如果保证其功率稳定输出,则需要配备较大容量的储能装置,这样就大大提高了成本。针对并网DG这种特点,为使其在环境影响下发挥最大的发电效益,同时方便对这类DG的控制,采用P-Q功率控制法,通过调节电流使其跟踪参考电流实现其输出功率达到最大功率跟踪值[4]。为使研究变得简单明确,本文中使用直流电源代替并网DG,用恒功率值代替最大功率跟踪值

2.1 P-Q控制

逆变器输出电压U1为三相电压矢量,其表达式为:

式中:Um为相电压幅值。

对U1进行由abc坐标系下的基波正弦变量到dq0坐标系下的直流变量变换,其转换矩阵为T[5]:

则输出电压U1的dq0轴转换公式为:

可以看出在负载完全对称三相电压平衡运行的情况下,得到Uq为0,同时Ud为1个常数,这样dq0轴就解除了耦合关系。由于P-Q控制要求输入值为最大功率跟踪值(在本文已用固定值取代)Pref和Qref,在此基础上可得到逆变器的参考输出电流Iref为[6]:

由Iref的表达式可以看出,对逆变器输出电压的控制通过对输出电压的坐标变换转化为对输出电流的控制。同时P-Q控制器中的电流环控制对反馈的电流进行优化处理,加快跟踪的速率,达到更好的控制效果

3 组网运行

对于组网DG如微型燃气轮机、燃料电池等分布式电源而言,它们具有稳定性好、可调控性强的特点,在微网运行时处于主导支撑作用。在微网处于孤岛状态时对其采用V-f控制,通过V-f控制做出一定的动态响应,以保证微网内重要负荷的正常运行[7]。

3.1 V-f控制

V-f控制的目的是要控制DG单元发出的电压和频率,使其达到稳定的设定值。V-f控制主要由PLL虚拟锁相环、电压电流双环控制、dq0转换模块组成,其结构图如图1所示。

V-f控制是利用电网侧的反馈电压,经dq0变换后与参考控制电压比较,并利用滤波电感侧的反馈电流,通过电流电压双环控制使逆变器的输出电压达到参考电压,同时通过PLL虚拟锁相环稳定微网的频率,从而达到微网电压频率稳定输出的状态。相对于P-Q控制的电流环控制,V-f控制采用的电压电流双环控制由于输入了反馈的电流电压值,能很好地利用系统的状态信息,提高了系统的动态响应能力和稳态精度,同时也加强了系统应对扰动的暂态稳定性。

3.2 Droop下垂控制

Droop下垂控制是V-f控制的延伸,它基于微网的对等控制思想,假定微网中DG都是平等被调控的状态,不存在主从关系,适用于并联的几个组网DG在孤岛状态下的控制,也具备V-f的部分控制功能,同时Droop下垂控制基于电源的功率传输特性以及下垂特性,根据不同DG的下垂特性以及DG本身的功率容量,来实现其最主要的功能——合理分配功率,这是V-f控制所不具备的。通过合理分配各DG的输出功率,达到合理利用资源,提高微网运行效益的目的。

3.2.1 功率传输特性

功率传输特性,是指通过对微网从DG到负荷功率传输过程中潮流的特性进行分析,同时将低压线路的阻抗比进行简化,从而得到的传输特性。将微电网等效为一个含有微源的简化模型,如图2所示,其中PCC处为公共连接点。

图2中,E和U分别为逆变器的输出电压和公共母线的电压幅值,δ为输出电压相角;Z和θ分别为等效输出阻抗的幅值与相位。逆变器的功率输出方程为[8,9]:

式(5)和式(6)可简化为：

由式(7)和式(8)可以看出线路阻抗呈阻性,且P主要取决于电压差,Q主要取决于相角。由于式(8)中频率和相角的微分关系,在实际应用中,通常用f代替相角来控制有功。这样通过控制相角和电压,可以分别实现对P和Q的控制。

3.2.2 下垂特性

下垂特性是在功率传输特性的基础上,通过模拟传统发电机的下垂特性来实现并联的各个DG之间的功率控制。下垂控制利用分布式电源输出有功功率和频率呈线性关系而无功功率和电压幅值成线性关系的原理而进行控制,实现各并联分布式电源输出功率的合理分配,下垂特性曲线见图3。

由图3可以得到DG的下垂特性公式为:

式中:Kp、Kq为有功和无功的下垂系数,其计算公式为:

式中:Pmax为DG允许输出的最大有功功率;Pn为DG的额定输出功率;U0为DG输出额定功率下的输出电压;Umin为DG允许输出的最小电压;f0为电网的额定频率;fmin为DG允许输出的最小频率;Qmax为DG允许输出的最大无功功率。

当DG的有功功率输出过多时,下垂控制将通过减小电压幅值来减小有功输出,反之则增加输出;同样对于无功功率通过减小其频率,相应减小其功角,从而达到减小无功输出的目的[10]。

Droop控制器的电压电流双环控制模块与V/f控制一样,实现孤岛下电压频率的稳定输出。功率控制模块包括瞬时电压电流的测量、瞬时功率的计算、下垂控制模块。通过采集测量点处的瞬时电压和电流,计算出DG瞬时输出功率,并通过平均值计算模块(Mean Value)得到逆变器输出的平均功率。将得到的平均功率作为下垂控制模块的输入功率,根据下垂原理得到参考的输出功率值。同时通过电压电流双环控制得到输出电压的控制信号、。整个Droop控制完成输出电压频率及输出功率的控制。其控制框图如图4所示。

图4中,加入PI控制以增加稳定输出电压的精度,同时输入的有功P、无功Q必须满足功率输入的范围条件:0

4 综合控制下微网运行情况

3种控制方法的优点和局限性如下:1)P-Q控制的优点是控制简单,易于实现,但其仅仅适用于并网DG;2)V-f控制的优点是控制较为简单,但也仅仅适用单个组网DG在微网孤岛下使用;3) Droop控制是V/f控制的一个扩展。为了实现孤岛下多个组网DG的功率合理分配,同时保证微网正常的电压和频率水平,涉及到多个组网DG的协调控制。Droop下垂控制根据不同DG的下垂特性,在保证其发出稳定电压和频率的同时,根据不同DG的发电容量合理分配功率,从而有效利用各个DG,达到资源最大化利用的目的。通过以上分析对比,本文提出的微网运行的综合控制策略就是将这3者结合起来,使微网无论在并网还是孤岛下都能够稳定运行。

4.1 微网模型建立

建立含有4个DG的微网模型,DG类型采用直流源,结合3种控制方法的优缺点采用如下控制策略:DG1一直采用控制,使其在功率输出最大状态下工作;DG2为微网稳定支撑电源,在并网时,采用P-Q控制,输出功率为设定值,孤岛后转为V-f控制,首先保证稳定微网电压和频率,其次保证功率输出;DG3和DG4都采用Drop下垂控制,在已有稳定电源保证微网运行的前提下,实现其各自的功率分配功能。其模型如图5所示,具体参数见表1、表2。

4.2 微网状态转换仿真

微网0.5 s前并网运行,0.5 s后转为孤岛,运行至1 s时再次转为并网。对应的仿真结果如下:

由图6中的a和b可以看出,微网在状态转换时母线电压保持稳定,虽然孤岛下跌落到300 V左右,但在允许范围之内,并网处电流在重新并网时有冲击电流,但时间很短,0.1 s恢复到正常水平。由图7中的c和d看出,DG3和DG4由于采用Droop下垂控制,在微网由并网转为孤岛时都增大了功率的输出,同时DG3发电容量小,其输出功率增幅较小,DG4发电功率大,其输出功率增幅大,符合Droop控制对于功率分配的控制。无功功率的输出在孤岛时都有所增大,在重新并网后又恢复到正常水平。由图6中的e看出,DG1由于采用P-Q控制,在微网转换过程中,一直输出稳定的有功功率3 kW,无功功率输出为零,整个功率输出的状况符合P-Q控制的控制要求。由图6f中可看出微网状态转换过程中频率较稳定,孤岛时有所跌落,跌落幅度很小,重新并网时又恢复到正常水平。

4.3 负荷投切仿真

微网孤岛下运行,0.5 s切除负荷3,1 s时再投入负荷3,其仿真结果如下:

由图7 a中可看出,微网在负荷3投切前后电压稳定在250 V左右,负荷切除后电压稍高,微网运行稳定。由图8中的b和c看出DG3和DG4在负荷3投切过程中的输出功率的变化情况:在负荷3切除时,DG3和DG4都减小了输出功率,其中DG4由于发电容量大,相应的减小幅度就大,DG3则减小不多;负荷3再次投入时输出有功又恢复到原来的水平。无功输出也一样,负荷3的切除减小了DG3和DG4的无功输出,负荷3投入后无功输出恢复到原来水平。表明DG3和DG4符合Droop下垂控制输出功率分配的要求。由图7中的d和e看出DG2由于采用V-f控制,在负荷投切的过程中同样也有功率的增减,在负荷切除时DG2相应减小输出功率,负荷投入后又增加到原来的水平,说明DG2在V-f控制下为保证微网运行时电压和频率的稳定,相应作出输出功率的调整。由图7f中可看出,微网在负荷3投切过程中的频率变化很小,在负荷切除时频率有小的跌落,负荷投入后又回升到原来水平,整个过程在允许的50±0.2Hz范围内波动。

4.4 孤岛下DG切投仿真

在微网孤岛运行时0.5 s断开DG2,1 s时重新接入DG2,其仿真结果如下:

由图8中的a看出微网在DG2切投过程中电压水平较稳定,虽然有波动但幅度不大,0.5 s前微网电压为210V,DG切除后电压跌落至200 V左右,1s时DG2重新投入后又恢复到原来的电压值。由图9中的b和c看出DG3和DG4由于采用了Droop控制,在0.5 s DG2切除时为使微网维持电压平衡,DG3和DG4都增大了输出功率,又根据Droop控制要求,DG4功率增幅较DG3大。在1 s DG2重新投入时两者的功率输出也回到了原来的水平。同样的无功输出也呈现出相同的规律。由图9中的d看出微网在DG2投切过程中,频率一直保持在比较稳定的状态,但由于DG2的切除,中间存在幅度较小的跌落,1sDG2投入后又迅速回到原来的状态。整个仿真结果显示微网在DG2切投过程中运行良好。

5 结论

本文研究了微网运行的3种控制策略。对微网各种变动状况下的运行情况进行仿真。从仿真结果可以看出,3种控制方法都能在保证其控制效果的基础上,通过电网侧的调节和自身控制调节,使微网处于较为稳定的运行状态。在微网并网运行时,P-Q控制可保证DG输出最大功率值,保证发电效率,同时保证微网电压电流和频率都处于稳定的状态;在微网孤岛运行时,P-Q控制依旧使并网DG保持设定的功率输出,而组网DG通过V-f控制和Droop下垂控制来进行微网扰动时的调节,V-f控制通过调节单个组网DG的输出功率使微网孤岛时电压频率处于设定的稳定状态,而Droop下垂控制在保持微网电压和频率稳定的基础上,依据不同DG的下垂系数对DG进行功率分配,达到最佳资源利用的目的。通过对仿真结果的分析说明3种控制方法结合起来可解决微网遇到的各种扰动问题,使微网保持稳定运行的状态。

摘要：主要研究了微网运行的3种控制方法。根据功率型电源发电功率受环境影响的特点,在并网时对其采用P-Q控制;对主控型电源,在孤岛运行时对其采用V-f控制;同时对同种多个并联电源采用Droop下垂控制。综合3种方法建立一个比较理想的控制策略来实现最终的控制效果,并建立简单微网模型,在Matlab/Simulink环境下进行微网并网、孤岛状态转换、负荷切投等不同工况的仿真,验证控制策略的有效性。

关键词：分布式电源,P-Q控制,V-f控制,droop下垂控制

参考文献

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[9]王成山,肖朝霞.微网中分布式电源逆变器的多环反馈控制策略[J].电工技术学报,2009,24(2):100-106.

论智能微网相关技术 篇6

1 中国式智能电网

中国式智能电网应具备以下内涵:

(1) “坚强”是物质基础。电网作为现代生活的基础, 工业和信息化社会的脊柱, 保障电力安全是首要任务。 (2) “互动”是核心体现。互动化是信息化、自动化的综合体现, 在开放和互联的信息模式基础上分级化互动管理[1]。 (3) “智能”是技术支撑。智能技术覆盖了从特高压输变电网到智能配电网, 以及分布式发电、智能信息体系和通信体系等各个环节。

2 中国式微网

现有蒙东微网成熟运行, 运行原理图如下:

中国式微网应从实际国情出发, 应具备以下几点内涵:

(1) 大电网的有力补充:a.电网支撑;b.防震减灾;c.实现农村电气化。 (2) 提高能效、节能降耗:a.可再生能源利用;b.提高能效, 优化能源结构, 减少污染排放, 实现节能降耗的目标。

3 智能微网

3.1 智能微网的概念

本文认为智能微网即微网的智能化, 通过采用先进的电力技术、通信技术、计算机技术和控制技术在实现微网现有功能的基础上, 满足微网对未来电力、能源、环境和经济的更高发展需求。各信息类型及其说明如表1所示。

智能微网应当具备以下特点: (1) 真正实现自治, 提供高可靠性电能; (2) 满足用户多样化的需求; (3) 更有效利用分布式能源尤其是可再生能源; (4) 实现经济效益最大化; (5) 实现环境效益最大化[2]。

3.2 智能微网的关键技术

实现智能微网涉及众多技术领域, 本文主要从通信、传感与计量、能量管理、分析、设备等五个方面总结智能微网的关键技术。

3.2.1 集成的通信体系

智能微网集成通信体系至少满足以下要求: (1) 普遍性:所有潜在对象都能有机会参与; (2) 开放性:参与主体都能对等使用基础设施; (3) 标准化:所有通信技术基于统一技术标准; (4) 安全性:能抵御外来攻击, 保障信息安全; (5) 扩展性:通信设施具有足够的带宽来支持未来的需要。

3.2.2 高级传感与计量技术

高级传感技术是微网智能化技术的重要组成部分, 再加上高级量测体系 (AMI) , 未来智能微网高级计量技术能够实现: (1) 高级读表; (2) 实时定价和实时计费; (3) 根据实时电价信息进行负荷调节, 控制负荷开关的自动连接/断开; (4) 即时为电力消费者和供应者提供电力消费信息; (5) 远程电能质量的监测和控制; (6) 远程设备性能监测和诊断; (7) 电能损耗监测; (8) 提供更高一级的电力服务 (如电网运行信息、计划用电方案、停电信息等) , 与用户实现信息共享。

3.2.3 高级能量管理

高级能量管理是智能微网的核心组成部分, 未来高级能量管理能够在如下方面进行完善: (1) 发展高级控制策略, 协调用户控制系统; (2) 基于实时电价的快速需求侧响应; (3) 完善监测系统, 包括智能预警和市场信息; (4) 完善数据采集和处理技术; (5) 快速故障定位、隔离和服务恢复技术; (6) 网络重构和保护技术; (7) 综合考虑环境效益、经济效益的调度决策技术; (8) 决策可视化技术。

3.2.4 高级分析技术

高级分析技术是高级能量管理的功能化, 是实现智能微网自治运行的工具, 包括系统性能监测与模拟, 测量分析系统, 综合预测系统, 实时潮流分析和市场模拟系统。

(1) 系统性能监测与模拟。 (2) 测量分析系统。 (3) 综合预测系统。 (4) 实时潮流分析[3]。

3.2.5 先进设备技术

(1) 高级电力电子技术。体现在:a.分布式电源和储能的并网接口;b.提供本地电源控制和保护。 (2) 超导电力技术。可以降低输电损耗, 减少占地, 降低电磁污染, 从而为微网的高效运行提供保障。 (3) 新型储能技术。储能技术是微网实现自治的重要部分, 按照能量转化形态可分为物理、电磁、电化学和相变储能四种类型。

结语

智能微网通过将先进的信息技术、控制技术与电力技术相融合, 不仅能够提供更高的电力可靠性、满足用户多种需求, 还能实现能源效益、经济效益和环境效益的最大化, 是未来智能配电网新的组织形式。

摘要：通过智能电网和微网的关联, 阐述了中国智能微网的发展, 并分析了智能微网建设过程中需要解决的关键技术问题。

关键词：智能微网,智能电网,互动,高级能量管理,高级量测体系

参考文献

[1]何朝阳.含微网的电力系统优化运行与稳定控制相关问题研究[D].武汉:华中科技大学, 2008.

[2]王成山, 肖朝霞, 首相.微网综合控制与分析[J].电力系统自动化, 2008, 32 (7) :982107.

光伏发电微网控制策略分析 篇7

1 光伏发电技术概述

随着人们环保意识的不断增强, 节能环保的能源产业发展已成为电力能源发展的必由之路。光伏发电具有便捷、节能、无污染、环保等优点, 光伏发电技术能够有效的提高能源的供给, 是电力技术发展的重要技术。因此, 光伏发电在电力行业中被广泛的应用。

光伏发电技术在电网的应用中也存在一定的缺陷, 在电网运行中, 光伏发电技术容易影响电网供电的稳定性。同时, 光伏发电的影响因素较多, 诸如温度、光照强度等都会影响光伏发电的稳定性和供电效率。

光伏发电技术在微网的应用中, 通过电力电子接口接入, 因此, 在电力供给过程中存在负荷波动。由于负荷波动的影响, 导致整个电力系统的电压和电频都会发生变化, 最终影响供电量。因此, 只有加强光伏发电技术的研究, 才能保证电力输送的稳定, 才能提高光伏发电技术的广泛应用。

2 光伏发电应用中存在的问题

光伏发电具有非线性系统的特点, 并且光伏发电系统在发电过程中具有随机性和间断性的特点。通过采用光伏发电技术, 能够将太阳能直接转化为电能, 其中, 光伏电池是能量转化的核心元件。

光伏电池受温度、光照强度等外界因素影响较大, 外界因素直接影响光伏电池的发电效率。太阳光照强度受阴雨天的影响较大, 在光照强度变弱的情况下, 光伏电池的发电效率也会随之降低, 从而影响光伏电池的供电频率及电压。在光照强度变化较剧烈的条件下, 光伏电池的发电功率的变化愈加频繁, 影响电力系统的稳定性, 甚至电力系统会发生断电。与此同时, 光伏发电供电频率和电压的变化会引起保护器的启动, 造成电力系统中的电流谐波增加。

光伏电池属于逆变电源, 所以光伏电池在能量转化过程中无法保证供电频率和电压的稳定, 因此, 光伏发电技术容易影响电网供电的稳定性, 从而降低供电质量。为保障供电系统的稳定性, 在光伏电池和微网中添加蓄电池, 这样就可以利用光伏电池为蓄电池充电, 当光伏电池受外界因素 (光照强度) 的影响时, 蓄电池可为电力系统提供电能补偿, 保证电力系统的稳定。

目前, 光伏发电在我国电力系统的应用中采用分布式光伏发电机, 但是该发电机受光照强度影响较大, 因此, 在整个光伏发电系统中通过添加蓄电池, 能够有效的提高电力系统的稳定性。

3 光伏发电微网控制策略分析

在光伏发电系统中, 采用同步发电机能够有效的提高光伏发电微网的有效性。相比于大规模电网, 微网的供电量非常小, 采用分布式电源, 而且设备简单, 操作易行, 易于控制。由于分布式发电机组的电容量低, 在整个电网中需要多条分布式机组共同发电, 才能满足电力系统的供电需求, 但是电力系统中的发电机组的增多会提高整个系统操作的复杂性。

在光伏发电系统中, 发电机组的能量源自对太阳光, 安全环保, 但是由于气候和天气的影响, 促使光伏发电系统接收到的光照强度不稳定, 所以整个电力系统的稳定性差。同时, 分布式电源电抗能力低, 系统容易发生瘫痪。因此, 可以对分布式电源进行改造, 改造依据为同步发电机组的调频调压方法, 因此, 在整个光伏发电系统中, 加入同步发电机的算法和相应的控制器, 能够保证电力系统的输电稳定性。

光伏发电微网控制采用三相逆变电路, 而三相逆变电路的设计主要是基于二阶机电暂态模型, 因此, 三相逆变电路不仅能够提高光伏发电转子特性, 同时还能够有效的模拟定子特性。在光伏发电系统中, 电流和电压互感器能够对系统中的电流和电压进行检测, 同时, 能对检测信息进行实时反馈, 然后通过功频和励磁控制器对信息进行分析和处理, 并对相关参数进行纠正和调整, 从而保证逆变器的平衡, 确保电力系统的稳定。但是, 在电力系统中, 滤波器仅仅对高频率波段进行过滤, 而对于基波无法进行处理。

因此, 在光伏发电系统中, 采用虚拟同步发电机不仅能保证电力系统电能输出的稳定, 而且还能够有效保证电力系统的供电质量, 从而避免光伏发电对微网系统稳定性的影响, 提高微网供电的质量和其稳定性。

随着科技的发展, 促进了光伏技术和微网的快速发展, 在光伏技术应用过程中, 采用分布式光伏电组能够保证电力系统的稳定性和有效性, 提高电力系统的供电质量。因此, 电力企业应该加强对分布式光伏发电技术中, 并将其进行推广和应用。

技术创新带动了光伏技术和微网技术的发展, 同时, 也提高了分布式光伏发电装置的应用范围和性能。但是, 通过对光伏技术微电网的实际应用现状的分析, 目前, 光伏技术供电不稳定, 而且容易受到外界因素 (光照强度、温度等) 影响, 干扰电力系统的供电质量, 从而制约了光伏技术的应用。因此, 通过同步发电机组在光伏发电中的应用, 能够稳定光伏发电系统的稳定性, 提高发电系统的供电质量。相信在不久的将来, 光伏发电将会被电力系统广泛的应用, 只有这样, 电力系统的供电量才能满足大众日益增长的电能需求。

参考文献

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[2]金崇勇.光伏发电微网控制策略分析[J].企业导报, 2016 (12) :64.