微电网运行与控制技术

微电网运行与控制技术 陈磊 博士后、讲师 微电网的基本结构及在大电网中的作用 微型电源工作原理和控制 微电网运行方式及有功无功功率控制 微电网中的继电保护 1 微电网的基本结构及在大电网中的作用 微型电源工作原理和控制 微电网运行方式及有功无功功率控制 微电网中的继电保护 2 一、微电网的基本结构 及在大电网中的作用 3  微电网为负荷和微型电源的集合，并作为一个单一的系统同时提供电能和热能。大多 数微型电源必须基于电力电子接口技术，从而提供所需的灵活性，保证其控制运行能 够作为单一的集成系统。  每个微型电源可实现即插即用，并满足本地用户的需要，包括本地可靠性和安全的需 要。  微电网结构中应考虑的关键问题： * 微型电源的接口、控制和保护技术等； * 微电网的电压控制、潮流控制、孤岛运行时的负荷分配、保护、稳定性以及总体的 运行等方面的问题； * 微电网与大电网的并列操作以及能否平滑地进入孤岛运行或离开孤岛运行状态。 一、微电网的基本结构 及在大电网中的作用 4  微电网作为分布式电源接入电 网的一种组织形式具有积极作 用。  实现多类型分布式电源的协调 控制  提高供电可靠性、满足特定用 户的供电服务要求  减小高渗透率分布式电源简单 并网对电网的不利影响 一、微电网的基本结构 及在大电网中的作用 5  微电网的基本结构示意图 电能管理 馈线 A 区域 1 区域 2 区域 3 区域 4 馈线 B 区域 5 区域 6 热力 负荷 馈线 C 区域 7 PCC SD 传统负荷 敏感负荷 分布式电源 功率和电压控制 公共耦合点 ( P CC ) 断路器 分段设备 一、微电网的基本结构 及在大电网中的作用 6  微电网的结构  微电网中存在着多种能源输入（风、光、氢、天然气等），多种能源 输出（电、热、冷），多种能源转换单元（光 /电、热 /电、风 /电、交 流 /直流 /交流）以及多种运行状态（并网、离网）使得微电网的动态 特性相对于单个的分布式发电系统而言更加复杂  除了各分布式发电单元的动态特性外，网络结构与网络类型（直流微 电网或交流微电网）也将在一定程度上影响着微电网的动态特性。 一、微电网的基本结构 及在大电网中的作用 7  美国提出的微电网结构  微电网的基本结构中有 A、 B、 C三 条馈线，其中 A、 C馈线中含有重要 负荷，安装有多个 DG，馈线 B上为 非重要负荷。当外界大电网出现故 障停电或其电能质量不能满足负荷 要求时，微电网可能质量不能满足 负荷要求时，微电网可以通过主隔 离开关切断与大电网之间的联系， 进入离网运行状态。此时微电网内 的负荷全部由 DG供电  馈线 B通过公共母线得到电能正常运 行。如果分布式电源电量不能满足 需求，可以断开馈线 B停止对非重要 负荷供电，保证对重要负荷的供电 要求。当故障解除之后，主隔离开 关重新合上，微电网重新恢复和主 电网同步运行。 一、微电网的基本结构 及在大电网中的作用 8  欧洲微电网的典型结构  微电网通过位于中压 /低压变电站的 微网中央控制器 (MGCC)进行管理和 控制， MGCC具有经济性管理和控 制等功能，位于分层控制系统之首 。  在系统的第二层，控制器位于负荷 侧 (负荷控制器， LC)或分布式电源 侧 (微电源控制器， MC )，它们之间 通过 MGCC交换信息，而 MGCC通 过设定 LC和 MC的参考点控制微网的 运行。 LC控制负荷中断，包括紧急 状态切负荷等 ;MC则控制每个分布式 电源的有功和无功出力。 一、微电网的基本结构 及在大电网中的作用 9  针对于微电网特定的结构形式，微电网应该具有下述三个功能： （ 1）微型电源控制器：微型电源装配的功率和电压控制器可以提 供对系统扰动和负荷变化等的快速响应 （ 2）电能管理系统：通过为每个微型电源控制器设置功率和电压 实现运行控制，该功能的时间响应为分钟数量级 （ 3）保护：微电网中具有电力电子接口的电源的保护需要采用专 门的保护装置。 一、微电网的基本结构 及在大电网中的作用 10  微电网的基本运行取决于微型电源控制器的如下功能： （ 1）当馈线上负荷的工作点变化时调节馈线的潮流 （ 2）当系统中的负荷变化时调节每个微型电源接口处的电压以及当系统处于孤岛运行 状态时，确保每个微型电源迅速承担其所分配的负荷 （ 3）系统能够平滑地转换到孤岛运行状态和自动地重新并入大电网。  电能管理系统通过为每个微型电源控制设置功率和电压的参考值来调节微电网的运行 状态，设定原则为： （ 1）确保微型电源为负荷提供所需的热能和电能，保证微电网满足大电网的运行规约 （ 2）微型电源的排放和系统的损耗达到最小，使微型电源的运行效率达到最大等 一、微电网的基本结构 及在大电网中的作用 11  微电网中的继电保护必须同时能够响应大电网和微电网的故障。  对于大电网的故障，所需响应可能是为了保护微电网中非常重要的负荷，应该迅速地 将这些负荷与大电网隔离开来。 （ 1）微电网与大电网解列的速度取决于微电网中特定的负荷 （ 2）在某些情况下，悬垂补偿可用来保护关键的负荷而不需要将微电网与配电系统解 列开来  倘若故障发生在可运行于孤岛状态的微电网内部，则所需的保护是将馈线中最少可能 的线路断开，从而消除故障影响。 在微电网基本结构图中，区域 4的故障可在最近的功率 /电压控制装置中通过差动电流 测量法检测出来，使得邻近的断路器将故障隔离开，从而使得微电网中其它部分受到 的干扰达到最小。 一、微电网的基本结构 及在大电网中的作用 12  微电网监控系统体系结构解析  两层微电网监控系统通信主要存在于 MEMS（微电网能量管理系统）与就地控制器之 间。 MEMS的前置机可直接接入以太网或通过终端服务器接入 RS485/232，就地控 制器如采用 CAN等其他通信方式，需转换为以太网后接入 MEMS前置机。 一、微电网的基本结构 及在大电网中的作用 13  微电网就地控制器（ LC）  微电网就地控制器由所有针对负荷和线路的测控保护设备和分布式电源控制器组成，具体包括 负荷控制器、 DG控制器、储能控制器，在微电网离网运行时，微电网就地控制器还将包括主电 源控制器。  DG控制器：实时监测 DER接口装置运行信息，包括输入电压、电流、频率（可选），输出电压 、电流、频率，工作温度，输出有功功率，无功功率，功率因数，装置效率等，就地控制器按 时上送设备运行信息微电网协调控制器。由于 DER出力具有时变性，不可预知性和不对称性， 因此 DG运行状态有 3种：最大功率输出，限功率输出和退出运行。  储能控制器：储能控制单元与 DG控制器相似，按时收集储能装置运行信息，上送至微电网协调 控制器，同时接受协调控制器的调度，转换当前运行方式  负荷控制器：按重要等级可分为敏感负荷、可控负荷、可切负荷，在微电网并网运行时，全部 负荷投入运行；在微电网离网运行，微电网优先保证敏感负荷供电，安排可控负荷有序投入， 可切负荷退出运行。 一、微电网的基本结构 及在大电网中的作用 14  微电网监控系统硬件结构  微电网监控系统硬件结构一般包括数据采集服务器、 SCADA服务器、监控工作站、维护工作站 、 WEB服务器以及相关 UPS电源、网络交换通信设备、对时设备组成。一般运行 Unix/Linux混 合操作系统或 Linux操作系统，采用商用数据库系统。关键设备，如 SCADA服务器、工作站、前 置服务器采用冗余配置。 一、微电网的基本结构 及在大电网中的作用 15  微电网在大电网中的作用  微电网不是通过控制负载，调节其负荷曲线来满足电力系统的要求，而是同时控制发 电和负载，满足微电网中用户尽可能经济的目标，并有可能实现不间断供电的要求。  微电网与大电网的动态作用 随着分布式发电越来越普及，它们将更明显地影响电力系统的稳定性： （ 1）分布式发电与电力系统之间不良的动态相互作用可能引起关键的、重负荷的输电 线路跳闸、中断不同区域间的电能输送。 （ 2）如果设计微电网时，考虑它们与输电系统之间的动态影响，则可增强输电线路的 稳定性，并可使得输电线路的上限输送功率增加。 微电网的基本结构及在大电网中的作用 微型电源工作原理和控制 微电网运行方式及有功无功功率控制 微电网中的继电保护 16 二、微型电源工作原理和控制 17  微型涡轮发电机的建模和仿真  如果不考虑微型涡轮发电机组的容量大小，则它们的基本运行原理相同，即将某种形 式的机械能转换为电能。  大容量的蒸汽涡轮发动机和大型的同步发动机基本的运行和控制原理可总结如下： （ 1）系统稳定运行时，进入涡轮发动机的蒸汽流量所对应的功率等于发电机所输出的 电功率，发电机和涡轮发动机的转速同步，发电机所输出的正弦电信号与电网信号相 位相同。 （ 2）在负荷的暂态响应期间，负荷所需能量首先来自于大型涡轮发动机和发电机转子 的转速变化。涡轮发动机的转速控制系统将检测出转速的变化，并调节蒸汽流量，使 得其转速达到设定的数值。 二、微型电源工作原理和控制 18  微型涡轮发电机组的基本工作原理解析  稳态工作时，进入涡轮的天然气和空气的燃烧所获得的能量与发电机输出电能相等； 在负荷暂态响应期间，所需的功率也可首先从微型涡轮发动机转子的转速变化获得， 并调节输入到微型涡轮发动机的燃料流量，使发动机的转速达到设定数值。微型涡轮 发动机的转速需要迅速调节，保证发电机能够正常运行，并跟随负荷的变化。  微型涡轮发电机和电力电子接口电路的方框图 微型涡轮 发电机组 ～ 整流器 逆变器 三相 380V  逆变器采用电压源逆变器，可采 用 PWM控制、矢量控制或其它类 型的控制方式。 二、微型电源工作原理和控制 19  微型涡轮发电机组的建模与仿真 tKu eevll  s in 2pme   dc se lldc I Luu    323  dcmxmedc IKKu    ve KK 3 2 3 s x pLK  L s + L s L s C dc u dc - 二、微型电源工作原理和控制 20  微型涡轮发电机组的建模与仿真  发电机的转速模型 二、微型电源工作原理和控制 21  微型涡轮发电机组的建模与仿真  当负荷阶跃变化时，转速和直流侧电压的调整具有一定的超调量，这样的响应是由该 模型的特性所决定的，若采用理想模型，可控制超调量的大小。 二、微型电源工作原理和控制 22  燃料电池系统的建模  燃料电池通过氢和氧的电化学反应将氢或含氢燃料直接转换成电能，热能和水。  电池电动势的瞬时值 E可由纳斯特定律得到 ： 氢气的提取 气- 水转换 222 HCOOHCO  燃料处理器 电池 阳极  e氧化 电解质 阴极 e 浓缩e 空气 阳极排出气体            0 2/100 2 22lo g OH OH r x xxfEE 二、微型电源工作原理和控制 23  燃料电池系统的建模  并网运行燃料电池系统原理图  采用了双环控制系统以调节输 出的交流电压和功率。  电压控制器通过改变逆变器的 调制度来调节系统与电网接口 的母线电压 VT，实现无功功率 的控制。  燃料控制器为燃料电池提供恒 定的燃料输入，其响应速度很 慢，但是通过调节逆变器的功 率角，系统可对较小的瞬时功 率调节做出连续的反应。 二、微型电源工作原理和控制 24  并网运行燃料电池系统的单相等效电路  燃料电池系统的功率特性对电池电阻和交流系统阻抗之间的比值比较敏感。  最大功率受燃料电池内部参数限制，与电网的接口无关 , FC sT s FCFC sT s FC XX UmR XX UmEP  22 s i ns i n      2 max 4 FC EP R 二、微型电源工作原理和控制 25  光伏 (Photovoltaic， PV)发电系统  用适当波长的光照射到半导体系统上时，系统吸收光能后两瑞产生电动势，这种现象 称为光生伏特效应。  在 p-n结开路情况下， p-n结两端建立起光生电势差，即开路电压。  将 p-n结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路， p-n结起了电 源的作用。 二、微型电源工作原理和控制 26  太阳能电池的电流和功率特性  为使太阳能电池的输出功率达到最大，不论外界环境如何变化，必须使其运行在这一 最大功率点 。  可采用电子控制器实时地调节 PV电池运行电压等于最大功率点的电压来实现最大功 率点跟踪。 LLL UIP  二、微型电源工作原理和控制 27  太阳能电池的电流和功率特性  光伏发电的最大功率跟踪控制（ MPPT）策略是实时检测光伏阵列的输出功率，采用 一定的控制算法预测当前工况下阵列的最大输出功率，并根据光伏电池的 IV特性改变 其工作电压。  目前常用的 MPPT算法有扰动观察法、电导增量法、模糊逻辑控制等算法。 二、微型电源工作原理和控制 28  并网运行的 PV系统组成：  集成控制器首先在 DC/DC环节中实现 MPPT控制，再在一个 DC/AC环节中实现正弦电 流输出与相位控制。  集成控制器检测太阳能板的输出电压、电流，中间环节的电压 Ud，以及交流侧电压 和输出电流等信号，输出 DC-AC逆变器的调制信号，同时还要向 DC-DC换流器发出 最大功率点电压指令 Upv和启动停止信号。 二、微型电源工作原理和控制 29  小型风力发电系统  风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组 (简称风电机组 )是将风能转化为电能的 机械。风轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的空气动力 外形，在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过齿轮 箱增速驱动发电机，将机械能转变成电能。 理想风机的功率特性曲线  当风速检测系统在持续 10分钟 内测得风速平均值达到切入风 速，系统自检无故障时，控制 系统发出释放制动器令，机组 由待风状态进入低风速起动。  输出功率随着风速的的增大而 增加，当风速超过额定风速的 时候，由于风机失速效应的影 响，风机的输出功率恒定。