分布式能源和微电网综述

分布式能源和微电网综述分布式能源和微电网综述摘要：分布式能源（DER）涵盖的技术如柴油发动机、微型燃气轮机、燃料电池、光伏发电、小型风力发电机等。微电网概念的核心就是分布式能源、可控负载以及储能设备的协调运行和控制，其中储能设备包括飞轮、超级电容器和蓄电池等。微电网能够与主网联网运行，或者运行在孤岛模式。本文总结和研究了微电网技术，并阐述了微电网的运行以及市场环境中的微电网。关键词：分布式能源，微电网，运行，多代理系统（MAS）1、绪论由于科技进步和环境保护的要求，一些分布能源（DER）如内燃机（IC）、微型燃气轮机、光伏发电、燃料电池和风力发电[1]，已经在配电网中应用。独立分布式发电的应用可以解决很多问题，但其本身也存在不少缺陷。为更好地实现分布式发电的潜力可以采用系统的方法，也就是使电源和相关的负载构成一个子系统或微电网（MG）。在文献[2]中，认为微电网是一组负载和微电源（MS）组成单一的可控系统运行，同时为本地提供电能和热能。文献[2,3]分析了微电网的优点，如提高本地供电可靠性，减少馈线损失，维持本地电压稳定，通过热电联产（CHP）提高能源效率，电压凹陷校正和提供不间断电源等。微电网可以运行在两个不同的运行条件下：正常并网运行模式和紧急模式（孤岛模式）[4]。由于电能生产的特点，微电网中大多数分布式电源不可以直接与电网相连。因此，微电网中需要电力电子接口（DC/AC或AC/DC/AC），而在微电网运行中的主要问题就是逆变器的控制。微电网通过中压/低压（MV/LV）变电站的微电网中央控制器（MGCC）来进行集中控制和管理。该中央控制器是分层控制系统的核心，其关键功能包括经济管理功能和控制功能[4]。本文的主要目的是，总结和研究了微电网技术。在第2节中，介绍了微电网的研究现状，其中重点介绍微电网在欧洲和日本的发展。第3节描述了微电网的结构，其包括微电源、储能设备和逆变器。然后，第4节详细讨论了微电网紧急运行的两种方式，在本节中也介绍了微电网的故障检测和安全分析。最后一节探讨了市场环境中的微电网，并重点分析了多代理系统（MAS）。2.微电网的现状“MICROGRIDS”项目是欧洲关于可再生能源和分布式发电接入技术的一系列研究项目的一部分。该项目将研究、发展和论证微电网的运行、控制、保护、安全、电信基础设备，并且确定和量化微电网的经济效益。其目的是通过发展和推广微电网的概念，来提高它在电网中的渗透率，其中相关的内容有，研究微型发电机控制策略和网络设计、开发多分布式发电的微电网运行管理工具，开发标准化技术和商业协议，详见文献[5]。Amorim等人在文献[6]中，简述了“MICROGRIDS”项目中的一个葡萄牙低压电网。这个项目建造Frielas住宅区，其由200kVA配电站通过一条低压馈线供电，该文章重点提出了一些改进效率和可靠性的措施。其得出的结论是，为保证用户在孤岛运行时的供电，必须升级控制和保护的硬件；为防止微电网的电压扰动，需要详细分析其从联网模式转换到孤岛模式的过渡过程；微电网黑启动是另一项重要的挑战。测试表明了微型燃气轮机可以满足配电MV/LV变压器在磁化初期的暂态峰值需求。日本新能源和产业技术发展组织（NEDO）在2004年，开始了新能源接入本地电网实地试验的3个研究项目[7]。该项目分别在，青森县、爱知县和京都实施。在青森县项目中，首先为一些通过私营电力线供电的地区建立了一套分布式能源供电系统，由于该供电系统与大电网近接于一点，因而其对没大电网有影响。在该项目，燃料电池是主要电源。除了一般的交流电网（AC），文献[8]提出了应用分布式电源的直流（DC）系统。该实验系统在，10kW直流太阳能电池发电机组、风力涡轮机发电机组、储能单元、功率调节单位、与交流电网相连的逆变器的基础上设计和建造。实验结果表明，在上述各单位间不存在环流。通过输出阻抗特性的配合，交流电网逆变器和存储单元可以分配到适量的功率。3.微电网的结构在微电网的基本结构图中（图1），该系统包含一组放射式馈线和一个集中负载。辐射式系统通过隔离装置连接到配电系统，一般采用静态开关，连接点称为公共耦合点（PCC）。每条馈线均有断路器和潮流控制器。在欧盟的微电网项目中，微电网结构采用图2所示的运行架构。它包括一个低压网络、负载（部分可中断）、可控和不可控的微电源、储能设备、通过通信设施监测和控制微电源与负载的分层管理控制系统。分层管理控制系统是的中心是MGCC。其第二层是负荷控制器（LC）和微电源控制器（MC），它们与MGCC交换信息，通过为负荷控制器和微型控制器提供设置点来管理微电网运行。在网络中，控制器之间的数据交换量小，这是因为交换的信息主要包含LC和MC的设置点，由MGCC向LC和MC发送的无功、有功和电压的请求信号以及控微电网开关的信号。图1微电网基本结构图2分层管理控制的微电网结构3.1微电源微电网中的微电源带有电力电子接口，一般是小容量的电源（100Kw）。这些微电源包括，微型涡轮机、风力发电机、光伏阵列、光电板和燃料电池。它们的成本低，电压低，可靠性高而且排放量少。尽管它们的益处令人印象深刻，但文献[9]指出分布式能源的普及率并没有达到预期。分布式能源的主要缺点是成本高，需要工程定制，缺乏即插即用接入的方法，而且几乎没有成功的商业模式。目前许多组织机构正在积极解决这些问题，其中包括能源部和国家机构。文献[1]详细介绍了一些新兴的发电技术，文献[10]则建立了几个描述微电源动态行为的模型。此外，文献[11]提出了，不同类型的分布式电源可采用简单的组合控制，来补偿微电网中负载需求的波动。3.2储能装置目前的电力系统（可称为大电网）通过发电机惯性储能。当来新的负荷接入时，最初的能量平衡通过该系统的惯性来满足，这就使得系统频率有所下降。Lasseter在文献[2]中指出，多微电源的系统在孤岛模式时必须提供储能装置，以确保最初的能量平衡。由于一些微电源的响应时间常数大（10s-200s），如燃料电池、微型涡轮机，为了平衡潮流扰动和重要负荷的变化，储能装置必须提供所需的电量。这些设备可以作为可控交流电压源来处理系统变化，如负荷跟踪。尽管作为电压源，这些设备有物理限制，其存储容量有限。微电网储能的形式有，微电源直流母线上的蓄电池或超级电容器；直接连接的交流储能设备（电池、飞轮等）；利用传统发电机的惯性储能。Venkataramanan和Illindala在文献[12]中，认为进行的铅酸蓄电池最合适在微电网中应用，它们在非常短的时间间隔内能够提供较大的电流。3.3逆变器控制由于电能生产的特点，微电网中大多数分布式电源不可以直接与电网相连。因此，微电网中需要电力电子接口（DC/AC或AC/DC/AC），而在微电网运行中的主要问题就是逆变器的控制。PecasLopes等人在文献[4]中介绍了两种不同的控制策略来操作逆变器。该逆变器的模型根据下列控制策略导出，PQ逆变器控制：逆变器用来维持给定的有功和无功设定点；电压源逆变器（VSI）控制：逆变器的电压和频率控制在预定值。图3逆变器接口系统文献[1]中，假设微电网运行中微电源的电力电子控制器已得到改进，可以提供一系列关键功能。其中影响系统性能的关键部分是电压与无功的下垂和有功功率和频率的下垂。电压与无功功率（Q）的下垂电压调节对于当地的供电可靠性和稳定性是十分重要的。如果没有对当地电压进行控制，那么微电源高度渗透的系统可能发生电压或无功功率的振荡。若在电压设置点发生小干扰，则循环电流可能超过微电源的额定值。这种情况下就需要电压与无功功率控制器，它可以使微源产生的容性无功增加，当地电压设置点降低；或者使微电源产生的感性无功增加，电压设置点提高。有功功率与频率下垂在孤岛模式时，我们需要处理逆变器上产生的轻微频率干扰和改变功率运行点来与负荷的变化相匹配。微电源在没有通信网络时，仍可以有效地解决有功功率与频率下垂的问题。当微电网脱离大电网孤立运行时，微电网中每个微电源的电压相角都会发生变化，这将导致当地的频率明显下降。频率下降和负荷有功功率的增加，要求系统中所有微电源应合理分配有功功率。Li等在文献[13]中设计与分析了多母线微电网系统的控制器。该控制器采用三相接口逆变器，用于调节分布式发电（DG）系统的内部电压和循环电流。在孤岛模式时采用外接功率控制回路，控制有功和无功功率潮流和分布式发电（DG）系统间的功率分配。文献[14]中提出了一种电网电能质量补偿器的接口，其安装在两个逆变器之间（逆变器A和B）用于控制微电网中敏感负荷电压和微电网于大电网间的电流。并联逆变器A的主要功能是，在微电网所有运行条件下，维持敏感负载电压的平衡。而串联逆变器B主要功能是，在配电馈线中引入适当的电压，平衡线电流和限制在大电网电压骤降期间的故障电流。4.微电网紧急运行、故障检测和安全分析灵活的微电网可以运行在两种不同的条件下。一是正常的并网运行模式，微电网可以从大电网吸收一定的功率，也可以注入功率；另一模式是紧急运行模式，当微电网切断和MV电网的联系时，微电网将自治运行（就像自然界中的岛屿）。微电网孤岛运行的原因有，计划切断与MV电网的联系（由于维修的需要）和强制中断（由于MV电网的故障）。4.1微电网紧急运行的两种方式PesLopes等在文献[15]中介绍了微电网孤岛运行的两种方式。第一种方式主要关注变频器的控制模式。由于微电网是以逆变器为主的电网，其孤岛运行时通过逆变器来控制频率和电压。另一种方式与传统的同步电机控制密切相关。A.逆变器控制模式如果微电网由一组微电源供电而且主网的电力供应（MV电网）充足，则由于有电压和频率参考值，所有的变频器可以工作在PQ模式。然而，电压源逆变器可提供参考频率，并且在孤岛模式作用于微电网，使微电网在不改变逆变器控制的情况下平滑地过渡到孤岛模式。微电网由储能设备来进行一次调频，切除不重要负荷和二次负荷频率控制也是微电网孤岛运行的关键。相关内容详见文献[12]，它给出了逆变器内部控制和相关仿真的细节。B.一次能源控制微电源和储能设备采用同步发电机和STATCOM电池储能器（STATCOM-BES）。在并网模式下，微电网的频率波动范围较窄。但是发生扰动时，由于微电源的惯性低，微电网的频率可能快速变化。微电源的控制和储能设备对于维持微电网孤岛模式时的频率是非常重要的[4,12]。微电网负载的变化时,根据下垂特性和负荷频率/电压灵敏度的控制，将导致稳态频率和电压偏差，储能设备将有利于总体变化。需增加储能设备的输出来进行二次调频控制，从而恢复微电网的频率/电压至其正常值。4.2微电网故障检测当微电网作为一个独立的电力孤岛运行时，故障电流由与它保持连接的电机提供，这些故障电流的值相对较小。困难在于基于变流器的发电机，为了保护它们的电力电子设备而限制其输出电流，一般被限制在2倍的半导体设备额定电流[2,16]。这就限制了常规过量电流保护的使用，因此需要开发其他保护技术。文献[2]的结论是，由于微电网的设计和运行具有独特的性质，因此需要重新研究继电保护的基本原理。一个相当好的办法就是，开发比传统继电器更准确的实时故障定位技术。该方法投资较大，而低成本的办法有，基于零序电流检测电流互感器（CT），也可采用差分电流或电压检测的方法。Hernandez-Gonzalez和Iravani在文献[16]中提出了一种在配电电压水平,采用三相电压源换流器（VSC）接口单元对分布式电源进行主动孤岛检测的技术。该方法通过电压源换流器接口的直轴（D）或交轴（Q）控制器在系统加入干扰信号。通过换流器的直轴（D）加入干扰信号就是在孤岛运行时调节PCC点的电压幅值，而通过换流器的交轴（Q）加入信号就是孤岛条件下在PCC点加入频率偏移。文献[17]介绍了一种新型的保护方案，它可以保护区内和区外的故障，其基于电压波形abc-dq变换，可以识别短路故障类型和有利于鉴别微电网区内和区外故障。MahindaVilathgamuwa等在文献[18]中提出了阻感（RL）前馈算法和磁通-电荷模型反馈算法，对大电网电压骤降时微电网的线电流进行保护