（电工理论与新技术专业论文）分布式发电中微电网技术控制策略研究.pdf

r e s e a r c ho nc o n t r o ls t r a t e g yo f m i c r o g r i dt e c h n o l o g yi n d i s t r i b u t e dp o w e r s y s t e m a b s t r a c t t h ed i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n s y s t e m ( d g s ) ，w h i c hi sb a s e do nm i c r o g r i d t e c h n o l o g y , 1 st h eo n eo fw a yt od r a m a t i c a l l yd e v e l o pr e n e w a b l ee n e r g yr e s o u r c e 1 m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n de x p a n dt h ec a p a c i t yo f p o w e rs u p p l ys y s t e m t h ep o w e r s u p p l yo fd i s t r i b u t e de n e r g ysy s t e mc a nb em a d eu po fv a r i o u se n e r g vs o u r c e s w h i c na r ec o n v e r t e dt o e l e c t r i c p o w e rt o f o r m m i c r o g r i d i t su n i t sd i s p e r s e s e p a r a t e l y , a n dc o n n e c tt oa cm a i n si np a r a l l e l t om i c r o g r i ds y s t e mo fd g i t s p o w e rs u p p l yu n i t sa r ep a r a l l e li n v e r t e r c o m m o n l y m a n yp a r a l l e lc o n n e c t i o n s o l u t i o n s ，e s p e c i a l l yt h ew i r e l e s sp a r a l l e lc o n t r o lt e c h n i q u e ，f i tt ot h ed g sw i t h m a n yd i s p e r s e di n v e r t e r s ap e r f e c td i s t r i b u t e dm i c r o g r i ds y s t e mi n c l u d e sp a r a l l e l 1 n v e r t e rm o d u l e ，o u t p u tl i n ei m p e d a n c e ，a cm a i n s ，a n dt h el o a dc o n n e c t e d t oa c m a l n s a m o n gt h ep a r t sa b o v e ，t h ei n v e r t e ri st h ek e yc o m p o n e n t 。w h ic hi s i n c h a r g eo fc o n v e r t i n gt h ed i s t r i b u t e de n e r g yt oe l e c t r i cp o w e ra n df o r m i n gm i c r o g r i d w l t np r o p e rt e c h n i q u e ss u c ha si n v e r t i n ga n d c u r r e n ts h a r i n g t h ed e f e c t so fc o n v e n t i o n a ld r o o pc o n t r o l s t r a t e g ya r ea n a l y r z e dt h a ta p p l i e di n m i c r o g r i ds y s t e m ，a n dt h es y n t h e t i cc o n t r o ls t r a t e g yc o m p o s e do f d r o o pc o n t r o la i l d 1 n v e r s ed r o o pc o n t r o ls t r a t e g yi s p r o p o s e d t h i sc o n t r o ls t r a t e g yp e r f e c t sw e l li n 1 m p r o v m go fs t a b i l i t y , r e s t r i c t i n gt h eo c c u r r e n c eo fo v e r - c u r r e n t ，a c h i e v i n g s e a m l e s ss w i t c h i n gd u r i n gs t a t et r a n s f e r r i n g i na d d i t i o n ，t h ei n v e r s ed r o o pc o n t r o l s t r a t e g yp r o v i d e sp o s s i b i l i t yo fs e t t i n gd i f f e r e n tr e s p o n s et i m eb yv a r i o u se n e r g v s t o r a g ed e v i c e 1h e s y s t e mc o n t r o l s t r a t e g y s i d e aa n d s t a b i l i t y a r ed e m o n s t r a t e d c o m p r e h e n s i v e l y , a n dt h em a i nc i r c u i tt o p o l o g y , t h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c sa n d c o n t r o ls t a b i l i t yo fv o l t a g ec o n t r o lt y p ei n v e r t e ra n dv o l t a g ec o n t r o lt y p ei n v e r t e r a r ea l s or e s e a r c h e da s w e l l t h ep a r a m e t e ro f o u t p u t f i l t e ra n dt h ed o u b l e c i o s e d 。l o o pv o l t a g ea d j u s t e ro fi n v e r t e ra r ed e s i g n e di nd e t a i l ，t h es a m ei s t h e c l o s e d 。l o o pc u r r e n ta d j u s t e rf o rp o w e rr e g u l a t i o n m o r e o v e rt h em a t hm o d e lo f d r o o pp a r a l l e lc o n t r o la n ds y n t h e t i cc o n t r o la r e b u i l d ，b a s e do nt h em o d e l r e f e r e n c e sf o rs y s t e md e s i g nh a v eb e e na n a l y z e da n dd i s c u s s e d a t t h es a m et i m e i t e x p o u n d e dt h ee f f e c t s0 1 1s y s t e mp e r f o r m a n c eo fe a c hc o n t r o lv a f i a b l ei np o w e r c o n t r o ll o o pw i t hb o d ed i a g r a m s w i t he s t a b l i s h i n ga n da n a l y z i n gt h es i m u l a t i o n m o d e lo fm i c r o g r i ds y s t e mb a s e do ns i n g l ei n v e r t e rb ym a t l a b ，b o t hd y n a m i c a n ds t e a d yp e r f o r m a n c e so ft h es y s t e m ，w h i c hc o n t r o l l e db yt h es y n t h e t i cc o n t r o l s t r a t e g y , h a v e b e e np r o v e dw e l l k e y w o r d s ：d g ；m i c r o - g r i d ；i n v e r t e rp o w e r ；d r o o pc o n t r o l ；i n v e r s ed r o o pc o n t r o l ； 插图清单 图2 1 微电网结构示意图3 图2 2c e r t s 微电网结构4 图3 1 两逆变电源并联等效电路图1 4 图3 2 下垂控制逆变器控制示意图l 5 图3 3 不同容量逆变电源下垂特性示意图1 6 图3 4 下垂控制器结构框图1 6 图3 5 倒下垂控制示意图1 8 图4 1 逆变单元的主电路拓扑。2 0 图4 2 逆变电源的主电路等效框图2 l 图4 3 逆变单元等效电路图2 l 图4 4 额定功率时主电路等效矢量图2 2 图4 5 电流瞬时跟踪示意图2 3 图4 6 逆变电源瞬时双闭环控制等效图2 5 图4 7 电感电流瞬时闭环等效图2 5 图4 8 电感电流瞬时闭环简化图2 5 图4 9 毒= 0 7 0 7 ，最= 4 8 3 时的电流环根轨迹及阶跃响应图2 6 图4 1 0 孝= 0 5 2 7 ，毛= 7 0 7 时的电流环根轨迹及阶跃响应图2 6 图4 1 1 电流环的开环传递函数波特图2 7 图4 1 2 电压外环的简化控制结构图2 7 图4 1 3 电压环控制系统扰动传递结构图2 8 图4 1 4 芒= o 7 0 7 ，t o = 时的电压环根轨迹及阶跃响应图2 9 y 3 0 0 h z 图4 1 5 电压外环比例系数、积分系数对系统阶跃响应、扰动响应的影响2 9 图4 1 6 置= 0 0 9 ，丸= 1 0 9 时的电压环根轨迹及阶跃响应图3 0 图4 1 7 电压环的开环波特图3 1 图4 1 8 电压环控制系统跟随与扰动控制闭环波特图3 1 图4 1 9 电压控制型逆变器并网等效示意图3 2 图4 2 0 单相逆变器功率控制策略框图3 2 图4 2 1s s r f s p l l 基本原理3 3 图4 2 2 锁相环的线性化模型3 4 图4 2 3s s r f s p l l 稳态时仿真结果3 4 图4 2 4s s r f s p l l 在电压变化时仿真结果3 5 图4 2 5s s r f s p l l 在相位突变时仿真结果3 5 图4 2 6s s r f s p l l 在频率变化时仿真结果3 6 图4 2 7d q 坐标与a b 静止坐标3 7 图4 2 8 电流控制器模型3 7 图4 2 9 电流分量内环控制结构图3 8 图4 3 0 = 0 7 0 7 ，毛= 6 4 6 时的电流环根轨迹及阶跃响应图3 8 图4 3 1 = 0 5 6 7 ，= 8 8 3 时的电流环根轨迹及阶跃响应图3 9 图4 3 2 电流环的开环传递函数波特图3 9 图5 1 有功功率解耦控制模型4 5 图5 2 滤波时间常数变化时有功功率控制开环波特图4 6 图5 3 综合控制微电网系统结构框图4 7 图5 4 简化系统控制框图4 8 图5 。5k 变化时有功功率控制开环波特图4 8 图5 6 皱变化时有功功率控制开环波特图4 9 图5 7 ，变化时有功功率控制开环波特图。4 9 图6 1 微电网系统模型5 l 图6 2 脱网仿真波形5 2 图6 3 并网仿真波形5 2 图6 4 孤立运行负载阶跃变化仿真波形5 2 图6 5 孤立运行d g 退出时仿真波形5 3 图6 6 蛾= 2 3 z r 脱网时d g 电流波形5 3 图6 7o j = 脱网时dg电流波形54 23 n 图6 8c o = 2 3 n 负载扰动时d g 电流波形5 4 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金蟹工些丕堂 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谢 意。 学位论文作者签名： 肖1 彳夕签字日期：。7 年矽月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金星墨王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权世 王些太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，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 鬲劫吁 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：年月 日 电话： 邮编： 特别声明 本学位论文是在我的导师指导下独立完成的。在研究生学习期间，我的导师要 求我坚决抵制学术不端行为。在此，我郑重声明，本论文无任何学术不端行为，如 果被发现有任何学术不端行为，一切责任完全由本人承担。 6 3 学位论文作者签名： 签字日期： 年月日 致谢 值此论文脱稿之际，衷心地感谢我的导师张兴教授。在两年多的硕士研究生学习 和课题研究过程中，自始至终得到了张老师无微不至的关怀和悉心指导。导师严谨的 科研态度，广博的理论知识，丰富的实践经验，务实的工作作风使我受益匪浅。他的 精心指导，不但使学生的知识水平和科研能力有了很大的提高，更重要的是让学生的 思维方式和科研方法得到了很好的培养。导师在学术上谆谆教导，以及对生活上的悉 心关怀，都将使我终身难忘。在此，谨向张老师表示由衷的感谢和诚挚的敬意。 同时，在作者的整个课题研究过程中还得到了杨淑英老师的无私帮助，在此表示 深深的谢意。此外还要感谢实验室一起学习工作的同窗好友们，他们是：陈玲、张龙 云、田新全、邵文昌、王洪山、汪永智、孙龙林、曹伟、王成悦、孙容丙、王江等， 在共同的工作、学习和娱乐生活中，我们大家相互了解、相互帮助、相互进步。和他 们在一起，我愉快地度过了紧张而又难忘的研究生生活。 最后，我要感谢默默支持我的父母、妻子、弟弟和妹妹，他们对我深深的爱是我 不断进步的源泉，在此我要向他们表示深深的敬意和真心的祝福! 作者：纪明伟 2 0 0 9 年3 月 第一章引言 1 1 分布式发电意义 目前广泛采用的常规供电方式，由于电力负荷的迅速增长，必须建设一个 以大容量发电机组为主要电源的超高压特大电力系统来保证供电的可靠性和稳 定性。这种供电模式的固有缺点日趋明显。0 8 年春季发生在我国南方雪灾对常 规电网击就有力的说明了这一点。因此需要建设一批分散布置的微型电站和小 型分布源机组作为大电网的辅助和补充，一般称为分布式发电装置或简称分布 式电在一些发达国家，电网已接近饱和，新增电源较多采用新能源或分布式能 源，未来这类新型电源也将会成为电力系统的主要发展方式之一l l j 。 1 2 分布式电源概念及分类 1 2 1 分布式电源的定义 分布式电源通常是指分散布置在电力负荷附近、容量在数千瓦至数十兆瓦 之间、为环境兼容、节能的发电装置。如燃气轮机、内燃机、太阳光伏、燃料 电池、风力发电等。 1 2 2 分布式电源的分类 1 2 2 1按容量分类 1 ) 单机或多机总容量为数十兆瓦的微型电厂； 2 ) 容量为数千瓦至数千千瓦的分布式电源，一般接在用户内部。 1 2 2 2按使用能源分类 1 ) 利用可再生能源的分布式电源，如太阳能、水力、风能、地热和生物质能 等； 2 ) 利用氢气等新型能源通过直接化学反应的分布式电源，如燃料电池等； 3 ) 利用天然气等不可再生但属于清洁能源的分布式电源，或通过冷热电联供 和能源梯级利用等形式可提高能源利用效率的电源，如燃气轮机等。 1 2 2 3按发电类型分类 1 ) 使用同步发电机； 2 ) 使用非同步发电机； 3 ) 采用逆变器的分布式电源，如太阳光伏电池、燃料电池、微型燃气轮机。 1 2 2 4按是否反送功率分类 1 ) 经电网接入点向电网反送功率； 2 ) 接入电网，不向电网反送功率； 1 3 分布式发电并网技术难点 目前的电力系统是设计用来将大功率从电厂远距离输送到负荷，因此为保 证供电的可靠性，冗余设计是必不可少的甚至是极其重要的。因此，传统电网 是一个网状的潮流单方向流动( 从电厂到负荷) 的网络结构。任何新电厂( 火 电厂、水电厂或核电厂) 均被设计成在连入大电网的条件下方可运行。而对分 布式发电而言，情况则是完全不同的。分布发电并不是为并网运行而设计，因 此，分布发电并网将带来一系列问题，例如：短路电流，功率潮流( 某些分布 式发电特定情况下需要功率输入，因此功率潮流不再仅是单向而是双向流动 的) 。另外，分布发电中也很少甚至没有冗余。分布发电的运行也与交流大电网 完全不同。分布式电源的建设和运行通常是私人行为，一些对电网控制很重要 的手段如数据采集等都将变得较为困难。另外，分布式电源一般被设计用来满 足客户个体的需要，因此分布式电源的运行并不以电网的需求为第一目的，这 将给电网安全带来新问题。可想而知，这一问题在电力市场环境下还将变得更 加复杂。最后，分布式发电对输电线也有不同于交流大电网的要求。交流电网 所用的远距离高压输电线或中压配电线均具有相对( 电抗) 较低的电阻。例如： 高压输电线的电抗( x ) 远大于其电阻( r ) ，即：x r 5 。因此，电抗是导致 压降和线损的主要因素。对分布式发电而言，输电线电阻一般均大于电抗或至 少与其相当，因此其电阻将对输电线上压降和线损产生不可忽略的影响。故分 布式发电的直接入网将对局部电网产生严重影响弘j 。 首先是电能质量问题【3 】，由于分布式发电( 简称d g ) 是由用户来控制的， 因此将根据其自身的需要起动和停运d g ，这可能使配电网的电压常常发生波 动。d g 的频繁起动会使配电线路上的负荷潮流变化大，从而加大电压调整的 难度，调节不好会使电压超标。未来的d g 可能大量采用电力电子型电源，电 压的调节和控制方式与常规方式会有很大不同( 有功和无功可分别单独调节， 且调节速度非常快) ，需要相应的控制策略和手段与其配合。此外，电力电子型 的分布式电源易产生谐波，造成谐波污染。 其次，对继电保护的影响【4 】。配电网中大量的继电保护装置早已存在，不 可能为了新增的d g 而做大量改动，d g 必须与之配合并适应它。当配电网的 继电保护装置具有重合闸功能时，则当配电网系统故障时，d g 的切除必须早 于重合时间，否则会引起电弧的重燃，使重合闸不成功。当d g 的功率注入电 网时，会使原来的继电器保护区缩小，从而影响继电保护装置正常工作。如原 配电网继电器不具备方向敏感性能( 原系统为放射型的，末端无电源，不会产 生转移电流，而无须具备方向敏感性能) ，则当其他并联分支故障时，会引起安 装有d g 的分支上继电器的误动，造成该无故障分支失去主电源。 另外还有其它方面的问题【5 】，如短路电流、铁磁谐振、电网效益问题、配 电系统的实时监视、控制和调节问题、配电网电容器投切应与d g 的励磁调节 相配合问题都是必须考虑的重要问题，应有一定的控制策略和手段来给予保证。 这些问题的产生是由分布发电与现有电力系统之间的根本差异导致的。 2 第二章微电网技术 2 1 微电网技术概念 在不改变现有配电网络结构的前提下，为了削弱分布式电源对其的冲击和 负面影响，美国电力可靠性技术解决方案协会( t h ec o n s o r t i u mf o re l e c t r i cr e l i a b i l i t yt e c h n o l o g ys o l u t i o n s ，c e r t s ) 提出了一种能更好地发挥分布式发电潜能 的一种组织形式一一微电网( m i c r og r i d ) 6 - 9 】。相应地把微电网中的分布式电源 叫做微型电源( m i c r os o u r c e ) ，简称微源( m s ) 。微电网是规模较小的分散的独立 系统，它采用了大量的现代电力技术，将燃气轮机、风电、光伏发电，燃料电 池，储能设备等并在一起，直接接在用户侧。对于大电网来说，微电网可被视 为电网中的一个可控单元，它可以在数秒钟内动作以满足外部输配电网络的需 求【lo 】；对用户来说，微电网可以满足他们特定的需求，如增加本地可靠性、降 低馈线损耗、保持本地电压稳定、通过利用余热提高能量利用的效率及提供不 间断电源等。微电网和大电网通过p c c 进行能量交换，双方互为备用，从而提 高了供电的可靠性。 图2 1 微电网结构示意图 图2 1 展示了光伏发电、风能、燃料电池等微电源形式，其中一些接在热力 负荷附近，可以为当地用户提供热源，从而提高了能量的利用率】。微电网解 决了d e r s 并网的问题，并且由于所采用的先进的电力电子技术是灵活可控的， 因此微电网可以利用d e r s 对微电网的潮流流动进行有效调节。概括起来微电网 主要有以下几个优点： 1 ) 微网提供了一个有效集成应用d g 的方式，继承拥有了所有单独d g 系统所 具有的优点。 2 ) 微网作为一个独立的整体模块，不会对大电网产生不利影响，不需要对大电 网的运行策略进行修改。 3 ) 微网可以以灵活的方式将d g 接入或断开，即d g 具有“即插即用”( p l u g a n d p l a y ) 的能力。 4 ) d g 并网的许多问题都是由d g 响应速度慢、惯性小的特点引起的，多个d g 联网的微网增加了系统容量，并有相应的储能系统( 蓄电池储能系统、飞轮 储能系统等) 【1 2 】，使系统惯性增大，减弱电压波动和电压闪变现象，改善电 能质量。 5 ) 微网在上级网络发生敲障时可以孤立运行继续保障供电，提高供电可靠性。 微电网作为对单一大电网的有益补充，其广泛应用的潜力巨大。目前，世 界上一些主要发达国家和地区，如美国、欧盟、日本和加拿大等，都开展 了对微电网的研究。 2 2 徽电网国内外研究现状 2 2i 美国微电网的研究现状 2 2 1 1 概述 美国最早提出了微电网概念，近年来，其微电网研究一直在有条不紊地进 行着。美国的微电网研究项目主要受到了美国能源部的电力提供和能源可靠性 办公室、加州能源委员会的资助，其研究的重点主要集中在满足多种电能质量 的要求、提高供电的可靠性、降低成本和实现智能化等方面 1 3 1 1 4 1 。 2 21 2 可靠性技术解决方案协会微电网 1 9 9 9 年，美国电力可靠性技术解决方案协会( t h ec o n s o r t i u m f o re l e c t r i c r e l i a b i l i t yt e c h n o l o g ys o l u t i o n s ，c e r t s ) 首次对微电网在可靠性、经济性及其 对环境的影响等方面进行了研究。到2 0 0 2 年，较为完整的微电网概念被提出来， c e r t s 给出的微电网定义是：微电网是一种由负荷和微型电源共同组成的系 统，它可同时提供电能和热量；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，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等方面的要求。后来，美国北部 电力系统承建了第一个微电网示范工程。和世界上其他微电网项目一样， c e r t s 的微电阙考虑的也是当徽电网和主网因为故障突然解列时，微电网还能 够维持对自身内部的负荷的电能供应，直到故障排除。c e t r s 微电网所接入 的d e r s 都是峰值2 m w 的小机组，这就避免了采用快速却昂贵的控制，并且 使得系统具有很好的鲁棒性。 围22 c e r t s 微电网结构 图22 所示的c e r t s 微电网有3 条馈线及负载，网络呈辐射状结构。该微 电网内的微电源可以为光伏发电、微型燃气轮机和燃料电池等微电源形式，靠 近热力用户的微电源还可以为本地用户提供热源，从而保证了能量的充分利用。 当负荷变化时，该微电网的本地微电源自行调节功率输出。微电网中还配备了 能量管理器和潮流控制器，能实现对整个微电网的综合控制和优化。该微电网 与大电网只有一个公共连接点，并且它是不向大电网输出能量的。所以，从系 统的角度来看，该微电网也可以看成是一个单一的可控负荷。从图2 2 可以看出， 该微电网有3 类对供电质量有不同要求的负荷，即敏感负荷、可调节负荷、可中 断负荷。馈线c 和主网有直接联系，当主网的供电质量出现诸如电压跌落等问 题时，静态开关将跳开，线路a 和线路b 形成独立运行的系统，直到主网恢复到 正常状态。c e r t s 微电网是一个分散的即插即用系统( p l u g a n d p l a ys y s t e m ) ， 整个系统的灵活性很好，发电机组可以安置在能够使能量得到充分利用的地方， 进而提高了能量的利用率。 c e r t s 微电网的可行性研究已经在威斯康星大学麦迪逊分校的实验室得到 了初步检验。威斯康星大学麦迪逊分校微电网于2 0 0 1 年建立，目前的系统容量 为2 0 0k w ，电压等级为2 8 0v 4 8 0v 。c e r t s 计划对微电网进行全面检验，近 期，美国俄亥俄州哥伦布杜兰技术中心已经开始了对微电网的全面测试。c e r t s 的微电网设计理念是不采用快速电气控制、单点并网不上网、提供多样化的电 能质量与供电可靠性、随时可接入的d e r s 等。这些突出的特点使它成为世界上 所提出的微电网中最权威、认可度最高的一个。 2 2 1 3 其他微电网研究 美国能源部还与通用电气共同资助了第二个“通用电气( g e n e r a le l e c t r i cc o m p a n y ，g e ) 全球研究( g l o b a lr e s e a r c h ) 计划，投资约4 0 0 万u s d 。g e 的目标 是开发出一套微电网能量管理系统( m i c r o g r i de n e r g ym a n a g e m e n t ，m e m ) ，使它 能向微电网中的器件提供统一的控制、保护和能量管理平台。m e m 的设计旨在 通过优化对微电网中互联元件的协调控制来满足用户的各种需求，如运行效率 最高、运行成本最小等等。这项微电网计划分两个阶段施行，第一个阶段已经 完成，该阶段主要对一些基础的控制技术和能量管理技术方面进行研究，并探 索该计划的市场前景。第二阶段计划在2 0 0 8 年中完成，主要是将第一阶段的技 术在具体的模型下进行仿真，并建造示范工程进行具体的实现。这项微电网计 划对于目前该领域的其他微电网研究是一个很好的补充。c e r t s 微电网研究 主要集中在对d e r s 的设计和鲁棒控制，g e 微电网则更多地关注在外部监控回 路的研发上，以及对能量利用和运行成本的优化上。除了上述微电网研究之外， 在美国还开展了许多在这方面的研究，它们促进了微电网的发展，如加州能源 委员会资助的分布式效能集成测试平台、美国国家可再生能源实验室所完成的 对佛蒙特州微电网的安装和运行的检验。 2 2 2 欧洲微电网的研究现状 2 2 2 1 概述 欧秒 4 d e r s 的研究和发展主要考虑的是有利于满足能源用户对电能质量的 多种要求以及欧洲电网的稳定和环保要求等。微电网被认为是未来电网的有效 支撑，它能很好地协调电网和d e r s 之间的矛盾，充分发挥d e r s 的优势。欧洲 各国对微电网的研究越来越重视，近几年来各国之间开展了许多合作和研讨。 2 0 0 5 年，欧洲提出“s m a r tp o w e rn e t w o r k s 概念【15 1 ，欧盟微电网项目( e u r o p e a n c o m m i s s i o np r o j e c tm i c r o g r i d s ) 给出的定义是利用一次能源；使用微型电源，分 为不可控、部分可控和全控三种，并可冷、热、电三联供；配有储能装置；使 用电力电子装置进行能量调节【1 6 】。 2 2 2 2 欧盟第五框架计划 欧洲的微电网研究引起了欧洲各国的广泛关注，主要分为两个阶段，第一 个是欧盟第五框架计划( 5 t hf r a m e w o r kp r o g r a m ，f p 5 ) 中，专门拨款4 5 0 万欧元 的微电网研究资助计划。该计划由雅典国家技术大学( n a t i o n a lt e c h n i c a lu n i v e 。 r s i t yo fa t h e n s ，n t u a ) 组织，1 4 个成员来自欧盟的7 个国家，还有很多高校的 参与，如t h eu n i v e r s i t yo fm a n c h e s t e r ( 英国) 、i n e s cp o l o ( 葡萄牙) 、e c o l ed e m i n e s ( 法国) 等。该项目已完成并且取得了一些很具启发意义的研究成果，如 d e r s 的模型、可用于对逆变器控制的的低压非对称微电网的静态和动态仿真工 具、孤岛和互联的运行理念、基于代理的控制策略、本地黑启动策略、接地和 保护的方案、可靠性的定量分析、实验室微电网平台的理论验证等。 2 2 2 3 欧盟第六框架计划 欧洲微电网研究的第二个阶段名为“a d v a n c e da r c h i t e c t u r e sa ndc o n t r o lc o n c e p t sf o rm o r em i e r o g r i d ， 欧盟第六框架计划( 6 t hf r a m e w o r kp r o g r a m m e ， f p 6 ) 资助8 5 0 万欧元。目前，这项计划正在进行中。该计划仍然是由n t u a 组织， 参与的厂商有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 等，还 有来自英国、法国、德国、西班牙等国的许多专家学者。这项新计划的研究目 标包括： 1 ) 研发新型的分布式能源控制器，以保证微电网的高效运行。 2 ) 寻找基于下一代通信技术的控制策略。 3 ) 创造新的网络设计理念，包括新型保护方案的应用和考虑工作在可变的频率 下等。 4 ) 各种微电网在技术和商业方面的整合。 5 ) 微电网在技术和商业方面的协议标准。 6 ) 研发合适的硬件设备，使微电网具有即插即用的能力。 7 ) 研究微电网对大电网运行的影响，包括地区性的和大范围的影响。 8 ) 研究微电网能给欧洲电网在供电可靠性、网络损耗和环境等方面带来的改 善。 9 ) 探索微电网的发展对基础电网发展的影响，包括其增强和替代老化的欧洲电 网的可行性分析。 6 目前，欧洲的微电网示范工程主要有希腊基斯诺斯岛微电网、德国曼海姆 w a l l s t a d t 居民区示范工程、西班牙l a b e i n 项目、葡萄牙e d p 项目、葡萄牙c o n t i n u o n 项目、意大禾o c e s i 项目、丹麦e l t r a 项目等。欧洲所有的微电网研究计 划都围绕着可靠性、可接入性、灵活性3 个方面来考虑。电网的智能化、能量利 用的多元化等将是欧洲未来电网的重要特点。 2 2 3 日本微电网的研究现状 2 2 3 1 概述 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。日本政府十分 希望可再生能源( 如风能和光伏发电) 能够在本国的能源结构中发挥越来越大的 作用，但是这些可再生能源的功率波动性降低了电能质量和供电的可靠性。微 电网能够通过控制原动机平衡负载的波动和可再生能源的输出来达到电网的能 量平衡，例如配备有储能设备的微电网能够补偿可再生能源断续的能量供应。 因此从大电网的角度看，该微电网相当于一个恒定的负荷。这些理念促进了微 电网在日本的发展，使日本的微电网对于储能和控制十分重视。有日本学者提 出了灵活可靠性和智能电量供给系统( f l e x i b l er e l i a b i l i t ya n di n t e l l i g e n te l e c t r i c a l e n e r g yd e l i v e r ys y s t e m ，f r i e n d s ) ，利用f a c t s 元件快速灵活的控制性能实现 对配电网能量结构的优化【l 7 】【l8 1 。 2 2 3 2 新能源与工业技术发展组织微电网 新能源与工业技术发展组织( n e we n e r g ya n di n d u s t r i a lt e c h n o l o g yd e v e l o p - m e n to r g a n i z a t i o n ，n e d o ) 是日本为了较好地利用新能源而专门成立的，它负 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。n e d o 在2 0 0 3 年的“r e g i o n a lp o w e rg r i dw i t hr e n e w a b l ee n e r g yr e s o u r c e sp r o j e c t 项 目中，开始了3 个微电网的试点项目【1 7 】。这3 个测试平台的研究都着重于可再生 能源和本地配电网之间的互联，分别在青森县、爱知和京都，可再生能源在3 个地区微电网中都占有相当大的比重。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，2 0 0 5 年日本爱知世博会时投入使用。2 0 0 6 年，该系统 迁到名古屋市附近的中部机场，并于2 0 0 7 年初开始运行。该微电网的最大特点 是它的电源大都为燃料电池：2 个高温熔化碳酸盐燃料电池( 2 7 0 k w 和3 0 0 k w ) ， 4 个磷酸盐型燃料电池( 各2 0 0k w ) ，一个固体氧化物燃料电池( 5 0 k w ) 。系统中 总的光伏发电容量为3 3 0 k w ，此外还有一个5 0 0 k w 的钠硫磺电池组用于功率的 平衡。青森县的微电网于2 0 0 5 年1 0 月投入运行，计划作为示范工程一直运行到 2 0 0 8 年3 月，这期间进行电能质量和供电可靠性、运行成本等方面的评估。该微 电网组的最大特点是只使用可再生的能源( 1 0 0 k w ) 进行供电。可控的d e r s 包括3 个以沼气为燃料的发电机组( 共5 1 0 k w ) 、1 个1 0 0k w 的铅酸电池组和1 个1 0t h 的锅炉。该微电网能够节省约5 7 3 的能耗，同时减少约4 7 8 的碳化物排放 量。京都微电网2 0 0 5 年1 2 月投入运行，它主要由以下几方面构成：5 0 k w 光伏发 7 电系统、5 0 k w 风力发电系统、5 x 8 0 k w 沼气电池组、2 5 0 k w 高温熔化碳酸盐燃 料电池及1 0 0k w 电池组。该系统的控制中心能够在5 r a i n 之内实现系统能量的平 衡，也可以根据需要设置更短的时限。 综上所述：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。日本本土资源匮乏，其对可再生能源的重视程度高于 其他国家，但很多新能源具有随机性，穿透功率极限限制了新能源的应用，所 以日本在微电网方面的研究更强调控制与电储能。欧洲希望通过优化从电源到 用户的价值链来推动和发展d e r s ，以使用户、电力系统及环境受益。欧洲互联 电网中的电源大体上靠近负荷，比较容易形成多个微电网，所以欧洲微电网的 研究更多关注于多个微电网的互联问题。 2 0 0 8 年初的冰雪天气导致我国发生大面积停电，暴露了我国现有的网架结 构在保障用户供电方面所存在的薄弱环节。微电网既可以联网运行，又可以孤 岛运行，能保证在恶劣天气下对用户供电。微电网在满足多种电能质量要求和 提高供电可靠性等方面有诸多优点，使它完全可以作为现有骨干电网的一个有 益而又必要的补偿。另一方面，我国“十一五”规划纲要提出了建成5 0 w 风 电的发展目标，在不久的将来将有风电和光伏等d e r s 不断接入电网。微电网 在协调大电网与d e r s 间的矛盾，充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的 价值和效益等方面具有优势，使其能够在中国未来电网的发展中发挥很重要的 作用。但是，中国微电网的发展尚处在起步阶段， 2 3 微电网关键技术 2 3 1 微电网控制 2 3 1 1d g 基本控制 由微电网的结构分析可看到，微电网如此灵活的运行方式与高质量的供 电服务，离不开完善与稳定的控制系统。控制问题也正是微电网研究中的一个 难点问题。其中一个基本的技术难点在于微电网中的微电源数目太多，很难要 求一个中心控制点对整个系统做出快速反应并进行相应控制，往往一旦系统 中某一控制元件故障或软件出错，就可能导致整个系统瘫痪。因此，微电网控 制应该做到能够基于本地信息对电网中的事件做出自主反应，例如，对于电 压跌落、故障、停电等，发电机应当利用本地信息自动转到独立运行方式，而 不是像传统方式中由电网调度统一协调。具体来讲，微电网控制应当保证【l 州： 1 ) 任一微电源的接人不对系统造成影响； 2 ) 自主选择运行点； 3 ) 平滑地与电网并列、分离； 4 ) 对有功、无功进行独立控制； 5 ) 具有校正电压跌落和系统不平衡的能力。 2 3 1 2 能量管理控制 文献 2 0 文献 2 1 介绍了多代理系统技术在微网控制中的积极作用。基于 c s 架构的多代理微网管理软件，使用客户端在d g 机组、负荷、能量管理器实 现了智能化分布控制，达到微网内d g 之间负荷分配最优化和微网同主电网间能 量交换的最优化。文献 2 2 提出一种控制方法允许d g 的分散布局且不需要d g 之间的高速通讯。能量管理器采用低速通讯系统，并网运行时为每个d g 控制器 提供电能和电压限制点。孤立运行时提供电能和电压工作点。 2 3 1 3 其他控制 文献 2 3 研究了微网内接入功率因数控制电容器可能引起的滤波器电容变 化和谐振现象，并提出相应的逆变器控制策略补偿这种不利影响。 文献 2 4 综合各国研究现状，指出微电网控制系统的未来研