微电网实验平台的设计.doc

第 33 卷 第 1 期合肥 工 业 大 学 学 报( 自然科学版 )Vol . 33 No . 1 2010 年 1 月J OU RNAL O F H EFEI UN IV ERSIT Y O F TEC HNOLO GYJ an. 2010 微电网实验平台的设计杨为 , 丁 明 , 毕 锐 , 高 研 , 丁 银(合肥工业大学 光伏系统教育部工程研究中心 ,安徽 合肥 230009)摘 要 :为了适应现状 ,弥补大规模集中发电 输电的不足 ,近年来兴起的分布式能源发电系统及微电网越来越受到各国学者及工程界的重视 。文章在深入研究微电网概念及国外现已出现的基本框架的基础上 ,结合我国电力系统实际情况与国家的可持续发展能源目标 ,率先搭建了国内微电网系统实验平台 ,为微电网相关理论的研究和微电网产业化打下了坚实的基础 。关键词 :微电网 ; 分布式能源发电 ; 基本框架 ; 实验平台中图分类号 : TM61 ; TM727 ; TM732 文献标识码 :A Experiment platform design of a microgridYAN G Wei , DIN G Ming , B I Rui , GAO Yan , D IN G Yin( Photovoltaic System Research Center of t he Minist ry of Education , Hefei Universit y of Technology , Hefei 230009 , China)Abstractemerging abroad heoreticsystemsMicrogirdsustainable Experimentup microgridsetmingsbasedlargerameworks文章编号 :100325060 (2010) 0120038204t ralized generatio n and t ransmissio n , t he rise of dist ributed energy generatio n systems and microgridshas gained more and more at tentio n f ro m scholar s and engineering circles all over t he world in recentssKey words :micro gird ; dist ributed energy generatio n ; basic f ramework ; experiment platform负荷持续增长 ,能源需求不断增加 ,同时电力统发生故障时 ,分布式电源必须马上退出运行 4 。这使得分布式电源的效益没能得到充分发挥 。系统结构的不断老化 、环保问题 、能源利用效率瓶基于此种情况 ,近年来有学者提出了一种新颈以及用户对电能质量的高标准要求 ,已成为世 微网 ( micro2的分布式能源组织方式和结构 界各国电力工业所面临的严峻挑战 。所以 ,开发grid) 。它是一种新型能源网络化供应与管理技利用可再生能源 、构建可持续能源系统成为各国术 ,能够便利可再生能源系统的接入 、实现需求侧的共识与必然的发展趋势 。20 世纪 90 年代末期管理以及现有能源的最大化利用 。国际上对微网出现的分布式发电以其污染小 、可靠性高 、能量利的定义不尽相同 ,但各种方案均认为 :微网是由各用效率高以及安装地点灵活等多方面优点 ,越来种分布式电源 、储能单元 、负荷以及控制保护系统越受到重视 ,尤其是光伏和风力发电系统近年来组成的集合 ,通过相关控制装置间的协调配合 ,可得到了快速的发展 1 - 3 。但由于分布式电源的不可控制及随机波动性 ,随着渗透率的提高增加了以同时向用户提供电能和热能 ; 具有灵活的运行对电 力 系 统 稳 定 性 的 负 面 影 响 。故 而 IEEE方式和可调度性能 ,即能在并网运行和孤岛自主P1547 对分布式电源的入网标准规定 : 当电力系运行 2 种模式间实现无缝切换 ;根据实际情况 ,系收稿日期 :2008212211 ;修改日期 :2009202209基金项目 :国家重点基础研究专项经费资助项目 (2009CB219700) ;国家 863 高技术资助项目 (2007AA05Z240) 和国家自然科学基金资助项目 (50837001)作者简介 :杨 (1985 - ) ,男 ,江苏南京人 ,合肥工业大学硕士生 ;为丁 (1956 - ) ,男 ,安徽合肥人 ,合肥工业大学教授 ,博士生导师明、year s. t hisorder to an t to st udy is sit uatio he ncept of he shortcoand t he basic f 2scale cen2now In:In paper , , t in fir st current made of andcomake Platform is up of o n t he act ualsit uatio of China adaphe depthe and 2System develop goal s. This udy lays solid fo unda2tio n for t he follow2up tpower2 research and microgrid indust rializatio n.第 1 期杨 为 ,等 :微电网实验平台的设计39统容量一般为数千瓦至数兆瓦 ; 通常接在中压或低压配电网络中 。本文所设计的微电网系统实验平台 ,主要包括 :太阳能发电系统 风能发电系统 燃料电池发电系统 微型燃气轮机发电系统 轻型直流输电系统和储能系统等各子系统及整流器 逆变器和硬件通讯网络等相关设备 。对于微电网的控制与运行也提出了相应的架构 ,为微电网相关理论的研究和微电网产业化打下了坚实的基础 。1 微电网的基本概念和框架微电网有 microgrid 、minigrid 和 smart grid等多种称法 ,它是近年来出现的一种新型能源网络化供应与管理技术 ,能够便利可再生能源系统和清洁能源系统的接入 实现需求侧管理以及现有能源的最大化利用 。微电网将发电子系统 、能系统及负荷相结合 ,通过相关控制装置间的配合 ,可以同时向用户提供电能和热能 ,并能够适时有效地支撑大电网 ,起到消峰填谷的作用 。所以微电网概念一经提出 ,就引起世界能源专家和电力工业界的广泛重视 ,世界很多国家都加强了相关基础科学研究的力度 ,对微电网的认识随着研究的进行在不断地具体化 深入化和系统化 。而微电网对于解决我国现有大电网运行中凸显的问题 ,以及能源危机等相关问题 ,无疑是提供了一个好的解决途径 。基本框架目前 ,一些发达国家立足于本国电力系统的实际问题与国家的可持续发展能源目标 ,提出了各自的微电网概念和发展目标 。(1) 美国 。美国 CER TS 最早提出了微电网的概念 ,主要由基于电力电子技术且容量小于等于 500 kW 的小型微电源与负荷构成 ,并引入了基于电力电子技术的控制方法 ,基于此形成了“即插即用”plug and play) 和“对等”peer to peer)的控制思想和设计理念 。提高重要负荷的供电可靠性 满足用户定制的多种电能质量需求 降低成本、实现智能化将是发展重点 。文献 5 中指出Navigant Co nsulting 在为美国能源署提交的微电网研究评估报告中 ,根据应用场合的不同提出了微电网的 4 种体系结构 : 单个设施级微电网 ,是指所带负荷量小于 2 M W ,应用于小型工业或商业建筑 大的居民楼以及医院等单幢建筑物处的网络 。 多个设施级微电网 ,是指所带负荷量在 25 M W 之间 ,应用于包含多种建筑物多样负荷类型处的网络 。如应用于包含医学 人文 、市政等不同学科的校园中 军事基地 工业和商业综合区以及居民区等地方/ 场合 。 馈线级 。馈线级微电网 ,容量在 510 M W 之内 ,它管理一条配电网母线内所有发电和/ 或负荷单元的运行情况 。这种类型的微电网可能由多个包含单一或多样化设备单元的较小型的微电网组合而成 。此类型的微电网将适用于公共设施 政府机构及监狱等场合 。 变电站级 。变电站级微电网 ,容量可能在 510 M W ,管理连接到配电网变电站的所有发电和/ 或负荷单元的运行情况 。这种类型的微电网可能包括一些变电站内的发电单元 ,以及一些馈线级和设备级的分布式发电和微电网 。(2) 欧盟 。从电力市场需求 电能安全供给以及环保等角度出发 ,欧盟于 2005 年提出“smartgrid 计划 6 ,并在 2006 年出台了该计划的技术实现方略 7 。微电网以其智能性 能量利用多元化等特点将成为欧洲未来电网的重要组成部分 。(3) 日本 。日本立足于国内能源日益紧缺 、负荷日益增长的现实背景 ,也开展了微电网研究 ,其发展目标主要定位于能源供给多样化 减少污染及满足用户的个性化电力需求 。对于微电网的定义 ,三菱公司将其从规模上分为 3 类 , 见表 1所列 。表 1 日本三菱公司对微电网的分类发电容量类型 燃 料 应用场合 市场规模/ 个/ MW大规模 1 000 石油或煤 工业区 1020石油或煤 、中规模 100 工业园 100可再生能源小型区域电网 住宅小规模 10 可再生能源 3 000楼、岛屿和偏远地区从表 1 中看出 ,以传统电源供电的独立电力系统也被归入微电网研究范畴 ,大大扩展了美国CER TS 对微电网的定义范围 。加拿大等发达国家也提出了各自的微电网基本框架 。经过对国外所提出的微电网基本概念及框架的深入理解和研究 ,并结合我国电力系统的实际情况与国家的可持续发展能源目标 ,本文搭建了国内第一个微电网实验平台 ,为后续微电网相关理论的研究奠定了硬件基础 。概 念11 1 11 2 、 、 、储、( (、 、 、”、合肥工业大学学报 (自然科学版)第 33 卷 2 微电网实验平台的设计整个微电网系统主要包括 :光伏发电系统 、拟风力发电系统 蓄电池储能系统 模拟水/ 火电发电机组 冷热电联产系统 燃料电池发电系统 、超级电容储能系统 电负荷/ 热负荷以及整流器/逆变器等相关设备 。微电网系统的典型结构 ,见表 2 所列 。表 2 典型微电网结构典型 常规发电机组 非常规发电机组 储能方式 比例/ ( %) 比例/ ( %) 系统方式 1 较大 (7080) 较小 (2030) 无方式 2 较大 (7080) 较小 (2030) 有方式 3 较小 (2030) 较大 (7080) 有方式 4 无 全部投入 有表 2 中 ,方式 1 、 区别仅在于有无储能系统 ,目的为了研究储能系统作用 ; 而方式 2 、 的设计是为了研究在常规机组或非常规机组占主导地位时 ,微电网的控制运行策略 ; 方式 13 皆是微电网在并网运行情况下 ; 方式 4 的设计主要针对微电网在孤岛运行情况下 ,在此种情况下 ,储能系统的控制策略研究尤为重要 。合肥工业大学分布式发电实验室所设计的微电网实验系统由 2 台无穷大电源和 2 台 15 kW的模拟发电机组供电 ,其中一台模拟汽轮发电机组 ,另一台模拟水轮发电机组 。同时在系统中加入 2 个分布式发电单元 (分别采用太阳能 模拟风能供电) 。切除无穷大电源系统后 ,可模拟微电网孤岛发供电系统 。实验室模拟系统的低压均采用380 V ,高压均采用 800 V ,所模拟实际原型电力系统的电压为 101 5 kV 和 35 kV (中低压系统) 。风力 发 电 系 统 : 6 kW ; 超 级 电 容 储 能 系 统 :180 V/ 8 000 F ,充电装置 50 A/ 300 V ;蓄电池储其结构 ,以满足不同微电网结构下实验研究的需要 ,硬件上做到了“即插即用”的效果 ,为微电网系统产业化的多样化提供了直接依据 。3 微电网的控制运行(1) 微电网系统的控制 。微电网系统主要接入配网系统下 ,其内部存在大量的非常规发电机组等设备 ,是一般配网系统所没有的 ,如果直接将这些非常规发电机组等接入配网系统 ,那么就是一般的分布式发电形式 ,缺点如文献 4 ,9 所述 。配网系统可以根据需要装设一个或多个微电网系统 (对于配网内有大量重要负荷和重大大型企业 ,可以再多装设几个微电网系统) ,而每个微电网系统又可以根据当地实际情况装设各相应的子系统(如光伏发电系统) 。它们三者之间的控制关系可以分为 3 层 :配电网层 微电网主站层控制和微电网子站层控制 ,其结构简图如图 1 所示 。图 1 微电网控制结构简图图 1 中 ,配电网层负责管理各微电网主站层 ,如根据市场信息将命令下发到主站层 ; 主站层是决策层 ,根据微电网的系统信息 ,做出系统决策 ,将其命令下发到子站层执行 ; 子站层根据主站层的决策信息执行 ,同时将本地信息采集后上传主站层 ,另外子站层也可以根据本地信息 (如来自于逆变器的控制信息) 做出一些决策 ,子站层能实现电压 频率调节控制 ,子站可以是 D ER 单元 可控负荷或者是馈线的潮流控制器 ; 本实验室开发的微网能量管理系统 ( M G2EMS) 运行在微电网主40模拟无穷大系统电源通过 2 台带感应式调压器的100 kVA 变压器接入微电网系统 , 电压变比为380 V/ 800 V 。分布式电源占集中式电源容量的比例在 20 %30 %之间 ,模拟系统中太阳能电站的输 出 功 率 为 3 kW , 风 能 电 站 的 输 出 功 能 为6 kW ,分别在集中式电源容 量的 10 % 和 20 % 。35 kV 线路按满足 5 %电压降时的最大输送容量和最大输送距离考虑 ,即 10 MVA 和 20 km 。模拟输电线路电压等级为 35 kV ,其线路模型采用集中参数的 R2L 电路模型 ,在此实验室平台中共有 12 条模拟线路 ,同时还构建了模拟轻型直流输电系统一套 。微电网一次系统示意图 ,见文献 8 。其中 ,1 kW (单相) ,1 kW (三相) 。310实验平台可以根据配电网层的需要自由改变能系统 : 220 V/ 300 A H ,31 5 kW ,单相 ; 太阳能 :模、 、 、23、 、第 1 期杨 为 ,等 :微电网实验平台的设计41站层上 ,在正常情况下微电网处于并网运行 ,其所获取的信息可以和配电网层信息进行交互 。一旦传统电网出现故障 ,微电网可以处于一个个孤岛运行的状态 , 保证其内部的重要负荷供电正常 。当大电网故障解决后 ,又可以自动并网 ,整个过程平滑进行 。它在解决了大量分布式电源并入传统电网的高渗透率问题的同时 ,又保证了在大电网故障时 ,可以对重要负荷持续供电的问题 。(2) 微电网系统的运行 。在微电网系统运行过程中 ,通过硬件数据采集单元 (使用 101/ 104 等相关规约) 将微电网系统硬件层运行数据采集送到数据转发机 ,图 2 所示为整个系统的数据流简图 。图 2 系统数据流简图控制命令到各数据处理机 ,其中数据处理机可以有多台 ,主要运行一些微电网高级应用软件 ,如能量预测软件 负荷预测软件 10 潮流计算软件 、优潮流软件及机组组合软件等 。数据转发机将硬件实时采集的数据直接转发到数据库服务器和数据处理机 。数据处理机把收到的数据作为微电网应用软件的数据源 , 并将计算结果实时显示在半年来的正常运行以及相关测试结果 ,验证了软 、硬件支撑平台和所开发的微网高级应用软件的正确性 。图 3 部分实际运行系统4 结束语本文在深入研究微网概念及国外现已出现的基本框架的基础上 ,结合本国电力系统的实际情况与国家的可持续发展能源目标 ,率先设计了国内微网实验平台 。该平台根据实验需要可自由改变其结构的特性 ,针对微网并网/ 孤岛运行 储能单元研究等情况 ,提出了 4 种典型的微网硬件平台结构 。考虑到微网和传统配电网的关系 ,将微网的控制划分为配电网层 微网主站层和微网子站层的 3 层控制结构 ,并结合相关应用软件 ,简单描述了整个微网的运行过程 。 参 考 文 献 3 王 敏 ,丁 明. 分布式发电及其效益 J . 合肥工业大学学报 (自然科学版) ,2004 ,27 (4) :354 - 358. 4 IEEE St d 1547 - 2003 , IEEE Standard for InterconnectingDist ributed Resources wit h Elect ric Power Systems S . 6 Co mmission. European smart grids technology 8 丁 明 ,张征凯 ,毕 锐 面向分布式发电系统的 CIM 扩展J . 电力系统自动化 ,2008 ,32 (20) :83 - 87.9 鲁宗相 ,王彩霞 ,闵 勇 ,等. 微电网研究综述 J . 电力系统