光储联合微电网控制策略的研究与应用

I 摘 要 电力需求持续增长，化石能源日益枯竭，能源危机和环境污染问题十分严重，世界各国电力工业面临着严峻的挑战，源 于分布式发电的微电网应运而生。微电网灵活的运行方式与高质量的供电服务离 不开完善的控制系统，因此微电网控制策略的研究具有重要的意义。 本文以国家电网公司河南省微电网试点工 程为背景，完成了光储联合微电网控制策略的理论研究和建模仿真，并将此 控制策略成功运用于实际电网。该工程是国内首个包含光伏发电、储能电池的微 电网试点工程，对微电网的运行控制做了有益的尝试，为后续微电网的深入研究奠定了重要基础。 本文根据光伏电池的工作原理搭建了数学模型，研究了光伏发电的运行特性。综合分析了最大功率点跟踪（ 制中的扰动增量法、电导增量法、固定电压法、二次插值法和模糊控制法等各方法 的优缺点，提出了固定电压法与扰动观察法相结合的 法，并根据光伏逆变器的工作原理，采用电流型控制模式，实时控制逆变器的输出电流达到并网发电 的目的。还讨论了储能电池具有响应速度快的特点，既可以并网时采用恒功率（ 制，也可以在孤岛运行时采用恒频恒压（ V/f）控制，且能发挥充电与放电功能。 在 真环境中搭建光储联合微电网的模型，详细研究了光伏电池与储能电池的工作特性，在主从控制 与对等控制的基础上，给出了光储联合微电网协调控制策略。基于该控制策略， 微电网在并网运行时可有效控制并网逆变器输出指定的功率，孤岛运行时为微电 网提供电压和频率支撑。进而，在仿真软件中通过不同的算例验证了本文所采用控制策略的正确性。 考虑到微电网通常在并网和离网这两种典 型的运行模式之间频繁切换，本文研究了微电网并离网控制器的功能与实现 原理，包括自动同期并网、孤岛检测离网；分析了并网时电压幅值差、相角差和 频率差对系统的影响，综合比较了多种孤岛检测方法的特点，总结提炼出并离网控制器的逻辑原理图和相关判据。 最后，介绍了该控制策略在微电网试点工 程中的整体应用概况。经过若干次在线试验以及为期两个多月的试运行，验 证了微电网系统采用综合控制策略能实现并网光储互补、离网稳定运行及并离网 平滑切换的目标，为以后微电网控制技术的深入研究积累了一定的实际运行经验。 关键字： 微电网；光伏电池；储能电池；综合控制；应用 is of it to of as of it is to is to s V is V of is of a of is to of is to of of It Q be ,of of is is On of of is on in is to be in in of of of on of of of is a of of as as V is 录 中文摘要 .文摘要 . 绪 论 .题研究的背景及意义 .内外研究现状 . 国外的研究现状 . 国内的研究现状 .文所作的工作 . 微电源及其控制技术 .伏发电系统 . 光伏电池的原理及模型 . 最大功率跟踪控制 . 光伏发电并网仿真分析 .能系统 . 储能技术的种类和特点 . 蓄电池的原理及模型 . 蓄电池的并网控制分析 .章小结 . 微电网的协调控制与仿真分析 .电网的结构 .电网的协调控制 . 主从控制 . 对等控制 . 协调控制 .真分析 . 微电网从并网运行切换到孤岛运行 . 微电网孤岛模式下光强变化和切除负荷 . 微电网重新并网运行 .章小结 . 微电网的并离网控制 .网控制 .V 动准同期并网条件的理论分析 . 自动准同期并网逻辑 .网控制 . 孤岛检测 . 离网控制逻辑 .章小结 . 控制策略在微电网试点工程中的应用 .电网总体方案 .电网控制管理系统 . 就地控制层 . 集中控制层 . 配电网调度层 .电网运行试验分析 . 微电网并网切换到离网运行 . 微电网孤岛运行试验分析 . 离网切换到并网运行试验 .章小结 . 结论与展望 .论 .望 . 谢 .考文献 . 录 : A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文 . 作者在攻读硕士学位期间参与的项目 .1 1 绪 论 题研究的背景及意义 能源是人类社会存在与发展的重要物质基 础，随着人类文明的进步与发展，能源问题已成为人们日趋关注的焦点。电 力作为一次能源利用的主要形式，随着世界经济与工业的飞速发展，其需求量迅 速增长，火电、水电、核电等传统能源成为了电力系统中电源的主体，其中化石 能源占了绝大部分的比例。然而，以煤炭燃烧为主的火力发电造成了世界性的环 境污染问题，同时石油、天然气等其他化石燃料的使用所排放的含氧硫化物和二 氧化碳也成为引起酸雨和温室效应的直接原因。而作为世界主要能源的煤炭、石 油、天然气等都是不可再生能源，随着人类继续大量的开采与利用，人类面对的 能源危机问题日趋严重。此外，传统能源中的水力发电虽然不会造成大气环境污 染，但是建设水电大坝所带来的问题更具有隐蔽性，其对生态环境的潜在负面影 响将是持久和不可逆转的，另外在我国水资源分配不均匀，具有明显的地域性。 近些年发展起来的核电是一种相对清洁环保的发电形式，但是核电站的辐射依然 会造成一定的环境污染，一旦发生核泄漏将会造成巨大的灾难，同时，到目前为止核废料的处理仍然是一个较大的难题。因此，如何采取有效的措施来保障电力能 源的稳定与持续供应成为亟待解决的重要问题。 当前人类社会面临着经济与社会可持续发 展的双重挑战，为保证人类社会稳定发展和持久的能源供应，必须优化现存 的能源结构体系，建立资源无限、可再生、多样化的新型能源结构，走经济社会可持续发展之路。 另外，随着电网规模的不断扩大，集中供 电、远距离输电的大型互联网系统现已发展成为电能生产、输送和分配的主 要方式，即以“大机组、大电网、高电压”为主要特征的集中供电系统，但是近 些年来人们要求越来越高的电能质量和供电可靠性，同时用电负荷和输电线路的 输送容量不断增大，超大规模电力系统的弊端也日益凸现，成本高，运行难度大 ，难以适应用户越来越高的安全可靠性以及多样化的供电需求1。 比如 2003 年， 出现北美东部 “ 大停电事故2； 2008年初，一场罕见的冰雪灾害袭击了我国南 方地区，对南方地区的电网造成了巨大影响，这些事例都充分地暴露了大电网的脆弱性。大电网的弊端主要表现如下3： 大电网互联系统中，任何一处的故障均会对整个电网带来较大的影响，即局部事故极易扩散，极端情况下甚至可能引发大面积停电事故； 当负荷发生变化时，大电网不能灵活地跟踪，而为了削峰填谷建造的调峰调频电厂投资巨大，能源利用率却不高，经济效益较差； 2 对于一些自然条件极其恶劣的偏远地区，人口稀少，现有电力系统距其太远，建设输配电网络的投资巨大，大电网也就不能很好的提供电力服务； 大电网的发展不能满足节能与环保的要求，且远距离输电的线路损耗大也是一个问题。 从以上分析可知，能源供需矛盾日趋明显 ，地球环境污染问题加重，大电网的脆弱性与弊端充分暴露，分布式发电技术（ 些年备受关注， 成为了电气工程领域的研究热点。 分布式电源的容量一般低于 100，主要有风力发电5、光伏发电、燃料电池、微型燃气轮机等。分布式发电一般配置在配电网或负荷附近，具有发电高效、经 济、可靠的特点。大电网与分布式发电的结合，被广泛认为是满足日益增长的电 力需求、减少有害气体的排放、提升能源综合利用率、提高电力系统可靠性和灵活性的有效途径6。 尽管分布式发电优点明显，但对于大电网来说却是一个不可控电源。 1547 对分布式电源的单独并网标准做了规定：当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行，这样导致分布式电 源的充分利用受到了限制，新能源的利用也就间接地受到了限制；另外，分布式 电源单机接入成本高，控制复杂，而且一些分布式电源的输出功率具 有一定的间歇性与随机性7为了克服分布式发电的不足，尽可能的体现分布式发电所带来的价值，进一步提高电力系统的灵活性、经济性和可控性，满足用户更高的可靠性 需求，并缓和大电网与分布式发电之间的矛盾， 21 世纪初，学者们提出了微电网（ 概念9。 微电网由微电源（ 、负荷、储能设备和控制装置等组合起来形成一个单一的可控单元10。对于大电网来说，微电网表现为一个可控单元，可以满足本地负荷特定的需求，如增加本 地供电可靠性、稳定微电网内部的电压和频率、通过利用余热从而实现能量的梯 级利用等；对于用户来说，表现为一个可定制的电源。微电网的典型结构如图 示，其中微电源一般都是通过电力电子界面联接的小型机组，微电网带有馈线 A、 B、 C 及负载和电源，总体呈放射状，在公共连接点（ 过静态开关与大电网相连。图中针对三种不同性质负荷的用电要求，分别提供了个性化的供电方案。馈线 A 和B 上的敏感负荷及可变负荷，采用光伏电池、风力发电、蓄电池储能装置等微电源混合供电；而馈线 C 上的可中断负荷，却没有配置专门的微电源。微电网中还配置有潮流控制器和能量管理器，其中潮流 控制器实现对各个微电源的就地控制，当负荷发生变化时，使微电源相应的减少 或增加输出功率以保持微电网系统的功率平衡；能量管理器则综合控制与优化整 个微电网系统，使微电网工作在最佳状态，最大化利用可再生能源。 3 电力传输线光伏电池馈线电网的典型结构 he of 电网是对可再生能源发电技术、现代电 力电子技术、储能技术等的综合利用，既要实现对可再生能源的有效利用， 提高供电服务的质量，同时又要保证微电网的接入对配电网不产生不利影响。微 电网灵活的运行方式与高质量的供电服务，必须得有优良的控制系统作为支撑，而控制技术正是微电网的关键技术之一。在微电网并网时刻，必须保证微电网的电 压频率与配电网相匹配，否则会出现较大的瞬时电流；微电网与配电网并网时对 公用电网和微电网的频率、电压、稳定性和电能质量均会产生影响；若配电网出现故障、电压跌落或停电检修等情况时，微电网必须平滑的切换到孤岛模式，实现 离网稳定运行，保证对重要负荷实现不间断供电。 综上所述，微电网存在并网运行、离网运 行以及两种运行模式之间的平滑切换这三种运行情况，因此对微电网综合控制策略的研究有着重要的实际应用意义。 内外研究现状 微电网技术是对可再生清洁能源的有效利用，且具有灵活、智能控制的特点，能在一定程度上解决负荷的持续增长、环 保与节能减排、能源的利用效率、电力系统结构的不断老化和用户对电能质量与 可靠性越来越高的标准等问题，鉴于以 4 上因素，微电网技术必然成为未来电力工 业发展的重点领域之一。近年来，各国研究机构和学者根据本国电力工业的实际 情况，对微电网技术做了大量研究，并确定了本国的微电网发展目标。以下简要地介绍一些国家的发展情况。 外的研究现状 美国近几年出现了几起大的停电事故，使 得美国更注重电能质量和供电可靠性方面的研究。美国对微电网的研 究主要包括以下三个方面： （ 1）在美国能源部输电与可靠性办公室和加利福尼亚能源委员会 (资助下，美国电气可靠性技术解决方案联合会 (早提出了微电网的概念11，强调单点并网不上网、提高电能质量与供电可靠性等。 （ 2） 美国通用公司与能源部合作， 确定了微电网能源管理框架 (集成了微电网的控制、保护与能量管理； （ 3）其他的研究活动主要有：加利福尼亚资助并 开展了对高渗透率分布式发电与配电网相结合的研究。 日本由于资源匮乏，他们更加注重对可再 生能源的利用，但是一些可再生能源发电具有随机性和间歇性，所以日本对 微电网的研究主要集中在储能技术和控制技术方面。目前日本已在其国内 建立了多个微电网试点工程12。日本为了统一协调国内相关高校、科研院所与企业对新 能源的研究与应用，成立了新能源与工业技术发展组织（ ，该组织已经做了很多微电网方面的研究工作，取得了显著的成果。 欧洲的互联电网中，电源一般靠负荷较近 ，易形成多个微电网，使得欧洲格外注重多个微电网的互联和市场交易等方面的研究。 在 2005 年， 欧洲也提出了 “智能电网”计划13，并在 2006 年确定了智能电网的技术实现路线。到目前为止，欧洲主要对微电网的运行、保护与控制、通 信等方面进行了理论研究，并借助于试验平台对这些理论进行了验证，未来将主 要研究更加完善的控制策略，制定一些相关标准，建立微电网示范工程等。 除美国、日本、欧洲外，世界上其他一些 国家和地区也纷纷开展了微电网研究。从各国对微电网技术的重视情况与研 究现状我们可知：微电网是改善电力服务，提高能源利用率，增强环保意识，维 持可持续发展的一个重要手段，是对大电网的有益补充。目前，国外针对微电网 的研究，主要是对微电网概念的阐述、建模仿真、规划、微电网的接入等，同时 也有一些对微电网控制策略的研究。文献 14建立了风光混合的微电网系统，对风力发电和光伏发电均采用最大功率点跟踪控制， 重点分析了并网变换器的控制策略， 并在 进行了仿真，验证了文章所提控制策略的有效性；文献 15建立了风力发电、光伏电池和燃料电池混合微电网模型，由于风力发电与光伏发电的间歇性，系统中加入了储能设备； 5 考虑到电解槽能将水电解为氢气和氧气， 然后压缩氢气储存起来可为燃料电池提供氢气原料，多余的电能同时也可以由蓄 电池充电储存；研究了各微电源模型，讨论了它们之间的配合问题，给出了微电 网孤岛状态下的能量管理策略，仿真验证了该策略的有效性。文献 16研究了微电网并网和孤岛模式的切换过程，减小了切换过程的冲击，但没有考虑微电源功率 变化的影响，特别是光伏发电等间歇性微电源，具有一定的局限性。 内的研究现状 近年来，分布式发电技术、储能技术、微 电网的控制技术等成为国内学者关注与研究的热点。我国对微电网的研究起步稍晚，目前尚处于开始阶段。 我国也根据自身的特点选择了有特色的研 究方向。积极推动和鼓励可再生能源的发展已被国家发改委在能源“十一 五”规划中列为中国的重点发展战略之一17，此外也启动了该领域的 973 计划“分布式供能系统” ，同时微电网也被科技部列入“十二五”期间的 863 计划18。国内相关科研院所、高校、电力企业对新能源的利用及微电网的各项研究工作正 在积极展开，不乏一些示范项目：内蒙古电力公司实施了“北方地区 分布式冷热联供集成技术与示范工程” ；国内一些大城市也已经建立了热电联产系统， 用于医院、机场、商业中心等场合，比如北京燃气集团指挥调度中心的 目，上海浦东机场分布式发电项目，均取得了良好的效果；此外，由南方电网公 司牵头，中科院、天津大学、北京四方继保公司等单位联合起来，在佛山供电局新调度大楼建成了基于 燃气轮机的冷电联供微网系统国家 863 计划项目。该系统包括 3 台 200燃气轮机， 1台溴化锂制冷机，满足调度大楼、试验楼 和综合楼的冷电负荷需求，其中微型燃气轮机首先给调度大楼和试验大楼供电， 若有多余则向综合大楼供电，不足部分由配电网补齐；制冷机将微型燃气轮机排 出的烟气转化为冷气给大楼提供冷气，实现了极高的能源利用率。 针对微电网在实际运行中关键问题之一的 控制策略，国内相关研究机构与学者也取得了显著的成果。文献 19立了包含单级式光伏发电和微型燃气轮机发电的混合微电网模型，为了实现微电网从并网运行向孤岛切换时功率快速平衡，提高微电网的响应速度，在微型燃气轮机 直流侧装设了储能设备；在分析了光伏发电和微型燃气轮机动态模型及运行特性 的基础上，研究了该混合微电网能量管理策略，提出了变步长时间序列法预测光 伏与负荷功率和模块化的储能电池管理模型；通过仿真验证了所提控制方法和能 量管理策略的正确性，保证了微电网运行的可靠性，提高了蓄电池的运行效率和 工作寿命，为光伏和微型燃气轮机混合微电网的运行和能量管理提供了一 种有效的解决方案。文献 4考虑到微电源和负荷具有分散性的特点，根据微电网的类型 与储能装置的不同组合方式，采取不同 6 的控制策略分别进行了相应的控制器设计 ；在假定所有电源都已经整流为直流电源的情况下，通过仿真验证微电网的三种 运行情况，获得了微电网中微电源的功率、 电压电流及系统频率的变化规律， 证明了控制策略的正确性和有效性。 文献 21针对微电网的动态切换过程，应用下垂控 制与倒下垂控制，其中下垂控制的微电源模拟电力系统中的同步发电机为系统提 供电压和频率参考，使微电网在无通信协助的情况下实现并网和孤岛模式的无缝 切换，避免了微电网切换运行模式时同时切换控制策略，但考虑到系统运行的稳 定性，其再并网过程的调节时间有待于进一步优化缩短。文献 22建立了包含多种微电源模拟单元的微电网实验室系统，对微电网的运行特性进行了深入的理论和 实验研究，其中蓄电池通过双向变换器并入微电网，风力发电和光伏发电模拟系 统仍然采用恒功率控制，不考虑负荷的变化情况；实验表明，该微电网系统可以 稳定的工作于并网和孤岛模式，并能实现两者之间的平滑切换，且系统具有良好 的稳态和暂态性能。上述研究成果为微电网的深入研究提供了坚实的基础。 微电网在优化我国能源结构，实现节能减 排，提高能源利用率等方面都有至关重大的意义，一定程度上改变了传统电 网的模式，适应未来电力工业发展的大趋势，也是传统电网向智能电网23变的过程之一，符合我 国智能电网发展的大方向。因此，为了更好的利用微电网， 本文在借鉴前述已有成果的基础上，开展了光伏发电与储能电池联合微电网的研究与试验。 文所作的工作 本文依托国家电网公司河南省微电网试点 工程，建立了光伏电池与储能电池混合微电网的动态模型，研究了混合微电 网中分布式电源层面上的发电控制、系统层面上的微电源之间的协调控制和微电 网并离网控制，其中提出了一种改进的光伏电池 法，介绍了微电网试点工程的概况。具体工作如下： 针对当前的能源形势与电力工业的发展现状，讨论了利用可再生能源的分布式发电技术。为了缓解分布式发电技术 与大电网之间的矛盾，出现了微电网；简述了微电网的相关定义，分析了微电网 的典型结构与运行模式；针对国内外微电网技术的研究现状，控制问题是微电网 技术的关键问题之一，最后以微电网综合控制策略作为本文的研究方向。 本文所研究的是基于光伏电池与储能电池的微电网系统，为此重点研究了光伏电池和储能电池的工作原理、仿真模 型及并网控制。考虑到光伏电池的输出功率具有随机性，在综合分析了多种最大功率点跟踪（ 制算法的基础上，提出了基于恒定电压法和扰动法相结合的 法，并对该算法进行了仿真验证；研究了光伏电池的并网逆变控制系统 ，通过控制逆变器的输出电流以实现并 7 网运行的目的。为了平抑光伏电池的功率 波动，储能电池并网端接双向变流器，可以实现逆变和整流作用，即蓄电池的充电和放电过程。 分析了光储联合微电网的特性与微电网的几种控制策略，确定了本文微电网系统所采用的协调控制策略；研究了光伏发 电与储能设备的协调与配合，在真环境中建立整个微电网及控制系统的模型，通过微电网并网、离网和两种运行模式之间切换过程的仿真 ，验证了文中给出的协调控制策略的正确性与有效性。 研究了微电网并网与离网控制的判定条件，介绍了自动同期并网控制的理论，并给出了实现逻辑图，离网控制中的孤岛检测方法与实现的逻辑图。 结合微电网试点工程，介绍了该工程的整体概况，将本文的微电网综合控制策略应用于试点工程。通过若干次试验 以及为期两个多月的试运行，验证了本微电网系统采用综合控制策略能实现并网 光储互补、离网稳定运行及并离网平滑切换，达到了将本项目建成一个现场运行的微电网系统的预期目标。 8 2 微电源及其控制技术 一般而言，微电网由微电源、储能设备、 负荷、控制装置等共同构成，本文所研究的微电网重点考虑光伏电池与蓄电 池的协调运行。光伏发电是利用光伏电池板，根据光生伏打效应将太阳能转换成 电能，但光伏电池板发出的电能不能直接并网利用，必须通过变流装置将发出的 直流电变换成波形质量好、频率稳定的交流电。为保证光伏电池电能的充分消纳 、平稳运行，必