（电力系统及其自动化专业论文）直驱永磁风电机组并入直流微电网运行研究.pdf

摘要 将风电并入含多个电源的微电网，控制微电网总体功率稳定再与电网相连，可以 弱化风电并网带来的不利影响。论文选取目前研究尚少的直流微电网和适于直流并 网的直驱永磁风电机组为研究对象，旨在分析后者并入直流微电网中的运行与控 制，以及蓄电池与之配合的工作情况。 论文提出直流微电网的典型结构与能量管理原则，分析不同类型微电源及储能单 元接口电路与控制策略，建立完整详细的直驱永磁风电机组及控制系统模型，基于 m a t l a bs i m u l i n k 对其额定风速以下最大风能追踪、额定风速以上额定功率运行， 以及直流微电网离网后蓄电池承担平衡功率差额的工作情况进行建模仿真，均实现 了预期控制目标，验证了模型与控制策略的正确性与合理性。 关键词：风力发电，微电网，并网控制，直驱永磁机组 a b s t r a c t i n t r o d u c i n gw i n dp o w e ri n t oam i c r o g r i dw i t hm u l t i p l ep o w e rs o u r c e s ，w h i c hi s 乏o n n e c t e dt ot h eg d ，c o u l dr e d u c et h ea d v e r s ee f f e c t sb yc o n t r o l l i n gt h et o t a lp o w e r s t e a d y w i t hr e s e a r c hf o c u so nd cm i c r o 一鲥dw h i c hi sn o ts oh o ta n dd i r e c t l y - d r i v e n p e r m a n e n tm a g n e tw i n dp o w e rg e n e r a t o r s ( d d p m g ) t og ow i t hi t ，i ta i m e d a ta n a l y z i n g t h eo p e r a t i o na n dc o n t r o ls t r a t e g yo fd d p m gi n t e g r a t e di n t od cm i c r o - 鲥d ，t o g e t h e r w i t ht h ec o o r d i n a t i o nw o r ko ft h eb a t t e r y h e r ep r e s e n t e dat y p i c a ls c h e m ea n de n e r g ym a n a g e m e n tp r i n c i p l e sf o rd c m i c r o 一鲥d ，a n a l y z e di n t e r f a c ec i r c u i t sa n dc o n t r o ls t r a t e g i e so fd i f f e r e n tm i c r o - s o u r c e s a n ds t o r a g eu n i t s ，e s t a b l i s h e dc o m p l e t ea n dd e t a i l e dm o d e lo fd d p m gs y s t e ma n di t s c o n t r o ls y s t e m s i m u l a t i o n so fd d p m ga n db a t t e r yw e r ef i n i s h e di nm a t l a bs i m u l i n k ， t h ef o r m e ri n c l u d i n gt h em a x i m u mw i n dt r a c k i n ga n dr a t e dp o w e ro u t p u t t i n gp r o c e s s w i t hw i n ds p e e db e l o wo ra b o v ei t sr a t e dv a l u e ，t h el a t t e ro nt h eb a l a n c et a s ko ft h e p o w e rs u r p l u so rd e f i c i e n c yd u r i n go f f - g r i dm o d eo fd cm i c r o - g r i d a l lt h ed e s i r e d c o n t r o lo b j e c t i v e sw e r ea c h i e v e d ，t h u sv a l i d a t i n gt h ec o r r e c t n e s sa n dr a t i o n a l i t yo ft h e d e v e l o p e dm o d e l sa n dc o n t r o ls t r a t e g i e s r e nz h i h u i ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f y i nz h o n g d o n g k e yw o r d s ：w i n dp o w e r , m i c r o - g r i d ，g r i di n t e g r a t i o nc o n t r o l ，d d p m g 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 关于微电网1 l - 1 2 关于风力发电3 1 2 选题意义5 1 3 本文的主要工作6 第二章微电网8 2 1 微电网定义8 2 2 微电源与储能单元9 2 2 1 微电源1 0 2 2 2 微电网中的储能单元l l 2 3 微电网能量管理与控制1 1 2 3 1 分层与对等策略1 2 2 3 2 微电源的本地控制1 2 第三章直流微电网1 6 3 1 直流微电网结构1 6 3 1 1 直流电压等级选择1 6 3 1 2 直流微电网结构1 7 3 2 直流微电网中的接口电路1 8 3 2 1p w m 整流电路1 8 3 2 2 直流斩波电路2 1 3 3 直流微电网能量管理控制2 3 3 3 1 配电网接口控制2 4 3 3 2 可调功率微电源接口控制j 2 5 3 3 3 蓄电池充放电控制2 6 第四章直驱永磁风电机组2 8 4 1 风力机2 8 4 1 1 风力机模型2 8 4 1 2 传动系统3 0 4 2 最大风能追踪3 0 4 3 永磁同步发电机3 l 4 4 直驱永磁风电机组控制3 3 4 4 1 桨距角控制3 3 4 4 2 永磁发电机变速控制3 4 第五章直驱永磁风电系统并入直流微电网运行仿真。3 6 5 1 用于仿真的直流微电网3 6 5 2 直流微电网中直驱永磁风电机组运行仿真3 6 5 2 1 直驱永磁风电机组仿真模型3 6 5 2 2 直驱永磁风电机组运行仿真3 7 5 3 直流微电网离网模式下蓄电池充放电仿真4 0 5 3 1 蓄电池充放电仿真模型4 0 5 3 2 蓄电池充放电仿真4 1 第六章结论与展望4 4 参考文献4 5 蜀c谢4 9 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 0 第一章绪论 所有新事物，都是为了满足社会需要而问世。而人们对一项新技术的要求，往 往从“能不能够 到“怎样更好 。以交通与商业的发展过程为例。从自家的马车 到庞大的火车，再到汽车与火车并存。商业亦是如此。汽车之于火车，小规模个体 之于大公司，无不是以灵活来抗衡集约效率，同时又是互为补充，资源利用更加有 效，市场更加和谐。初始受限于技术，采用大规模与统一规划来降低风险与获取效 率，而发展到一定程度之后，便会为追求更优效果而尝试灵活路线，来进行补充和 改善，达到一种多样式混合共存的平衡状态。 风力发电技术和微电网技术的发展，也是如此。前者是在能源角度对传统方式 的改变，并已经在实践中证实了其合理性与综合效益；至于后者，是在电网形式上 对集中发电的传统大电网进行补充，目前仍处于理论研究阶段。 1 1 研究背景 1 1 1 关于微电网 目前，全世界9 0 以上的电力负荷以集中发电、远距离输电和大电网互联形式 供电。这一模式不可避免地存在缺点：扩建成本高；不能为偏远地区送电； 局部事故极易扩散【i 】。可以说，现有的电力系统因庞大而“笨拙 ，因互联而“敏 感 。尤其是第三个缺点，无论是2 0 0 3 年的美加大停电，还是我国2 0 0 8 年的南方 冰雪灾害，都说明了大电网在应对事故方面的脆弱。同时，近几十年来在重要的行 业和场所，为了增强供电的可靠性，一直有用户安装并拥有自己的电源设备，但是其 发电成本往往高于电网提供的电能。正是基于这种形势，“分布式发电一这一概念 被提出。所谓分布式发电，与集中发电相对，是指小容量电源分散接入电网，而且 一般接入负荷侧。其实，我国早期的小火电、小热电，也属于分布式发电，由于技 术性能不好和环境污染问题而逐渐被淘汰。可见，分布式发电本身并不是一种全新 的形式，其出现的初衷要么是基于负荷方的供电质量要求，如用于提高可靠性的用 户自有电源，要么是受限于建设资金不足，如当初建设小火电。近年来，世界范围 内随着竞争性的零售电力市场的出现，新型分布式电源技术研究的突破性进展，要 求高可靠供电用户数目的增加，以及建设输电线路所受到的限制，又引起了对分布 式发电新一轮的更广泛关注。分布式发电与电力系统的优势互补，使其在电力行业 得以迅速的渗透。就我国目前，以热电冷三联产技术和微型燃气轮机、燃料电池技 术为基础的分布式电源首先在发达的沿海或大企业中应用，基于风能太阳能等新能 i 源的分布式电源也在国家偏远地区得到发展。可以说，分布式发电，正逐渐成为大 规模集中式发电的一个重要补充。 但是，分布式发电并网后不可避免地对原有电网运行带来影响。现有配电网是 “闭环设计，开环运行”，相当于运行在放射状结构。分布式电源一般靠近负荷侧 接于中低电压等级的配电网中，容量一般较小，且布局分散，从而将配电网由无源 变为有源。这种根本性的变化，会改变配电网正常运行中的潮流流动与电压分布， 以及故障时的电流贡献情况，进而使得基于现有配电网放射状结构而设计安装的调 压措施、继电保护装置、自动重合闸等有可能无法再正常工作【2 】。此外，风电与光 伏发电等可再生能源型分布式发电输出功率随自然条件而波动，分散的分布式发电 单元有可能自主地起停机，这还会影响到配电网的电能质量。 为了消除或是减弱分布式发电直接并入对原有配电网的影响，考虑到可以将多 个分布式电源组成单独一个网络，然后作为整体再和配电网相连，这就是“微型电 网( 简称微电网) 。所谓“微电网 ，就是将多个小型模块化的发电单元连接到低 压配电线路上。微电网包括了不止一个类型的分布式发电单元，比如内燃机，微型 燃气轮机发电机组，太阳能电池，风力发电机组，燃料电池等【3 】。微电网中的发电 单元称为微电源，一般都要经过换流器接入。当然，微电网中还包括负荷( 甚至一 些重要敏感负荷) ，储能装置，以及一套通常基于通信的分层管理和控制系统。微 电网正常情况下并入主网运行，要求能够在主网故障后孤岛运行。微电网这一概念 的核心思想，就是将很多个不同类型的分布式电源利用低压线路互连，微电源间互 通有无，依靠数量和规模来克服微电源自身能量输出不稳定的弱点。 美国的可靠性技术解决方案协会c e r t s 最早提出了微电网概念，其研究重点 主要集中于满足多种电能质量的要求、提高供电的可靠性、降低成本和实现智能化 等方面。美国近年来发生了几次较大的停电事故，使美国电力工业十分关注电能质 量和供电可靠性，因此美国对微电网的研究着重于利用微电网提高电能质量和供电 可靠性。第一个实际的微电网于2 0 0 1 年在威斯康辛大学麦迪逊分校实验室建立，该 微电网正是基于c e r t s 所提概念而建，系统容量为2 0 0 k w ，交流电压2 8 0 v 4 8 0 v 。 同本本土资源不足，比其他国家更加重视新能源发电，还专门成立了新能源产 业技术综合开发机构( n e d o ) ，负责统一协调国内高校、企业与国家重点实验室对 新能源及其应用的研究。但分布式发电的随机性以及并网后对电网带来的影响限制 了新能源的应用。微电网恰恰能够通过控制原动机来平衡负载的波动和可再生能源 的输出波动来达到能量平衡，配备储能设备后的微电网从大电网的角度来看相当于 一个恒定负荷。这些理念促使同本非常注重微电网研究，重点集中于控制与电能储 存方面，希望通过微电网来促进新能源发电的发展。目前日本在微电网示范工程的 建设方面处于世界领先地位。2 0 0 3 年分别在青森县、爱知和京都开始了三个微电网 2 的试点项目，都着重于研究可再生能源和本地配电网之间的互联。中部机场的爱知 微电网是n e d o 建立的第一个微电网示范工程，最大特点是它的电源大都为燃料电 池，光伏发电容量为3 3 0 k w ，设有5 0 0 k w 的电池组负责平衡功率。青森微电网只 使用可再生能源发电，包括三个沼气燃料发电机组( 共5 1 0 k w ) 、1 个1 0 0 k w 的铅酸 电池组和1 个锅炉，能够节省约5 7 3 的能耗和约4 7 8 的碳化物排放量。京都微 电网包含了5 0 k w 的光伏发电系统、5 0 k w 风力发电系统、5 台8 0 k w 沼气电池组、 2 5 0 k w 燃料电池及1 0 0 k w 电池组，其特点是储能完备，控制性能优良，能够在5 分钟之内实现系统能量的平衡，还可以根据需要设置更短的时限。 欧洲希望通过在从电源到用户的价值链上实现优化来推动和发展分布式发电， 进而使得环境、电力系统和用户都能受益。在欧洲互联电网中，电源多是靠近负荷， 易形成多个微电网，相关研究更多地关注于多个微电网的互联。目前，欧洲的微电 网示范工程主要分布在希腊、德国、西班牙、葡萄牙、意大利和丹麦，研究理念都 围绕着可靠性、可接入性、灵活性三个方面。将来，欧洲电网会具有智能化、能量 利用元化等重要特点。 1 2 0 0 8 年初的冰雪灾害导致我国南方发生大面积停电，也反应了当前我国电网结 构在供电可靠性方面的问题。微电网既可以并网运行，在主网因故障或天气情况无 法正常运行时又可以孤岛运行，能够保证或部分保证对用户供电，还可以贡献于事 故后的黑起动。此外，微电网以其组网灵活且靠近负荷，在应对用户日益提高的电 能质量要求和供电可靠性方面有很大优势，完全应该并且能够成为我国现有电网的 重要补充。不仅如此，根据我国“十一五”规划纲要提出的新能源发电的发展目标， 以后将会有更多的风电和太阳能发电等分布式电源不断接入电网，这正需要微电网 从中缓解和协调分布式发电和原有电网间的矛盾，实现优势互补，促进新能源发电 的发展，使其能够在中国未来电网中发挥越来越重要的作用。不过必须承认，我国 微电网的研究尚在起步，仅停留在高校和科研单位的理论研究阶段，与欧美和日本 由研究机构、制造厂商和电力公司组成的庞大研究团队相比，无论是在研究力量方 面，还是在取得成果方面都存在很大的差距。 1 1 2 关于风力发电 世界经济的发展越来越迅速，人类对能源的需求也日益增多。大量的一次能源， 如煤，石油，天然气等的储量逐年减少。这些一次能源的储量不仅是有限的，而且 燃烧后要放出大量有害气体，严重污染自然环境，甚至带来了许多自然灾害，同时 对人类的身体健康也带来直接或间接的伤害与威胁。为了人类的可持续发展，为了 子孙后代有更多绿色的生存空间，为了实现能源危机与环境问题的彻底解决，在发 电领域也已开始大量利用可再生能源。风力发电，光伏发电，潮汐发电，地热发电 等各种新能源发电形式都已经大量应用【4 】。在各种可再生能源中，风能以其“取之 不尽，清洁无污染”的优势为各国所青睐。在过去的几十年，风力发电在机组技术 水平、性能价格，装机容量以及运行控制等方面都取得了巨大的进步。如今，除水 力发电之外，风力发电已是世界上可再生能源开发利用中技术最成熟、最具开发规 模与商业化发展前景的发电技术。大力发展风力发电，对保护环境、节约能源以及 生态平衡等都具有重要的意义。 就全世界来看，能源利用效率越高、环境保护越好的国家，对于发展新能源发 电的推广应用就越热衷，鼓励支持政策越明确。丹麦是“节能，环保与风机产业三 赢”的典型案例。作为世界上能源利用效率最高的国家，在过去的近2 0 年g d p 翻 了一番，能源消耗却没有增加，污染排放反而大幅度下降，世界公认其已实现了经 济发展和能源消耗以及环境保护的可持续发展。丹麦政府对新能源发电在政策上鼓 励，且贵在贯彻执行。自1 9 9 0 年以来，丹麦大型凝气发电厂容量没有增加，新增 电力主要依靠安装在用户侧的分布式能源电站( 热电站) 和可再生能源项目，目标是 2 0 0 8 年到2 0 1 2 年间，将二氧化碳的排放量比1 9 9 0 年降低2 1 。最突出的是风电， 已超过总发电量的1 0 ，人均风电量世界第一，且是世界上风电机组制造技术最先 进的国家，单风力发电机一项出口每年就达几百亿克朗。由于丹麦陆地范围内的风 能资源利用率几近饱和，风电开始“下海”。世界近海风电主要就设在丹麦和英国 海域，预计德国也将大规模开发海上风电【5 j 【7 。 风电产业的蓬勃兴起，伴随着风电技术突飞猛进的发展：单机容量不断提高； 风力机功率调节由定桨距发展到变桨距，发电机由恒速恒频发展为变速恒频运行等 等。在风力发电整个机电能量转换过程中，发电机及其控制系统具有十分关键的作 用，不仅直接影响到整个风电系统的性能、效率和供电质量，而且也影响到风力机 的结构、运行方式和效率【8 】。应用于风力发电的发电机很多，基于异步发电机的恒 速风电机组在风电发展过程中应用最早，结构简单且运行可靠，但是也存在许多缺 点，如风能转换效率不能保持最优，从电网中吸收无功，输出侧无控制导致电压和 输出功率波动较大等等。针对这些问题发展起来的基于双馈感应电机或直驱永磁同 步电机的变速恒频风电机组成为当前国内外风电机组发展的主流，其最主要的优点 就是：低于额定风速时，发电机运行于最佳功率曲线，使风力发电机组具有最高的 风能转换效率；高于额定风速时，因为桨距控制减少了风力机轴与齿轮箱上的机械 应力，增加了传动系统的柔性，同时使功率输出更加稳定，达到了高效率、高质量 地向电网提供电能的目标。目前，双馈感应机组发展和应用已比较成熟，但随着风 电机组朝着高可靠性、低维护量，少组件、低成本、高集成度方向发展，从而传统 风电机组中齿轮箱的存在成为制约其进一步发展的重要因素之一。上世纪末，许多 欧洲国家开展了无齿轮箱直驱式风电机组研究，其市场份额迅速扩大。德国在2 0 0 4 4 年安装的风电机组中有4 0 9 采用无齿轮箱系统。现在直驱永磁机组的功率已达到 5 m w ，其风轮直径可达1 2 7 米。 风电最有效的利用方式是大规模集中并网。最早风电并网始于丹麦，我国山东 荣成最早用于并网的风电机组就是丹麦赠送的维斯塔斯机组。近年来，江苏顾卫东 老师提出了大规模“非并网风电 ，中国工程院杨裕生院士又提出了将“非并网风 电与大规模蓄电相结合 的运行模式【9 】。如图1 1 中所示，在这种模式下，大规模 风电的终端负荷不再是电网，也不同于与铅酸蓄电池配套的小型独立运行供电系 统，而是将风电整流后直接输送到某些特殊的企业，如电解、电镀、冶金和氯碱产 业等直流大户，同时还能制取氢燃料，促进燃料电池的发展。这种模式，突破了大 规模风电仅有并网运行一种方式的限制，降低了风电场并网成本，也避免了并网对 电网带来冲击等一系列问题，同时对电网还可起到削峰填谷作用。对于受电企业而 言，降低了用电成本，还提高了风力供电质量。 图i - i 非并网风电与大规模蓄电相结合 光能发电与风力发电特点十分相似，功率的输出都相关于自然条件，因此可以 类似地将“非并网光电与大规模蓄电相结合 ，继而是想到在靠近直流工业负荷并 且风力和日光资源都丰富的地区通过将“风电场与光电站互补并与大规模蓄电相结 合 ，不并入电网而是直接为直流大户供电。事实上，这就是一个风电与光电并入 直流微电网的思路，可以成为我国发展直流微电网和风电、光伏发电的一条路径。 1 2 选题意义 微电网按电能形式，可分为交流微电网和直流微电网。由于传统电网采用交流 形式，所以交流微电网研究较多，即相当于将大电网缩小规模。事实上，早在1 9 世纪未2 0 世纪初，低压直流配电就普遍应用于人口密集的小区，电能储存则靠铅 酸蓄电池来完成。只是后来交流电的出现和成熟使高压配电发展起来，从而能扩大 5 送电范围和送电数量【。当前，微电源多数是通过电力电子装置接入微电网，同时 直流负荷越来越多，而且有越来越多的负荷需要高质量高可靠性的电能供应从而本 身就要通过接口电路接到配电网上。这样，可以将微电源经整流或是崭波接入直流 微电网，再通过相应的接口电路连接负荷，与交流微电网相比，并未增加成本，同 时还避免了交流微电网中无功功率和频率等问题。 基于双馈感应电机或直驱永磁同步电机的变速恒频风电机组是当前国内外风 电机组发展的主流。作为主流机型之一，直驱永磁风电机组因为磁极对数多可以低 转速运行，省去了齿轮箱，提高了可靠性，从而减少了维护成本。这一点，对运行 环境比较恶劣的风力发电机组而言，是一项非常重要的优势。同时，由于大功率换 流器技术的进步，直驱永磁机组的全功率并网接口问题也比较容易解决。因此，虽 然目前双馈机型制造技术和实际应用都已经比较成熟，但是直驱机型更适合于风电 转换而且运行可靠、效率高、控制简单，同时供电性能良好，必将具有非常广阔的 发展前景【l l 】。直驱永磁风电机组一般是通过交流直流交流方式全功率换流并入交 流配电网，可以考虑将其作为微电源直接整流接入直流微电网中，还省掉了逆变器 和针对于交流并网的复杂控制。 在当前大电网互联的环境下，加之用户对供电可靠性和电能质量的要求越来越 高，可以考虑在相对较小的范围内组成直流微电网。比如，一片住宅区及办公楼宇， 本身采用微燃发电机进行热电冷三联产，同时可以接入一台或几台直驱永磁风电机 组，或是光伏发电，再加设储能设备如蓄电池，就形成一个小型的直流电网，最后 通过逆变器与配电网相连。正常情况下并网运行，功率差额由配电网来平衡，短时 离网可由蓄电池来提供备用功率。虽然规模不大，但是充分利用了当地资源，成本 也不高，也不会明显影响到配电网。这样的直流微电网数目可以很多，其规模也可 以不断增大，是非常灵活可靠高效的一种组网方式。它可以从几m w 级的建筑商业 区或工业园区微电网，向几十m w 的变电站以及地理范围更大的农村配电网发展， 最终成为电网多元化发展形态中的一种重要形式【l 引。 目前，对于直流微电网的研究仍处于概念阶段，尤其是涉及到具体的微电源和 负荷接入问题，国内外研究都很少。基于上述思路，论文选取直流微电网以及适于 直流并网且运行更加可靠的直驱永磁风电机组为研究对象，考虑到具体的微电源和 储能单元，在理论上分析其运行的可行性，旨在探索一种新的电源组网形式和风电 并网方式，对直流微电网这一新事物的进一步发展具有理论参考意义。 1 3 本文的主要工作 论文的主要工作如下： 6 针对当前研究热点微电网，介绍其定义、其中的微电源与储能单元及接口方式， 以及能量管理与控制策略。 针对当前提出的直流微电网概念，建立典型的直流微电网结构，包括微电源， 储能单元和负荷，以及各自与微电网的接口电路，微电网与配电网的接口换流器， 分析整个直流微电网系统中各单元的运行与控制。 对直驱永磁风电机组进行建模，分析风力机的最大风能追踪原理、发电机转速 控制和高风速下的变桨距功率控制。 将直流永磁风电机组整流后接入简单的直流微电网，简化周围的微电源环境， 加入储能装置蓄电池，基于m a t l a bs i m u l i n k 建立仿真模型。微电网并网时功率差额 由配电网提供，进行风电机组不同风速下的运行仿真；微电网离网后，对蓄电池实 现平衡功率差额进行仿真。 7 第二章微电网 由于目前主要是研究交流微电网，本章所有关于微电网的定义、微电源以及能 量管理控制的研究都是针对交流微电网而言，直流微电网只是网内电能形式为直 流，对应地做一些调整即可通用。 2 1 微电网定义 微电网实质就是一种分布式发电系统的组织方式和结构。其目的在于整合分布 式发电的优势，削弱分布式发电对电网的冲击和负面影响。在一个局部区域内直接 将分布式电源、电力网络和负荷联系在一起，可以方便地进行结构和配置以及电力 调度的优化，还可以结合热电( 冷) 联产方案，优化和提高能源利用效率，促进分 布式电源上网，减轻大电网的负担，改善可靠性和安全性，减轻对环境的负面影响。 微电网的定义目前尚未统一。2 0 0 2 年，美国可靠性技术解决方案协会c e r t s 给出的较为完整的微电网定义是： 微电网是一种由微型电源和负荷共同组成的系统，它可同时提供电能和热能； 微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必要的控制： 微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可以同时满足用户对电能 质量和供电安全等方面的要求，如增强本地供电可靠性，通过热电联产提高效率， 降低馈线损耗，保持电压稳定以及不间断供电等等【1 3 1 。 c e r t s 所提出的微电网概念，如图2 1 所示。其重要优势来自于对所连的配电 网而言呈现为一个可控制的独立个体，并便于实现负荷电能质量管理和能源的梯级 利用。微电网服从电网规则，同时能给电网提供更多的价值；可以作为可中断或可 控负荷，从而能减少网络阻塞和其他威胁；在配电网故障时可进入独立运行模式， 保证微电网内重要负荷和敏感负荷的供电安全性；能够提供优良的电能质量和其他 辅助性服务，如电压支撑、向外提供电能甚至提供黑启动能力。这些突出特点，使 其成为世界上微电网概念中最权威、获认可度最高的一个。 r 硅量竹 l 理器 ：、 烛! 苎i l 。 图2 1c e r t s 提出的微电网结构 8 中科院的齐智平教授在国外提出的定义基础上，综合我国国情，给出微电网的 定义为：能量来源主要为可再生能源；发电系统类型可为微燃发电机、内燃发电机、 燃料电池、太阳能电池、风力发电机、生物质能发电等；系统容量不超过1 0 m w ； 网内的用户配电电压等级为3 8 0 v ( 包括l o k v ) ；如与外部电网进行能量交换，电 压等级由微电网具体应用情况而定。 从自身提出原因的角度，所谓微电网，一方面它将包括新能源发电在内的分布 式发电单元连接成网络，再接入主网，对分布式电源对主网的影响起到缓冲作用； 另一方面，微电网比配电网还要接近负荷，从而可以更加面向负荷和灵活地跟踪负 荷，实现负荷不同的供电需求。从组网结构角度来说，微电网中的发电单元容量不 大，几十千瓦的等级；发电单元种类繁多，一般需要换流器接口电路；因为新能源 发电单元的存在，以及考虑到离网运行情况，需要配置储能单元；负荷存在特定的 供电要求，多数需要换流接口电路。 智能电网 图2 - 2 微电网与智能电网关系 与微电网相关的，作为目前研究热点的智能电网，是这样一种电气网络：它采 用新型的设备和服务，依靠智能化的监控、通信和自修复技术，将电网内包括发电 方和用户在内的所有参与者整合起来，高效地提供持续、经济、可靠的电能。可见， 二者级别不同，微电网能够成为智能电网的组成单元。可以这样理解，未来的电力 9 系统将非常理想地呈现多元化的状态，以传统的集中式发电远距离高压输电骨干 网地区中低压配电网为主要框架结构，由分布式发电系统和储能单元组成的微电 网星罗棋布于其间，实现集中式与分布式发电系统的有机结合，不仅节省投资，降 低能耗与提高能效，而且提高整个电力系统的可靠性、灵活性和供电质量。整个电 网采用高度发达的监控和通信技术，智能化运行，实现高效可靠优质地供电。这也 是未来电力工业的重要发展方向。 2 2 微电源与储能单元 微电网中接入的发电单元，称为微电源，实际也就是分布式电源。常见的微电 源主要有使用气体或液体化石燃料的微型燃气轮机( 简称微燃发电机) 和内燃机、 燃料电池、太阳能电池、风力发电机、生物质能发电等。储能单元包括蓄电池，超 级电容，飞轮，超导储能等等【1 4 卜【15 1 。 2 2 1 微电源 大多数微燃发电机由微型燃气轮机直接驱动内置式高速发电机，发电机与压气 机、透平同轴，转子转速在5 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 f f m i n 之间，要远远高于常规发电机。发 出的高频交流电，需要整流转换成直流电再逆变转换为工频交流接入交流微电网。 用于微电源的内燃机多是柴油发电机，与常规发电机类似，只是动力由柴油机 提供，发出单相或三相交流电，频率5 0 h z 。其发电效率达3 0 - 4 5 ，略高于微燃 发电机( 2 7 3 9 ) 。由于在热电冷联产中，用户对电力的需求一般小于对冷热的 需求，因此微燃发电机更容易满足用户的需求。同时，在污染物排放以及噪音方面， 微燃发电机都优于内燃机。 燃料电池是一种化学电池，它无需经过燃烧而以电化学反应方式将燃料的化学 能直接转变为电能。和其他化学电池不同的是，燃料电池工作时需要连续为其供给 燃料和氧化剂，所以称为燃料电池。燃料电池发出直流电，而且每个单一电池单元 的电压很小，需要多个电池单元串联起来获取所需的直流电压，再经过斩波和逆变 电路并入交流微电网。 风力发电机组的主流机型为双馈感应机组和直驱永磁同步机组两种。前者转子 绕组需要通过交一直交换流器与电网相连接以提供可控的转子励磁电流，定子发出 工频交流电与电网直接相连：后者由永磁体提供励磁，发出低频交流电，定子绕组 需要经过交直交全功率换流器接入电网。 太阳能光伏发电技术是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转化为电能， 即光生伏特效应。类似于燃料电池，光伏发电输出为直流电，每个电池单元输出电 压和功率都非常小，故依赖于将组件大规模进行串并联来获取较大的输出电压值和 l o 功率值。 2 2 2 微电网中的储能单元 蓄电池以化学能方式储存电能，是目前技术最成熟、应用最广泛的储能设备。 其中铅酸蓄电池以其低成本和高性能应用最多最广泛，由于其能够反复充放电，故 也称为“二次电池。铅酸蓄电池储能后输出为直流形式，广泛用于电网和分布式 发电系统中，并且在电动汽车方面具有很广阔的发展空间。 超导储能系统将能量存储在流过超导线圈的直流电流产生的磁场中，因此储能 后输出形式为直流。在所有的储能方式中，超导储能具有最强的可控性，且噪音低、 效率及可靠性高，但是也有致命的缺点，即维护量大和成本太高。 超级电容是世界上已投入量产的容量最大的一种双电层电容器，利用活性炭多 孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。它充电时间很快，具有很高的 功率密度，能很好地改善系统的暂态特性。超级电容储能后输出电能为直流，与超 导储能系统都是直接将能量存储为电( 磁) 能形式。 飞轮储能是一种机械储能方式，完全不同于蓄电池、超导和电容器储能。其原 理是：将多余的电能通过电力电子装置使电机作为电动机运行带动飞轮加速旋转， 转化为飞轮的动能储存起来，之后维持恒定转速；需要释放电能的时候，电机由飞 轮带动作为发电机运行，飞轮作减速转动，因此发出的电能并不恒频，需经过电力 电子设备回馈至系统。 综上所述，对于各种微电源和储能元件，根据各自输出电能形式，大都需要换 流器接口电路变换为工频交流并入交流微电网，或是变换为直流形式接入直流微电 网，如图2 3 所示。 2 3 微电网能量管理与控制 2 3 1 分层与对等策略 微电网通常情况下并入配电网运行，对配电网而言体现为一个可控负荷。要求 微电网内尽可能保证功率情况稳定，存在的功率差额则由配电网来平衡。配电网故 障时，微电网应该能够离网运行，需要独自应对出现的功率差额问题。一方面，微 电网在网络设计时就应当注意将非重要负荷集中于同一条线路上，便于功率不足时 切负荷；另一方面，需要设置功率备用，微燃发电机和燃料电池等微电源虽然输出 功率可调节，但是响应慢，需要储能单元来快速反应于离网运行时的功率差额问题。 不论是并网还是离网运行，微电网内部都应该保证良好的电能质量指标，交流微网 包括电压和频率，直流微网则要保证电压。基于上述运行要求，微电网必须要有一 套合理有效的能量管理与控制策略。 目前，交流微电网根据不同的微电源及储能配置，可以有两种控制策略：分层 策略和对等策略【i 们。基于通信的分层管理和控制策略，包含微电网中央控制器，微 电源控制器，以及负荷控制器，同时向上一级与配电网能量管理系统d m s 相联系。 显然，分层策略需要可靠的通信技术在中央控制器与微电源控制器和负荷控制器之 间传送功率、电压等信息量，通过调度实现各微电源间的功率支援，互为备用，最 终实现能量的优化管理。对等策略则针对于即插即用式微电源，即每个微电源都不 依赖和影响彼此，要求各自本地均有充足的功率备用和有效的控制策略，从而维持 接入微电网处的电能质量指标。可见对等策略虽然不依靠于通信，却需要各微电源 设置备用容量和复杂的控制系统，各有利弊。可以考虑借鉴传统电网中各发电厂的 分工，根据各微电源的特点实施本地控制，将分层与对等策略综合起来，部分微电 源即插即用，依靠通信进行功率调度，为非即插即用型的微电源提供功率支撑。 目前，广泛认可的微电网能量管理与控制原则就是：对于新能源类微电源如风 力发电和太阳能发电，本身受限于自然条件功率经常变动，不宜采取对等控制成为 即插即用型，应尽可能保证可再生能源的最大利用率；对于功率可调的微燃发电机 和内燃机、燃料电池等，则采取对等控制策略实现即插即用，能够支撑其他微电源， 并且能够反应于离网后出现的功率差额；同时，应该在微电网中集中设置专门的储 能单元，以取得更好更快的响应效果。 2 3 2 微电源的本地控制 无论交流微电网还是直流微电网，针对不同微电源能量管理与控制的原则是一 致的，只是交直流电能控制指标不同从而具体方法不同。本节仍以交流微电网为例， 分析微电源的本地控制策略，直流微电网可以相应地进行借鉴。 对于各个微电源，无论是输出非工频交流经过整流之后，还是直接输出直流形 1 2 、 式，最后都需要经过逆变器接入交流微电网中，如图2 4 所示。其中，e a b e ，u a b e 分 别为与微电网相连的配电网母线和逆变器交流侧的三相电压，i a b c 为逆变器交流侧三 相电流，x 为连接电抗值。 配 电 网 图2 4 微电源接入交流微电网通用接口电路 设定逆变器交流侧三相电压u a 、u b 、u e 幅值为u ，相角为6u ，同理e 和6 。对 应于并网点的三相电压e 。、e b 、e c 。稳态情况下，由微电源输出到微电网的有功与 无功功率可表示为： p ：寻等s i n 万， 2 9 q = 詈等够- e c o s 咖万，) 6 p = 6 u 一68 ( 2 - 1 ) 交流微电网并网运行时，由所连接配电网提供频率和电压参考值，作为微电源 并网点处的频率与电压。为了保证各微电源稳定的功率输出，微电源本地采取p q 功率控制来实现原动机和逆变器输出指定的有功和无功功率，使得整个微电网相当 于一个挂在配电网上的负荷【1 7 1 。采取q 轴领先的d q 旋转坐标系，将配电网母线电 压空间矢量定向于d 轴，则有功功率与无功功率可由式( 2 2 ) 表示： 3 p 2 下e il 。 3 g 2 一f p ， ( 2 - 2 ) - 微电源的p q 功率控制要求逆变器交流侧能够输出指定的有功与无功功率。由 式( 2 2 ) 可见，通过控制电流的d q 轴分量即可实现有功功率和无功功率的分别控制。 根据式( 2 2 ) ，利用功率参考值与电压计算得到电流d q 轴分量参考值后，可以采取 动态电流间接控制方式来得到三相电压调制信号，也可以直接经过坐标变换得到三 相电流参考值，然后采用滞环比较方式获取p w m 逆变器的开关信号。 控制框图2 5 中采取了动态间接电流控制方式。 图2 - 5p q 功率控制框图 离网模式下，交流微电网的频率和电压不能再由配电网来支撑，需要功率可调 节的微电源来保证符合要求的电压和频率值，从而维持起整个微电网的电压和频 率，保证一个稳定运行的状态【1 8 】。 问题的关键是要确定随着微电网频率和电压变化，微电源的功率输出及逆变器 网侧电压大小与相位的变化规律。如果微电网频率下降，连接电抗两侧电压相位差 6d 会增大，由式( 2 1 ) 知道有功输出p 会增大。这种情况下，为了防止6p 过分增 大需要微电源电压频率降下来。这一控制规律，呈现为有功功率一频率下垂特性。 同理，微电源网侧电压大小的控制呈现无功功率一电压下垂特性。 如图2 - 6 ( a ) 所示，离网运行的微电网中两个可调节功率的微电源s 。和s b 初始为 空载状态，各自频率为f o 。当二者有功输出分别为p 。i 和p b i 时，微电网内有功平衡， 频率均为f l 。当微电网内有功功率不足后导致频率下降，微电源s 。与s b 有功输出 都增加，其频率应沿着各自的有功频率( p f ) 下垂特性曲线下降，微电网内有功 功率的注入量增加从而频率增加，双方重合于频率f 2 。此时s 。与s b 有功输出分别 增加到p a 2 和p 蛇，微电网内重新达到有功功率平衡，之后重新稳定运行于该点。无 功一电压( q u ) 下垂控制与之同理，如图2 - 6 ( b ) 。 f o f 1 f 2 f m l n p 。 一l u 吣 n u ， 弋： ) u 2 u m 闩： 一- o ( a ) 有功一频率( p - f ) 下垂特性曲线 ( b ) 无功一电压( q - u ) 下垂特性曲线 图2 - 6 微电源下垂控制特性曲线 1 4 由图2 - 6 可以得到下垂控制特性的数学表达式： l = l 。一k p x p u = u o 一x q ( 2 - 3 ) 式中，k p 和k q 分别为有功- 频率( p f ) 下垂特性曲线和无功一电压( q - u ) 下 垂特性曲线的斜率绝对值。考虑到环流问题，不同的微电源空载时频率和出1 3 电压 幅值应该相同，从而可以利用空载与额定两个状态确定其k l , 和lk q ： ( 2 4 ) 图2 7 为微电源下垂控制框图。在微电源并网点处检测三相电压e 。、e b 、e 。和 三相电流i 。、i b 、i 。，坐标变换后计算出有功与无功功率p 和q 。根据式( 2 - 3 ) 下垂 特性进行计算，得到逆变器网侧电压的角频率( ) u 和电压幅值u ，从而得到其d q 旋转 坐标系中分量u d 和u q ，再通过过坐标变换得到逆变器网侧三相电压的参考值，经 p w m 调制得到逆变器开关信号。 图2 - 7 微电源下垂控制框图 1 5 一一 = = p 口 七 七 第三章直流微电网 交流微电网被提出之后，对其概念进行延伸，既可以是直流形式组成微电网， 也可以是高频交流微电网。事实上，原始的电力线路使用的就是1 0 0 - 4 0 0 v 的低压 直流电。由于直流微电网电能质量指标就是直流电压值，如同水面一样升高或降低， 所以也被形象地称为低压直流能量池【1 9 1 。直流微电网内的电源和负荷单元，则如同 一条条支流注入或流出水池一样，通过接口电路与能量池进行能量的交流。由于这 一能量池以直流形式存在，无论是电源与负荷及其接口环节，还是输电线路的导体 和电压等级，都有其各自的特点。 3 1 直流微电网结构 3 1 1 直流电压等级选择 电力传输导线需要具有足够的截面积，以保证在不超过允许电压损耗的条件下 将一定功率传送到较远距离。导线最小截面积可由公式( 3 1 ) 计算得出： ( 3 - 1 ) 式( 3 1 ) 中，p 为导体电阻率，l 是电源和负荷间距离，p 是额定传输功率，u 是允许的最大电压损耗( 百分值) ，u 为电源的电压水平。从式( 3 1 ) 可见，在一定 的传输功率、传输距离和电压损耗要求下，导线的截面积正相关于电源电压水平二 次方的倒数，即直流微电网电压等级越低，导线的截面积就需要越大。根据文献 2 0 】， 在交流额定电压为2 3 0 v 的条件下，系统取直流形式的话，至少需要4 0 0 v 的电压 水平才能将功率传送至5 4 0 0 m 距离。 就目前的研究情况而言，微电网通常覆盖范围比较小，但是从概率学角度，微 电网内微电源数量和类型的增多，能够提高网内的供电可靠性和电能质量，同时可