微网控制技术

微网控制技术的研究进展微网控制技术的研究进展 摘要 摘要 随着分布式发电的发展 微电网的研究已经成为能源和电力领域的一个热点 运行 控制是微网研究和应用的主要技术之一 本文主要阐述了国内外微网的研究进展 微网并 网和孤岛两种运行方式的控制策略 并分析了主要控制策略的研究进展 最后讨论了未来 的研究重点 以便微网安全运行 关键词 关键词 并网运行 孤岛运行 控制策略 The research process of microgrid control technology Abatract With the development of distributed generation the research microgrid has become a hot topic in the field of energy and power the operation control of microgrid is one of the main technologies in the study and application of microgrid This paper mainly talks about the research process of microgrid in foregin and China and the control strategies in the utility connected operation and the islanding operation It also analysis the research process of the important control strategies at last it discusses the research focus in the future in order to make it operated safely Key Words connected operation islanding operation control strategy 引言引言 随着新能源的发展 分布式发电 DG distributed generation 日渐成为社会研究的热点 DG 主要包括太阳能 风能 燃料电池 微汽轮机 生物质能等和负载一起组成微电网作 为一个可控单元接入主电网 1 分布式发电系统 DGS distributed generation system 能够满 足负荷增长需求 减少环境污染 提高能源综合利用效率 大量分布式电源的并网给电力 系统的保护 实时调度和电网可靠性等各方面带来了一些问题 大部分微电源惯性较小 或没有惯性 连接到公共电网时会产生频率和电压的震荡 因而提出了微网的概念 微网 的建立能够降低能耗 提高电力系统可靠性和灵活性 微网是一个能够实现自我控制 保 护和管理的自制系统 既能够和大电网并网运行 也可独立运行 美国 欧盟 日本等发达国家或地区对微网的研究起步较早 已经建立了一些典型的微 网示范工程和测试系统 美国电力可靠性技术解决方案协会 CERTS 微电网实验平台成立 于 2006 年 目标是实现微电网概念提出的 3 个先进技术 CERTS 实验平台实现了 即插 即用 和 对等 控制的思想 并且得到了成功的检验 2 CERTS 微电网中电力电子装置 与众多新能源的使用与控制 为可再生能源潜能的充分发挥及稳定 控制等问题的解决提 供了新的思路 欧洲于 2005 年提出 Smart Grid 计划 并在 2006 年出台该计划的技术实 现方略 欧洲已初步形成了微电网的运行 控制 保护 安全及通信等理论 并在实验室 微电网平台上对这些理论进行了验证 日本也建立了多个微电网工程 在微网示范工程建 设上处于世界领先地位 此外 日本学者还提出了灵活可靠性和智能能量供给系统 目前 日本已将该系统作为其微电网的重要实现形式之一 其中发表的文献还将该思想与热电联 供设计理念相结合 以便更好地实现能源的高效利用 促进环境友好 中国对微网的研究 起步较晚 在国家科技部 863 计划先进能源技术领域 2007 年度专题课题 中已经包括了 微网技术 3 中国的微电网按照其运行特点主要分为城市片区微电网和偏远地区微电网 农村微电网 企业微电网 尚未成熟 仍有许多问题需要解决 微网是将发电机 负荷 储能装置及控制装置等系统地结合在一起 作为一个单一可控 的单元 微网的分布式电源主要有光伏发电 风力发电 微型燃气轮机和燃料电池等 还 可以以热电联产或冷热电联产形式存在 同时向用户供冷 供热和供电 微网主要有两种 运行方式 并网运行和孤岛运行 微网由于惯性低 使用电力电子接口 以及含有多种运 行方式 因而稳定性是微网运行研究的重点之一 这就要求微网要有适当的控制策略 1 微网并网运行微网并网运行 1 1 并网运行连接方式并网运行连接方式 并网运行是指微网与公共电网并列运行 通过公共连接点连接 PCC 并进行功率交 换 当微网和主网都无故障 电能质量也符合要求时 并网开关导通 微网并入主网 此时 微网中分布式发电与大电网供电相互补充 微网系统的电压和频率由大电网支撑 微网主 要控制有功和无功功率 4 并网的连接方式有三种 交流直接连接 经电流源换流器 CSC 连接和经电压源换流 器 VSC 连接 交流直接连接是指把微网系统直接通过断路器在 PCC 处与大电网连接 这种并网方式投资小 结构简单 但灵活性和可靠性较差 CSC 通过对换流器的晶闸管的 触发角调节完成对微网与主网的功率交换进行控制 这种方式有利于微网的稳定运行 由 于微网容量较小 易造成换相失败 并产生大量的低次谐波和吸收大量的无功功率 VSC 通常采用 PWM 控制技术 开关频率较高 可以提高输出波形质量 减少滤波设备 结构 紧凑 占地面积小 5 1 2 并网运行存在的问题并网运行存在的问题 微网接入大电网后 将会影响电网电压 影响电网调度 微网内电力电子器件产生的 大量谐波将影响电网频率的稳定性 微网既可作为 电源 也可作为 负载 因此 微 网的接入使配电网功率由单向流动变为双向潮流 产生的随机性潮流 使电网潮流流向和 分布发生改变 对电网的故障检测和保护带来影响 微网的接入会产生孤岛效应 对重合 闸和供电可靠性 电能质量均有影响 6 1 3 并网运行控制并网运行控制 微网并网运行时 大电网承担微电网内的负荷波动 频率和电压扰动 微源不参与频 率调节和电压调节 同时直接采用电网频率和电压作为支撑 主要采用 PQ 控制方式 即 调节输出有功和无功电流来跟踪参考电流实现控制 通过派克变换变换 转换到 dq 轴 从 而实现了有功无功功率的解耦控制 对于采用电力电子逆变器的分布式电源主要有两种 P Q 控制方式 第一种是通过设定微型电源原动机的有功功率参考值进行功率调节 直流 电压控制器进行辅助调节 而无功功率按照给定值进行控制 控制方框图如图 1 第二种 是通过逆变器的控制作用 按照给定参考值进行有功功率和无功功率输出 控制方框图如 图 2 7 采用 PQ 控制可以减缓分布式发电对配电网的影响 提高可再生能源的利用率 4 文献 8 提出了一种基于多代理技术的微网并网运行控制策略 并网故障转入孤岛运行 保 证了微网运行的可靠性 图 1 PQ 控制系统框图图 2 PQ 控制系统框图 PQ 控制主要用于间歇性微源的控制 如光伏发电系统和风力发电系统等 文献 9 基 于 DigSILENT PowerFactory 软件提出了一种风光互补的微网系统 其中光伏发电采用改进 的 PQ 控制 风力发电采用 Droop 控制 能够确保功率平衡以及功率的合理分配 同时微 网运行模式转换时维持总线的电压和频率的稳定 文献 10 基于风力和光伏的 PQ 控制 能 够使电压敏感性负载的电压微点满足负载电压 2 孤岛运行孤岛运行 在大电网发生故障或者出现较大扰动时 静态开关将敏感性负荷所在馈线与大电网断 开 使其在孤岛模式下运行 此时 分布式电源承担起负荷的电能供应 保证网内功率平 衡 孤岛运行时 此时微网脱离大电网 失去了电网电压和频率的支撑 若仍采用 PQ 控 制 当逆变器的输出功率和负荷功率需求不平衡时 系统的电压和频率将会产生波动 可 能造成系统不稳定 因而此时不宜采用 PQ 控制 孤岛运行主要有以下几种控制方式 下 垂 Droop 控制 频率电压 V F 控制 主从控制和多代理技术 2 1 下垂控制下垂控制 该方法是基于电力电子技术的 即插即用 与 对等 的控制思想 采用与传统发电机 组 功频静特性 相类似的控制原理 通过有功 无功 电压 频率之间的解耦实现控制 的 主要用于由多个微电源并联运行的微网系统 下垂控制特性曲线如图 3 所示 p f q v 控制是孤岛运行中一种常用的控制方法 p 和 q 分别是微源输出的有功功率和 无功功率 f 和 v 分别是输出电压的频率和幅值 这种方法无需机组间的通信协调 实现 了孤岛下微网内电力平衡和频率的统一 有功功率和无功功率的合理分配 简单可靠 图 3 下垂控制特性曲线 其中 P0 Q0分别是是额定有功功率和额定无功功率 V0 f0分别是参考电压和参考频 率 各个逆变单元通过 p f q v 控制 输出电压频率和幅值后 通过负反馈反向调节其输 出电压幅值和频率 使系统合理分配功率 下垂控制没有考虑到系统电压与频率的恢复问 题 微网重新并网时会冲击大电网的频率 微网的频率调制范围受到严格限制 尤其是当 电网包含频率敏感性负荷时 而当阻抗是电阻时 p f 下垂则转为 p v 下垂 下垂控制是基 于应用电力电子技术的分布式发电系统的控制 并没有考虑传统发电机 如燃气轮机 柴 油机 与微网之间的协调控制 11 12 文献 13 14 提出了功率 P 相角 控制 与频率下垂相 比 相角下垂能够减小频率偏差 改善电能质量 提高系统的稳定性 文献 15 基于微型 燃气轮机的微网系统提出了一种新型下垂控制 即功率闭环 电压电流双闭环的下垂控制 算法 仿真结果表明 运行模式进行转换时 在调制范围内 该控制策略可以自动调整电 压和频率 以加速负载和功率共享 2 2 V F 控制控制 V F 控制即恒频恒压控制 V F 控制特性曲线如图 4 所示 该方案类似于传统发电机的 二次调频 通采用电压外环电流内环的双环控制 设定电压和频率的参考值 与测量值比 较 输出偏差经过 PI 调节器 调节逆变器的输出电压和频率 该控制策略可实现电力供需 平衡 稳定电压和频率 同时还可以改善逆变器的动态响应特性 加强抗扰动能力 但是 这种控制方案要求微源要有足够的旋转备用容量以承担大电网供给的全部功率 10 文献 16 提 出了四种 V F 特性控制方案 即开环 V F 控制 在 abc 三相坐标系下的电压反馈 V F 控制 在 dq 坐标系下的电压反馈 V F 控制和电压频率反馈 V F 控制 仿真分析得出在 abc 三相坐 标系下的电压反馈 V F 控制 在 dq 坐标系下的电压反馈 V F 控制控制效果较好 是最为 常用的控制方案 由于传统的 V F 控制没有考虑负载的结构变化 文献 17 基于包含多种 微源的微网 提出了一种 V F 控制 对电池引入负载的电压和电流前馈控制 仿真结果表 明 这种控制方法有效的减小了负载对电压和电流的扰动 提高了电网运行的稳定性 F Hz 52 51 50 P1P2P3 V pu 1 10 1 0 Q1Q2Q3 1 05 图 4 V F 控制特性曲线 2 3 主从控制主从控制 主从控制是一个分层控制方式 主控单元从从控单元的控制器获得控制信号 再反馈 给从控单元 主控微源常采用 V F 控制 为微网提供频率和电压参考 从控微源采用 PQ 控制 主从控制能够有效的协调各个单元 主要用于并网向孤岛模式切换的过程 主控微源可以采用 V F 控制或 Droop 控制 从控微源均采用 PQ 控制 仿真分析表明 采用 V F 和 PQ 控制能够维持系统电压和频率的稳定 但对逆变器一次侧能源要求较高 采用 Droop 和 PQ 控制能够提高电能质量 但无法消除频率和电压的震荡 未考虑到电压 和频率的恢复问题 故在实际工程中要具体选择分析 18 主从控制主要有两种结构 即集中控制和并行控制 集中控制是通过微网控制中心来 完成的 从经济性 稳定性以及灵活性来看 主要有三中控制方法 最优控制 神经网络 控制和模糊控制 主从控制主要存在两个问题 如何建立多因素的目标函数和如何简化算 法 并行控制需要大容量控制单元 限制了微网运行的灵活性 与集中控制相比减少了控 制中心的费用 19 主从控制主要用于消除并网和孤岛转换时产生的的暂态影响 能够提高微网的安全性 同时在能量管理方面也有应用 例如文献 20 提出的控制算法可以减缓暂态现象 但滞环 电流控制需要高频开关 且系统损失增加 因而为了减缓并网和孤岛运行转换时的瞬态电 流和瞬态电压失真现象 文献 21 提出了一种主从控制算法 即包括控制状态或参考值补 偿算法和分离开关逻辑控制 这种控制方法有效地减小了微网运行模式转换时对临界负荷 和分布式电源的影响 抑制了瞬态电流和瞬态电压失真 并验证了由孤岛转为并网时的无 缝切换 文献 22 提出了基于分布式电源和负载之间无通信的负载共享的一种主从控制 并网模式下主控单元采用间接电流控制 转换为孤岛模式时采用电压源最大功率跟踪控制 从控单元采用间接电流控制 主控系统能够缓解负载和微电源切换时所产生的瞬变 仿真 结果表明负载共享响应较快 快速切换模式 改善电能质量 文献 23 提出了逆变器的主 从控制策略 从控逆变器采用电流控制 主控逆变器有两种控制方式 并网时采用电流控 制 需要同步器来精确输出功率 孤岛运行时电压控制 需要电压参考振荡器 为从控逆 变器提供参考电压 仿真结果表明 可以实现快速的动态响应 无缝瞬态运行 保证微网 安全运行 文献 24 建立了一个主从控制的通信平台 能够有效地进行能量管理 2 4 多代理技术控制多代理技术控制 多代理系统是一种对工作条件的变化和周围过程的需求能够智能和灵活地响应的系统 多代理系统通过多个代理共同合作来组成 代理由主要由管理和组织层 协调层以及执行 层 3 个功能层组成 文献 25 指出多代理 Agent 是一种具有知识 目标和能力 并能单 独或在人的指导下进行推理决策的能动实体 具有自治性 自发性 智能性及可通信性等 特点 符合微电网分布式特性的需要 多代理系统在微网的分布式控制 市场建模 优化和微网系统储能中均有应用 文献 26 提出了一种基于多代理系统的使用电力电子接口的黑箱启动的微网分层控制方案 并 验证了其可行性 多代理系统可以提供智能优化算法和执行能力来完成复杂的任务 讨论 了并网和孤岛运行时的多代理系统控制策略 多代理系统能够协调并网或孤岛模式下的分 布式发电机和负载稳态运行 同时也可以对向孤岛运行的过渡过程提供黑启动 孤岛模式 下 微型发电机和所有的储能设备必须协调工作 因而文献 27 对微网运行的控制策略进 行了讨论 同时基于 Eclipse 平台实现了一种简单的多代理技术控制方案 微网的电源管理 相比于传统的电网更具有挑战性 因而文献 28 对集中式和分散式的多代理系统的优缺点 进行了对比 提出了一种分散式的多代理系统来完成电源管理的目标 并验证了其可行性 尤其是对于难于控制的微网 文献 29 构造了由分布式能源 DER 代理 数据库代理 控制代理和用户代理组成的多代理系统 分布式能源 DER 代理仿真结果表明当并网向 孤岛无缝切换过程中能够检测到上游停电 文献 30 提出了一种分层混合的多代理控制系 统 即上层的能源管理代理 一些中级协调控制代理和许多低级别的单元控制代理商 仿 真结果表明混合分层控制能够确保电压安全 最大限度的提高经济效益 由于缺乏对微电网应用的适应性和有效性的认识 因而 多代理系统控制模式将作为未 来发展的基本框架 31 微网的发展与多代理技术密切相关 如何快速响应和稳定运行是微 网的研究重点 3 未来的研究重点未来的研究重点 1 孤岛运行控制是微网控制研究的重点 虽然下垂控制已经达到了对等控制的思想 但不能同时满足电压调节和负载共享 如何解决这一问题 将是今后的研究重点之一 2 主从控制如何建立考虑多因素的目标函数 以及简化算法 也将是关注点 3 由于缺乏对微网的适宜性和有效性的认识 将是一项巨大的挑战 微网的发展与多 代理技术密切相关 如何快速响应和稳定运行是微网的研究重点 4 从大电网侧入手较少 即对大电网的稳定性及灵活性研究的较少 5 目前对微网控制技术的研究主要集中在分布式电源的控制上 对能量管理的优化研 究较少 电力电子技术也将是微网控制技术研究的重点 虚拟阻抗的逆变器是目前研究的 热点 多分布式电源的微网可以采用模型预测控制 分布式电源的控制可以将预测控制和 自校正控制相结合 通过 参考文献参考文献 1 汪小平 李阳 微网运行控制与仿真 J 中国电力 2012 44 12 73 77 2 John Stevens Sandia National Laboratories Harry Vollkommer P E David Klapp CERTS Microgrid System Tests C 2007 IEEE PES General Meeting Tampa Fl 3 刘龙舞 张捍东 董克龙 微网控制技术研究综述 J 电工电气 2012 2 1 6 4 黄小荣 陈 鸣 陈方林 微网运行模式及控制策略研究 J 华东电力 2012 40 5 0798 0802 5 李胜 张建华 李春叶 李银辉 微网 Microgrid 的并网运行方式探讨 J 太原理 工大学学报 2009 40 2 184 187 6 安典强 常喜强 李梅 张新燕 微网并网运行存在的问题及应对措施 J 四川电力 技术 2012 35 4 1 4 7 Zhou Xue song Cui Li qiang Ma You jie Research on Control of Micro Grid J 2011 Third International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation Shangshai 2011 2 1129 1132 8 章健 艾芊 王新刚 多代理系统在微电网中的应用 J 电力系统自动化 2008 32 24 80 87 9 Zhao Dongmei Zhang Nan Liu Yanhua Micro grid connected islanding operation based on wind and PV hybrid power system C Innovative Smart Grid Technologies Asia ISGT Asia 2012 IEEE Tianjin 2012 1 6 10 Liu Jianye Liu Jia Gu Xiao Li Yunshan Model and control of a DC microgrid made up by solar and wind C Computer Science and Electronics Engineering ICCSEE 2012 International Conference on Hangzhou 2012 1 437 441 11 杨仁花 黄伟 关丽 刘令富 微网结构和运行控制 J 电网与清洁能源 2010 26 1 48 55 12 欧阳 牛铭 基于不同控制策略的微网仿真 J 电网与清洁能源 2011 27 3 19 24 13 Majumder R Ghosh A Ledwich G Zare F operation and angle control C TENCON 2010 2010 IEEE Region 10 Conference Fukuoka 2010 509 515 14 Majumder R Chaudhuri B Ghosh A Majumder R Ledwich G Zare F Improvement of Stability and Load Sharing in an Autonomous Microgrid Using Supplementary Droop Control Loop J Power Systems IEEE Transactions on 2010 25 2 796 808 15 Yang Xiu Zong Xiang Yang Fei Zang Hai yang A research on droop control strategy and simulationfor the micro grid C Electrical and Control Engineering ICECE 2011 International Conference on Yichang 2011 5695 5700 16 Yang Wang Zongxiang Lu Yong Min Shanshan Shi Comparison of the Voltage and Frequency Control Schemes for Voltage Source Converter in Autonomous Microgrid C Power Electronics for Distributed Generation Systems PEDG 2010 2nd IEEE International Symposium on Hefei China 2010 220 223 17 Mingyan Shao Ruiye Liu Dianjun Lv Control Strategy of Voltage and Frequency for Islanded Microgrid C Power Electronics and Motion Control Conference IPEMC 2012 7th International Harbin China 2012 3 2085 2089 18 李军 许嘉宁 孙志强 顾沈青 微电网主从控制建模仿真 J 南京工程学院学报 自 然科学版 2012 10 3 16 22 19 Yujia Zhu Lili Zhang Development of Micro grid Control Technique C Power and Energy Engineering Conference APPEEC 2012 Asia Pacific Shanghai 2012 1 4 20 Zhilei Yao Lan Xiao Member IEEE and Yangguang Yan Seamless Transfer of ingle Phase Grid Interactive Inverters Between Grid Connected and Stand Alone Modes J Power Electronics 2010 25 6 1597 1603 21 Wang Cheng Shan Li Xia Lin Guo Li Li Yun Wei A Seamless Operation Mode Transition Control Strategy for A Microgrid Based on Master Slave Control C Control Conference CCC 2012 31st Chinese Hefei 2012 6768 6775 22 Vishal Verma Member Girish Gowd Talpur Decentralized Master Slave Operation of Microgrid Using Current Controlled Distributed Generation Sources C Power Electronics Drives and Energy Systems PEDES 2012 IEEE International Conference on Bengaluru 2012 1 6 23 Azevedo G M S Bradaschia F Cavalcanti M C Neves F A S Rocabert J Rodriguez P Safe Transient Operation of Microgrids Based on Master Slave Configuration C Energy Conversion Congress and Exposition ECCE 2011 IEEE Phoenix AZ 2011 2191 2195 24 Yixin Zhu Fang Zhuo Liansong Xiong Communication Platform for Energy Management System in a Master slave Control Structure Microgrid C Power Electronics and Motion Control Conference IPEMC 2012 7th International Harbin China 2012 1 141 145 25 王国栋 微网运行控制策略综述 J