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智能微电网的分层控制

作者:wx    发布时间: 2016-08-14     浏览次数:359次

智能化是电力系统发展的方向。在此背景之下,科学家和工程师们首先将目光聚焦在了智能化、柔性化的微电网。微电网既可孤岛运行,也可并网运行,黑启动、电压稳定、频率稳定、潮流控制、有源滤波、能量管理……,这些都是微电网应具备的基本功能,只有这样才能实现在负荷端就近发电、储能,省去了大容量、长距离的输电环节,从而显著地减小了输电线路上的损耗,提高了电网的可靠性。本文对智能微电网的拓扑结构、控制策略以及能量管理等问题进行了综述。

l 微网是分布式发电并网的关键途径

智能微电网是将分布式发电(Distributed Generation,DG)、分布式储能(Distributed Storage,DS)、分布式负载(Dispersed Loads,DL)进行系统集成的最佳方案。在大电网集中供电体制下,大型电厂通常远离负荷中心,因此需要大容量、长距离输电。但通过这些小容量的微电网就可实现在负荷端就近发电、就近储能,从而省去大量的输配电线路以及由此导致的输配电损耗。总的来说,传统的集中供电配电模式有很多缺陷:线路损耗太大导致了系统效率低,高压长距离输电线的容升效应导致了电压稳定性差,多发的单点故障以及其他偶发的网络故障导致了可靠性低。

微电网主要有两种发展方向,一是将微电网与公共大电网相连;二是将多个邻近的微电网互联,形成微电网群(microgrid clusters)。因此,未来的电力网络将包含一次能源、原动机、电力电子变流器、DS装置以及本地的DL,而微电网只是其中的一部分。微电网既可独立地自主运行,也可接入大电网。可在并网模式与离网模式之间进行无缝切换是微电网的主要特征。通过微电网之间的联络线即可实现在多个微电网之间进行能量调度,以同时实现各个微电网的实时功率平衡。这种微电网之间的相互支援,起到了此消彼长的作用,减小了微电网从公共大电网上吸收的能量,进一步减少了不必要的长距离输电损耗。此外,微网是一种全新的低压配电网,其中的发电机组不仅包括小型的发电机,还包括小型的原动机,例如:光伏电池组件、小型的风力发电机、生物燃料电池等等,这些发电单元都需要AC/AC或者DC/AC变流器作为接口电路。这些电力电子接口电路的动态响应十分迅速。但与传统的同步发电机相比,电力电子变流器自身的惯量水平非常低,而充足的惯量是系统稳定性的保障,是实现各个单元之间保持稳态同步性的关键因素。

为了提升系统稳定性,学者们提出了在控制环路中引入下垂控制,通过测量有功、无功来线性地调节逆变器输出的频率、电压。经过下垂控制之后,微电网就能自动地实现功率平衡了,同时避免了交直流母线电压失稳。此外,低电压穿越、有源滤波、不间断供电、黑启动、孤岛运行,以及与主电网保持同步、有功无功潮流独立控制、系统能量优化管理等也是微电网必须具备的核心功能。

下图给出了一个典型的微电网结构图,包含了风电、光伏、储能以及若干负载。

微电网通过智能旁路开关(Intelligent Bypass Switch,IBS)并入大电网的公共连接点(Point of Common Coupling,PCC),系统中包含了大量的以电力电子变流器作为接口电路的DG和DS。因此,微电网中的绝大部分元件都是以电流型逆变器(Current-Source Inverters,CSI)或电压型逆变器(Voltage-Source Inverters,VSI)的形式运行。

1)CSI:DG单元经常工作在CSI模式,以实现最大功率追踪;若不需要进行最大功率追踪,那么这些发电单元也可以根据系统需要工作在VSI模式。

2)VSI:这种工作模式常用于储能装置,在孤岛运行时为微电网提供频率、电压支撑;如果有多个VSI单元并联时,就必须增加适当的控制策略,以使各个单元协调工作。

l 微电网的运行模式

1、并网运行模式

微电网的能量管理系统必须同时考虑离网、并网条件下的系统潮流分布以及储能系统的可用容量和运行方式。微电网必须具备灵活快速的功率控制能力,通过从电网中吸收或者送出必要的功率来实现微电网内部的实时功率平衡,同时满足储能装置的能量需求。由于微电网的容量相较于主电网来说非常小,因此微电网在并网模式下的动态特性主要取决于主电网。此外,当输出功率发生变化时系统响应很慢;如果微电网交流母线没有同步发电机,那么电力电子变流器的控制系统中需要增加虚拟惯量控制环节;暂态过程中需要蓄电池、超级电容、飞轮等来保证动态功率平衡。发生停电事故之后,微电网需要自行建立电压频率条件,同时在一系列预设指令下逐步恢复各个层级的DL和DG单元,即黑启动。在并网模式下,所有的DG都应该在能量管理系统的调度下输出指定的功率,以最大化地减少从主电网吸收的电量,即削峰。此外,每一个DG单元均可通过公共通讯线来实现输出功率调节,与其它单元实现协调工作。总的来说,当微电网处于并网状态时,需要根据用户的需要,与主电网以及本地的DG一起,为负载提供优质的电力。

2、孤岛运行模式

在下述条件下,微电网将脱离主电网自主运行:

1)计划性的孤岛运行模式:当主电网发生长时间电压跌落或其它一般性故障时,微电网可以主动地脱离大电网,进入孤岛运行状态;

2)非计划性的孤岛运行模式:当主电网发生停电时,微电网必须通过孤岛检测算法来自动识别主电网的停电状态,并通过IBS进入孤岛运行模式。

在孤岛运行模式下,系统的动态特性主要取决于其中的DG单元,这些DG单元将自动地调整微电网的电压、频率。此时,系统的频率、电压一般会出现小范围的偏移。因此,需要启动DS来平衡微电网功率,通常是让DS根据频率偏移量成比例地吸收或者释放有功功率。在该模式下,IBS处于断开状态,微电网脱离大电网独立运行,DG单元必须承担起稳定微电网电压、频率的重要责任,确保各个变流器不过载,确保负载在一定范围内变化时系统依然能够保持稳定运行。为了达到上述目标,微电网通常采用有通讯线的主从控制模式,尤其是基于公共交流母线的微电网。通常来讲,低带宽通讯方法更加经济、可靠、稳定,因此在实际的工程项目中应用较多。

在孤岛运行模式下,微电网需要实现下述技术指标:

1)电压、频率控制:微电网必须工作在电压源模式,通过电压、频率调整策略来控制微电网的潮流,确保微电网的关键物理参数都在规定的误差范围内。

2)实时功率平衡:并网模式下,DG单元的频率由大电网决定;离网模式下的系统频率需要根据功率平衡的原则进行调节;改变DG的输出频率,使微电网内部保持功率平衡。

3)电能质量治理:微电网电能质量控制可从两个层次分别展开,首先必须要满足微网内部的无功平衡和谐波电流补偿;其次是对PCC处的无功和谐波进行治理,向大电网提供电能质量支撑。

孤岛运行模式下,所有的DG单元均工作在恒功率源模式,向微电网提供预期的功率。

3、并离网切换模式

如前文所述,IBS始终实时在线地监测主电网与微电网的状态。当IBS及时检测到孤岛信号之后,微电网必须立即与主电网断开连接,尽快进入到孤岛运行模式。通常来说,电网频率偏移需小于2%,电压幅值偏移需小于5%。若微电网没有超出最大允许偏移范围,微电网即可根据网内负荷的实际需求,在下垂控制的作用下输出有功功率和无功功率,确保系统电压、频率稳定,并实现多个DG单元之间的功率合理分配。

孤岛运行模式下,微电网和大电网之间的电压和相位会出现偏差,在不恰当的时刻并网会引起较大的冲击电流,因此需要设计预并列单元来实现并网运行。当微电网中央控制系统发出并网指令时,将微电网相应的DG由孤岛运行模式切换到预并列控制模式,将DG单元的输入参考值切换为大电网的电压和频率。

在并离网切换过程中,中央控制系统必须实时检测微电网与大电网的电压差、频率差和相位差,当其均满足合闸条件时,启动合闸信号,闭合IBS,并将孤岛控制策略切换到并网控制策略,实现并网运行。

l 微电网的分层控制

从功能上来说,微电网与大电网非常相似,也可基于下述三个层次分别控制:

1)一次控制:下垂控制,主要实现DG单元间的功率分配(负荷分配);

2)二次控制:无差控制,对下垂控制之后的微小偏差进行消除,实现无差调频调压;

3)三次控制:优化控制,从系统优化的层面对微电网潮流进行规划、分配。

1、一次控制:下垂控制

一般而言,微电网中的逆变器均由基于下垂控制策略的功率外环实现,这种模式常被称为分散控制或自治控制,目的是实现多个DG单元间的功率分配,并保证系统电压、频率的稳定,如下图所示。

微电网孤岛运行时,没有大电网的电压频率支撑,要自治地负责系统的电压、频率调节,通常由DG完成。微电网中参与电压、频率调节和控制的多个DG具有同等地位,在下垂控制下进行负荷分配,如下图所示。

上述下垂控制的思想来源于高压电网功率传输理论:发电机频率随着负荷增加而减小。高压输电系统主要呈现出电感性(X≫R),P、Q之间近似独立可控,这也是上述下垂控制可行的根本原因。然而,采用电力电子变流器的低压微电网,系统阻抗不再是电感性了,更多的是阻感性,甚至以阻性为主(R≫X)。此时,PQ之间存在强耦合作用,影响下垂控制的效果,可能出现振荡现象,甚至不稳定。因此,下垂控制策略必须进行改进,以适应阻性微电网的需要。

闭环控制下的微电网逆变器,其输出阻抗特性影响着功率分配算法的准确性。对逆变器输出阻抗进行合理设计即可削弱线路阻抗带来的功率分配误差。最常用的方法就是虚拟阻抗控制,其大致思路可用下图描述。

DG与母线间的线路阻抗ZL=R+jX呈阻性,将原DG等效为一个虚拟发电机Ev,通过虚拟电抗Xv连接至B点。如果Xv≫ZL,则虚拟发电机与母线间的阻抗将呈感性,此时若对虚拟发电机使用下垂控制,即可实现Pv和Qv的解耦控制。显然Pv=P,因此调节虚拟发电机即可实现对DG有功功率的解耦控制。基于虚拟阻抗的下垂控制如下图所示。

采用上述控制策略之后,即可实现多个DG间的功率合理分配。此外,从可靠性、稳定性的角度来说,电压幅值控制也非常重要。如果缺乏无功控制,DG单元可能输出不确定的无功功率,导致母线电压振荡。

二次控制:无差控制

一次控制响应快速,但却无法实现无差控制。下垂控制虽然能同时实现电压频率稳定和功率合理分配,但它是一种有差控制,负载变化前后系统的稳态电压和频率会有所变化。因此,二次控制的主要目标就是恢复微电网的电压和频率,如下图所示。

此外,微电网运行模式的无缝切换控制也在该次控制中实现,因此二次控制部分应具备电网故障检测、微电网与大电网同步等功能,并对微电网IBS和DG控制模式切换进行协调控制。

三次控制:优化控制

该层控制主要从安全性、经济性的角度对微电网进行能量管理与调度,通过相应的优化算法实现:1、并网运行模式下,确定微电网与大电网之间联络线输出功率参考值(作为微电网二次控制目标参考值);2、孤岛运行模式下,调整各DG单元输出功率参考值或下垂曲线稳态参考点和分配比例系数设定等信息,实现微电网经济运行等功能。如下图所示。

此外,在该层控制中还可以进行孤岛监测、电能质量分析治理、最大功率跟踪等多种运行目标。总的来说,微电网通过这种多层次、分散式控制能够实现安全、经济、可控地运行。

需要进一步研究的内容

微电网并网时的下垂控制需进行如下方面的改进:

1)提升DS、DG单元以及微电网的暂态响应性能;

2)基于虚拟阻抗思想的谐波功率分配算法以及DG、DS热插拔技术;

3)研究自适应下垂控制算法,提高系统在各种可能工况下的交互作用性能。

交流微电网的分层控制还需要做如下改进:

1)基于下垂原理的一次控制应当能够允许不同类型的交流电源自主地接入,即类同步发电机控制技术;

2)二次控制必须彻底地解决一次控制遗留的电压、频率偏移问题,实现无静差控制。该层控制需要精心地设计同步控制方案,以实现孤岛模式向并网模式无缝切换。

3)三次控制不但需要对输出能量进行管理和控制,还需具备微网阻抗在线测量、非计划性孤岛检测、谐波电流注入控制(补偿PCC点的电压谐波)等功能。

对柔性的、智能的微电网来说,还需要具备如下技术特征:

1)在PCC点处,应当具备异常电压穿越以及电能质量治理功能,其中异常电压包括高电压、低电压以及零电压;

2)黑启动功能;

3)微电网阻抗在线测量以及孤岛在线检测。

4)微电网储能系统控制与管理。

上述这些技术特征的实现将会促进DG、DS更加智能地、灵活性接入微电网以及未来的智能电网,从而推动全球清洁能源大规模地应用,构建起可持续发展的清洁电力系统。

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图片可以选中之后点击右键设置图片的大小,有一些图片太大了,不好看

2016-08-15
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