分布式发电与微网1_天津大学王成山
王成山 郭力 cswang@tju.edu.cn liguo@tju.edu.cn 2011年 5月 9日 分布式发电与微网 天津大学电气与自动化工程学院 分布式发电系统（DG）: 利用各种分散存在的能源进行发电的 系统。如: 风能等可再生能源发电系统； 天然气为燃料的冷/热/电联供系统 （简称：CCHP ） 优点：可利用丰富的清洁和可再生 能源。 缺点：一些可再生能源具有间歇性 和随机性。 海洋能 其他形式 新能源 太阳能 天然气 风能 生物质能 分布式 能源 (分布 —集中) 大型电厂 升压变 配电变压器 枢纽变电站 配电变压器 常规电网 配电变压器 工厂企业 内燃机 居民 光伏 电池 燃料电池 商业建筑 商业建 筑 内燃机 飞轮 储能 燃气 轮机 燃气 轮机 分布式电源接入常规电网并网运行，易满足负 荷需求，有助于可再生能源高效和规模化利用 时间轴 /h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 KW 1000 2000 3000 4000 0 5000 负荷需求曲线 DG输出功率 常规电网补充功率差额 分布式电源并网运行面对的问题 电源特性决定： 不可调度（可再生能源） 功率波动（电源间歇性） 需要备用（不提供备用） 双向潮流导致： 电压调节 保护协调 能量优化 分布式电源并网技术 分布式电源并网运行方式 优点： 接入方便，运行简单 缺点： 系统故障退出运行 间歇性影响周边用户 能源综合优化困难 对电网运行调度提出了挑战 上述缺点将制约了DG的发展 以分布式电源（ DG）为单元 输电 网络 高压配网 110KV G G G G 中压配网 35/10KV 低压配网 0.4KV 负荷 负荷 DG DG DG DG DG 微网特征及面对的问题 微网的定义、结构、特点 定义： 将区域内分散的小型发电单元（分布式电 源）组织起来形成的一个小型能源系统,可为区域 内负荷供冷、热和电,同时可以与传统电网并联运 行。 特点： (1)使用大量的电力电子装置; (2)缺少惯性（储能装置）; (3)能运行在两种模式（联网和孤岛）; (4)通过单点联入大电网 ; (5)分布式电源之间有一定的地理距离 微网系统示意图 太阳能 储能 装置 风电 光伏 储能 冷热电联供 冷热电联供 公共电网 热、冷 热、冷 中央 控制 分布式发电供能系统并网运行方式 将分布式电源组成微网（ MG）运行 太阳 能 储能 装置 风电 光伏 储能 冷热电联供 冷热电联供 微网 边界 热、冷 热、冷 中央 控制 输电 网络 高压配网 110KV G G G G 中压配网 35/10KV 低压配网 0.4KV 负荷 负荷 MG MG MG MG MG 特点：孤网独立运行 典型的微网结构 Source: IEEE1547.4 可提高分布式电源的有效运行时间； 电网灾变情况下重要用户持续供电； 可避免间歇式电源对周围用户影响； 可再生能源综合优化利用 ； ……经济与社会意义巨大 ! 微网方式运行的优点： 多种能源输入 (光、风、氢、天然气等） 多种产品输出 （电、冷、热） 多种转换单元 （光/电、热/电、风/电；直流/交流） 多种运行状态 （并网，独立） 一些电源的间歇性和随机性 认识微网复杂动态行为是揭示相互作用机理的基础 问题1： 微网运行特性 太 阳 能 储 能 装 置 风电 光伏 储能 冷热电联供 冷热电联供 微网边 界 热、冷 热、冷 中 央 控 制 微网复杂性 : 配电系统中微网的相互影响 微网 - 燃料电池 - 微型燃气轮机 - 储能 - 光伏电池 储能装置 风力发电机 微型水电站 热电联产系统 小型柴油发电机 可切负荷 问题2： 微网优化设计 问题3： 微网保护与控制 控制必须保证各状态间的平滑过渡； 必须保证微网并网与独立运行状态的电能质量要求； 分布式电源的多样性、电源的间歇性等增加了困难性，而多 微网的协调控制更加困难； 目前采用防孤岛保护和控制，不允许微网独立运行，这将降低微 网的独特优势，尤其在大面积停电情况下，微网难以发挥作用。 ss V DC V DC P f x ff V ss V ,m ACAC QP , s V AC P DG P SD P DCload P 微网与大电网控制问题的典型区别 分布式电源与接入大电网的 电源特性明 显不同 ，后者为同步发电机，具有自同 步性，前者很多采用电力电子逆变装置 上网， 不具自同步性。 储能单元影响。 微网中 负荷波动 对电源输出影响更大， 而大电网中负荷波动相对冲击小。 微网的 运行状态多变 ，要求状态转换时 无缝切换，大电网没有类似问题。 微网与大电网网络结构和规模完全不同， 控制方法 完全不同。 二者间的 控制目标 完全不同，大电网侧 重于安全稳定性，微网还要同时关注电 能质量问题。 控制成本 上微网需要更加经济。 相对大电网而言，微网中许多控制问题是独有的，需要独立研究。 实时能量 功率控制 用户负荷 间歇电源 当前信息 当前信息 预测 预测 输入输出 功率控制 分布式电 源控制 负荷响应 控制 配网层面 DG层面 负荷层面 问题4： 微网仿真 (1)模拟仿真：依托实物 (2)数字仿真：单纯算法 (3)混合仿真：模拟+数字 (1)多时间尺度仿真算法（速度+精度） (2)数字信号与功率级物理信号交接转化 (3)物理建模的局限性 + 数字模型的可信性 问题 难度 目的： 全系统能源利用效率最大化。 思路： 在满足运 行约束条件下， 最大限度利用可 再生能源，保证 整个微网运行的 经济性。在微网 高渗透率情况下， 通过对微网输出 的有效控制，降 低配电系统损耗。 问题5： 微网能量优化与管理 source:Chris Marnay 欧盟微网研究 电气与自动化工程学院· 欧盟微网研究项目—第五研究框架 英国 UMIST URENCO 葡萄牙 EDP INESC 西班牙 LABEIN 荷兰 EMforce 美国 EPRI 希腊 GERMANOS ICCS/NTUA PPC /NAMD&RESD 德国 SMA ISET 法国 EDF Ecole des Mines de Paris/ARMINES CENERG Large Scale Integration of Micro-Generation to Low Voltage Grids ARMINES CENERG ISET ICCS / NTUA GERMANOS EDF SMA UMIST URENCO PPC/NAMD&RESD LABEIN 14 个组织 8 个国家 INESC EDP EPRI 电气与自动化工程学院· 欧盟微网研究项目—第六研究框架 英国 UMIST I-Power 葡萄牙 EDP INESC 西班牙 LABEIN Ziv 荷兰 EMforce CONTINUON 希腊 GERMANOS ICCS/NTUA PPC /NAMD&RESD GRES 德国 SMA ISET SIMENS MVV 法国 Ecole des Mines de Paris/ARMINES Advanced Architectures and Control Concepts for More Microgrids 22 个组织 11 个国家 瑞典 ABB 波兰 LRPD Uinv.LODZ 意大利 CESI 丹麦 ELTRA 电气与自动化工程学院· 欧盟微网实验室—NTUA NTUA 安装地点： 雅典国立大学 系统组成 光伏1.1kW+Sunny Boy 1100 光伏110W+Soladin120W 蓄电池（60V，250Ah）+SI4500 示范目的 分层控制策略 底层的微源控制和负荷控制器 微网经济性评估 联网和孤岛模式切换 电气与自动化工程学院· 欧盟微网实验室—Demotec 地点： 德国卡塞尔大学的太阳能技术研究所 （ ISET， Institute for Solar Energy Supply Technology） 示范目的 联网孤岛模式切换 P-f 和Q-V下垂控制 不同负荷对微网暂态 影响 分布式电源输出波动 对微网稳定性影响 电气与自动化工程学院· 30kVA柴油发电机 20kVA变速发电机 5.5kVACHP 5kVA模拟风机 虚拟蓄电池 15kVA微型电网模拟 80kVA电网模拟 单相光伏 -蓄电池系统 三相光伏 -蓄电池 -柴油机系统 单相光伏 -蓄电池系统 电气与自动化工程学院· 欧盟微网实验室—ARMINES 示范目的 联网和孤岛运行 微网的上层调度管理，开 发基于AGILENT VEE 7和 Matlab的上层软件 地点：法国巴黎矿业学院的能源研究中心 系统组成 光伏3.1kW+Sunny Boy 850 蓄电池（48V，18.7kWh）+SW4548E 柴油机3.2kW 阻性，感性，容性，非线性，电机 负荷 电气与自动化工程学院· 欧盟微网实验室—Labein 地点： 西班牙巴斯克地区的毕尔巴鄂市 示范目的 联网模式下的中央和分散控制策略 微网频率的一次、二次和三次调整 联网和孤岛模式切换 通讯协议验证 微网的需求侧管理 电气与自动化工程学院· 欧盟微网实验室—Labein 微网接入点： 两台1250kVA 30kV/400V的 变压器 微网组成 光伏（0.6kW，1.6kW和3.6kW），直驱式风机（6kW） 2台63kVA的柴油发电机 储能装置：蓄电池（48V/1925Ah和24V/120Ah） 飞轮储能 （250kVA），超级电容器48V/4500F ） 负荷（阻性150kW和50kW，2套36kVA的感性负载）
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