微电网中分布式电源以及大功率电力电子器件的控制与改进

上海交通大学 硕士学位论文 微电网中分布式电源以及大功率电力电子器件的控制与改进 姓名：池海涛 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：陈陈 20091201 上海交通大学硕士学位论文 摘要 第 I 页 微电网中分布式电源以及大功率电力电子器件的控制与改 进 摘要 为了充分发挥分布式电源效益的同时维持电力系统的安全稳定运 行，微电网（MicroGrids）技术成为近年来分布式能源系统研究领域 的一个热点， 其主要研究集中在微电网自身以及微电网对电力系统影 响的分析与研究上。同时，微电网的发展，尤其是分布式电源的发展 对传统的电力系统形成了巨大的影响，引起了电力技术的显著进步。 微电网解决了分布式发电单机接入成本高、控制困难等问题，同时将 发电机、负荷、储能装置及控制装置等结合，形成一个单一可控的单 元，微电网中的电源都为含有电力电子器件的小型机组，包括燃料电 池、微型燃气轮机、光伏电池以及蓄电池、超级电容器等。微电网不 仅解决了分布式电源的大规模接人问题， 充分发挥了分布式电源的各 项优势，还为用户带来了其他多方面的效益。本文分析了微电网的特 点以及研究现状， 并分别针对交流微电网与直流微电网的控制系统进 行了研究， 并借助多代理技术提出微电网分布式能源以及换流器的协 调控制方案。 交流微电网中存在多种分布式电源，它们分别通过换流器入网， 且各电源自身特性和运行要求不尽相同， 故电力系统的控制将逐步由 集中式转为分布式。在这样一种趋势下,势必要以更加有效的能量管 理系统多智能体系统来保证电力系统控制的有效性、 可靠性。 因此， 本文提出一种基于 Multi-Agent 系统的分布式协调控制策略。 系统分 为三层电网级 Agent、 微网级 Agent 和元件级 Agent。 各层由以 太网互联以实现上下层代理和各层代理之间的通信。电网级 Agent 负责对电力系统中所包含的各个微电网的运行状态进行实时检测并 上海交通大学硕士学位论文 摘要 第 II 页 协调各个微网的出力; 微网级 Agent 主要负责微电网中各元件的监 控并通过优化算法确定各分布式发电电源的出力， 再将优化结果发给 下层代理；下层为元件级 Agent，主要负责微电网中各分布式发电单 元的协调控制，一方面受上层代理的控制，一方面又具有独立运行的 能力。通过各 Agent 间的合作使得 Multi-Agent 系统对电源之间， 微电网与配电网之间的协调具有更高的效率。 直流微电网中各个分布式电源（包括储能装置）统一接入直流网 络， 然后再通过一个或多个逆变器接入交流电网供负荷使用或者与上 级电网并网。它较交流微电网的优势是可以节省逆变器装置，并且可 用通过对直流电压的控制达到更加轻松地控制对各个分布式电源的 功率输出。本文重点研究了直流微电网的控制方案，有效的实现了直 流微电网的稳定与分布式能源的有效利用。 最后，文章总结了研究成果并提出了微电网未来的发展方向。 关键词关键词：分布式发电，微电网，协调控制，多代理 上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT 第 III 页 Control and Improvement for Distributed Generations and Power Electric Devices in MICROGRIDS ABSTRACT In order to make full use of distributed energy resources and to improve the reliability of power supplying system, microgrids becomes a hot topic of research in distributed energy systems in recent years . Lots of researching work mainly focusing on microgrids as well as its effects on power systems has been done. Meanwhile, the development of microgrids, especially the development of distributed generation, exerts great influence on traditional power systems and provides notable advancement to electrical technology. Microgrids solve the problems of high access costs and single DG control., and makes the generators, load, energy storage devices and control devices, etc. to form a single control unit in the sight of the system. And the generators in the microgrid, including fuel cells, micro gas turbines, photovoltaic cells, batteries and super capacitors, are all small units with electronic interface. Microgrid not only solves the large-scale access of DGs, take full advantages of them, but also give users a variety of other benefits. In this article, the characteristic and research status of microgrids are analyzed. Then the control strategies for AC microgrids and DC microgrids are separately discussed and distributed coordinated control strategies based on multi-agent system (MAS) are proposed. Because of the various kinds of distributed generations including in AC microgrids, in which every distributed generations is connected to the grid separately via a converter, the control style of electrical power system will develop from centralized system to distributed one. Under this situation, we should apply a more effective energy management system (EMS) multi-agent system to ensure the reliability and efficiency of electrical power systems. Therefore, a new distributed coordinating control strategy based on multi-agent system (MAS) is proposed. This system is divided into three layers- Grids-layer, 上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT 第 IV 页 MicroGrids-layer and component-layer, the communication among the different layers and the agents in the lower layer is realized by Internet via Ethernet. The Grids-layer is energy management system, which is mainly responsible for monitoring the various MicroGrids and optimizing the algorithm to determine the output of MicroGrids . The MicroGrids-layer is responsible for monitoring the various components and optimizing the algorithm to determine the output of DGs . The component layer is a coordinated control system, which on the one hand is controlled by the upper agents, on the other hand has the ability to operate independently, mainly takes charge of the coordinated control of DGs in the microgrids. Through the application of MAS, the coordination between microgrids and the large power system will be more efficient. The distributed generations( include the batteries) in DC microgrids are all connected into DC network and the power is transmitted to customer load or upper grid via Inverters. It can save more inverters than AC microgrids and can control the output of distributed generations more easily according to the control of the DC voltage. So this article studies for the power electric devices in DC microgrids later and realize the effective use of the distributed energy. At the end of this dissertation, main results of the research are summarized and the further studies are prospected. KEY WORDS: distributed generation, microgrid, coordinated control, Multi-Agent System 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 1 页 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题的背景及意义课题的背景及意义 目前，电力系统已发展成为集中发电、远距离输电的大型互联网络系统，通 过复杂的功率潮流等各种控制器可对其连续调节，并对大多数干扰具有鲁棒性。 但是近年来随着用电负荷的不断增加，电网建设却没有同步发展，使得远距离输 电线路的输送容量不断增大，受端电网对外来电力的依赖程度也不断提高，导致 电网运行的稳定性和安全性下降。 同时,随着电网规模的不断扩大, 超大规模电力系统的弊端也日益凸现, 成 本高, 运行难度大,难以适应用户越来越高的安全和可靠性要求以及多样化的供 电需求。降低电力生产和供应成本、实现资源的优化配置、在电力工业中引进竞 争机制，使得分布式发电技术成为电力系统中一个新的研究热点。 分布式发电指的是在用户现场或靠近用电现场配置较小的发电机组(一般低 于 50MW)，以满足特定用户的需要，支持现存配电网的经济运行或者同时满足 这两个方面的要求。由于地球资源的日渐衰竭以及人们对环境问题的关注，全球 范围内正在进行电力市场化改革。降低电力生产和供应成本、实现资源的优化配 置、在电力工业中引进竞争机制，使得分布式发电技术成为电力系统中一个新的 研究热点。同时，我国对风能资源的开发逐步由陆地转向海洋，风电场容量的不 断增加，对接入电网电能质量等的影响日益成为一个值得关注的问题。 “十一五” 规划已将积极推动和鼓励可再生能源的发展作为中国的重点发展战略之一， 随着 越来越多的开发利用新型能源，分布式发电(DG-Distributed Generation)得到了越 来越多的重视与应用。DG 的主要特点是电力的生产和使用在同一地点或限制在 局部区域内，并且可以经济、高效、可靠地发电。与传统的高压远距离输电系统 的大型电厂、电站相比，DG 的主要优点是：投资少、建设快、运行费用低、可 靠性高。DG 可以有效配置在负荷区，增加电网的稳定性、降低系统网损、改善 电网电压和负荷功率因数、延缓系统的更新速度、增加电网可靠性和经济性。 分布式电源尽管优点突出, 但本身存在诸多问题, 例如, 分布式电源单机接 入成本高、控制困难等。另外, 分布式电源相对大电网来说是一个不可控源。因 此大系统往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源, 以期减小其对大电网的 冲击。IEEE P1547 对分布式能源的入网标准做了规定：当电力系统发生故障时， 分布式电源必须马上退出运行，这就大大限制了分布式能源效能的充分发挥。为 协调大电网与分布式电源间的矛盾, 充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来 的价值和效益, 在本世纪初, 学者们提出了微电网的概念1。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 2 页 微电网从系统观点看问题, 将发电机、负荷、储能装置及控制装置等相结合, 形成一个单一可控的单元, 同时向用户供给电能和热能。微电网中的电源多为微 电源, 亦即含有电力电子界面的小型机组, 包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏 电池以及超级电容、 飞轮、 蓄电池等储能装置1-2。 它们接在用户侧, 具有低成本、 低电压、低污染等特点。微电网既可与大电网联网运行, 也可在电网故障或需要 时与主网断开单独运行。微电网还可以作为一个可定制的电源, 以满足用户多样 化的需求, 例如, 增强局部供电可靠性, 降低馈电损耗, 支持当地电压, 通过利 用废热提高效率, 提供电压下陷的校正, 或作为不可中断电源。在接入问题上, 微电网的入网标准只针对微电网与大电网的公共连接点, 而不针对各个具体的 微电源。微电网不仅解决了分布式电源的大规模接人问题, 充分发挥了分布式电 源的各项优势, 还为用户带来了其他多方面的效益。 不论是从环保的角度考虑开发、 利用可再生能源， 还是从我国大区电网互连、 “西电东送”的大环境下考虑提高供电可靠性，研究微电网作为现有骨干电网的 一个必要、有益的补充，具有积极的意义。其中，对能量管理系统和协调控制技 术的研究是发展微电网的关键性问题之一。 1.2 微电网的基本原理微电网的基本原理 1.2.1 微电网的基本概念 1.2.1 微电网的基本概念 目前，国际上对微型电网的定义各不相同 1-2。美国电气可靠性技术解决方 案联合会（CERTS-Consortium for Electric Reliability Technology Solutions) 给出的定义为：微电网是一种由负荷和微型电源共同组成系统，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，并提供必需 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的要求。 欧盟微电网项目（European Commission Project Microgrids）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。 美国威斯康辛麦迪逊分校（University of Wisconsin-Madison）的 R. H. Lasseter 给出的概念是：微电网是一个由负载和微型电源组成的独立可控系统， 对当地提供电能和热能。这种概念提供了一个新的模型来描述微电网的操作；微 电网可被看作在电网中一个可控的单元， 它可以在数秒钟内反应来满足外部输配 电网络的需求； 对用户来说， 微电网可以满足他们特定的需求： 增加本地可靠性， 降低馈线损耗，保持本地电压，通过利用余热提供更高的效率，保证电压降的修 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 3 页 正或者提供不间断电源。 图 1-1 为微电网基本结构图： 图 1-1 微电网基本结构图 Fig.1-1 Basic structure of MicroGrids 由上图可见： 1.微电网中包含了光伏，小型燃气轮机和蓄电池等微电源形式的电源 2.微电网配备了能量管理系统，通过数据采集并连接到能量管理系统，可解 决电压控制、潮流控制、保护控制等一系列问题 3.在微电网中有各种不同类型的负荷，需要用不同的策略进行供电如某些 当地的负荷可以直接进行供电 4.微电网通过主隔离器和微电网连接可以与主电网实行并网运行，并改善主 网的电能质量 1.2.2 微电网的优点 1.2.2 微电网的优点 根据微电网自身的特点，以及微电网结合分布式电源的特点，微电网主要有 以下几个优点： 1. 微电网将原本分布的电源相互协调起来，加强了本地供电可靠性，降低 馈线损耗，保持本地电压，通过利用余热提供更高的效率，保证电压降的修正或 者提供不间断电源 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 4 页 2. 由于微电网采用的是当地的电力资源，可以提高发电效率，并减少由于 长距离输电带来的损耗 3. 由于微电网大多数使用可再生能源包括风能、太阳能等，因此可以减 少二氧化碳的排放从而减少对环境的污染 4. 在微电网和主干网并联运行时，可以让微电网主要承担多余的峰荷，而 主网只需带基本负荷即可，提高了电网的用电效率 5. 为大量的分布式发电系统提供协调控制，保证配电网的有效性和安全 6. 微电网可以满足一片电力负荷聚集区的能量需要，这种聚集区可以是重 要的办公区和厂区， 或者传统电力系统的供电成本太高的远郊的居民区等。 因此， 相对传统的输配电网，微电网的结构比较灵活。 1.3 微电网研究的现状及前景微电网研究的现状及前景 1.3.1 国外微电网的研究现状 1.3.1 国外微电网的研究现状 欧洲对微电网研究的起步较早，欧盟连续两个项目对微电网进行研究： Microgrid: Large Scale Integration of Micro-Generation to Low Voltage Grids(1998-2002) 和 More Microgrids: Advanced Architectures and Control Concepts for More Microgrids(2002-2006)，前一个项目研究微电网的运行、集中 与分布式控制、保护、通信、经济性、仿真等基本内容并建设相关示范工程等， 各个研究与示范目标均已达到；后一个项目吸引了更多的企业参加，研究内容具 体到控制器、更好的控制策略、控制与通信的集成、标准、微电网的影响及更多 的试验。示范项目有希腊的 The Kythnos Island Microgrid、荷兰的 Continuons MV/LV facility、德国的 MW Residential Demonstration 项目。 美国微电网方面的研究由三部分组成：一、由美国能源部输电与能源可靠性 办公室和加利福尼亚能源委员会(CEC)资助，美国的微电网研究计划规模适中， 缓慢扩展， 成果突出。 美国电气可靠性技术解决方案联合会(CERTSConsortium for Electric Reliability Technology Solutions)最早提出了微电网的概念。 CERTS 微电网10,11在理念上的突出特点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、随时可接入的分布式发电等； CERTS 还开发了两个微电网研究工具 Grid 和 DER-CAM。 二、 由美国能源部与 GE 公司合作，GE 提出了微电网能源管理框架(MEMMicrogrid Energy Management framework)，将微电网的控制、保护与能量管理集成于一体。三、 其他关于分布式能源方面研究的活动主要有： CEC 资助的 DUIT 项目， 研究高穿 透率分布式发电与配电网集成；IEEE 标准协调委员会 21 支持 IEEE P1547.4 标 准的制定。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 5 页 新能源和工业技术开发组织(NEDO)是日本经济、贸易和工业部的研究资金 提供与管理的代理方，于 2003 年启动了“含可再生能源的区域电网”项目进行 新能源接入地方配电网的试验，示范项目有 Aomori、Aichi、Kyoto 等12。Tokyo Gas 的研究发现如果用小型燃气轮机来补偿新能源发电的出力波动，可以减少昂 贵的储能的投资。 加拿大联邦政府通过自然资源部(NRCanNatural Resources Canada)和省政 府资助高校研究：分析工具、控制和保护策略、能量管理策略、与解列和再同步 相关的动态过程、孤岛检测、电气耦合 DER 间的并列运行与相互作用、配电网 中最大穿透功率的确定、高穿透功率对现有保护策略的影响、通信技术在 DER 和主电网的运行控制和保护中的作用。NRCan 与电力企业合作进行偏远地区自 治微电网的应用、微电网接入相关应用、有计划的微电网解列与并网、建设中压 试验线等试验。加拿大与微电网的研究与示范活动主要与中压网相关。 欧盟希望通过优化从电源到用户的价值链， 来推动和发展分布式能源以使用 户、电力系统及环境受益。微电网被当作未来配电网的重要特性，所以欧洲首先 侧重于在低压网上进行微电网的研究与示范工程的建设。欧洲由于国家众多，欧 洲大陆的互联电网是许多独立电网互联而成的，电源大体上靠近负荷区，比较容 易形成多个微电网，所以欧盟进一步研究多个微电网的相互关系问题。由于受多 次大停电的影响， 美国对微电网的研究着重于利用微电网提高电能质量与供电可 靠性。低投入（不采用快速电气控制）和高鲁棒性（没有哪个设备对系统的运行 是关键的）是 CERTS 微电网的特色。 日本由于资源匮乏，政府计划提高可再生能源在能源结构中的比重，但是过 高的渗透功率会引起电能质量及供电可靠性下降， 所以日本在微电网方面的研究 强调控制与电储能，由于官方及民间的积极投入，日本在示范项目上处于领先地 位。 1.3.2 国内微电网的研究现状国内微电网的研究现状 尽管微电网的提法在我国尚处在起始阶段4,13，对微电网的关键组成部分： 分布式发电， 储能， 及分布式控制等的研究近年来成为学者关注的热点， 文献14 中不间断电力变电站的概念体现了微电网的思想。 在我国已投产的分布式发电示 范项目工程中，北京、上海占了大多数；发电机基本上是燃气轮机或内燃机；上 海的示范项目基本上都是天然气热电联产系统。不过，从系统的角度出发，发挥 我国资源优势，加快电力建设，我国应加快对微电网的研究，在配电网中实现微 电网供电。 国家发改委 07 年 4 月在能源规划“十一五”规划中已将积极推动和鼓 励可再生能源的发展作为中国的重点发展战略之一， 微电网将成为中国发展可再 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 6 页 生能源的有效形式。微电网是一个与分布式发电、电能质量相关的概念与工具， 国际上不同国家与地区的研究重点各不相同正说明了这个问题， 所以可以根据我 国的特点选择有特色的研究方向。 我国煤炭和水力资源与经济发达地区相距较远， 而且电源靠近资源分布的特 点较为明显，高压远距离输电和高受电比例受端电网是我国电网的特色。高受电 比例使得电网中动态无功源不足的问题较为明显，电压稳定问题突出，利用微电 网为主配电网提供动态无功支持不失为一个不错的解决途径。不过，这只是微电 网对上级电网支撑的一个方面。 欧盟在第二阶段的微电网研究中已将微电网对上 级电网影响列为研究目标之一，我国电网强度不及欧洲，微电网对上级电网的支 持作用更是一个值得研究的课题。 微电网的稳定运行是上述课题的基础，微电网中分布式电源数目较多，而且 类型也不尽相同，这就需要分散的、迅速的控制系统来保证整个微电网的运行稳 定和安全，同时在力所能及的情况下对其他微电网和上级电网提供支持。然而， 微电网的控制系统不能和现有的，非常成熟的大电网的调度中心一样，微电网的 调度更加频繁，而且要渗透到每一个发电元件。这就需要提出一种新型的控制模 式和理念，国外在这方面已有部分研究成果和示范15-21。 近年来，自动代理技术已经广泛的应用于微电网的控制和运行之中。一份来 自 Sandia 国家实验室的报告15论证了一种基于由代理管理分布式电源的微电网 框架，并通过一个小的示范系统验证了该设计的可行性。文献16论述了自治系 统的内部原理。其他的一些相关研究还包括：用于微电网控制的多代理系统的运 行17,18； 基于代理技术解决电能和热能的分布问题19； 基于代理技术的能量管理 系统框架20；一种用于电能实时管理的可升级多代理系统21。 1.3.3 微电网的应用前景微电网的应用前景 1.3.3.1 微电网经济性方面 （1）经济方面 微电网的经济性是微电网吸引电力系统的关键所在。 从电力系统来说微电网 可以为电力系统提供电能支撑、提高电能质量、减少网损等。从用户来看,其效 益主要集中于能源的高效利用和环保以及个性化电能供给的安全、可靠、优质方 面。多样化的电能供给也是微电网为用户带来的另一效益。有些文献提出了较为 具体的利用微电网提供多种电能质量, 改善系统可靠性、安全性与可用性水平的 基本思想。按用户对电力供给的不同需求,负荷被分类和细化。根据这个模型可 以达到不错的经济效益。 （2）管理和市场方面 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 7 页 灵活协调微电网内部的能量交换与管理, 建立高效、公正、安全的市场机制, 重新定位供电方、电网及用户三者的角色与责任, 加紧制定相应的管理政策和法 规等是当前及今后一段时期的努力方向。 1.3.3.2在中国微电网发展的前景 中国尚未提出明确的微电网概念, 但微电网的特点适应中国电力发展的需 求与方向, 在中国有着广阔的发展前景, 具体体现在微电网是中国发展可再生能 源的有效形式。充分利用可再生能源发电对于中国调整能源结构、保护环境、解 决农村用能及边远地区用电等均具有重要意义。目前，微电网在分布式电源上已 经有了长足的发展，尤其是在风力发电和光伏发电上18-23。 我国的风力发电事业在上世纪 80 年代开始发展，初期大多是安装在边远地 区供农牧民使用并独立运行的百瓦级机组。近几年来，国外风力机组逐渐引入我 国，多台风力机组安装在风力资源丰富的地区组成风电场，接入地区电网进行供 电。从 1998 年的 12.9MW 到 2007 年的 6050MW，可以看出国内的风力发电有 了巨大的发展。图 1-2 为风电装机总容量趋势图。 215.5265.8 343.1400.3 467.2565.6 762.9 1265.9 2600 6050 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 1998199920002001200220032004200520062007 时间/年 装机容量/MW 图 1-2 中国风电装机总容量趋势图 Fig.1-2 The trend chart of installed wind power capacity 同样，经过十多年的努力，我国光伏发电技术也有了很大的发展，光伏电池 技术不断进步，在 2000 年之后，多晶硅产品逐步走出实验室，开始形成规模生 产，其效率与发达国家相比虽然还有很大差距，但差距在不断缩小，光伏电池转 换效率不断提高。产业化方面，2000 年以后，我国光伏产业进入快速发展期， 预计到 2015 年光伏发电的总装机容量将达到 500MW 的程度。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 8 页 图 1-3 为光伏发电 98 年以来总容量装机的发展趋势图。 13.3 16 19 23.5 30 38 48 62 80 102 0 20 40 60 80 100 120 1998199920002001200220032004200520062007 时间/年 累计装机容量/MW 图 1-3 中国光伏发电装机总容量趋势图 Fig.1-3 The trend chart of installed photovoltaic generation capacity 虽然中国可再生能源的发展潜力十分巨大，但是单个可再生电源容量小、功 率不稳定、独立向负荷提供可靠供电的能力不强以及对电网造成波动、影响系统 安全稳定的缺点将是其发展中的极大障碍。若能将分布式能源发电技术、储能及 电力电子控制技术等很好地结合起来构成微电网, 则可再生能源将充分发挥其 重要潜力。例如, 对于中国电力输送困难的偏远地区, 充分利用当地风能、太阳 能等新能源, 设计合理的微电网结构, 实现微电网供电, 将是发挥中国资源优 势、加快电力建设的重要举措。 同样，微电网在提高中国电网的供电可靠性、改善电能质量方面具有重要作 用。在大电网的脆弱性日益凸显的情况下,将地理位置接近的重要负荷组成微电 网。设计合适的电路结构和控制, 为这些负荷提供优质、可靠的电能将成为中国 电网的发展的必由之路。 1.4 微电网中分布式发电对电力系统的影响微电网中分布式发电对电力系统的影响 集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是目前电能生产、输送和分 配的主要方式， 正在为全世界 90%以上的电力负荷供电。 但同时也存在一些弊端， 主要有：一、不能灵活跟踪负荷的变化，随着负荷峰谷差的不断增大，电网的负 荷率正逐年下降，发电及输电设施的利用率都有下降的趋势；二、大型互联电力 系统中，局部事故极易扩散，导致大面积的停电。 分布式发电可以与现有电力系统结合，形成一个高效、灵活的电力系统，从 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 9 页 而提高整个社会的能源利用效率，提高供电的稳定性、可靠性和电能质量22。 重负荷中心引入分布式电源可以减少进线的实际输送功率，从而提高稳定性。 1986 年 5 月 20 日， 英格兰某地区的 6 条 400 kV 线路因雷击而断开， 由于在 5 分 钟内在负荷区投入了 1 GW 的燃气轮机发电容量， 从而防止了一次重大电压失稳 事故的发生。分布式发电还具有以下优势：无需建设配电站，可避免或延缓增加 的输配电成本；适合多种热电比的变化，系统可以根据热或电的需求进行调节从 而增加年设备利用小时；土建和安装成本低；适合对偏远山区、发展中区域及商 业区和居民区供电；减少环保压力等。但是分布式发电的引入也会对电网产生很 多影响，主要有：配电网络规划、运行（如无功补偿、电压控制等）彻底改变； 配电网自动化系统和需求侧管理的内容和方法也需要重新加以考虑； 分布式电源 之间必须加以协调；与分布式发电有关的法律、法规和行业规范也需要妥善制定 等23。 1.4.1 分布式发电对系统规划的影响分布式发电对系统规划的影响 大量分布式发电在电网随机投入和退出运行加大了电力系统负荷预测的不 确定性，使配电系统规划者难于准确预测负荷增长情况；配电网规划是动态规划 问题，其动态属性同其维数密切相关，配电网本身节点数非常多，系统增加的大 量分布式发电机节点， 使得在所有可能网络结构中寻找最优网络布置方案更加困 难。因此，系统运行规划者必须准确评估这些影响，寻求精确的负荷预测方法和 合适的优化方法， 并给出分布式发电的最优位置和容量以保证配电系统运行安全 性和经济性。 针对含多种类型分布式发电的混合联网供电系统， 如何根据各类型能源分布 特征建立模型，如何在配电网中确定合理的电源结构，协调有效利用各种类型电 源成为迫切需要解决的问题。国家能源政策、能源规划也直接影响了电力系统规 划决策过程。 1.4.2 分布式发电对经济运行的影响分布式发电对经济运行的影响 分布式发电的引入使电网发生了根本性的变化， 从原先一个辐射式的网络变 为一个遍布电源和用户的互联网络22。分布式发电对电网经济运行的影响主要 反映在降低网络潮流和损耗， 节约化石燃料的消耗， 降低二氧化碳的排放等方面。 分布式发电和微电网供电具有非集中化和本地化的特点， 能提高系统的稳定 性，较少停电次数，达到更佳的供求关系，同时能减少对输电系统及大型发电厂 的影响，降低发电储运消耗。分布式发电通过减少输配电网的能量传输来降低能 量损耗，这取决于分布式电源与负载的位置，如果分布式电源靠近负荷中心，它 就能减少网络潮流从而起到减少损耗的作用。 分布式发电还能通过取代传统的火 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 10 页 力发电起到节约化石燃料和降低二氧化碳排放的目的， 用可再生的生物质能发电 取代火力发电每年能减少百万吨的二氧化碳排放， 这不仅为国家在二氧化碳排放 标准上做出了贡献，同时也为分布式发电的所有者提供了额外的收入，表 1-1 列 出了部分分布式发电的效率、成本和主要污染物排放数据23。 表 1-1 部分分布式发电效率、成本和主要污染物排放数据 Tab.1-1 Parameters of different distributed generations DG 类型 燃料 效率 2 CO X NO 2 SO CO PM-10 燃料电池 氢气 22 30 1300 18000.2 1.4 Negl 0.3 1.8 0.03 燃气轮机 天然气35 41 980 1100 0.3 6.0 Negl 2 9 -0.6 光伏发电 太阳能N/A 0 0 0 0 0 风力发电 风能 N/A 0 0 0 0 0 分布式发电用于冷热电三联产时可以为用户提供综合的能源解决方案， 分布 式发电技术除了单纯发电外，还可以很方便的用于制冷、供热及发电三者合而为 一的冷热电三联产。这将大大降低用户在能源方面的支出，提高利用效率，最高 可达 90%。 1.4.3 分布式发电对电能质量的影响分布式发电对电能质量的影响 随着分布式发电渗透功率的不断提高，它对电能质量的影响越来越明显，主 要表现在电压、频率以及供电稳定性方面。一方面，分布式发电的引入可以提高 分布式系统的容量和可靠性；另一方面，分布式发电会导致本地电压过高，而且 通过电力电子器件连接会引入大量谐波干扰。一些分布式发电技术，如风力发电 和太阳能光伏发电，可能导致电压波动。 文献24通过对多个分布式电源在配电网的接入位置、出力变化及电压调节 配合的研究，说明当正确合理运用分布式电源时，可以发挥其对配电网的电压支 撑作用。一定容量的分布式发电接入配电网络，会对馈线上的电压分布产生重大 影响，具体影响的大小与分布式电源的容量以及接入位置有极大的关系。当配电 网线路太长或负荷太大，往往会导致某些重负荷节点的电压偏低，如果在这些节 点加装适当的分布式电源，就能很好的解决这一问题，而且对临近节点的电压水 平也会有所改善。当配电网中存在重要负荷时，对电能质量的要求比较高，通常 是就地安装蓄电池或微型燃气轮机等分布式电源来提高电能质量和供电连续性， 当配电网发生故障时，可以立即转入孤岛运行状态而不会导致供电中断。分布式 发电的备用容量对提高电压稳定裕度也能起到很重要的作用。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 11 页 1.5 变流技术在微电网分布式发电中的作用变流技术在微电网分布式发电中的作用 图1-4 分布式发电系统结构图 Fig.1-4 Structure diagram of distributed generation system 由于分布式发电产生的电能形式主要有直流和非工频的交流两种，与生活、 工业用电中的工频电能有很大的差异， 所以一般都需要通过变流器进行一定的转 换。常用的分布式发电系统都采用如图 1-4 所示的结构，变流器成为连接分布式 发电和电网及用户的接口。 1.5.1 直流分布式发电接口直流分布式发电接口 分布式发电诸如光伏发电、蓄电池发电、燃料电池发电等都以直流形式产生 电能，它们的变流装置起到把直流电转换为交流电的逆变器的作用，必要时可以 加装一级 DC/DC 升压环节（如太阳能光伏发电） 。 图1-5 直流电能转换结构图 Fig.1-5 Structure diagram of DC power conversion 1.5.2 交流分布式发电接口交流分布式发电接口 微型燃气轮机、风力发电等这类分布式发电都采用电磁感应原理的发电装 置，可以发出三相交流电，但是其频率与电网频率有很大的差异。微型燃气轮机 转速高（每分钟可达上万转） ，其发出的电能具有很高的频率，不能直接并网； 风机既可以通过变桨距以恒定速度运行也可以以变速运行， 所以它既可以与同步 电机相连也可以与异步电机相连，但不管哪种方式，产生的电能频率都不恒定。 因此，这类分布式发电都需要一个变流装置。 通过同步电机发电的分布式发电系统一般采用 AC-DC-AC 的变流结构，如 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 12 页 采用直驱同步电机的风机和微型燃气轮机。 它们发出的交流电能需要经过整流和 逆变两个环节，如图 1-6(a)所示，虽然增加了一个整流环节的成本，但相对控制 比较简单，用到的电力电子器件也比较少，通过算法可以轻松实现有功和无功的 独立控制。 随着风力发电技术的发展，特别是大容量风力发电机组的研制，双馈风机得 到越来越广泛的应用，目前全球 80以上的风电机组的装机容量都由双馈风机 提供，其结构如图 1-6(b)所示。这类风机的特点是双馈电机定子直接与电网相连 接，转子通过双向变流器与电网相连，其突出优点是变流器容量较小（通常为 2540） ，既能满足风力机调速范围的要求又降低了变流器的容量。在采用 适当的控制策略后它也能满足电网对风力发电机的要求， 如有功功率频率控制 和无功功率电压控制等，因此在风力发电市场中具有主导地位25。 dc V (a) 直驱同步电机 Gen s P Gen P Gen s P (b) 双馈感应发电机 图1-6 交流电能转换结构图 Fig.1-6 Structure diagram of AC power conversion 1.6 本文的主要工作本文的主要工作 本文将分别针对交流微电网与直流微电网的特点， 研究适用于它们的控制方 案。其主要内容如下： (1) 微电网中各分布式电源数学模型的分析与建立。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 13 页 (2) 对换流器的常用控制策略进行比较分析，并根据不同的分布式发电对象 选择合适的控制策略并对现有的方法进行改进，使其适用于交流微电网的特性， 并通过仿真验证结果的正确性。 (3) 结合交流微电网的特点和多智能体技术（MAS）提出一种基于多代理技 术的微电网分层控制策略，通过仿真模拟微电网在不同运行状态下（从并网到孤 岛或从孤岛到并网）变流器控制策略的切换，实现分布式协调控制；上层通过代 理设置下层控制器输出定值以实现对分布式发电的优化调度。 (4) 直流微电网模型的建立，并根据其特点设计合适的控制策略，从而实现 直流微电网的稳定控制与分布式电源的有效利用。 上海交通大学硕士学位论文 第二章 微电网的组成及运行特点 第 14 页 第二章第二章 微电网的组成及运行特点微电网的组成及运行特点 2.1 引言 2.1 引言 微电网由一些分布式发电系统、储能系统和负载构成，可以满足一片电力负 荷聚集区的能量需要。通过电网控制中心进行控制和管理，网内微电源与用户直 接挂钩，安装在用户区域。 分布式发电和储能是微电网中重要的组成部分，在微电网正常运行时，电源 总发电功率大于负荷总需求功率时，将多余的能量储存在储能单元中；相反，在 电源总发电功率小于负荷总需求功率时， 将储能单元中储能的能量以恰当的方式 释放出来。如今，储能方式有许多种，各种方式的性能也是各不相同，需要研究 根据系统稳定的需求来选择储能方式，分布式储能主要有蓄电池、飞轮、超级电 容器等，分布式发电和储能相互结合，使得它们能够在微电网的运行和管理中相