分布式能源资源与微网综述

分布式能源资源与微网综述主要内容•简介•微网的发展现状•微网的组成结构•微网的孤岛运行、故障检测、安全分析•市场环境下的微网发展1简介•随着科技进步及环保要求，在配电系统中出现了一些分布式能源如：内燃机、燃气涡轮发电机、微型燃气轮机、光伏电池、燃料电池、风能。为了解决其应用时所引起的问题，更进一步认识分布式发电和相连的负荷引入了子系统：微型电网。•微电源：在微电网中的电源多为容量较小的分布式电源，即含有电力电子接口的小型机组，包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池、小型风力发电机组以及超级电容、飞轮及蓄电池等储能装置。•微型电网（MicroGrid以下简称MG）：微电网是一组由微电源、负荷、储能系统和控制装置构成单一可控的系统。•两种运行方式：（1）并网运行：采用恰当的控制技术，可通过单一的并网接口将微与常规电网并网运行；（2）孤岛运行：电网故障情况下，在微电网智能控制器的控制，微网可配合储能单元稳定自主地脱网运行，可以独立的为所带负荷提供电能。2微型电网的发展现状•本文重点介绍了欧洲及日本的微网发展情况：•欧洲：目前，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。其后续任务将集中于研究更加先进的控制策略、制定相应的标准、建立示范工程等，为分布式电源与可再生能源的大规模接入及传统电网向智能电网的初步过渡做积极准备。•日本：新能源与工业技术发展组织（NEDO）是日本政府为较好利用新能源而专门成立的，2003年开始了着手于可再生能源和本地配电网之间互联的3个微电网测试平台。分别位于青森县、爱知县、京都地区。其中，在青森县工程中，从开发分布式能源供应系统开始，该系统拥有自己的电力线路，可以向本地区一些特定区域供电，而且不影响与其连接的公共电力系统。在爱知工程中，该区利用燃料电池进行发电3微电网的组成结构•微型电网由有以下部分组成：分布式系统通过一个分隔装置（通常是一个叫PCC的静态开关）与辐射型电网相连。并且每条支路都安装有断路器和功率控制器。下图为微网的基本组成结构：下图为微网结构优化结构•其中包括了低压网络、负荷（有些是可中断的）可控存储系统、不可控开关系统、存储装置及由可控开关和负荷控制的、通信设施支持的分层管理控制策略。在分级控制的最前端是微网中心控制器（MGCC），第二级是负荷控制器（LC）和微型电源控制器（MC），实现与MGCC交换信息，MGCC通过提供负荷控制器和微型电源控制器的定点来控制微网的运行。•微电源包括微型燃汽轮机、风力发电机、光伏电池、光伏板及燃料电池，这些设备都安装在用户端，其成本较低，其电压等级较低并且具有较高的可靠性。•储能设备：由于一些MS的响应是一个比较大的时间常数（10~200s）如燃料电池和微型燃气轮机、储能设备必须保证提供系统所需的电量，以此来保证在出现电压扰动或明显的负载变化时，系统能保持平衡。•MG的储能形式主要有以下几种：（1）直流母线上每个微源对应的电池或是超级电容器；（2）直流储能设备直接相连的设备（电池、飞轮等等）；（3）使用传统发电机惯性储能。铅酸电池被认为是最适合应用于MG的储能设备。因为，他们能够在一个很短的时间间隔内提供大电流。•逆变控制器：由于能源产生的特性，安装在MG的大多数MS技术是不适合直接连接到电网。因此，就需要一些电力电子接口（DC/AC或AC/DC/AC）。两种操作逆变器控制策略：根据控制策略确定逆变器的模型，PQ逆变器控制：逆变器是用来提供一个给定的有功和无功功率设定点。电压源逆变器（VSI）：给定满足负荷的要求电压值和频率值，以此来控制逆变器。•下垂控制：它利用分布式电源输出有功功率和频率呈线性关系而无功功率和电压幅值成线性关系的原理而进行控制。（1）电压(V)-无功(Q)下垂特性：电压调节对当地电网的可靠性和稳定性是必要的。如果没有当地电压的电压控制，因为系统中微电源占有较大的比重，这使得系统会出现电压或是无功震荡。而运行点的电压误差引起的环状电流会超过微电源(MS)的额定值。此时就需要一个电压来抵制无功的衰减，随着由MS产生的无功变成容性，运行点的电压将会减少。反之，当无功为感性的，则运行点的电压将会增加。•频率(f)-功率(P)下垂特性:在孤岛运行时，逆变器产生的一些小误差,为了匹配负载的变化，系统需要改变运行点功率.在无通讯设备情况下，可以利用功率抵制频率的衰减，当MG从电网分离，每个微源电压相角的改变，导致当地的频率明显减少，频率的减少加上功率的增加，可以使得MS可以提供适当的功率份额。•其他控制策略：（1）研究人员还提出了一个多总线MG系统控制器的设计和分析。在MG中，每个分布式发电（DG）系统计划使用一种控制器。该控制器包含内部电压调节、三相逆变器和外部功率控制回路。该控制回路可以控制有功和无功潮流而且可以在发生故障或是MG孤岛运行时可以实现各并联分布式发电系统的功率共享。（2）此外，还提出了一种使用两个逆变器（逆变器A和B）作为电网接口电能质量补偿器，以此来控制在MG的电压敏感和MG与公用网络之间的线电流流动。并联逆变器的主要功能是保持MG在所有电网和负荷运行条件下，敏感负荷的电压平衡；而系统变频器B的作用是，沿馈线注入适当的电压组件，这样，在公共电压骤降是，可以保证线电流平衡并限制大的故障电流。4.MG的孤岛运行、故障检测、安全分析•MG的灵活性决定了它可以运行在两种运行状态下，一个是你正常情况下得并网模式，还有一种故障状态下的孤岛运行模式。其中，MG的孤岛可能是由MV电网的故意（维护需要）或是强制断线（中压网络的故障）引起的。•逆变器控制模式的微网运行：如果一组MS在一个微网或是主网（中压电网）中可用，因为有电压和频率参考，所有的逆变器可以在PQ模式运行。但是，一个VSI常为频率提供一个参考，并且它能使得MG在孤岛模式下运行或在不改变任何一个逆变器的控制模式条件下，很平滑地向孤岛模式过渡。•基础能源控制的微网运行：在并网状态下，微网的频率被保持在一个很小的范围内，在受干扰后，由于微网的惯性小，它的频率可能迅速改变。为了维持微网在孤岛状态下的频率稳定，微源及储能设备的控制是很重要的。在下垂控制作用下，微网的负载变化时将导致在稳态频率和电压产生偏差。根据下垂特性及负荷的f/v敏感度，储能设备会自动调节这些变化，微网的f/v的复位到正常值需要二次调频控制的作用，以此来自动调整储能设备的输出。•微网的故障检测当MG作为一个自成体系的电源运行时，任何的故障电流仍然由与其连接的发电机提供，而且这些故障电流值可能相对较低。而通过依靠逆变器来发电的困难在于这些单元为了保护功率器件会限制输出电流大小。通常情况下，这种限制设定值约为两倍的额定输出电流值。这不足以传统的过流保护动作。所以，必须有合适的保护技术。•几种方法：（1）一种方法是建立一个实时的故障定位技术，比传统的继电保护准确确定故障的位置；（2）利用零序电流互感器，微电流互感器、微电压互感器。（3)配电网电压等级中DR单元的孤岛检测技术，该配电网采用三相电源逆变器作为接口单元。所提出的方法是基于：通过接口电压源转换器的直轴（d轴）或交轴（q轴）电流控制器向系统注入干扰信号。孤岛条件下，D-轴控制器注入的信号可以调节PCC上的电压幅值，而Q-轴控制器注入的信号会引起PCC产生频率偏差。(4)还有一项能够同时保护区内或是区外故障的新保护计划。该计划基于：电压波形可以进行abc-dq转换，此转化不仅可以识别出存在的短路故障，同时还可以区别微网的内部或是外部设置区的故障。（5）R-L正反馈算法及磁-电模型正反馈算法：R-L算法实现：控制连接微网和大电网的串联逆变器，沿馈线插入一个虚拟的大阻抗值以限制线电流大小，并且通过串联或是并联逆变器来降低有限的有功功率循环量的瞬时震荡。•微网的安全分析：即使在低压网中，MG的故障可能会引起大量的地电位升高。因此，将微网联至公共网络的接地分布式能源变压器必须仔细分析并制定相应的规程。低压接地系统由中压或是低压变压器的二次侧和负荷的接地方式决定。共有三种形式：TT、IT、TN。5市场环境下的微网发展•多代理协议技术(MAS)：4种代理：生产代理，消费代理，电力系统的代理和MGCC代理。其中，MGCC代理只协调任务，更具体地说，某一特定时期它宣布一个开始和结束并且记录每个时期里的各代理之间的最终功率交换。•MG的运行周期：（1）：MGCC宣布市场时期的开始；卖电方估计其实际生产能力并产生适当数量的卖电代理方；（2）负荷方评估他们的诗句需求并产生适当数量的买电代理方；（3）电力系统代理方根据买卖代理方的数量，也产生足够数量的代理方，以此来是的系统对称。接下来，计算卖家或是买家的总数为N，并产生一个额外的设定值:N个卖家和N个买家。这使得一个生产单位直接将电销售给电网或是卖电方直接从电网上买电；（4）MGCC宣布新的谈判周期开始；能源市场的买方和卖方可以根据一些算法进行竞价；（5）MGCC宣布现阶段谈判结束；（6）卖家和买家代理宣布自己的合作者；（7）MGCC宣布能量市场时期结束；（8）MGCC宣布进入下一个新的设置点。•微网的最佳方案：