典型微网系统分析

典型微网系统分析YoursitehereLOGO13Contents问题的提出今后的工作YoursitehereLOGO问题的提出目前，北美、欧盟、日本等国家和地区已加快进行微网的研究和建设，并根据各自的能源政策和电力系统的现有状况，提出了具有不同特色的微网概念和发展规划，在微网的运行、控制、保护、能量管理以及对电力系统的影响等方面进行了大量研究工作，已取得了一定进展[49].微网的实验室建设和示范工程项目格外令人关注，欧盟、美国、加拿大、日本等国家从自身的国情出发，依据不同的发展目的，建立了一批微网实验室和示范工程[50].StudysmartmicrogridinthecontextoffollowsYoursitehereLOGO欧洲典型微网系统-作为提高电网供电可靠性的重要实现方式，微网的相关研究近年来受到了欧盟成员国的的普遍重视.-以“能源、环境和可持续发展”为指导思想的欧盟第五研究框架（1998-2002）和第六研究框架（2002-2006），分别资助了“微网：大规模分布式电源接入低压电网研究”和“多微网结构与控制”项目，对分布式电源控制策略和上层调度管理方面展开相关研究。-2006年4月，欧盟发布了“智能电网—欧洲未来电力发展战略及前景”绿皮书，阐述了智能电网的概念，提出了欧盟电力发展的远景规划：建立以集中式电站和微网为主导的供电可靠，少环境污染，高经济效益的智能电网形式，并将其作为欧盟第七研究框架（2007-2013）的核心议题之一。1.1NTUA微网雅典国立大学是欧盟微网项目的领导者，其建立的NTUA微网是欧盟所倡导的一种结构[55]，如图1-1所示.微电网能量管理多目标优化YoursitehereLOGO图1.1NTUA微网结构YoursitehereLOGO该微网为单相230V、50Hz系统，分布式电源主要包括光伏发电（1.1kW和110W），并通过快速电力电子接口并入电网；为维持系统暂态功率平衡，采用蓄电池（60V250Ah）作为储能装置，通过双向逆变器并入电网；负荷为PLC控制的可控负荷。为了增加微网的多样性，后续计划考虑加入2.5kW的风机。NTUA实验室微网的建设目的，主要是对分层控制微网结构进行验证，对底层的光伏和储能装置在联网和孤岛模式下的不同控制策略进行验证分析，并实现了微网的联网和孤岛之间的无缝切换。同时验证微网的上层调度管理策略，对微网的经济性、降低环境污染方面的效益进行软件评估。NTUA微网实验室是一个典型的微网系统，但其仅为单相系统，实验结果并不具有普遍意义。1.2Demotec微网Demotec微网位于德国卡塞尔大学的太阳能技术研究所（ISET，InstituteforSolarEnergySupplyTechnology），是最早应用于欧盟微网研究的实验室之一，其结构如图1-2所示。YoursitehereLOGO图1.2Demotec微网结构YoursitehereLOGO该实验室微网为三相400V、50Hz系统，通过175kVA和400kVA的变压器并入大电网。微网中存在80kVA和15kVA的电网模拟，既包括传统的发电装置（容量分别为20kVA和30kVA的柴油发电机组），也包括分布式能源（光伏、风力发电等）。负荷包括电灯、冰箱等常用负荷以及电机等负荷。Demotec微网结构上的一个显著特点，就是内部包括几个小型微网系统（单相光伏-蓄电池系统、三相光伏-蓄电池-柴油机系统）。通过上层控制器调度，能够实现整个微网的重构，有利于微网在故障情况下的快速恢复，保障电能质量和提高供电可靠性，并可以优化微网结构，使微网发挥最大效率，有利于微网的安全稳定运行。Demotec微网可以实现联网和孤岛模式无缝切换，并且联网运行时，当分布式电源出力大于负载消耗时，可以向电网倒送电能。Demotec微网实验室对欧盟微网理论的发展起到了巨大的推动作用。Demotec微网可以进行以逆变器为主导的微网孤岛运行测试，采用下垂控制的逆变器并联运行测试，电阻负载、电感负载、电机负载、不平衡负载突变对微网暂态影响测试，分布式电源输出波动对电网稳定性影响测试等多项实验。1.3.ARMINES微网ARMINES微网位于法国巴黎矿业学院的能源研究中心，为单相230V、50Hz微网，如图1-3所示。YoursitehereLOGO图1.3ARMINES微网结构YoursitehereLOGO系统包括光伏（3.1kW）、燃料电池（1.2kW）、柴油机（3.2kW）等电源，储能装置采用蓄电池（48V，18.7kWh）。负荷包括4个可变电阻负载、非线性负载、感性负载、容性负载、电机负载等多种类型，可联网和孤岛运行。可以通过计算机对断路器的控制，决定分布式电源和负荷是否并入微网交流母线，并调节接入负荷的大小。该微网系统包括一个基于AGILENTVEE7和Matlab开发的上层调度管理系统，可以进行系统数据采集和发布指令，对微网系统进行实时调度管理。1.4.Labein微网Labein微网位于西班牙巴斯克地区的毕尔巴鄂市，是欧盟“多微网”项目的示范平台之一，通过两台1250kVA的变压器接入30kV网络，其结构如图1-4所示YoursitehereLOGO图1.4Labein微网结构YoursitehereLOGOLabein微网包括：常规分布式电源（0.6kW和1.6kW的单相光伏，3.6kW的三相光伏，6kW的直驱式风机），传统电源（2台63kVA的柴油发电机组），储能装置（48V/1925Ah和24V/1080Ah的蓄电池组，250kVA的飞轮储能，48V/4500F的超级电容器），负载采用阻感负载（150kW和50kW的阻性负载和2套36kVA的感性负载）。Labein微网的示范目的，包括验证联网模式下的中央和分散控制策略，验证通讯协议，实现对微网的需求侧管理；对微网进行频率的一次、二次调整，提高供电电能质量；实现联网和孤岛模式切换等。另外，Labein微网存在一条直流母线，可以对新兴的直流微网技术进行研究。1.5.CESI微网CESI微网位于意大利的米兰市，为400V，50Hz系统，通过800kVA变压器与23kV网络相连，具有350kW的电力生产能力。建设的初始目的是用于测试分布式发电相关技术，并参与了欧盟“多微网”项目，用于不同类型分布式发电技术，不同微网结构运行特性分析，及微网受到扰动后的本地、上层控制策略及电能质量分析和通讯技术验证等，其微网结构和图1-5所示。CESI微网可以通过以太网、无线、电力载波等通讯方式，实现对下层微网的调度管理，并进行微网结构控制，并在现有微网结构的基础上，进一步计划组建直流微网。YoursitehereLOGO图1.5CESI微网结构YoursitehereLOGO欧盟微网示范工程2.1Kythnos微网Kythnos微网是由德国SMA公司与希腊雅典国立大学通讯与信息研究（ICCS/NTUA）合作，于20世纪80年代初于希腊爱琴海基克拉迪群岛建立的一个岛式电网，目前只能孤岛运行，并不是严格意义上的微网。但是，该微网对欧盟微网理论思想的形成和发展有重大影响，其结构如图2-1所示。YoursitehereLOGO图2.1Kythnos微网结构YoursitehereLOGO根据研究的目的，Kythnos微网可以配置为单相或三相系统。基于欧盟多微网项目的研究需要，2007年6月，系统配置为三相400V，50Hz系统，用于微网运行、多主控制方法、提高系统供电可靠性等方面的研究。目前，Kythnos微网包含两个子系统，其中三相系统包括光伏、蓄电池和柴油机，用于对本地负荷供电。单相系统包括2kW的光伏和32kWh的蓄电池，用于保障整个微网系统通讯设施的电力供应。进一步计划加入5kW的风机，以减小柴油消耗及增加能量供给的多样性。Kythnos微网目前仅有孤岛这一运行模式，当发电量小于用电需求时，将切掉部分非重要负荷，反之，智能负荷将消耗掉多余的电力。2.2Continuon微网Continuon微网为荷兰的首个微网项目，于2006年8月建成，位于荷兰的Zutphen度假村，是一个民用的微网示范工程，见图2-2。YoursitehereLOGO图2.2Continuon微网结构YoursitehereLOGO系统为三相400V，50Hz系统，通过一台400kVA的变压器并入20kV网络，并允许向电网反送电能。系统主要采用光伏发电方式，额定容量335kW，通过四条馈线给200户的别墅供电，峰值负荷150kW。Continuon微网主要研究联网和孤岛模式之间的自动切换问题，要求当大电网故障时，能自动切换到孤岛运行模式并能维持稳定运行24小时，具有黑启动能力。系统通过上层控制器实现对蓄电池的智能充放电管理，维持微网稳定运行。2.3EDP微网如图2-8所示，EDP微网为三相，400V、50Hz系统，主要采用1台80kW的capstone燃气轮机作为分布式电源，通过一台160kVA变压器连接至10kV中压网络，可孤岛和联网运行。EDP微网为欧盟多微网项目的示范平台之一，其联网和孤岛运行模式分为两种不同的情况：①微型燃气轮机仅供给本地负荷，多余的电力可以倒送至大电网；②微型燃气轮机除供给本地负荷之外，还可以供给其它家用、商用、工业用负荷。EDP微网主要针对这两种不同的联网和孤岛运行模式，对微型燃气轮机的运行特性、联网和孤岛模式之间的切换、切负荷控制策略展开研究。YoursitehereLOGO图2.3EDP微网结构YoursitehereLOGO2.4MVV微网MVV微网现在仍然是在建设中的一个微网，位于德国的曼海姆市，见图2-4。图2.4MVV微网结构YoursitehereLOGO系统为400V、50Hz的三相微网，通过一400kVA的变压器接入20kV配电网络，分布式电源包括光伏和微型燃气轮机。根据规划，该微网将陆续增加燃料电池、蓄电池、飞轮等分布式电源及储能装置，组成综合性微网示范工程。MVV微网的建设目的是在居民区内建设微网，探测居民对微网的认知程度，制定微网的运行导则，并衡量微网的经济效益。2006年夏天，20多户家庭加入了“Washingwiththesun”活动，避开用电高峰，加大对光伏的利用力度，获得了更大的经济效益。同时，从技术上来说，作为实际运行的系统，保证微网内用户的电能质量，验证微网的局部和中央控制策略，实现微网的联网和孤岛模式切换，也是该微网的研究目的。2.5Bornholm微网等丹麦Bornholm微网作为欧盟唯一的中压微网示范平台，尤为引人关注。Bornholm为波罗的海中的一个小岛屿，其发电装置包括39MW的柴油机，39MW的汽轮机，37MW的热电联产以及30MW的风力发电机，为岛内的28000户居民提供电力供应（峰值负荷为55MW）。岛内包括950个10/0.4kV的变电站，16个60/10kV的变电站，并通过一台132/60kV的变压器与瑞典电网相连。Bornholm微网作为欧洲多微网项目的示范平台之一，主要研究微网的黑启动、与外电网重新并网等问题。除上述一些微网之外，欧盟微网示范项目还包括英国UMIST实验室，希腊Germanos微网，Kozuf以沼气发电为主的微网等。YoursitehereLOGO欧盟微网实验室和示范平台目前绝大多数采用图2-5所示的微网结构。其中，光伏、燃料电池和微型燃气轮机通过电力电子接口连接到微网，中心储能单元被安装在交流母线侧。微网系统采用分层控制策略，底层控制包括分布式电源控制和负荷控制。上层控制负责底层分布式电源和储能装置的参数设置和管理，维持微网的最优运行，并且允许微网作为一个整体向大电网供电。图2.3欧盟微网结构YoursitehereLOGO3.美国典型微网系统受世界金融危机的影响，新能源产业愈加受到美国政府重视，能源产业的转型和发展更是成为美国新任总统奥巴马的经济振兴计划核心。由于微网技术在提高能源利用效率，增加供电可靠性和安全性方面的巨大潜力，美国政府加大