国内外微电网安全运行控制技术

国内外微电网安全运行控制技术 【摘 要】微电网是由多种负荷和多种分布式电源构成的系统，这些分布电源在地理位置和时间上有很大的不确定性。为了保证微电网能充分发挥它们的效率，保证它们的安全运行，本文从微电网并网运行和孤岛运行两个方面来探讨国内外对微网运行的控制技术。 【关键词】微电网；分布式电源；运行技术 0 引言 随着技术的发展，分布式发电在不断生活中被应用，促使了微电网的形成。各个国家在微电网定义都各不相同，但是大致的定义都是如下：微电网是一组由分布式电源、负荷、储能装置和控制装置构成的系统。微电网所含有的分布式电源包括光伏发电，风力发电，燃料电池，小型燃汽轮机、蓄电池和高速飞轮等。是一个具备自我控制和自我能量管理的自治系统。既可以与外部电网并网运行，可以孤立运行，从微观看，微电网可以被视为小型的电力系统；从宏观看，微电网可以认为是配电系统中的一个“虚拟”的电源或负荷1。结合国外的微电网发展史，微电网主要有以下几个基本特点： 微电网的首要特点是微型化，主要体现在电压等级低和系统的规模小。在我国应该以中低压，特别是400V低压配电网为主，一般规模在兆瓦级以下。在400V低压网络中，微电网中的分布式电源可以和用户终端直接相连，能够实现电能的就地利用。减少了投资，降低了网损。 微电网具有自我调控的特点。微电网可以通过分布式电源、储能装置和需求侧管理的协调配合实现电能的自我调控，与外部电网的电力交换较少。微电网并网运行时，基于电能就地消纳的原则，微电网内的负荷应优先由内部的分布式电源供电，在供电能力不足时才由大电网提供支持。微电网孤岛运行时，通过协调控制分布式电源、储能装置和可控负荷实现电网在孤岛状态下的稳定运行。 高效环保是微电网的另一个重要特点。微电网中的分布式电源主要是风力发电和太阳能光伏发电等清洁能源，或者微型燃气轮机和燃料电池等清洁高效的新型发电单元，具有很高的环保效益。相比传统化石能源具有较高的利用效率，减少碳的排放量，实现能源的综合利用。因此，微电网可以在能量管理系统下保持清洁高效的状态下运行。 供电可靠性也是微电网的特点。微电网可以并网作为一个有源负荷运行，也可以在大电网故障时与其断开离网孤岛运行，在故障解除后还可以重新并网，能够保持在大电网故障期间对重要负荷的连续供电。此外，微电网中的分布式电源可以方便灵活的接入或退出微电网，对微电网中重要负荷的供电不造成严重影响，可靠性较高。 1 国内外的微电网运行技术 美国是最早提出“微电网”概念，在微电网的推广和运行方面也走在世界前列。美国能源部于2003年制定了“Grid 2030”A national vision for electricitys second 100 years发展战略。详细阐述了美国政府未来的微电网发展规划2。欧盟根据分布式发电大量接入的实际情况，结合电能安全供给和环境保护等因素，重点发展包括风能、太阳能等可再生能源的微电网技术和示范应用推广，相继推出欧盟第五研究框架3。中国在微电网这方面起步较晚，2009年，中国国家科技部通过“973”计划项目专门资助了分布式发电供能系统的相关基础研究。2010年，中国国家科技部通过国家高科技研究发展计划863立项了近十个有关微电网方面的研究课题。“十二五”期间，我国将在太阳能、风能占优势的地区建设成微电网示范区，同时还将推动建设100座新能源示范城市4。 结合微电网的两种运行模式，与大电网并网运行和孤岛运行来分析国内外对它们的运行控制技术。并网运行模式是指正常情况下，微电网与配电网相连，由大电网补充自身发电量的不足或者向大电网提供多余的电能。孤岛运行模式是指当检测到电能质量不满足要求或电网故障时，微电网及时断开而独立运行，完全由微电网内DG（分布式电源）向负荷供电。微电网的孤岛运行为系统提供了更高的供电可靠性和供电不间断性。微电网采用正确的控制方式，可以并网运行或孤岛运行，并可在两种运行模式间平滑切换。并网运行方式指微电网通过PCC（公共连接点）与大电网相连，与大电网有功率交换。当负荷大于分布式电源发电时，微电网从大电网吸收部分电能；反之，当负荷小于分布式电源发电时，微电网从大电网输送多余的电能。并网运行方式下，微电网可以利用电力市场的规律灵活控制分布式电源的运行，获得更多的经济效益。 依据分布式电源和储能设备在微电网中所起的作用，需要采用不同的控制方法来对微电网进行能量控制。目前国内外主要采用的控制有：分别是恒功率控制（PQ 控制）、恒压/恒频控制（V/f 控制）和下垂控制（droop控制）5。下垂控制又具有两种基本形式：1. f-P和V-Q 下垂控制方法。2. P-f和Q-V下垂控制方法6。前者根据功率的变化决定频率和电压值，后者根据频率和电压的变化决定功率值。 在并网运行中，常用的PQ控制方法，PQ 控制通过逆变器来实现对微电源指定的参考有功无功功率发出功率。该控制主要实现方法有两种。在并网状态下，主网来维持微电网电压频率的稳定，保证负荷波动或其他扰动，微电网系统正常运行，第一种方法是这样实现的，有功和无功分开控制，给定微电源原动机的有功功率参考值来控制微电源发出的有功功率，直接给定微电源无功功率参考值来控制其发出的无功功率。第二种方法就是直接通过逆变器控制有功和无功功率。逆变器输出的功率就是微电源发出的功率。 对于孤岛运行，常用的是后面两种方法：恒压/恒频控制（V/f 控制）和下垂控制（droop控制）。V/f控制方法指通过控制微电源逆变器，使其输出的电压和频率为给定的参考值。这种控制保证孤岛系统电压和频率稳定，并且在负载功率变化时能跟踪其变化。该控制实现的方法是，先给定逆变器出口的频率和电压的参考值，然后通过比例积分控制器来保持这个值。第二种孤岛运行的控制是采用下垂控制（droop控制），Droop控制就是用来模拟频率一次调整。通过控制电力电子逆变器来实现。传统同步电机有两条特性曲线，一个是有功一频率（P-f）特性曲线，另一个是无功一电压（Q-V）特性曲线，通过这样的关系曲线来进行系统电压和频率的调节，称为下垂控制。另一种特性曲线是有功一电压（P-V）和无功一频率（Q-f），我们称之为反下垂控制方式。要根据实际线路的情况来选择这两种控制方式中的一种，这两种方式的原理是相同的。 微电网运行时的控制的策略常用的主要有两种，主从控制策略和对等控制策略。前者是对微电源采取不同的控制方法，其中一个微电源作为主控的，其他发电单元是从属的；后者是基于下垂特性的控制策略，各个DG都处于Droop控制而且是平等关系。主从控制策略实现过程为并网和孤岛模式的转换：并网运行状态下，各DG都采用PQ控制，当电力系统出现问题时候，切换到进行孤岛运行状态，检测单元检测到孤岛信号，其中一个DG（即主控电源）将转换到V/f控制，保持电压不变，电流随负荷变化而改变，微电源的输出功率增大或者减小，所以主控DG为孤岛系统提供电压和频率支撑，其他DG不负责调节电压和频率，并且保持PQ控制运行。但是这种控制策略在孤岛运行时对主控DG依赖性较高，同时对通信的稳定运行也提出相当大的要求，要能够准确检测到孤岛发生的时刻，如果通信达不到要求，可能会产生拒动或者误动，同时负荷的波动带来的功率补偿也主要由主控DG补偿，故要求DG 有较高的旋转备用容量。 对等控制策略，是基于电力电子技术“即插即用”与“平等”关系的，每个DG之间不是从属关系“对等”的控制思想的。在对等控制中，广泛采用的是Droop下垂控制方法。下垂控制是模拟普通同步发电机有功功率和频率、无功功率和电压的近似线性关系来进行控制的。下垂控制有（f-P、U-Q）控制模式和（P-f、Q-U）控制模式，二者共同之处是同样依托发电机的自下垂特性曲线，但是前者通过逆变器输出频率和电压的改变来控制输出功率，后者通过输出功率的改变来控制逆变器的输出电压和频率。当系统负荷变化时，采用下垂控制的分布式电源，根据其下垂特性参数调整输出，分担负荷的改变量。显然，下垂控制可以实现负荷在采用Droop控制的电源之间的自动分配，但是在系统达到新的平衡点后，微网内的频率和电压都有一定的改变，相对于VF控制，下垂控制是一种有差调节。在采用对等控制模式的微电网中，部分分布式电源同样可以采用PQ控制，此时采用下垂控制的微电源起到类似于主从控制中主控器的作用，来分担微网中变化的负荷。同时，由于无论在并网运行模式还是在孤岛运行模式，微网中分布式电源的下垂控制策略可以不加变化，系统运行模式易于实现无缝切换。 对比主从控制模式和对等控制模式，可以看到，采用下垂控制的微电网，每个分布式电源在进行调节时，只需采集逆变器自身的出口信息便可完成功率分配和电压频率的自动调整，不需要信息交换获得其它端口的输出量，省去了通信成本，理论上经济性更好。当分布式源由于检修、故障等原因退出运行，或者是微网由于扩建需要增加分布式电源的数量时，可以直接将分布式电源切除或者以下垂控制的模式接入对等控制的微电网中，其它分布式电源仍然可以按照原来的控制方式继续运行，体现出“即插即用”的优点。 2 微电网运行需考虑的其他几个问题 2.1 微电网的接入标准 IEEE己重新修订了分布式电源的入网标准，新标准的IEEE P 1547.4对分布式独立电力系统的设计、运行及接入系统导则进行了详细规定。目前国内尚无统一、规范的微电网体系技术标准和规范，这在很大程度上影响了微电网技术的研究和示范工程的建设。 2.2 微电网的保护 微电网在用户侧增加了很多电源，用户侧历来只有负荷。（1）这个变化导致电流可以从两个方向流过保护系统的灵敏电流装置，而在大电网中，放射状的系统是没有双向潮流的；（2）当微电网从联网转为孤岛时，短路电流的大小产生了大的变化，而短路电流的大小也是过电流保护装置重要的判断依据。因此，保护必须作为微电源的一部分，确保微电网在联网和孤岛两种模式下任何故障发生时都能及时得到保护。 2.3 微电网的储能技术 可再生能源发电的间歇性和波动性，容易造成微电网电能质量达不到要求。微电网根据系统需要选择飞轮或电容器等储能方式。孤岛时，微电网储能单元的不间断供电可以弥补负荷与发电间的不平衡。但是大规模的储能容量和技术尚不能达到运行的要求。储能单元的容量是有限制的，过度的充放电可能导致功率补偿失败，它的控制对微电网的稳定运行非常重要。所以要加大对储能设备的研发。 3 结束语 微电网是实现分布式发电技术大规模应用、有效提高系统供电可靠性的一种新型自治电力系统，随着中国实施第十三个五年计划，中国的能源结构在做一个深刻的变革，中国需要更多的清洁能源，加大对微电网的深入研究和实施，对我国的能源的多样化起到一个很好的保障。未来几年，我国应加大对微电网的安全运行，微网与电网的并网状态，孤岛运行状态和并网与孤岛的切换几个核心问题进行深入研究，使得相关的技术更加成熟，逐步把微电网推广的各个领域，为我们的国民经济保驾护航。 【参考文献】 1鲁宗相，王彩霞，闺勇，等.微电网研究综述J.电力系统，2007，31（19）：100-107. 2“GRID 2030”A national vision for electricitys second 100 yearsR. United States Department of Energy Office of Electric Transmission and Distribution，2005. 3Zobel R A. The European Union Fifth Framework ProgramC. International Conference on Management of Engineering and Technology， 1999： 571-576. 4刘文，杨慧霞，祝斌.微电网关键技术研究综述J.电力系统保护与控制，2012 40（14）：152-155. 5王成山，