分布式发电与微网3_天津大学王成山

电气与自动化工程学院· 浙江省舟山东福山岛风光柴海水淡化 综合系统工程 东福山是舟山群岛最东端住人岛 ——东海第一哨 现状： 居民 用电困难 ，驻军的柴油发电 费用 昂贵 。 用水 主要靠从舟山本岛运水和 雨水净化 。 目标： 建设一套 清洁能源发电系统 ，依靠柴 油机和 海水淡化 对发电系统负荷进行 调节，为当地居民提供清洁的电力资 源和淡水资源。 电气与自动化工程学院· 风电 210kW-7*30kW 光伏 100kW 铅酸蓄电池 2*240节 单体 2V/1000Ah 柴油发电机 200kW 海水淡化 24kW 光储一体逆变器 300kW 系统容量 浙江省舟山东福山岛风光柴海水淡化 综合系统工程 目前正在进行基础建设，预计完成日期2011年06月 创新性工作：能量优化、综合监控 DC_BUS 光伏阵列 1 能量流动方向 Switch1 本地日 常负荷 I_pv1 I_diesel I_load1 风机 1出力 I_wind1 柴油发电机 DC/DC AC/DC/AC 风机 2出力 I_wind2 AC/DC/AC 光伏阵列 2 DCDC I_pv2 海水淡化 Switch2 I_load2 I_line DC/AC AC_BUS 蓄电池组 2 DC/DC 蓄电池组 1 DC/DC I_battery1 I_battery2 10kV 210kW风电 -7*30 100kW光伏 铅酸蓄电池 2V/1200Ah 480节 200kW 柴油发电机 24kW海水淡化系统 300kW光储一体化逆变器 系统容量 东福山岛工程是具有典型代表性的独立分布式能源微 网系统示范工程。其中，重点研究多种能源的运行 模式、相互影响与协调控制技术等涉及到独立微网 安全稳定运行的关键问题。 电气与自动化工程学院· 蓄电池寿命 充放电循环次数 柴油发电机寿命 启停次数 风机寿命 启停次数 海水淡化经济性 何时启动 高级应用策略设计 主站系统特点 综合考虑各种运行条件的限制，制定的控制策略能够 使孤岛系统安全、稳定、经济运行 楼顶风力发电机组 楼顶光伏电池阵列 铅酸蓄电池储能系统 储能、光伏逆变柜 南京供电公司科技咨询楼智能化风 /光 /储微网项目 南京供电公司科技咨询楼智能化风光储微网项目 本项目开展了多种分布式电源并网运行时的协调优化控制技 术研究，通过电池储能系统的充放电控制，有效地抑制了由 于光照强度、风力等自然因素所引起的可再生能源输出功率 的波动，推动了可再生能源技术的发展。 微网系统容量 光伏系统 50kW 电池储能 300Ah、500V 风电机组1 7kW 风电机组2 8kW 蓄电池组 DC/AC 0.4kV AC_BUS DC/AC 能量流动方向 照明负荷 风电机组 1 风电机组 2 AC/DC/AC AC/DC/AC 并网开关光伏阵列 电气与自动化工程学院· 南京供电公司科技咨询楼智能化风 /光 /储微网项目 电气与自动化工程学院· 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 10:18:40 10:22:00 10:25:20 10:28:40 10:32:00 10:35:20 10:38:40 10:42:00 10:45:20 10:48:40 10:52:00 10:55:20 10:58:40 11:02:00 11:05:20 11:08:40 11:12:00 11:15:20 11:18:40 11:22:00 11:25:20 11:28:40 11:32:00 11:35:20 11:38:40 11:42:00 11:45:20 11:48:40 联络线功率 电池输出功率 光伏发电功率 初始时定为 16kw，之后分别为 25kw， 18kw， 25kw， 30kw；光伏发电功率 10~27kw之间变化 联络线功率控制 电气与自动化工程学院· -30.00 -20.00 -10.00 0.00 10.00 20.00 30.00 11:35:10 11:51:50 12:08:30 12:25:10 12:41:50 12:58:30 13:15:10 13:31:50 13:48:30 14:05:10 14:21:50 14:38:30 14:55:10 15:11:50 15:28:30 15:45:10 16:01:50 16:18:30 16:35:10 联络线功率 电池输出功率 光伏输出功率 实验持续时间为 11:35:10~16:35:10。期间通讯出了点状况 ，有两段时间没有数据更新导致联络线功出现了波动。 基于滤波的联络线平滑功率控制 电气与自动化工程学院· 61850的探索 天津大学微网与智能电网实验室建设 天津大学微网与智能电网实验系统 标准算例设计 DG1 S9-M-400/10,Dyn11 10/0.4kV,50Hz,400kVA uk=4%,rk=1% 10m LJ-95 Smax=6/5/7kVA Smin=2.5/2/3kVA P.f.=0.92 Smax=14/19/12kVA Smin=6/14/5kVA P.f.=0.85 Smax=0/0/28kVA Smin=0/0/15kVA P.f.=0.89 Smax=16/0/0kVA Smin=7.5/0/0kVA P.f.=0.94 3 LJ-35 15m Smax=0/10/0kVA Smin=0/4/0kVA P.f.=0.91 Smax=15/0/0kVA Smin=8/0/0kVA P.f.=0.94 Smax=9/9/9kVA Smin=5/5/5kVA P.f.=0.88 LJ-35 20m LJ-70 LJ-35 20m LJ-35 10m LJ-70 LJ-50 15m LJ-70 LJ-50 20m LJ-50 15m L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 S1 S2 DG5 DG3 2 DG2 1 DG4 中压微网 低压微网  中压微网（10kV） • 采用模块化形式设计，包含三个相同的子网 • 每个子网既可单独形成微网，也可组合成不同微网  低压微网（400V） • 可接入多个分布式电源以及储能设备 • 负荷采用单相，三相不对称负荷等多种不对称形式 • 主馈线上设置两个联络开关，可组合成多个微网 设计了中低压微网测试系统，以综合检验 稳定性仿真程序的仿真结果。 节点 分布式电源 控制方式 电机侧 变频器 网侧 变频器 中压子网 1_B2节 点 直驱风力发电系统 PQ&&MPPT Vdc_Q 中压子网 2_B2节 点 直驱风力发电系统 PQ&&MPPT Vdc_Q 中压子网 3_B2节 点 直驱风力发电系统 PQ&&MPPT Vdc_Q 低压子网 DG1 燃料电池发电系统 恒 PQ控制 低压子网 DG2 光伏发电系统 Vdc_Q&&最大功率跟踪 低压子网储能 1 蓄电池发电系统 下垂控制 低压子网 DG3 光伏发电系统 Vdc_Q&&最大功率跟踪 低压子网储能 2 蓄电池发电系统 下垂控制  暂态仿真程序框架  状态变量分析 -难于实现，速度慢  节点分析 -易于实现，不灵活  联立求解 -计算精度  梯形积分 -数值稳定性  定步长 -计算速度  模型数学本质  代数方程 -直接法  微分方程 -差分化  非线性方程（组） -局部迭代、牛顿法  分布式发电系统的挑战  系统刚性，强非线性  多时间尺度、多速率特性  大量电力电子器件，控制环节多样 开发了暂态仿真程序：TSDG （ Transient Simulator for Distributed Generation ） 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 x 10 4 t / s P MT / W MATLAB TSDG 8 8.02 8.04 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 x 10 4 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 0.966 0.9665 0.967 0.9675 0.968 0.9685 0.969 0.9695 0.97 0.9705 0.971 t / s r ot or s peed / r ad/ s MATLAB TSDG 8 8.02 8.04 0.9695 0.9696 0.9696 0.9697 0.9697 燃料电池发电系统 端口电压/输出有功功率 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 218 220 222 224 226 228 230 t / s V FC / V MATLAB TSDG 7.99 7.995 8 8.005 8.01 219.6 219.8 220 220.2 220.4 220.6 220.8 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 x 10 4 t / s P FC / W MATLAB TSDG 7.99 7.995 8 8.005 8.01 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 x 10 4 欧盟 Benchmark低压微网系统仿真验证 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 x 10 4 t / s P PV / W MATLAB TSDG 7.99 7.995 8 8.005 8.01 -2000 -1000 0 1000 2000 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 340 345 350 355 360 365 370 375 380 t / s V PV / V MATLAB TSDG 7.99 7.995 8 8.005 8.01 352 354 356 358 360 对于含多种分布式电源，在不同运行方式下，采用多种控制方式的复杂微网算例， TSDG和 SimPowerSystems的仿真结果是一致的，验证了 TSDG的算法的正确性和有效性，仿真结果表明 TSDG具有良好的数值稳定性和仿真精度。 光伏电池发电系统 端口电压/输出有功功率 微型燃气轮机发电系统 电机转速/输出有功功率 并网结构决定了分布式发电系统的稳定性仿真具有以下典型特征： 不计及电力电子的开关动作特性及网络电磁过程，可分析高渗透率下系统的稳定性 各元件时间常数差异较大，宜采用数值稳定性高的隐式算法克服刚性问题。 中低压配网中网络参数不平衡、负荷不平衡显著，需对三相不平衡进行精细建模。 开发了稳定性仿真程序：SSDG （ Stability Simulator for Distributed Generation ） 仿真性能验证 0 10 20 30 40 50 60 0 50 100 150 200 250 300 350 400 m P es (k W ) — 异步风机 10 time(sec) m_Pes---SSDG_显示积分 m_Pes---SSDG_隐式积分 m_Pes---SSDG_混合积分 m_Pes---DIgSILENT 风速阶跃 异步风机 有功功率 仿 真 时 间 步 长 显式 求解 隐式 求解 混合 求解 60s 1m s 6.672 s 8.844 s 7.828 s 9m s 不稳 定 3.266 s 1.594 s 联网运行模式 仿 真 时 间 步长 显式 求解 隐式 求解 混合 求解 10s 1ms 1.141 s 1.703 s 1.31 3 s 9ms 不稳 定 0.500 s 0.29 7 s 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 m P es ( k W ) — 储能 time(sec) m_Pes---SSDG_显示积分 m_Pes---SSDG_隐式积分 m_Pes---SSDG_混合积分 m_Pes---DIgSILENT 孤岛运行 储能有功功率 孤岛运行模式  SSDG三种算法仿真结果与DIgSILENT结果一致；  大步长下显隐混合算法保证稳定的前提下，大大提高了计算速度 对显式积分算法，隐式积分算法及显隐混合算法性能测试结果 进行了不同逆变型分布式电源在不同控制策 略情况时的故障暂态特性研究。 提出了分别基于点、线和面信息的保 护新原理。 in P out P out V in P out P out V 光伏、燃料电池发电系统 风力发电系统 分析并得到了不同控制方式下（恒压恒频、恒功率） 逆变型电源在不同的故障类型下的电压和电流特征 及表达式。  提出分区纵联保护与传统定时限 保护的配合方案 根据系统当前运行方式和微电源出力 自适应地调整定值，改善保护性能。 配置方向纵联保护 微网保护方面 含微网配电系统自适应电流速断保护 根据系统当前运行方式和微电源的出力情 况自适应地调整定值，改善保护性能。 含微网配电系统的快速电流保护方案 在不改变配电系统原有断路器配置的前提 下较快速地将故障线路从两端切除。 保护装置的硬件平台 整体设计结构 电气与自动化工程学院· 30kVA双级式功率变换器   30kVA系统主电路结构 1 S 1 D 2 S 2 D bat U dc U C L     L i DC/DC 1 D 2 S c U dc UC L     L i BOOST c U dc UC L     L i 1 S 2 D BUCK 电气与自动化工程学院· 并网运行模式 DC/AC控制原理 E  V I  u  u  i  i    dq abc  Polar d u  d i q i + - - + + + + + - d Li q Li d e q e dr u qr u + - 并网运行时系统能量流动 电气与自动化工程学院· 独立运行模式 直流母线电压控制（ DC/DC控制原理） 独立运行时系统能量流动 蓄电池组 光伏阵列 DC/DC DC/DC DCDC DC/AC 负荷 光伏阵列 光伏出力大于系统输出功率时 光伏出力小于于系统输出功率时 750V 直流母线 220/380V光伏出力 Kp+Ki/S+ - Uref Udc t(s) Tsoft Uref iref Kp+Ki/S 1)iref=0,S2 PWM导通 2)iref 0,S1 PWM导通 PWM + - iL Ton 1 S 1 D 2 S 2 D 双向 DC/DC变换器 bat U dc U C L     L i + 电气与自动化工程学院· 独立运行模式 DC/AC控制原理（电压有效值闭环控制）   dt     DC/AC控制原理（电压电流双环控制） 电气与自动化工程学院· 并网运行实验 蓄电池支路输出功率（ top）、蓄电池端电压（ middle） 及直流母线电压波形 (bottom) 1）蓄电池支路并网恒功率放电（ 5~10kw突变） 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 5 10 po w er / k W 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 420 440 460 v o l t ag e / V 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 740 750 760 770 time / s v o l t ag e / V 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 -20 -10 0 10 20 c u rre n t / A 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 -500 0 500 time / s v o l t ag e / V 交流侧 A相电流（ top）、 AB线电压波形（ bottom） 电气与自动化工程学院· 并网运行实验 蓄电池支路输出功率（ top）、蓄电池端电压（ middle） 及直流母线电压波形 (bottom) 2）蓄电池支路并网恒电流充电（ 5~10A突变） 交流侧 A相电流（ top）、 AB线电压波形（ bottom） 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 -10 -5 0 c u r r e n t / A 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 460 480 500 v o l t ag e / V 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 740 750 760 770 time / s v o l t ag e / V 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 -10 -5 0 5 10 c u rre n t / A 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 -500 0 500 time / s v ol t age / V 电气与自动化工程学院· 独立运行实验 蓄电池支路输出功率（ top）、蓄电池端电压（ middle） 及直流母线电压波形 (bottom) 1）直流侧仅接蓄电池支路（ t=0.25s时刻，交流侧负荷突然 2kW突增至 7kW左右 ） 交流侧 A相电流（ top）、 AB线电压波形（ bottom） 0.1 0.6 1.1 1.6 2.1 2.6 0 20 c ur r ent / A 0.1 0.6 1.1 1.6 2.1 2.6 420 440 460 v ol t a ge / V 0.1 0.6 1.1 1.6 2.1 2.6 650 700 750 time / s v ol t a ge / V 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 -20 -10 0 10 20 cur r ent / A 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 -500 0 500 time / s vo l t age / V 电气与自动化工程学院· 独立运行实验 蓄电池支路输出功率（ top）、蓄电池端电压（ middle） 及直流母线电压波形 (bottom) 2）直流侧仅接蓄电池支路（ t=0.5s时刻，交流侧负荷突然 8kW突减至 4kW左右 ） 交流侧 A相电流（ top）、 AB线电压波形（ bottom） 0.1 0.6 1.1 1.6 0 20 c ur r ent / A 0.1 0.6 1.1 1.6 420 440 460 v ol t ag e / V 0.1 0.6 1.1 1.6 740 760 780 800 820 840 time / s v ol t age / V 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 -20 -10 0 10 20 cur r e nt / A 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 -500 0 500 time / s v o l t age / V 电气与自动化工程学院· 独立运行实验 蓄电池支路输出功率（ top）、蓄电池端电压（ middle） 及 直流母线电压波形 (bottom) 3）光伏、蓄电池混合独立供电（ t=0.2时刻，启动光伏 ） 光伏输出电流（ top）、 光伏电池端电压波形（ bottom） 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 -5 0 5 10 15 c u rre n t / A 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 440 450 460 v ol t age / V 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 700 750 800 time / s v ol t age / V 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 0 5 10 c u rre n t / A 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 420 440 460 480 500 time / s v o l t age / V 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -10 -5 0 5 10 c ur r ent / A 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 -500 500 time / s v ol t ag e / V 电气与自动化工程学院· 1）双级式功率变换器的前后两级功率交换通过直流母线电容解 耦，因此直流母线电压控制实际上就是维持前后两级功率平衡， 两端功率变化会导致直流母线电容电压的变化。 2）实际运行中，直流母线电压配有速断和一段保护，速断是指 当直流母线电压高于某一定值U1时，保护马上动作；一段保护是 指当直流母线电压高于某一设定值U2（ U2 U1）时，经过一段 延时才动作。 3）负荷的突变、光伏的投切等使得运行特性发生变化，为了保 证系统能稳定运行，就需要保证直流母线电压保护不动作，也就 需要能快速控制直流母线电压。因此前后两级控制参数的选择对 直流母线电压控制影响非常重要。 电气与自动化工程学院· 控制模式切换时，在电流控制方程 中加入相关控制补偿项，且记忆切 换前同步旋转坐标系中 d轴相角，称 为无缝切换补偿控制算法。该算法 中加入补偿控制项，能抑制逆变器 实际输出电流在切换初始时出现的 不正常下降过程 ，快速恢复交流母 线电压；通过记忆 d轴相位，保证逆 变器出口电压相位不突变，能避免 模式快速切换过程中易出现的过压 或过流现象。 双模式无缝切换 Cbus Lfa Cd 220/380Vac Lfb Ua Ub Uc Rd GRIDSTS 六路 PWM信号 主电源 逆变器出口三相 电压电流测量 电网电压、并 网电流测量 静态开关切换控 制信号 E  V  I  u  u  i  i    dq abc  d u d i q i d Li q Li d e q e dq q u q u    d u U 