分布式能源和微電網綜述.docx

分布式能源和微電網綜述摘要：分布式能源（DER）涵蓋的技術如柴油發(fā)動機、微型燃氣輪機、燃料電池、光伏發(fā)電、小型風力發(fā)電機等。微電網概念的核心就是分布式能源、可控負載以及儲能設備的協(xié)調運行和控制，其中儲能設備包括飛輪、超級電容器和蓄電池等。微電網能夠與主網聯網運行，或者運行在孤島模式。本文總結和研究了微電網技術，并闡述了微電網的運行以及市場環(huán)境中的微電網。關鍵詞：分布式能源，微電網，運行，多代理系統(tǒng)（MAS）1、緒論由于科技進步和環(huán)境保護的要求，一些分布能源（DER）如內燃機（IC）、微型燃氣輪機、光伏發(fā)電、燃料電池和風力發(fā)電1，已經在配電網中應用。獨立分布式發(fā)電的應用可以解決很多問題，但其本身也存在不少缺陷。為更好地實現分布式發(fā)電的潛力可以采用系統(tǒng)的方法，也就是使電源和相關的負載構成一個子系統(tǒng)或微電網（MG）。在文獻2中，認為微電網是一組負載和微電源（MS）組成單一的可控系統(tǒng)運行，同時為本地提供電能和熱能。文獻2,3分析了微電網的優(yōu)點，如提高本地供電可靠性，減少饋線損失，維持本地電壓穩(wěn)定，通過熱電聯產（CHP）提高能源效率，電壓凹陷校正和提供不間斷電源等。微電網可以運行在兩個不同的運行條件下：正常并網運行模式和緊急模式（孤島模式）4。由于電能生產的特點，微電網中大多數分布式電源不可以直接與電網相連。因此，微電網中需要電力電子接口（DC/AC或AC/DC/AC），而在微電網運行中的主要問題就是逆變器的控制。微電網通過中壓/低壓（MV/LV）變電站的微電網中央控制器（MGCC）來進行集中控制和管理。該中央控制器是分層控制系統(tǒng)的核心，其關鍵功能包括經濟管理功能和控制功能4。本文的主要目的是，總結和研究了微電網技術。在第2節(jié)中，介紹了微電網的研究現狀，其中重點介紹微電網在歐洲和日本的發(fā)展。第3節(jié)描述了微電網的結構，其包括微電源、儲能設備和逆變器。然后，第4節(jié)詳細討論了微電網緊急運行的兩種方式，在本節(jié)中也介紹了微電網的故障檢測和安全分析。最后一節(jié)探討了市場環(huán)境中的微電網，并重點分析了多代理系統(tǒng)（MAS）。2.微電網的現狀“MICROGRIDS”項目是歐洲關于可再生能源和分布式發(fā)電接入技術的一系列研究項目的一部分。該項目將研究、發(fā)展和論證微電網的運行、控制、保護、安全、電信基礎設備，并且確定和量化微電網的經濟效益。其目的是通過發(fā)展和推廣微電網的概念，來提高它在電網中的滲透率，其中相關的內容有，研究微型發(fā)電機控制策略和網絡設計、開發(fā)多分布式發(fā)電的微電網運行管理工具，開發(fā)標準化技術和商業(yè)協(xié)議，詳見文獻5。Amorim等人在文獻6中，簡述了“MICROGRIDS”項目中的一個葡萄牙低壓電網。這個項目建造Frielas住宅區(qū)，其由200kVA配電站通過一條低壓饋線供電，該文章重點提出了一些改進效率和可靠性的措施。其得出的結論是，為保證用戶在孤島運行時的供電，必須升級控制和保護的硬件；為防止微電網的電壓擾動，需要詳細分析其從聯網模式轉換到孤島模式的過渡過程；微電網黑啟動是另一項重要的挑戰(zhàn)。測試表明了微型燃氣輪機可以滿足配電MV/LV變壓器在磁化初期的暫態(tài)峰值需求。日本新能源和產業(yè)技術發(fā)展組織（NEDO）在2004年，開始了新能源接入本地電網實地試驗的3個研究項目7。該項目分別在，青森縣、愛知縣和京都實施。在青森縣項目中，首先為一些通過私營電力線供電的地區(qū)建立了一套分布式能源供電系統(tǒng)，由于該供電系統(tǒng)與大電網近接于一點，因而其對沒大電網有影響。在該項目，燃料電池是主要電源。除了一般的交流電網（AC），文獻8提出了應用分布式電源的直流（DC）系統(tǒng)。該實驗系統(tǒng)在，10kW直流太陽能電池發(fā)電機組、風力渦輪機發(fā)電機組、儲能單元、功率調節(jié)單位、與交流電網相連的逆變器的基礎上設計和建造。實驗結果表明，在上述各單位間不存在環(huán)流。通過輸出阻抗特性的配合，交流電網逆變器和存儲單元可以分配到適量的功率。3.微電網的結構在微電網的基本結構圖中（圖1），該系統(tǒng)包含一組放射式饋線和一個集中負載。輻射式系統(tǒng)通過隔離裝置連接到配電系統(tǒng)，一般采用靜態(tài)開關，連接點稱為公共耦合點（PCC）。每條饋線均有斷路器和潮流控制器。在歐盟的微電網項目中，微電網結構采用圖2所示的運行架構。它包括一個低壓網絡、負載（部分可中斷）、可控和不可控的微電源、儲能設備、通過通信設施監(jiān)測和控制微電源與負載的分層管理控制系統(tǒng)。分層管理控制系統(tǒng)是的中心是MGCC。其第二層是負荷控制器（LC）和微電源控制器（MC），它們與MGCC交換信息，通過為負荷控制器和微型控制器提供設置點來管理微電網運行。在網絡中，控制器之間的數據交換量小，這是因為交換的信息主要包含LC和MC的設置點，由MGCC向LC和MC發(fā)送的無功、有功和電壓的請求信號以及控微電網開關的信號。圖1 微電網基本結構圖2 分層管理控制的微電網結構3.1微電源微電網中的微電源帶有電力電子接口，一般是小容量的電源（100Kw）。這些微電源包括，微型渦輪機、風力發(fā)電機、光伏陣列、光電板和燃料電池。它們的成本低，電壓低，可靠性高而且排放量少。 盡管它們的益處令人印象深刻，但文獻9指出分布式能源的普及率并沒有達到預期。分布式能源的主要缺點是成本高，需要工程定制，缺乏即插即用接入的方法，而且?guī)缀鯖]有成功的商業(yè)模式。目前許多組織機構正在積極解決這些問題，其中包括能源部和國家機構。 文獻1詳細介紹了一些新興的發(fā)電技術，文獻10則建立了幾個描述微電源動態(tài)行為的模型。此外，文獻11提出了，不同類型的分布式電源可采用簡單的組合控制，來補償微電網中負載需求的波動。3.2儲能裝置目前的電力系統(tǒng)（可稱為大電網）通過發(fā)電機慣性儲能。當來新的負荷接入時，最初的能量平衡通過該系統(tǒng)的慣性來滿足，這就使得系統(tǒng)頻率有所下降。Lasseter在文獻2中指出，多微電源的系統(tǒng)在孤島模式時必須提供儲能裝置，以確保最初的能量平衡。 由于一些微電源的響應時間常數大（10s-200s），如燃料電池、微型渦輪機，為了平衡潮流擾動和重要負荷的變化，儲能裝置必須提供所需的電量。這些設備可以作為可控交流電壓源來處理系統(tǒng)變化，如負荷跟蹤。盡管作為電壓源，這些設備有物理限制，其存儲容量有限。 微電網儲能的形式有，微電源直流母線上的蓄電池或超級電容器；直接連接的交流儲能設備（電池、飛輪等）；利用傳統(tǒng)發(fā)電機的慣性儲能。 Venkataramanan和Illindala在文獻 12 中，認為進行的鉛酸蓄電池最合適在微電網中應用，它們在非常短的時間間隔內能夠提供較大的電流。3.3逆變器控制由于電能生產的特點，微電網中大多數分布式電源不可以直接與電網相連。因此，微電網中需要電力電子接口（DC/AC或AC/DC/AC），而在微電網運行中的主要問題就是逆變器的控制。 Pecas Lopes等人在文獻4中介紹了兩種不同的控制策略來操作逆變器。該逆變器的模型根據下列控制策略導出，PQ逆變器控制：逆變器用來維持給定的有功和無功設定點；電壓源逆變器（VSI）控制：逆變器的電壓和頻率控制在預定值。圖3 逆變器接口系統(tǒng)文獻1中，假設微電網運行中微電源的電力電子控制器已得到改進，可以提供一系列關鍵功能。其中影響系統(tǒng)性能的關鍵部分是電壓與無功的下垂和有功功率和頻率的下垂。電壓與無功功率（ Q ）的下垂電壓調節(jié)對于當地的供電可靠性和穩(wěn)定性是十分重要的。如果沒有對當地電壓進行控制，那么微電源高度滲透的系統(tǒng)可能發(fā)生電壓或無功功率的振蕩。若在電壓設置點發(fā)生小干擾，則循環(huán)電流可能超過微電源的額定值。這種情況下就需要電壓與無功功率控制器，它可以使微源產生的容性無功增加，當地電壓設置點降低；或者使微電源產生的感性無功增加，電壓設置點提高。有功功率與頻率下垂在孤島模式時，我們需要處理逆變器上產生的輕微頻率干擾和改變功率運行點來與負荷的變化相匹配。微電源在沒有通信網絡時，仍可以有效地解決有功功率與頻率下垂的問題。當微電網脫離大電網孤立運行時，微電網中每個微電源的電壓相角都會發(fā)生變化，這將導致當地的頻率明顯下降。頻率下降和負荷有功功率的增加，要求系統(tǒng)中所有微電源應合理分配有功功率。 Li等在文獻13中設計與分析了多母線微電網系統(tǒng)的控制器。該控制器采用三相接口逆變器，用于調節(jié)分布式發(fā)電（DG）系統(tǒng)的內部電壓和循環(huán)電流。在孤島模式時采用外接功率控制回路，控制有功和無功功率潮流和分布式發(fā)電（DG）系統(tǒng)間的功率分配。 文獻14中提出了一種電網電能質量補償器的接口，其安裝在兩個逆變器之間（逆變器A和B）用于控制微電網中敏感負荷電壓和微電網于大電網間的電流。并聯逆變器A的主要功能是，在微電網所有運行條件下，維持敏感負載電壓的平衡。而串聯逆變器B主要功能是，在配電饋線中引入適當的電壓，平衡線電流和限制在大電網電壓驟降期間的故障電流。4.微電網緊急運行、故障檢測和安全分析靈活的微電網可以運行在兩種不同的條件下。一是正常的并網運行模式，微電網可以從大電網吸收一定的功率，也可以注入功率；另一模式是緊急運行模式，當微電網切斷和MV電網的聯系時，微電網將自治運行（就像自然界中的島嶼）。 微電網孤島運行的原因有，計劃切斷與MV電網的聯系（由于維修的需要）和強制中斷（由于MV電網的故障）。4.1微電網緊急運行的兩種方式Pes Lopes等在文獻15中介紹了微電網孤島運行的兩種方式。第一種方式主要關注變頻器的控制模式。由于微電網是以逆變器為主的電網，其孤島運行時通過逆變器來控制頻率和電壓。另一種方式與傳統(tǒng)的同步電機控制密切相關。 A.逆變器控制模式如果微電網由一組微電源供電而且主網的電力供應（MV電網）充足，則由于有電壓和頻率參考值，所有的變頻器可以工作在PQ模式。然而，電壓源逆變器可提供參考頻率，并且在孤島模式作用于微電網，使微電網在不改變逆變器控制的情況下平滑地過渡到孤島模式。微電網由儲能設備來進行一次調頻，切除不重要負荷和二次負荷頻率控制也是微電網孤島運行的關鍵。相關內容詳見文獻12，它給出了逆變器內部控制和相關仿真的細節(jié)。B.一次能源控制微電源和儲能設備采用同步發(fā)電機和STATCOM電池儲能器（STATCOM-BES）。在并網模式下，微電網的頻率波動范圍較窄。但是發(fā)生擾動時，由于微電源的慣性低，微電網的頻率可能快速變化。微電源的控制和儲能設備對于維持微電網孤島模式時的頻率是非常重要的4,12。微電網負載的變化時,根據下垂特性和負荷頻率/電壓靈敏度的控制，將導致穩(wěn)態(tài)頻率和電壓偏差，儲能設備將有利于總體變化。需增加儲能設備的輸出來進行二次調頻控制，從而恢復微電網的頻率/電壓至其正常值。4.2微電網故障檢測當微電網作為一個獨立的電力孤島運行時，故障電流由與它保持連接的電機提供，這些故障電流的值相對較小。困難在于基于變流器的發(fā)電機，為了保護它們的電力電子設備而限制其輸出電流，一般被限制在2倍的半導體設備額定電流2,16。這就限制了常規(guī)過量電流保護的使用，因此需要開發(fā)其他保護技術。文獻2的結論是，由于微電網的設計和運行具有獨特的性質，因此需要重新研究繼電保護的基本原理。一個相當好的辦法就是，開發(fā)比傳統(tǒng)繼電器更準確的實時故障定位技術。該方法投資較大，而低成本的辦法有，基于零序電流檢測電流互感器（CT），也可采用差分電流或電壓檢測的方法。 Hernandez-Gonzalez和Iravani在文獻16中提出了一種在配電電壓水平,采用三相電壓源換流器（VSC）接口單元對分布式電源進行主動孤島檢測的技術。該方法通過電壓源換流器接口的直軸（D）或交軸（Q）控制器在系統(tǒng)加入干擾信號。通過換流器的直軸（D）加入干擾信號就是在孤島運行時調節(jié)PCC點的電壓幅值，而通過換流器的交軸（Q）加入信號就是孤島條件下在PCC點加入頻率偏移。文獻17介紹了一種新型的保護方案，它可以保護區(qū)內和區(qū)外的故障，其基于電壓波形abc-dq變換，可以識別短路故障類型和有利于鑒別微電網區(qū)內和區(qū)外故障。 Mahinda Vilathgamuwa等在文獻18中提出了阻感（RL）前饋算法和磁通-電荷模型反饋算法，對大電網電壓驟降時微電網的線電流進行保護。在阻感算法中，通過控制微電網和大電網之間的逆變器，在配電饋線中增加虛擬的RL阻抗來限制線電流，而且限制流過逆變器的循環(huán)有功功率來減小暫態(tài)振蕩的過程。4.3微電網的安全分析對于低壓網絡的分布式電源，微電網的故障會使地電位大大升高。因此分布式電源和微電網與大電網間變壓器的接地方式，需要詳細分析和制定適當的規(guī)則。 低壓系統(tǒng)接地方式就是指，MV/LV變壓器（為負荷供電）副邊和負載設備外殼的接地方式。低壓接地方式大致分為三類：TT、IT和TN19。對于微電網，首選TN-C-S方式，而TT次之。此外文獻19設計了一個典型微電網的接地系統(tǒng)，其是從電氣安全的角度研究故障的條件而得到的。標準的安全接觸電壓和已通過等級電壓。文獻20中提出了微電網的一種小信號穩(wěn)定分析方法。系統(tǒng)的小信號穩(wěn)定性，可以通過計算系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行點的動態(tài)方程的特征值來得到。5 基于多代理系統(tǒng)（MAS）的微電網利用多代理技術能夠解決一些具體的操作調度問題。首先分布式電源的擁有者不同且部分決策需現場確定，因而對其進行集中控制十分困難。由于微電網將在開放市場運行，因此市場中分布式電源的控制器的決策需要一定程度的“智能”。最后，本地的分布式電源除了輸出電能外，還有其他的任務：為當地供熱，保持當地電壓穩(wěn)定，為重要負荷提供備用21-23。上述任務都說明了分布式控制和自治運行的重要性。Dimeas和Hatziargyriou在文獻21介紹四種代理：生產代理、消費代理、電力系統(tǒng)代理和微電網中央控制器代理（MGCC）。MGCC代理只起到協(xié)調任務的作用，就是確定市場周期內談判過程的開始和結束時間，記錄每個時期代理之間最后的交換功率。在市場環(huán)境下，這三個代理的控制水平極其高超。 配網調度(DNO)和中壓等級的市場調度(MO)微電網中央控制器(MGCC)本地控制器(LC)，包括微電源控制器和負荷控制器DNS/MO和微電網間的主要接口就是微電源控制器MGCC。MGCC主要負責優(yōu)化微電網運行；或者協(xié)調本地控制器，而優(yōu)化運行由LC承擔。文獻22概述了為提高不同政策的實時市場中微電網的效率，微電網中央控制器MGCC應具有的主要功能。6.結論本文總結了分布式能源和微電網的研究工作。介紹了微電網及微電網結構。 接著，詳細分析了微電網運行。最后概述了市場環(huán)境中的微電網。 微電網是一種新型的電力系統(tǒng)，它的技術到現在還沒有成熟。為了可以使它早日在市場中應用，還有很多工作需要我們去做。日本和一些歐洲組織已經在這個方向做了一些研究，盡管仍在研究和試驗階段。 參考文獻1 Lasseter RH, Paigi Paolo. 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