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散布式发电并网的关键途径 智能微电网的分层节制

微电网是实现主动配电网的有用办法,可以或许增进散布式电源与可再生能源的大规模接入,使传统电网向智能收集过渡。别的,中科院院士周孝信曾指出:第三代电网将采纳主干电网和地方电网、微电网相结合的情势。智能化是电力体系睁开的偏向。在此配景之下,迷信家和工程师咱们首先将目光聚焦在了智能化、柔性化的微电网。微电网既可孤岛运行,也可并网运行,黑启动、电压稳固、频率稳固、潮水节制、有源滤波、能量解决……,这些都是微电网应具有的基本功效,只要如许能力实现在负荷端就近发电、储能,省去了大容量、长距离的输电关键,从而显著地减小了输电线路上的损耗,提高了电网的靠得住性。本文对智能微电网的拓扑布局、节制战略和能量解决等成就停止了综述。l微网是散布式发电并网的关键途径

智能微电网是将散布式发电(Distributed Generation,DG)、散布式储能(Distributed Storage,DS)、散布式负载(DispersedLoads,DL)停止体系集成的最佳计划。在大电网会合供电体系体例下,大型电厂通常远离负荷中央,因此必要大容量、长距离输电。但颠末过程这些小容量的微电网就可实现在负荷端就近发电、就近储能,从而省去大批的输配电线路和由此导致的输配电损耗。总的来说,传统的会合供电配电情势有很多缺点:线路损耗太大导致了体系效力低,高压长距离输电线的容升效应导致了电压稳固性差,多发的单点故障和其余偶发的收集故障导致了靠得住性低。

微电网重要有两种睁开偏向,一是将微电网与大众大电网相连;二是将多个邻近的微电网互联,构成微电网群(microgrid clusters)。因此,未来的电力收集将包含一次能源、原动机、电力电子变流器、DS装配和本地的DL,而微电网只是此中的一部分。微电网既可自力地自立运行,也可接入大电网。可在并网情势与离网情势之间停止无缝切换是微电网的重要特征。颠末过程微电网之间的联络线即可实现在多个微电网之间停止能量调剂,以同时实现各个微电网的实时功率均衡。这种微电网之间的互相声援,起到了此消彼长的感化,减小了微电网从大众大电网上接收的能量,进一步削减了不必要的长距离输电损耗。别的,微网是一种全新的低压配电网,此中的发电机组不只包含小型的发电机,还包含小型的原动机,例如:光伏电池组件、小型的风力发电机、生物燃料电池等等,这些发电单位都必要AC/AC或许DC/AC变流器作为接口电路。这些电力电子接口电路的静态相应十分敏捷。但与传统的同步发电机相比,电力电子变流器自己的惯量程度非常低,而充足的惯量是体系稳固性的包管,是实现各个单位之间坚持稳态同步性的关键因素。

为了晋升体系稳固性,学者咱们提出了在节制环路中引入下垂节制,颠末过程测量有功、无功来线性地调节逆变器输入的频率、电压。颠末下垂节制之后,微电网就能主动地完胜利率均衡了,同时防止了交直流母线电压失稳。别的,低电压穿梭、有源滤波、不间断供电、黑启动、孤岛运行,和与主电网坚持同步、有功无功潮水自力节制、体系能量优化解决等也是微电网必需具有的中央功效。

下图给出了一个典型的微电网布局图,包含了风电、光伏、储能和若干负载。

散布式发电并网的关键途径 智能微电网的分层节制

微电网颠末过程智能旁路开关(Intelligent BypassSwitch,IBS)并入大电网的大众衔接点(Pointof Common Coupling,PCC),体系中包含了大批的以电力电子变流器作为接口电路的DG和DS。因此,微电网中的绝大部分元件都因此电流型逆变器(Current-SourceInverters,CSI)或电压型逆变器(Voltage-SourceInverters,VSI)的情势运行。

1)CSI:DG单位经常工作在CSI情势,以实现最大功率追踪;若不必要停止最大功率追踪,那么这些发电单位也可以或许根据体系必要工作在VSI情势。

2)VSI:这种工作情势常用于储能装配,在孤岛运行时为微电网供给频率、电压支撑;如果有多个VSI单位并联时,就必需增长适当的节制战略,以使各个单位协调工作。

微电网的运行情势

1 并网运行情势

微电网的能量解决体系必需同时考虑离网、并网条件下的体系潮水散布和储能体系的可用容量和运行办法。微电网必需具有机动疾速的功率节制能力,颠末过程从电网中接收或许送出必要的功率来实现微电网内部的实时功率均衡,同时满意储能装配的能量需要。因为微电网的容量相较于主电网来说非常小,因此微电网在并网情势下的静态特性重要取决于主电网。别的,当输入功率发生变更时体系相应很慢;如果微电网交换母线没有同步发电机,那么电力电子变流器的节制体系中必要增长虚构惯量节制关键;暂态过程中必要蓄电池、超等电容、飞轮等来包管静态功率均衡。发生停电事故之后,微电网必要自行树立电压频率条件,同时在一系列预设指令下逐渐规复各个层级的DL和DG单位,即黑启动。在并网情势下,统统的DG都应该在能量解决体系的调剂下输入指定的功率,以最大化地削减从主电网接收的电量,即削峰。别的,每个DG单位均可颠末过程大众通讯线来实现输入功率调节,与其它单位实现协调工作。总的来说,当微电网处于并网状况时,必要根据用户的必要,与主电网和本地的DG一路,为负载供给精良的电力。

2 孤岛运行情势

在下述条件下,微电网将脱离主电网自立运行:1)计划性的孤岛运行情势:当主电网发生长光阴电压跌落或其它一样平常性故障时,微电网可以或许主动地脱离大电网,进入孤岛运行状况;2)非计划性的孤岛运行情势:当主电网发生停电时,微电网必需颠末过程孤岛检测算法来主动辨认主电网的停电状况,并颠末过程IBS进入孤岛运行情势。

在孤岛运行情势下,体系的静态特性重要取决于此中的DG单位,这些DG单位将主动地调剂微电网的电压、频率。此时,体系的频率、电压一样平常会出现小规模的偏移。因此,必要启动DS来均衡微电网功率,通常是让DS根据频率偏移量成比例地接收或许释放有功功率。在该情势下,IBS处于断开状况,微电网脱离大电网自力运行,DG单位必需承当起稳固微电网电压、频率的重要任务,确保各个变流器不过载,确保负载在一定规模内变更时体系依然可以或许坚持稳固运行。为了到达上述偏向,微电网通常采纳有通讯线的主从节制情势,特别是基于大众交换母线的微电网。通常来讲,低带宽通讯办法加倍经济、靠得住、稳固,因此在实际的工程项目中应用较多。

在孤岛运行情势下,微电网必要实现下述技能目标:1)电压、频率节制:微电网必需工作在电压源情势,颠末过程电压、频率调剂战略来节制微电网的潮水,确保微电网的关键物理参数都在规定的误差规模内。2)实时功率均衡:并网情势下,DG单位的频率由大电网决定;离网情势下的体系频率必要根据功率均衡的原则停止调节;改变DG的输入频率,使微电网内部坚持功率均衡。3)电能品德管理:微电网电能品德节制可从两个层次分离睁开,首先必需要满意微网内部的无功均衡协调波电流补偿;其次是对PCC处的无功协调波停止管理,向大电网供给电能品德支撑。

孤岛运行情势下,统统的DG单位均工作在恒功率源情势,向微电网供给预期的功率。

3 并离网切换情势

如前文所述,IBS不停实时在线地监测主电网与微电网的状况。当IBS实时检测到孤岛信号之后,微电网必需立刻与主电网断开衔接,尽快进入到孤岛运行情势。通常来说,电网频率偏移需小于2%,电压幅值偏移需小于5%。若微电网没有超出最大允许偏移规模,微电网即可根据网内负荷的实际需要,在下垂节制的感化下输入有功功率和无功功率,确保体系电压、频率稳固,并实现多个DG单位之间的功率正当分派。

散布式发电并网的关键途径 智能微电网的分层节制

孤岛运行情势下,微电网和大电网之间的电压和相位会出现偏差,在不恰当的时刻并网会引起较大的冲击电流,因此必要计划预并列单位来实现并网运行。当微电网中央节制体系收回并网指令时,将微电网相应的DG由孤岛运行情势切换到预并列节制情势,将DG单位的输入参考值切换为大电网的电压和频率。

在并离网切换过程中,中央节制体系必需实时检测微电网与大电网的电压差、频率差和相位差,当其均满意合闸条件时,启动合闸信号,闭合IBS,并将孤岛节制战略切换到并网节制战略,实现并网运行。

微电网的分层节制

从功效上来说,微电网与大电网非常相似,也可基于下述三个层次分离节制:1)一次节制:下垂节制,重要实现DG单位间的功率分派(负荷分派);2)二次节制:无差节制,对下垂节制之后的微小偏差停止消除,实现无差调频调压;3)三次节制:优化节制,从体系优化的层面对微电网潮水停止计划、分派。

散布式发电并网的关键途径 智能微电网的分层节制

1 一次节制:下垂节制

一样平常而言,微电网中的逆变器均由基于下垂节制战略的功率外环实现,这种情势常被称为分散节制或自治节制,目标是实现多个DG单位间的功率分派,并包管体系电压、频率的稳固,如下图所示。

散布式发电并网的关键途径 智能微电网的分层节制

微电网孤岛运行时,没有大电网的电压频率支撑,要自治地卖力体系的电压、频率调节,通常由DG实现。微电网中介入电压、频率调节和节制的多个DG具有同等地位,在下垂节制下停止负荷分派,如下图所示。

散布式发电并网的关键途径 智能微电网的分层节制

上述下垂节制的思惟来源于高压电网功率传输实践:发电机频率跟着负荷增长而减小。高压输电体系重要呈现出电感性(X≫R),P、Q之间近似自力可控,这也是上述下垂节制可行的基本原因。然而,采纳电力电子变流器的低压微电网,体系阻抗不再是电感性了,更多的是阻感性,甚至以阻性为主(R≫X)。此时,PQ之间存在强耦合感化,影响下垂节制的效果,可能出现振荡现象,甚至不稳固。因此,下垂节制战略必需停止改良,以顺应阻性微电网的必要。

闭关键制下的微电网逆变器,其输入阻抗特性影响着功率分派算法的精确性。对逆变器输入阻抗停止正当计划即可削弱线路阻抗带来的功率分派误差。最常用的办法便是虚构阻抗节制,其大致思绪可用下图描述。

散布式发电并网的关键途径 智能微电网的分层节制

DG与母线间的线路阻抗ZL=R+jX呈阻性,将原DG等效为一个虚构发电机Ev,颠末过程虚构电抗Xv衔接至B点。如果Xv≫ZL,则虚构发电机与母线间的阻抗将呈感性,此时若对虚构发电机应用下垂节制,即可实现Pv和Qv的解耦节制。显然Pv=P,因此调节虚构发电机即可实现对DG有功功率的解耦节制。基于虚构阻抗的下垂节制如下图所示。

散布式发电并网的关键途径 智能微电网的分层节制

采纳上述节制战略之后,即可实现多个DG间的功率正当分派。别的,从靠得住性、稳固性的角度来说,电压幅值节制也非常重要。如果缺乏无功节制,DG单位可能输入不确定的无功功率,导致母线电压振荡。

2 二次节制:无差节制

一次节制相应疾速,但却无法实现无差节制。下垂节制虽然能同时实现电压频率稳固和功率正当分派,但它是一种有差节制,负载变更前后体系的稳态电压和频率会有所变更。因此,二次节制的重要偏向便是规复微电网的电压和频率,如下图所示。

散布式发电并网的关键途径 智能微电网的分层节制

 
别的,微电网运行情势的无缝切换节制也在该次节制中实现,因此二次节制部分应具有电网故障检测、微电网与大电网同步等功效,并对微电网IBS和DG节制情势切换停止协调节制。

3 三次节制:优化节制

该层节制重要从平安性、经济性的角度对微电网停止能量解决与调剂,颠末过程相应的优化算法实现:1、并网运行情势下,确定微电网与大电网之间联络线输入功率参考值(作为微电网二次节制偏向参考值);2、孤岛运行情势下,调剂各DG单位输入功率参考值或下垂曲线稳态参考点和分派比例系数设定等信息,实现微电网经济运行等功效。如下图所示。

散布式发电并网的关键途径 智能微电网的分层节制

别的,在该层节制中还可以或许停止孤岛监测、电能品德阐发管理、最大功率跟踪等多种运行偏向。总的来说,微电网颠末过程这种多层次、分散式节制可以或许实现平安、经济、可控地运行。

必要进一步研究的内容

微电网并网时的下垂节制需停止如下方面的改良:1)晋升DS、DG单位和微电网的暂态相应机能;2)基于虚构阻抗思惟的谐波功率分派算法和DG、DS热插拔技能;3)研究自顺应下垂节制算法,提高体系在各种可能工况下的交互感化机能。

交换微电网的分层节制还必要做如下改良:1)基于下垂原理的一次节制应当可以或许允许分歧范例的交换电源自立地接入,即类同步发电机节制技能;2)二次节制必需彻底地处理一次节制遗留的电压、频率偏移成就,实现无静差节制。该层节制必要精心肠计划同步节制计划,以实现孤岛情势向并网情势无缝切换。3)三次节制不但必要对输入能量停止解决和节制,还需具有微网阻抗在线测量、非计划性孤岛检测、谐波电流注入节制(补偿PCC点的电压谐波)等功效。

对柔性的、智能的微电网来说,还必要具有如下技能特征:1)在PCC点处,应当具有异常电压穿梭和电能品德管理功效,此中异常电压包含高电压、低电压和零电压;2)黑启动功效;3)微电网阻抗在线测量和孤岛在线检测。4)微电网储能体系节制与解决。

上述这些技能特征的实现将会增进DG、DS加倍智能地、机动性接入微电网和未来的智能电网,从而推动全球干净能源大规模地应用,构建起可持续睁开的干净电力体系。

原标题:智能微电网的分层节制
来源:NE电气微信"大众号

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