随机性电源即插即用发展及展望

0引言作为广泛利用的可再生清洁能源的光伏发电、风力发电，其利用方式分为集中利用和分散利用。分散利用构成的分布式发电（DistributedGeneration，DG）是多个中小型光伏和风力发电分散接入配电网，布置在用户附近，用户自发自用、多余电量上网，接入电压等级在10kV以下，容量一般在6MW以下，具有就地消纳，输配电损耗低，建设成本低等优点。由于光伏发电出力多少是随日照变化而变化，风力发电出力多少是随风速变化而变化，所以分布式发电体现的特征是随太阳昼夜变化及风速等气候变化而变化，即分布式发电具有随机性、间歇性和波动性等特点，这是与常规能源发电的最大不同。为改善分布式发电随机性、间歇性和波动性，引入储能（EnergyStorage，ES）构成的分布式电源（DistributedResources，DR），实现把电能储存起来，在配电网需要时供给配电网，配电网不需要时储存多余的电能，有效改善分布式发电的间歇性，把间歇性的分布式发电变成稳定的分布式电源。目前电动汽车不仅作为交通工具，电动汽车的V2G（Vehicle-to-grid，V2G）特性可将电动汽车的电能输送到电网，使电动汽车具备双向可控负荷（ControllableLoad，CL）特征，可作为配电网的有效可调负荷使用，电动汽车是一种储能装置的特殊载体，充电站的充电设备，同电动汽车的电池，可以实现电能在电动汽车和电网之间的能量互换，可作为配电网的有效负荷使用。分布式光伏发电、分布式风力发电、储能装置和电动汽车的发展是新能源利用的发展趋势，它们都属于电源转换，应用场景都是需要接入配电网，但它们在时间及空间上存在差异，接入配电网也存在不同，文献［1］把它们统一按照“随机性电源”（randompowersupply）考虑，本文从随机性电源的“即插即用”角度，探讨随机性电源的特点及即插即用的要求，实现即插即用需要的关键技术。1 随机性电源特点

1.1 电力电子类型电源光伏发电是采用电力电子类型的光伏逆变器（inverter）并网，风力发电是采用电力电子类型风机变流器（converter）并网，储能装置是采用电力电子类型储能变流器（converter）并网，电动汽车的充电或放电同储能装置，是采用电力电子类型充电机（charger）并网。逆变器、变流器、充电机均是实现电源转换，它们之间功能是根据应用场景的不同，实现不同的电源转换需求，都是采用DC/DC及DC/AC构成需要的电源转换设备。

1.2 改变接入点电压DG接入配电网后，传统配电网的潮流分布会发生改变，同时会改变接入点稳态电压，改变接入点电压大小与接入点位置与容量有关。从接入配电网安全考虑，尤其是防止孤岛现象的出现，国内外相关标准均对DG接入后的电压频率异常响应提出了专门要求，这些标准要求都非常苛刻，如：过电压超过1.1Un，在规定的时间内要求DG脱网，频率上限超过fnom+0.5Hz或下限低于fnom－0.7Hz，在规定的时间内要求DG脱网，如表1所示为DG正常运行时要求的电网电压及频率。1.3 能量流动时空随机从电源转换角度看，光伏发电是直流到交流转换，风力发电是交流到直流再到交流转换，储能及电动汽车是直流到交流转换，对未来发展的直流电网，电源转换是直流到直流转换。随机性电源接入配电网的并网要求是一致的，但不同类型的电源之间还是有不同的差异，这些差异主要体现在时间、空间、能量流动等方面。在时间方面：光伏发电出力随昼夜日出变化，风力发电出力随气候风速变化，储能出力随消峰填谷曲线变化，电动汽车随人的用车出行行为变化；在空间方面：光伏发电、风力发电、储能位置固定不变，电动汽车随车俩移动位置变化；在能量流动方面，光伏发电、风力发电是发电到电网，能量流动是单向流动，储能及电动汽车是既可以电池到电网，也可以电网到电池，能量流动是双向流动。

1.4 高渗透率与配网安全相互矛盾随机性电源接入配电网电气特性是一致的，但它们接入配电网的需求是不同的。分布式光伏发电、风力发电是尽可能多发电，渗透率越高越好，DG无约束大规模接入以及负荷的多变性可能引起较大的电压偏差和波动，甚至出现电压越限现象，影响配电网安全，配电网需求是接入DG尽量不影响配电网供电可靠性，这也造成了高渗透率与配网安全相互矛盾：DG尽量多发电，提高发电渗透率，渗透率过高又导致逆变器（变流器）因过电压而退出，DG频繁投入/退出，又降低了DG的发电量。固定储能有效改善分布式发电的间歇性，但电动汽车由于空间差异，可能在甲地充电，而在乙地放电，无约束放电以及负荷的多变性同样引起的电压偏差和波动，影响配电网安全，会造成有车无法放电的现象。2 随机性电源即插即用的要求2.1 转换统一随机性电源都属于电力电子类型电源，由于应用场景的不同，把它们分成逆变器、变流器、充电机。在工程应用中，由于电力电子电源根据应用场景专用设计，存在拓扑结构差异大，电气接口不统一，设备损坏更换可替换性差，对配电网影响差异大等，同时存在传统两电平DC/AC及DC/DC开关器件损耗大、整机效率低、功率密度不高等缺点。很难解决目前交流接入配电网并网点电压波动、频率偏移、电网故障穿越及不对称短路故障下分相动态无功支撑技术、负荷不平衡抑制、微电网并网/孤岛运行模式无缝切换、微电网扩容时多机无通信线即插即用/自主并联等技术难题；及对未来发展的交直流混合微电网系统中直流电网节点功率波动、电压振荡、孤岛运行模式下直流电网电压支撑、直流微电网扩容时多机无通信线即插即用/自主并联等技术难题。因此需要不同类型的随机性电源的电源转换统一，采用高功率密度、可自主并联、接口统一的三电平DC/DC及DC/AC构成需要的电源转换设备，实现随机性电源接入设备的即插即用。2.2 安全并网随机性电源接入配电网后，都需要考虑并网安全，最重要的是要考虑配电网由于故障或自然因素等原因中断供电时，随机性电源向负荷供电，与负荷形成孤岛现象。随机性电源接入的安全并网，保证维修人员的人身安全是第一位的。目前的孤岛检测方法，一种是设置在逆变器内部，采用被动检测法和主动检测法，被动式通过电压、频率、相位、谐波等是否出现异常来判断孤岛，被动检测法存在检测盲区问题；主动式通过在输出电流的幅值、频率、初始相位注入扰动，经常采用的有功率扰动法、频率扰动法、相位偏移法等，主动检测法存在多台逆变器并联运行时，扰动不同步会使检测不准确问题。另一种是设置逆变器外部，通过通信手段检测断路器状态实现孤岛检测或通过设置专门的反孤岛装置，通过操纵开关及扰动负载，改变平衡实现孤岛检测，依赖通信检测断路器状态方法复杂，要求配网自动化水平高，采用专门的反孤岛装置需要手动投入。因此需要一种不依赖逆变器，不依赖通信，不需要人工投入的主动式反孤岛方法，实现随机性电源的安全并网。2.3 信息互联分布式电源接入配电网需要相应的互联设备，互联设备信息众多，规约类型多样，实现信息互联互通，实现信息互联即插即用。为适应分布式能源各种运行和控制模式的需求，《IEC61850-90-7分布式能源系统》应用IEC61850建模，实现分布式能源紧急控制、电压无功控制、频率控制、电压管理等各类业务。实现随机性电源信息互联，可以实现区域随机性电源接入设备的运行状况，并根据设备的运行状况及维修记录进行评估并提前进行维护，提高设备正常运行时间，同时实现设备的电子化运行维护流程，解决现有运维的困难，提高随机性电源的利用水平。信息互联技术特征是“随机性电源+互联网”，采用移动终端对电气设备调试整定，实现了非接触式的安装、调试、运维检查、诊断，更能保证人身设备的安全。2.4 超高速控制分布式电源接入配电网使得传统配电网变成主动配电网（ADN），配电网控制中心从传统的计算型向分析型、智能型转变。需要配电网的智能化控制技术实现对随机性电源的协调、有序控制，实现对随机性电源接入配电网的自适应。方法之一是采用配电网控制中心，利用测量、通信、计算机、自动化等IT技术，获取各类配电网信息，实现对随机性电源的协调、有序控制，其缺点是依赖通信，控制响应速度慢。另一种是采用就地自身控制，快速响应配电网要求，这就需要对随机性电源接入能够实现超高速控制，超高速控制技术应用于随机性电源控制方面有：超高速无功补偿技术、超高速储能充放电技术、超高速有源滤波技术、超高速并网技术等。超高速控制能毫秒级无功反向切换、无功灵活自由调节，毫秒级充放电转换，毫秒级有源滤波无冲击平滑切换，毫秒级并网有功从零到满功率输出、满功率输出到零等。3 应用场景的拓展3.1 光储一体机分布式电源的商业应用朝两个方向发展，一个是区域的分布式发电接入，一般容量较大，大于50kW；另一个是家庭用的户用光伏接入，容量较小，适合一个家庭或多个家庭使用，一般小于20kW。户用光伏通过采用光储一体机方式，解决家庭照明等一些日常电器的基本用电需求。光储一体机设计方式有共交流母线、共光伏母线以及共直流母线三种形式。其中采用共直流母线的系统结构，如图1c）所示，光伏电池通过单向DC/DC，储能经过双向DC/DC并入直流母线，直流母线通过双向DC/AC并入电网，这种结构优点是电池的充电级数比较少、效率高、成本低，是目前比较常用的一种一体机方式结构形式。图1

光储一体机结构3.2 微电网方式另一种较好的分布式发电区域电能利用方式是微电网方式，DG配备相应的储能装置，再配备相应的控制装置，构成的微电网（Micro-Grid，MG）接入配电网。微电网有交流微电网，直流微电网，交直流混合微电网三种型式，如图2是交直流混合微电网结构图，交流微电网中DG通过单向DC/AC，储能通过双向DC/AC接交流母线；直流微电网中DG通过单向DC/DC，储能通过双向DC/DC接直流母线；在交直流混合微电网中，交流微电网和直流微电网之间通过双向DC/AC协调控制器实现交流母线到直流母线能量的双向流动。图2交直流混合微电网结构图4 随机性电源即插即用需要解决的关键技术4.1 模块化并联技术从随机性电源接入交流配电网的电源转换，到应用拓展的光储一体及交直流混合微电网，这些功率接口设备最终可归类为两类：DC/DC及DC/AC。从便捷接入的维护方便角度考虑即插即用，采用相同的标准化DC/DC及DC/AC功率模块并联构成统一的电源转换装置，也就是在硬件上把光伏逆变器，风机变流器，储能变流器，充电机，协调控制器，统一采用相同的硬件设备，仅仅根据应用场景不同，植入不同控制软件，实现不同应用需求，这就需要标准的DC/DC及DC/AC能够实现自主并联，方便构成不同容量。要做到DC/DC及DC/AC自主并联，需要采用一致的三电平DC/DC，三电平DC/AC拓扑结构的功率模块，并且要规格尽量少，这样可使开发的装置类型大大减少，同时方便维护。需要解决的技术是无高速通信线互联的即插即用、可自主并联运行的三电平高效率双模式DC/DC变换器及DC/AC变流器，实现模块化自主并联，构成功率全覆盖的电力电子电源转换，实现功率全覆盖接入应用场景即插即用。4.2 安全互联主动式孤岛技术随机性电源接入配电网，与配电网的互联分为电气互联及信息互联，电气互联需要设置安全互联装置，集成开关、保护、测控、通信等功能。需要不依赖逆变器、不依赖通信的主动式孤岛技术，满足电气互联安全，方便接入配电网，实现接入配电网即插即用。文献［7］提出了低频20Hz电源注入方式，实现100%主动式孤岛保护，如图3所示，应用在分布式电源并网接口装置，实现保护及安全隔离。信息互联需要解决互联设备信息众多，规约类型多样，信息互联装置不仅实现DG的通信汇集，其信息接口还实现电池管理系统（BMS）等外部智能设备的接入与信息转发，实现目前分布式电源设备即插即用信息互联，未来研究分布式能源应用IEC61850建模，实现标准化信息接入，满足分布式能源各种运行和控制模式的要求。图3低频电源注入式孤岛检测

4.3 超高速控制技术传统配电网经常受到各种各样的扰动，稳定性较差，分布式电源接入后，改变了传统配电系统的结构，影响到配电网的暂态特性，通过超高速就地自身控制，可以在必要时完成主动配电网不同工作模式的快速切换，缩短暂态过程，改善配电网的暂态性能。目前的控制指标还不够高，如：充放电转换，Q/GDW159—2012《电池储能系统储能变流器技术条件》要求储能变流器在90%额定功率并网充电状态和90%额定功率并网放电状态之间运行状态切换所需的时间应不大于200ms，还是太长；ASVG的国内研究和应用产品的动作时间为几十毫秒，约为2～3个周波的时间等，这还不能满足智能电网对超高速控制速度的要求。提出了在模式切换前已经处于运行模式热备状态，如图4所示，在进行模式切换时无需状态调整过程，进而实现超高速切换，满足智能超高速控制要求，实现就地自身控制，快速响应配电网要求，实现随机性电源有序控制即插即用。图4热备切换时电流波形4.4 无通信线互联微电网控制技术未来分布式电源商业应用，从家庭用的光储一体机，到区域用的微电网，最重要的是成本建设及经济性，目前的微电网结构复杂，控制设备多，依赖微电网控制中心（Micro-GridControlCenter，MGCC）集中管理各个DG、储能装置、负荷，实现微电网离网能量平衡，从建设成本及经济性角度考虑，并不适应商业应用。不依赖通信、不增加控制设备、仅由储能装置与DG实现自主并联，构成一种最简单物理结构的即插即用微电网，是微电网未来技术发展方向。提出的采用基波频率调制技术，利用频率信号作为通信手段，储能装置与各个DG实现自主并联，不需要MGCC，实现一种最简单物理结构的即插即用微电网控制，主储能采用基波频率调制技术，如图5所示：根据电池SOC状态传送不同频率信号，DG采用f-P折线控制，在离网运行期间DG多发出的电能储存在电池中，实现对电池的自动维护。无通信线互联微电网控制技术可满足微电网低成本建设及经济性，满足微电网即插即用商业应用。图5无通信线互联微电网控制4.5 虚拟同步发电机技术由于随机性电源采用电力电子类型的电源转换，电力电子类型电源采用数字电路控制，暂态响应速度快，没有惯性，不能参与电网的调频及调压，在DG接入容量小，渗透率低时，依靠配电网提供稳定的电压及频率，在DG接入容量大，渗透率高时，过多无惯性的随机性电源会对配电网稳定造成影响，可采用具有惯性的DG，参与配电网调节，实现DG高渗透率即插即用接入配电网，如：DG高渗透率接入配电网，系统频率偏差较大时，具有转动惯量的DG使配电网系统整个转动惯量加大，使系统频率变化趋于平缓；具有阻尼的DG使配电网系统整个阻尼加大，使系统频率变化时暂态过程变短。在微电网应用中，具有惯性的DG在微电网离网运行时，使微电网离网运行的整个转动惯量加大作用更加明显，更能大大提高微电网离网运行的稳定性，同时还能解决微电网计划孤岛及非计划孤岛时，并网转离网的无缝切换、过电压，微电网离网转并网的无冲击合闸并网等技术难题。在虚拟同步发电机技术研究上，相关文献已取得突破成果，研究了基于虚拟转矩和虚拟励磁的并网有功和无功调节方案，提出一种基于锁相环的虚拟同步发电机并网/离网无缝切换控制策略，在总结虚拟同步发电机支撑微电网稳定运行控制策略的基础上，结合同步发电机的功角曲线和转子惯量的物理意义，提出一种自适应虚拟转子惯量的VSG控制算法，提出了根据系统频率扰动大小，自适应调整惯性，以防止转动惯量过大或过小造成的系统动态响应过慢或过快，阻尼过大或过小造成的暂态过程过长或过短。虚拟同步发电机技术能实现随机性电源友好并网、微电网即插即用接入，满足随机性电源高渗透率接入要求。

4.6 预同步并网技术微电网系统离网运行时，其电压一般与电网侧电压存在偏差（相位、幅值和频率），如果不进行同步控制而直接重合闸并网，那么较小的电压差和相位差加在很小的连接阻抗上，就会出现较大的冲击电流，甚至导致并网失败和设备损坏。如图6，提出了采用一种基于幅值和相位逐步逼近的预同步算法，能够保证MG电压幅值、相位与电网侧电压的幅值、相位一致，实现“零冲击”自动并网。图6预同步并网4.7 P/U控制技术DG无约束大规模接入配电网以及负荷的多变性等因素会引起较大的电压偏差和波动，甚至出现过电压现象，最终导致逆变器退出运行，无法保证DG的正常接入。DG工作在PQ模式时，采用一种P/U控制技术，如图7，其基本原理是逆变器根据接入点电压情况自动进行出力调节，解决由于DG发出有功过多引起电压升高、使DG退出运行、不能有效发电的问题，避免DG因过电压而退出运行；电压恢