（电力系统及其自动化专业论文）微网控制及运行特性分析.pdf

输出功率变化、负荷功率变化及微网联入主电网时微网的暂态响应。同时，分析 了不同故障类型和不同故障点对微网暂态稳定的影响。 关键词：分布式发电，微网，分布式电源，频率稳定，下垂控制，多环反馈控 制器，尸q 控制器，暂态特性 a b s t r a c t am i c r o g r i di sal o wv o l t a g en e t w o r kw i t hd i f f e r e n tm i c r og e n e r a t o r s ( m i c r o s o u r c e s ) a n dl o a d so p e r a t i n gt os u p p l ye l e c t r i cp o w e rf o rt h el o c a la r e a i tc a no p e r a t e i ng r i d c o n n e c t e do ri s l a n d e d ，w h i c hh a st h ea b i l i t yt oe n h a n c et h er e l i a b i l i t yo f e l e c t r i c a le n e r g ys u p p l y m o s to fm i c r os o u r c e si nam i c r o g r i da r ei n t e r f a c e dt h r o u g h p o w e re l e c t r o n i cc o n v e r t e r s t h ei n t e r f a c e so fc o n v e r t e r si n c r e a s et h ef l e x i b i l i t yo f c o n t r o lb u tr e d u c et h ei n e r t i ao ft h em i c r o g r i d l a c ko fi n e r t i aa n dt w oo p e r a t i o n m o d e sp o s ed i f f i c u l t i e si nm a i n t a i n i n gap o w e rb a l a n c eb e t w e e ng e n e r a t i o na n d c o n s u m p t i o na n dc o n t r o l l i n gt h en e t w o r kf r e q u e n c yo fa ni s l a n d e dm i c r o g r i d t h e c o n n e c t i o no fd i f f e r e n tt y p e so fm i c r os o u r c e st of o r mam i c r o g r i di sa ni m p o r t a n t t a s k t h i st h e s i sc o n c e n t r a t e so nac o n t r o ls t r a t e g ya n do p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fa n i n v e r t e r - i n t e r f a c e dm i c r o g r i d t h em a i nj o b so ft h et h e s i sa r ea st h ef o l l o w i n g f i r s t l y ，t h ev a r i o u sc o n t r o lt e c h n i q u e sa n dd i f f e r e n tc o n t r o la p p r o a c h e si na m i c r o g r i du s e dt od a t ea r es u m m a r i s e da n dc o m p a r i e d s e c o n d l y ，t h ef r e q u e n c ys t a b i l i t yo fam i c r o g r i d ，i nw h i c ht h ef r e q u e n c yi s r e g u l a t e db yd i f f e r e n tm i c r os o u r c e su s i n gp - f q - vd r o o pc o n t r o l ，w a sa n a l y z e d c o n s i d e r i n gt h ed e c e n t r a l i z a t i o na n dt h ec a p a c i t yd i f f e r e n c eo fm i c r os o u r c e si n a m i c r o g r i d ，h o wt oc h o o s et h er i g h td r o o pg a i n si si n v e s t i g a t e dw h e nd i f f e r e n tm i c r o s o u r c e su s ep - f , 曼q - vd r o o pc o n t r o l l e r s t h e nt h ef r e q u e n c ys t a b i l i t yo fa g r i d c o n n e c t e da n da l li s l a n d e dm i c r o g r i di si n v e s t i g a t e db a s e do nt h er i g h td r o o p g a i n s t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ef r e q u e n c ys t a b i l i t yo f a g r i d c o n n e c t e dm i c r o g r i d a n dt h ep o w e ra n g l es t a b i l i t yo ft h ec o n v e n t i o n a lg e n e r a t o ra r ea n a l y z e d m o r e o v e r ，a s m a l l s i g n a ls t a t e - s p a c em o d e li su s e dt oe x p l o r et h ef r e q u e n c ys t a b i l i t yo fa ni s l a n d e d m i c r o g r i di nw h i c ht h ef r e q u e n c yi sr e g u l a t e db yd i f f e r e n tm i c r os o u r c e su s i n g 尸必q vd r o o pc o n t r o l l e r s t h ee i g e n v a l u e sa r ec a l c u l a t e dw h e nt h el o a dr e s i s t a n c e a n di m p e d a n c e ，t h ee q u i v a l e n tl i n ei m p e d a n c ea n dt h ed r o o pg a i n sc h a n g e a n dt h e f a c t o r st h a ti n d u c et h ef r e q u e n c yu n s t a b l ea r ea n a l y s e d t h i r d l y , t h ec o n t r o ls c h e m eo fi n v e r t e r - i n t e r f a c e dm i c r o c j r i db a s e do n t h e p e e r - t o - p e e ra n dm a s t e r - s l a v ei sd e s i g n e dc o n s i d e d n gt h eg e n e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f m i c r os o u r c e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el o a dp o w e rd e m a n d am u l t i l o o p f e e d b a c kc o n t r o l l e ri so b t a i n e dt oc o n t r o lt h em i c r os o u r c e st h a ta lec o n t r o l l e db yt h e p 必q - vd r o o p t h eo u t e rl o o po ft h em u l t i l o o pf e e d b a c kc o n t r o l l e ri se - f , 璺o - v d r o o pc o n t r o l l e r t h ei n n e rv o l t a g ec o n t r o l l e ra n dc u r r e n tc o n t r o l l e ri n s u r et h eo u t p u t v o l t a g eo ft h ei n v e r t e ro ft h em i c r os o u r c ee q u a lt ot h eo u t p u tv o l t a g eo ft h eo u t e r p - f 投q vd r o o pc o n t r o l l e rb yr e d u c i n gt h ee f f e c to ft h ed i s t u r b a n c e so fl o a d so ro t h e r m i c r os o u r c e s t h ec l o s e d l o o po u t p u ti m p e d a n c eo ft h ei n t e r f a c e di n v e r t e rc a nb e i n d u c t i v eb yd e s i g n i n gt h ep a r a m e t e r so ft h ei n n e rc o n t r o l l e rt h a tc a nd e c o u p l et h e t r a n s f e r r e da c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e r d i f f e r e n c ep qc o n t r o l l e r sf o rt h e i n t e r f a c eo fc u r r e n ts o u r c ei n v e r t e ra n dt h ev o l t a g es o u r c ei n v e r t e r , a r ed e s i g n e dt o c o n t r o lt h eo u t p u tp o w e ro ft h em i c r os o u r c e se q u a lt ot h er e f e r e n c ep o w e r f i n a l l y , t h et r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h em i c r o g - r i da r ei n v e s t i g a t e di nd i f f e r e n t o p e r a t i o nc o n d i t i o n sb a s e do nt h ec o n t r o ls c h e m e t h ei m p a c to fi n d u c t i o nm a c h i n e l o a d so nt h et r a n s i e n ts t a b i l i t yo ft h em i c r o g r i d ，a n dt h et r a n s i e n tr e s p o n s eo ft h e i n t e n t i o n a li s l a n d i n g ，t h ed i s c o n n e c t i o no fam i c r os o u r c e ，t h eo u t p u tp o w e r c h a n g eo f t h em i c r os o u r c eu s i n gp qc o n t r o l ，t h ec h a n g eo fl o a dp o w e ra n dt h ec o n n e c t i o nw i t h t h em a i n 嘶d ，a r es h o w ni nt h i st h e s i s t h ei m p a c to fd i f f e r e n tt y p e so ff a u l t sa n dt h e d i f f e r e n tl o c a t i o n so ff a u l t so nt h et r a n s i e n ts t a b i l i t yo ft h em i c r o g r i da r ea l s o i n v e s t i g a t e d k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n , m i c r o g r i d ，m i c r os o u r c e ，f r e q u e n c ys t a b i l i t y , d r o o pc o n t r o l ，m u l t i l o o pf e e d b a c kc o n t r o l l e r , p qc o n t r o l l e r ，t r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 靴做作者繇嘣觚签字吼加7 年，月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：喷飘镟 翩签名：妯b f 月l5 日 天津大学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了分布式发电和微网发展的背景和研究现状，然后给出了微网 的基本概念，包括微网的定义、结构、运行模式及微网的主要特点等。针对微网 的特点，指出了其控制的关键问题。接着对微网控制的相关技术进行了回顾、总 结和比较，重点介绍了当前两种常见的微网控制策略一主从控制和对等控制。 同时，详细介绍和比较了相应控制策略的不同控制方法，阐述了这些控制方法的 优缺点。最后综述了不同控制策略对微网稳定性影响的研究现状，给出了本论文 的研究目标和结构安排。 1 1 分布式发电发展概况 随着常规能源的逐渐衰竭和环境污染的日益加重，世界各国纷纷开始关注环 保、高效和灵活的发电方式分布式发电( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，d g ) 。位于 布鲁塞尔的国际热电联产机构( i c a ) 在1 9 9 9 年就曾预言“分布式发电将成为 2 1 世纪电力工业的发展方向l i j 。”美国著名的安德逊咨询公司认为：“电力工业在 2 0 1 5 年前将发生根本的变化，大型和远离负荷中心的电厂将越来越多地被靠近 负荷中心的小型和清洁的发电方式所代替，这些负荷中心将减少对昂贵的远距离 输电线路的需求。 美国e p r i 的研究则表明到2 0 1 0 年，世界每年新增的分布式 发电容量将占当年新增电源装机容量的2 5 ，而美国天然气基金会预测的比例 更高达3 0 。美国在2 0 0 1 年已制订完成了分布式发电互联标准i e e ep 1 5 4 7 ，规 划在1 0 1 5 年后分布式发电占整个美国发电量的1 0 , - 一2 0 t 2 4 1 。欧盟研究发 现，到2 0 1 0 年，欧洲潜在可开发的可再生能源中6 0 将作为分布式电源。德国 在其新可再生能源法中规定，到2 0 2 0 年把风能、生物质能、水能和太阳能 的发电量提高1 0 ，使其占国家总发电量的2 0 。英国则计划到2 0 1 0 年时分布 式发电总装机容量达到1 0 0 0 万千瓦，可满足全国1 0 的电力需求。西班牙宣称， 2 0 1 0 年其可再生能源发电的比例将达到2 9 以上。另外，北欧部分国家则提出 了利用风力发电和生物质能发电逐步替代核电的战略目标 5 刁】。 中国政府对发展基于可再生能源的分布式发电也非常重视。2 0 0 5 年亚洲最 大规模的并网光伏系统在深圳投入运行，发电总装机容量达到1 m w 。2 0 0 5 年中 国风电累计装机容量已突破1 0 0 万千瓦大关，而且已有多个百万千瓦的大型风电 场获政府批准，正在加紧建设之中。2 0 0 6 年1 月1 日，中华人民共和国可再生 能源法正式生效。2 0 0 7 年，中国发改委制定了可再生能源发展战略，如表卜l 所示。到2 0 2 0 年，中国发电机总装机容量近1 0 亿千瓦，其中包含水电在内的可 再生能源装机比重达3 1 7 。到2 0 5 0 年，总发电装机容量将超过2 0 亿千瓦，可 天津大学博士学位论文 第一章绪论 再生能源的比重将达到4 3 。因此，可以预见在中国大规模发展基于可再生能源 的分布式发电技术已是必然的趋势阳2 1 。 表1 1 未来装机容量构成分析 2 0 2 02 0 5 0 g w g w 煤电 5 6 3 5 9 2 8 0 03 8 6 天然气发电 6 06 31 8 08 7 核电 3 63 82 0 09 7 水电 2 5 02 6 33 2 01 5 。4 其中小水电 8 08 41 0 04 8 风电 2 02 12 5 01 2 1 生物质发电 2 02 12 0 09 7 太阳光电 1 o0 11 0 04 8 其它可再生能源发电 1 00 12 0 01 0 总计 9 5 l1 0 0 02 0 7 01 0 0 0 分布式发电系统通过将各种不同的能源形式转换为电能加以利用，是分布式 能源最有效的利用方式之一。分布式发电一般是指发电功率在数千瓦至5 0 兆瓦 的小型化、模块化、分散式、布置在用户附近为用户供电的连接到配电系统的小 型发电系统。分布式发电按其发电能源是否可再生分为两类：一类利用可再生能 源，主要包括风能、太阳能、水能、地热能、海洋能等发电形式；另一类利用不 可再生能源，主要包括热电联产、燃料电池等发电形式 1 3 - 1 6 j 。 光伏发电、风力发电、燃料电池、微型燃气轮机、内燃机等经过长期的发展， 在技术上已取得了长足的进步，其价格的下降和可靠性的提高为应用新型分布式 能源提供了机会。各种分布式发电技术的成熟程度和发展阶段如表1 - 2 所示，由 表1 2 可知，微型燃气轮机，小型风电机组，燃料电池发电以及小型沼气发电等 技术己基本成熟，可以投入商业运营。各种不同发电技术每千瓦的发电投入如表 1 3 所示，由表1 3 可知，尽管当前燃煤与燃气两种发电方式费用相对较低，但 是可再生能源的发电投入已逐渐具有经济竞争性。文献 1 7 】提供的报告表明可再 生能源的发电成本逐年减小，光伏发电系统的成本从1 9 9 1 年的1 0 - - - - 2 0 美元w 降到了2 0 0 0 年的4 - 8 美元肿，相应的光伏电价也从1 9 9 1 年的4 0 , - - - 7 5 美分l ( 帆 降到2 0 0 0 年1 4 2 0 美分k w h ，预计2 0 1 0 后将低于6 美分l ( 、h 。2 0 世纪9 0 年 度初，欧美等国的风力发电成本为7 , - - - 1 0 美分k w h ，9 0 年代末为4 5 美分k w h ， 目前，风电成本还在继续下降。因此，从发展趋势来看，未来的分布式发电技术 与常规集中式发电相比在经济上是有竞争力的。同时，不同电压等级和不同功率 2 天津大学博士学位论文第一章绪论 等级的d c a c 逆变装置、a c d c 整流装置和d c d c 直流变换装置等电力电子 设备的智能模块化设计的成熟化，使得其应用的可靠性大大提高，为各种新型分 布式能源应用提供了可能【i s - 2 0 。 表1 2 各种可再生能源技术发展现状 技术成熟程度和发展阶段 技术类别 研究开发阶段 试点示范阶段商业化阶段 微型燃气轮机 大型并网风力发电 小型和微型风力发电 燃料电池 太阳能电池 地热发电 小型沼气池 大型沼气工程技术 潮汐发电 生物质气化技术 城镇有机废物利用技术 海浪发电 海洋温差发电 制氢新技术 氢储能技术 表1 - 3 不同发电技术所需装置每千瓦的投入 技术类型相对燃气轮机收入 燃气轮机 l 燃煤蒸汽机2 4 核裂变 5 8 大型8 - 1 2 水力发电 小型 1 5 之o 风力机3 4 太阳能熟力发电机 8 1 5 太阳能光伏发电 1 5 2 0 天津大学博士学位论文第一章绪论 分布式发电技术的发展不仅能减少能源短缺，降低环境污染，还能提高现有 电力系统的效率、可靠性和电能质量，并拥有减轻系统约束和减少输电成本的潜 力。合理的选择分布式电源的位置和容量，可以有效地改善末端负荷点的电压， 提高电能质量。而在夏天和冬天的负荷高峰期，大量分布式电源的使用，可以起 到调峰的作用，例如使用冷热电联供技术，可以在供冷或供热的同时提供额外电 力，满足负荷需求。一些边远的地方采用独立的发电供电方式，减小了输电成本 等。 因此，可以预见分布式发电在克服了自身的技术阻碍以及成本问题后，在不 远的将来，必将与常规集中式发电构成未来世界两种相辅相成的发电方式，并在 电力系统中占据重要的地位。 1 2 微网发展现状 微网是分布式发电的重要形式之一，它是指将一定区域内分散的小型发电单 元( 分布式电源) 组织起来形成一个微型网络为本区域的当地负荷供冷、热和电 或与传统电网并联。这样，微网既可以通过配电网与大型电力网并联运行，形成 一个大型电网与小型电网的联合运行系统，也可以独立地为当地负荷提供电力需 求。该灵活运行模式大大提高了负荷侧的供电可靠性。同时，微网通过单点接入 电网，可以减少大量小功率分布式电源接入电网后对传统电网的影响。另外，微 网将分散的不同类型的小型发电源( 分布式电源) 组合起来供电，能够使小型电 源获得更高的利用效率。 基于以上原因，“微网”这个概念及其相关技术获得了世界很多国家的重视 和推广f 纠- 2 2 。以欧盟、美国和日本为代表，他们积极推广微网技术，并且已经取 得了一定的进展，他们的研究目标如表1 - 4 所示。 表l - 4 欧盟、美国和日本的微网发展目标 目标欧盟美国日本 供电可靠性 减少电力供应带来的环境影响( 减小c 0 2 等的 减少投资成本 提高分布式能源利用效率 1 ， 确保分布式电源的多样化 能孤岛运行 4 天津大学博士学位论文 第一章绪论 欧盟第五框架计划( 1 9 9 8 2 0 0 2 ) 项引弱j ：“t h em i c r o b r i d s ：l a r g es c a l e i n t e g r a t i o no fm i c r o g e n e r a t i o nt ol o wv o l t a g eg r i d sa c t i v i t y ，投资4 5 0 万欧元， 由希腊雅典国立大学领导，来自欧盟1 4 个国家的组织和团体参加，成员包括希 腊、法国、葡萄牙的电力公司和e m f o r c e 、s m a 、g e r m a n o s 、u r e n c o 等著 名公司，以及l a b e i n 、i n e s cp o r t o 、t h eu n i v e r s i t yo fm a n c h e s t e r 、i s e tk a s s e l 与e c o l ed em i n e s 等大学和团体，并在雅典、曼彻斯特、i s e t 等地建立了微网的 实验平台。该研究项目的重心是如何将各种不同的分散的小的电源连接成个微 网，并实现与配电网的连接。他们的研究内容主要包括微网中分布式电源的控制、 保护方案和微网的实验室建设。在此研究基础上，欧盟第六框架计划( 2 0 0 2 2 0 0 6 ) 项目1 2 4 ：“a d v a n c e da r c h i t e c t u r e sa n dc o n t r o lc o n c e p t sf o rm o r em i c r o g r i d s ，投 资8 5 0 万欧元，继续由希腊雅典国立大学领导，同s i e m e n s 、a b b 、s m a 、z i v 、 i - p o w e r 、a n c o 、g e r m a n o s 及e m f o r c e 等公司合作，重点研究多个微网连接到配 电网的控制策略，协调管理方案，系统保护和经济调度措施，以及微网对大电网 的影响等内容。 美国权威研究机构c e r t s 对微网的概念及热电联产式微网的发展做出了重 要贡献1 2 5 - 3 2 1 。c e r t s 在威斯康辛麦迪逊分校建立了自己的实验室规模的测试系 统，并与美国电力公司合作，在俄亥俄州c o l u m b u s 的d o l a n 技术中心建立了大 规模的微网平台。美国电力管理部门与通用电气合作耗资4 0 0 万美元，为期两年 的集控制、保护及能量管理于一体的微网平台也在建设中。此外，由加州能源认 证资助，已建成了首个商用微网d u i t 。北方电力和国家新能源实验室( 疆l ) 也己在v e r m o n t 州建立了乡村微网，用于检验微网安装于乡村时所需要的技术革 新和难点。 日本在分布式发电应用和微网展示工程建设方面已走在了世晃的前列1 3 3 8 j ， 已分别在h a c h i n o h e ，a i c h i ，k y o t o 和s e n d a i 等地建立了微网展示工程。在 h a c h i n o h e 的微网展示项目中，其目标主要集中在研究间歇的可再生能源发电对 微网控制的影响，分布式电源包括：p v 、小型风力机和生物能发电。a i c h i 的微 网展示项目，主要研究分布式电源输出功率对负荷功率变化的跟踪能力，分布式 电源包括各种不同的燃料电池。k y o t o 的微网展示项目中的分布式电源既包括各 种可再生能源发电也包括各种燃料电池，目标是研究建立在通信基础上的能源管 理系统。而s e n d a i 的微网展示项目中，则包括不同类型的分布式电源和不同类 型的负荷( 直流负荷和交流负荷) ，并且一些保证负荷侧供电质量的装置被采用。 加拿大也积极进行了大量分布式发电的研究 3 9 - 4 1 ，但是他们所进行的分布式 发电项目不是现在定义的严格意义上的微网，当然这也可能使今后微网的形式更 多样化。他们主要研究如何将已经存在的中小型水利发电、风力发电以及柴油机 天津大学博士学位论文第一章绪论 组发电联合起来应用。 我国关于大型可再生能源发电的研究已经取得很多成果，如风力发电和太阳 能发电。而对小型分布式电源组成的微网的研究还是刚刚起步，但是我国对此项 研究给与了大量的支持，在国家8 6 3 和9 7 3 计划中都分别支持了微网的研究。到 目前为止，上海、广州和北京通过引进国外技术已经建成了近1 0 座热电联产系 统，用于医院、机场、商业中心等场合，如上海浦东国际机场能源中心、北京燃 气集团调度指挥中心热电联产项目1 4 2 - 4 8 1 。 1 3 微网基本概念 1 3 1 微网的定义与结构 欧盟把微网定义为【4 9 】：“充分利用一次能源，将小的、模块化的分布式电源 互联，能实现冷、热、电联供，配有储能装置，连接到低压配电网的系统 。他 们的实验室微网结构如图1 1 所示，光伏( p v ) 、燃料电池和微型燃气轮机通过 电力电子接口连接到微网，小的风力发电机直接连接到微网，中心储能单元被安 装在交流母线侧。微网系统采用分层控制策略，并且允许微网作为电网中分布式 电源的一部分向大电网供电。 p v 图1 i 欧盟微网结构图 美国电气可靠性技术解决方案联合会( c e i 玎s ) 和威斯康辛大学定义微网为 【5 0 】：“微网是一个由负载和分布式电源组成的独立可控系统，对当地提供电能和 热能。相应微网结构如图1 - 2 所示，它采用微型燃气轮机和燃料电池作为主要 的电源，储能装置连接在直流侧与分布式电源一起作为一个整体通过电力电子接 口连接到微网。其控制方案相关研究重点是分布式电源的“即插即用 式控制方 法。到目前为止，他们不允许微网向大电网供电。 6 天津大学博士学位论文第一章绪论 图1 - 2 美国微网结构图 日本没有明确给出微网定义，但是在发展微网展示平台方面做出了重要贡 献，著名的仙台微网结构如图1 3 所示f 州。该结构采用了各种分布式电源，包括 气轮机、燃料电池、p v 等，并且微网内存在直流和交流两类母线分别为直流负 荷和交流负荷供电，动态电压恢复装置( d v r ) 能为用户提高供电质量。 图1 3 仙台微网结构图 1 3 2 微网中分布式电源种类 广义来说，各种可能发电方式都可以在微网中获得应用，所以风能、太阳能、 水能、地热能、海洋能、热电联产、燃气轮机、燃料电池等发电形式均可作为分 布式电源。但是一般的原则是：尽可能应用可再生能源，尽可能减少对环境的污 染。由于大部分分布式电源其输出电能的频率都不是工频，例如采用直趋式微型 燃气轮机的旋转频率一般在几万到几十万转，p v 、燃料电池等输出的是直流电， 所以这类分布式电源一般需要使用电力电子装置作为接口连接到微网。而大量电 力电子装置的使用使得微网缺乏惯性，同时由于可再生能源的间歇特性，储能装 置成为微网内必不可少的选择。常见的储能装置包括：蓄电池，飞轮储能，超级 电容，超级电感等。 这样，微网中的分布式电源( 包括储能设备) 按照是否通过逆变器接口可分 为以下两大类。( 1 ) 使用逆变器接口：p v ，燃气轮机，燃料电池，蓄电池，飞 天津大学博士学位论文第一章绪论 轮储能超级电容等；( 2 ) 无逆变器接口：小风机，柴油发电机，小水电机组等。 在实际微网的建设中，不应盲目地追求大而全的项目，应该根据各个地方的特点， 因地制宜地选择合适的分布式电源进行合理的发电 5 1 - 5 8 】。 1 3 3 微网特点 由微网的定义可知，微网有如下四个特点f 5 9 - 6 3 ： 1 ) 一般通过单点接入大电网，即从电网端看进去微网是一个可控发电单元 或者负荷。这样可以充分利用微网内各种分布式电源的互补性，能源的利用更加 充分，并且减少各类分布式电源直接接入电网后对大电网的影响。 2 ) 能运行在两种模式：联网模式和孤岛模式。在联网模式下，负荷既可以 从电网获得电能也可以从微网获得电能，同时微网既可以从电网获得电能也可以 向电网输送电能( 根据接入电网的准则) 。当电网的电能质量不能满足用户要求 或者电网发生故障时，微网与主电网断开，独立运行，即运行于孤岛模式。在孤 岛模式下微网必须满足自身供需能量平衡。 3 ) 微网中的分布式电源互相之间一般有一定的地理距离。由于微网中常采 用多种分布式能源，而太阳能发电、风力发电等方式受天气条件制约，所以一般 要根据其实际地理条件选择分布式电源安装位置，因地制宜是分布式电源安装的 基本原则之一。 4 ) 微网一般连接在低压配电网侧，其输电线路阻抗一般成阻性。在传统电 网中，其线路阻抗特性的x r 的比一般大于l 。但在低压配网中，其线路阻抗特 性的x r 的比一般小于l 。 另外，由微网中分布式电源的种类属性，可知微网还有如下两个显著特点 6 4 - 6 8 】： 1 ) 微网中使用大量的电力电子装置作为接口，使得微网内的分布式电源相 对于传统大发电机惯性很小或无惯性。同时，由于电力电子装置响应速度快且输 出阻抗小，导致逆变器接口的分布式电源过负载能力低。 2 ) 由于微网惯性很小或无惯性，在能量需求变化的瞬间分布式电源无法满 足其需求，所以微网需要依赖储能装置来达到能量平衡。在现有的微网结构中， 储能装置是维持系统暂态稳定必不可少的设备。 微网由于其具有单点接入，灵活的运行模式等特点，因此能给大电网和电力 用户分别带来一些益处。 可能给大电网带来的好处主要包括1 6 9 - 7 3 j ： 1 ) 微网是将不同类型的发电单元组合成一个微网且与大电网单点连接，因 此可以利用不同发电单元的优势互补，减少单个分布式电源可能给电网 造成的影响，同时方便配电网的运行管理。 8 天津大学博士学位论文第一章绪论 2 ) 降低因电网升级而增加的投资成本，降低输电损耗。 3 ) 减少大发电站的发电备用需求。 4 ) 提供负荷侧电压支持。 可能给用户侧带来的好处主要包括1 7 4 - 7 8 1 ： 1 ) 微网灵活的运行模式，提高了用户侧的供电可靠性。 2 ) 电力电子装置的可控性，有潜力为用户提供更高电能质量。 3 ) 微网采用的大部分分布式电源是可再生能源和各种清洁能源，能减少环 境污染，保持能源的可持续发展。 1 4 微网控制 传统的电力系统是一种分层结构，微网及多微网的概念由于发展的时间不 长，部分专家提出了模拟传统电力系统的分层控制方案。其主要思想是将微网控 制分为分布式电源原动机控制、分布式电源接口控制和微网及多微网上层管理系 统的控制。而另一部分专家从微网对电网的影响及其灵活性方面考虑提出了“即 插即用式控制方案，“即插即用”的概念包括两层含义：( 1 ) 当大电网中存在 多个微网的时候，微网对大电网具有即插即用的功能；( 2 ) 徼网中的不同类型的 分布式电源对微网具有即插即用的功能。目前的微网控制方案，从整体控制策略 上可分为主从控制( m a s t e r - s l a v e ) 和对等控制( p e e r - t o - p e e r ) 7 9 - s 8 1 。从微网控制 层次上，可以分为底层分布式电源的控制和上层的管理系统。本质上，该分层控 制属于主从控制策略。从分布式电源的控制方法上，分布式电源控制可分为恒功 率控制( p qc o n t r 0 1 ) ，下垂控制( d r o o pc o n t r 0 1 ) 和恒压恒频控制( v f c o n t r 0 1 ) 。 本节将介绍微网控制的主要问题以及分布式电源通过电力电子接口与发电 机直接接口的本质区别，并阐述现存不同的分布式电源接口控制的基本方法，最 后对两种常用的微网控制策略( 主从控制和对等控制) 及每种控制策略里的不同 控制方法，进行了综述和比较。 1 4 1 微网控制的主要问题 由于微网有联网和孤岛两种运行模式，所以微网通常运行在三种状态：联网 运行状态，孤岛运行状态和在两种运行状态之间切换的暂态。 运行于联网模式时，微网一般被要求控制为一个“好公民”或者“模范公民。 作为“好公民时【2 5 1 ，微网在与配电网连接时需满足配电网的接口要求，同时 不参与主电网的操作。此时，微网应能实现减少电能短缺、提高当地电压质量和 不造成电能质量的恶化等目标。而当被控制为“模范公民”时【2 3 捌，要求微网能 为大电网提供一些辅助操作，例如：参与大电网的电压和频率调节，参与维持整 个电网稳定运行，提高故障承受能力等等。 运行于孤岛模式时，微网必须能维持自己的电压和频率。在传统电网中，频 9 天津大学博士学位论文 第一章绪论 率能通过大型发电厂内拥有大惯性的发电机来维持，电压通过调节无功功率来维 持。在微网中，由于采用大量电力电子设备作为接口，其系统惯性小或无惯性、 过载能力差、以及采用可再生能源发电的分布式电源输出电能的间歇性和负载功 率的多变性增加了微网频率和电压控制的难度。而且配电网线路阻抗呈阻性，使 电压不仅与无功功率有关也与有功功率有关，控制电压需要通过控制有功和无功 功率两个方面来完成 8 9 - 9 1 】。 当微网运行在两种模式之间切换的暂态时，维持微网稳定是其最主要的问 题。如果微网在联网运行时吸收或输出功率到电网，当微网突然从联网模式切换 到孤岛模式时，微网产生的电能和负荷需求之间的不平衡将会导致系统不稳定， 此时设计合理微网结构和采用恰当的控制方法是非常重要的。当微网从孤岛模式 重连到大电网，如何与电网同步是其主要问题。目前，储能装置对缺少惯性的微 网是维持其暂态能量平衡的必要元件1 9 2 。 1 4 2 逆变器接口的分布式电源与无逆变器接口分布式电源控制的异同 传统同步电机发电系统如图1 4 所示，原动机与同步发电机同轴连接，通过 线路连接到大电网，其转子运动方程如式( 1 1 ) 所示， 乙一z = 7 2 3 警( 1 - 1 ) 式中：为发电机输入的机械转矩；疋为发电机输出的电磁转矩；，为发电机转 动惯量；尸为发电机转子极数。 同步发电机控制原理如文献 9 3 1 所述，由转子运动方程可知，当发电机输出 电功率大于原动机输入的机械功率时，发电机旋转速度下降，这时其旋转轴的旋 转储能转化为电能，满足初始能量平衡。然后发电机速度调节器检测到发电机转 速下降，开始动作，增加原动机的能量输入，使发电机速度恢复到额定值。发电 机输出电压电流的角频率由发电机的旋转速度决定，而发电机的旋转速度通过发 电机的速度调节器进行控制。发电机输出电压的幅值由励磁系统的控制来完成， 而负荷点的电压幅值可以通过调节变压器分接头及无功补偿来完成。 图1 - 4 同步电机发电系统 对于如图1 5 所示逆变器接口的分布式电源发电系统，图1 - 5 ( a ) 是通过背靠 背逆变器接1 2 1 的交流分布式电源发电系统，图1 - 5 ( b ) 是通过逆变器接1 2 1 的直流分 布式电源发电系统。逆变器前的电容在暂态时可以提供电能，其作用部分的相当 l o 天津大学博士学位论文第一章绪论 于同步发电机的转轴提供的旋转储能维持暂态能量平衡，但是电容器能提供的能 量要少很多。采用逆变器接口的分布式电源输出电压电流的频率是由接口逆变器 的控制策略决定，而其输出电压幅值由其直流侧电容电压幅值和接口逆变器的控 制策略共同决定。所以，分布式电源输出电压电流的频率变化和分布式电源原动 机不存在直接关联，取决于其接口逆变器的控制策略。比如对于接口逆变器采用 调制比为常数的开环系统，当负荷功率增加，逆变器输出功率增加，此时电容器 输出更多能量。如果原动机的输入功率没有及时跟随负荷功率的变化，则逆变器 输出的电压幅值将下降而频率维持不变。 如d c a c i| 批蝈 上 反膀 i 原动机卜 i l t 直流 分布式电 ( a ) 交流分布式电源 ( b ) 直流分布式电源 图1 5 逆变器接口分布式电源发电系统 所以，通过电力电子接口的分布式电源输出的电压和电流的频率由接口逆变 器的控制策略决定，这是有逆变器接口和发电机直接并网的一个很大不同点。另 外一个大的不同点是，电容的存储能量远少于旋转轴的旋转储能，这就是所谓的 没有惯性，所以微网中通常配备储能装置。因此可知，合理控制策略的选择对于 逆变器接口分布式电源的正常运行至关重要。 1 4 3 分布式电源接口逆变器的基本控制方法 为了更简单的控制分布式电源的接口逆变器，使不同类型分布式电源形成微 网，一种常见的方法是模拟传统发电机的控制系统，设计控制器使分布式电源的 接口逆变器按照下垂特性曲线运行。常见的分布式电源接口逆变器控制方法分为 恒功率控制、下垂控制和恒压恒频控制。 1 4 3 1 恒功率控制 个分布式电源接口逆变器采用p q 控制，表示其控制目的是使分布式电源 输出的有功功率和无功功率等于其参考功率。户q 控制的原理如图1 - 6 所示，有 功功率控制器调整频率下垂特性曲线使分布式电源输出的有功功率始终维持在 天津大学博士学位论文第一章绪论 参考值附近；无功功率控制器则调整电压下垂特性曲线使无功功率也维持在相应 的参考值附近。例如当系统频率为5 0 h z 、分布式电源的端口电压为额定值时， 分布式电源运行在b 点，输出的有功功率和无功功率分别为p r e f , ( ) r e 6 当系统 的频率增加，且分布式电源的端口电压幅值增大，此时分布式电源运行点将由b 点向a 点移动，输出的有功和无功依然为p r c f 、绋f ；当系统的频率减小，且分 布式电源的端口电压幅值减小，分布式电源运行点将由b 点向c 点移动，输出 的有功和无功依然为、堑k 。 该控制方法需要系统中有维持电压和频率的分 布式电源或电网。 ( a ) 频率下垂特性嘞电压下垂特性 图1 - 6p q 控制的原理 1 4 3 2 下垂控制 常用的分布式电源接口逆变器的下垂控制原理如图1 7 所示，它