微型電網黑啟動與孤島運行

1、微型電網黑啟動與孤島運行摘要-擁有大量的小型分散發(fā)電的低壓配電網絡在一定條件下可以為一個 孤立的系統(tǒng)運行。本文提出的控制策略以這樣一個系統(tǒng)，用于處理孤島運行和開 發(fā)當?shù)匕l(fā)電資源以幫助在電力系統(tǒng)停電后恢復供電，而被應用。黑啟動過程的一 系列動作的程序已確定，這被預計將是在目前擁有許多分散電源的電力系統(tǒng)運 行可靠性方面的一大優(yōu)點。關鍵詞：微型電網，電力系統(tǒng)恢復， 微型發(fā)電廠，能源儲存，孤島運行1介紹隨著中壓（MV分散發(fā)電（DG）網絡的增長滲透，對微型發(fā)電連接到低電 壓（LV）電網開始引起注意，因為它的潛力，減少溫室氣體排放，提高可靠性 對 最終消費者和積極的影響，可能對全球進行系統(tǒng)操作，規(guī)劃和擴大

2、。在這種 情況下，一個新概念-微型電網（MG）-正在開發(fā)中。一個微型電網相當于一個低壓電網在電力負載和小型發(fā)電系統(tǒng)（燃料電池，微型燃氣輪機， 風力發(fā)電機，光伏板）連同存儲設備（如飛輪和電池）通過嵌入式管理和控制系統(tǒng)并存。3如果一個整體或局部停電時，當?shù)匕l(fā)電能力 在低壓電網下可以被利用來降低 用戶的中斷次數(shù)，通過：a）提供快速的低壓電網黑啟動恢復；b）容許微型電網孤島運行以滿足用戶用電直到中壓電網恢復供電傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)恢復是一個非常復雜的過程，通常涉及的任務進行手動 按預定指南1。他們必須以一個快速的方式完成， 在實時的基礎，在極端 緊張的條件。這個過程的復雜性使得決策支持手段極其寶貴的協(xié)助系統(tǒng)

3、操作 者2。在微型電網中整個恢復過程簡單得多，由于可控變量數(shù)量減少 （負載， 開關和微型電源）。另一方面，大多數(shù)微型電源（MS）不適合 直接連接到低壓電網，由于這些單元 產生的電能的特點。通常，一個DC / AC或AC / DC / AC電源的電子界面是必需的。此外，它是沒有被預期完全可控的同步發(fā)電機，能夠控制系統(tǒng)的頻率 和電壓（平衡負載和電源），故而不會直接連接到低壓電網。在微型電網中的一 個方案在同步可控的情況下需要MS逆變器能夠模擬機同步操作，以便在孤島 模式下與其他MS并行運行。這些單元在恢復過程中發(fā)揮關鍵作用，如本文所 討論。MS的特異性 （如響應時間常數(shù)的主要來源，可再生能源的間歇

4、性， 技術限制），電力電子接口的控制特性 及其發(fā)熱極限所決定的非常精細的恢復程序。通過對微型電源和當?shù)乜煽刎摵上嗯浜系纳钊肓私?，確定微型電網完全自動 恢復程序也變?yōu)榭赡?。因為有中央控制和通信基礎設施可供使用。在MG的 概念下是可能的，因為這種做法對具體的控制結構，并建立遍布低壓網路的不同 類型的控制著之間的通信的可能性。在這篇論文中的一個關于微電網黑啟動的動作序列已經被開發(fā)出來。微網 黑啟動（BS）現(xiàn)在已存在而且正在被爭論。兩種逆變器控制技術相結合以找到合 適的方法對低壓配電系統(tǒng)的恢復和確保其穩(wěn)定運行。當研究一個LV網絡案例 時， 為了確定其恢復序列，兩個仿真平臺已經已經被開發(fā)出來： EMTP

5、-RV 工具用于分析初始的快速瞬變 基于MATLAB和Simulink仿真平臺用于評估長期的孤島微網的動態(tài)行為。2.微型電網的架構如前所述，微網涉及低壓電網，負載（其中一些可中斷），可控和不可控的微型電源，儲能裝置和由一個通信系統(tǒng)支持的分級管理和控制策略3。這樣的概念已 經在歐盟范圍內的微網計劃框架下發(fā)展成熟3。在這個架構下的微網（MG）由安裝在中壓/低壓變電站的微網中央控制器 （MGCC）控制和管理。MGCC具有一些關鍵作用（如負荷預測，需求側管理， 微型發(fā)電廠經濟調度，安全評估等）和主管分級控制系統(tǒng)。在二級控制水平下， 控制器位于負載或負載組（LC）和微型發(fā)電廠（MC）與微網中央控制器（M

6、GCC） 交換信息和控制本地設備。PVIkratuirhiake圖1：擁有大量微型電源，負荷，控制和管理設備的微網整個系統(tǒng)的運作，需要兩套設備之間的通信和相互配合：一方面是負載控制， 作為接口通過應用一個中斷能力概念的來控制負載， 另一方面微型發(fā)電控制 控制微型發(fā)電廠有功和無功電力生產水平。MGCC，作為中央控制器，充分促進技 術和經濟管理政策，并為LC和MC提供設置點.I在本文描述的方法中，該MGCC 也是當?shù)乇究乒δ茇撠煛?這種先進的BS程序連同系統(tǒng)技術的限制條件，將作 為一個軟件模塊被嵌入到MGCC。重要的是要認識到的 在幾個網絡控制器之間交換的數(shù)據(jù)量是相當小 的，它包括到LC和MC主要

7、設定點的有功和無功 以及電壓水平的信息或來控 制低壓系統(tǒng)的恢復的信息。與此同時，一個MG涵蓋小的地理區(qū)域。這些因 素有助于緩解所需的通信系統(tǒng)的建立3動態(tài)模型本節(jié)提供了一個用于模擬MS和電力電子接口的動態(tài)模型所采用的模擬工具 的簡要說明。3.1微型電源建模一些被認為共存于MG和 相對應的動態(tài)模型的微型電源（MS）技術已得出。一種固體氧化物燃料電池（SOFC）及單軸微型燃氣輪機（SSMT）模型的詳細描述 可以參見文獻4。一個小型異步風力發(fā)電機（固定速度）直接連接低壓網絡也包括在該模擬平臺。最大功率跟蹤控制系統(tǒng)的詳細并沒有包括在PV模式中。相反，是假定該整列總 是在特定的溫度和光照下在最大功率水平上

8、工作，如5中描述的。像飛輪和電池這些模擬為恒定的直流電源（考慮到所分析的時間跨度）的儲 能裝置加上靜態(tài)轉換器連接到低壓電網。通常它注AMG的有功功率與的頻率偏 差是成比例的6。3.2逆變器建模一些MS，如SSMT，固體氧化物燃料電池和光伏不適合直接供電到電網，因為 這種電流是以直流的形式產生或者是高頻交流匯集而成。逆變器這時就需要提 供交流電網的接口。逆變器控制策略對MG的正常是至關重要。變頻器控制，可分為兩種類型7：a）PQ的逆變器控制；b）電壓源逆變器（VSI）的控制方法。要提的重要的是在分析的MG動態(tài)行為時，逆變器詳細的建模通常是可以避免 的。變頻器長期動態(tài) 模型可被他們的控制功能所代替

9、。這意味著，與固態(tài)開關 換向有關快速瞬變不考慮，假定，以這種方法，電力注入交流側是在沒有諧波失 真，損失或延誤。如果暫時性的分析是必需的那么這種方法要求完全替代變換器 的特性。1）PQ的逆變器控制一個PQ的逆變器控制相當于一逆變器和初始能源聯(lián)合控制，當這在物理上成 為可能。就意味著 變頻器注入電網僅僅可用的的電能在其輸入端。PQ控制的 一個應用實例停留在光伏PV單元。無功功率注入 相當于在本地或從MGCC所確 定的預先給定的值。該PQ控制的逆變器可由電流控制技術來扮演： 控制該逆 變器電流的幅度和相位，以滿足所需有功和無功功率點的設定。82）電壓源逆變器控制在這種情況下，逆變器被電壓和頻率根據(jù)

10、特定控制策略預先確定的值控制滿足 負載的需求。VSI控制原理應用在MG中應該效仿同步電機的行為。因此，有可 能控制交流系統(tǒng)電壓和頻率依靠變頻器控制手段。考慮這樣的VSI與一個角頻率為3grid交流系統(tǒng)相并聯(lián)，對逆變器有功輸 出由著名的頻率下垂特性自動定義，如圖2所示。圖2：有功功率與頻率下降特性曲線逆變器輸出功率可以通過對閑置的頻率(3 01, 3 02)簡單的修改而完美 發(fā)送。如果主交流系統(tǒng)丟失，如果主要是失去了交流系統(tǒng)，每個逆變器輸出功率根據(jù)下垂特性設定值和網絡的 頻率偏移邁向一個新的值。根據(jù)下垂特征有功功率是逆變器在新的頻率值時所共 用的。頻率的變化提供了一個適當?shù)姆椒▉泶_定在多個VSI

11、逆變器并聯(lián)運行在一 個孤島電網9功率分配。類似的考慮可在所關注的電壓/無功功率控制中實現(xiàn)， 也是使用一個電壓下垂的概念11。一個三相VSI的運用這兩個下垂概念源于一 種單相模式如10中提出的，如圖4所示。圖4：三相逆變器控制模型VSI的端電壓和電流測量用于計算有功，無功功率水平。這種測量階段引入 的延遲相當于去耦，通過如圖4所示的“退耦”傳遞函數(shù)。有功功率通過有功功 率/頻率下垂(Kf)特性決定了輸出電壓的頻率。同樣，無功功率通過無功功率 下垂特性(Kv)決定輸出電壓也是相當重要的。相位反饋控制的作用是使系統(tǒng)穩(wěn) 定10，對應于Kff循環(huán)，如圖4所示。4微型電網運行的控制策略如果沒有同步電機來平

12、衡供需，在孤島運行時逆變器應負責控制頻率。一個 電壓調整策略也是需要的，否則MG可能遇到電壓和無功功率振蕩9，12。如果一群MS在MG下可以運轉并且主電源(MV電網)是可用的，所有的逆變 器可以工作在PQ的模式，因為基準電壓和頻率是可用的。但是，如果失去了所 有中壓網絡的逆變器將關閉，因為在MG中沒有一個參考電壓可用 并且它不可 能在負載與發(fā)電廠之間取得平衡。這意味著必須要有一個普通的頻率控制策略， 為使MG能在孤島模式運作。兩個主要策略是可能的：單主機操作（SMO）:當主電源丟失時，用一個VSI來提供參考電壓；多主機操作（MMO）:兩個或多個逆變器作為VSI來操作；為了能在緊急模式提供一個參

13、考電壓和頻率，一個VSI的單位存在是至關重 要的。一個VSI有能力對電力系統(tǒng)擾動作出反應 （例如，負荷跟蹤或風波動）， 根據(jù)變頻器上測量到的-電壓和電流的本地可用信息11。這樣一個VSI應加上 一個具有有限容量的儲能裝置，以能夠補償自然負荷和生產的變化。對于一次成 功的黑啟動（BS）和孤島運行這是一個重要的論據(jù)。4.1單主機操作在SMO模式下，大部分的MS連接到網絡，通過一個具有PQ控制類型的逆變 器和一個單一的VSI逆變器與儲能裝置相連接-主機-提供參考頻率，如圖3 所示。V圖3： SMO模式這種VSI應該負責快速負載跟蹤。如果VSI必要的下垂設定可根據(jù)運行狀況 從MGCC改變而且為了避免大

14、范圍的頻率偏移。在這種情況下，PQ控制的MS可 以接收來自MGCC設定點或可采本地的PI頻率控制，以確定其初始能源的輸出 有功功率的目標值。保證在任何一個孤島運行工況下的零頻率偏差應被視為任何控制戰(zhàn)略的關鍵 問題。事實上這樣的程序問題需要避免存儲單元注入（或吸收）有功功率，當 MG的頻率偏差不為零時。4.2多主機操作在一個多主機方式下，一些變頻器作為預定義的頻率/有功功率和電壓/無功 功率下垂曲線的VSI運行。其它PQ控制的逆變器也可能并存。l&c ItliCK 地 13 kWb ud Cd I 3ih 30 kWSingle rctidunt kilMisunitjWind cnertur

15、3i|, I kWNiikk hatt in it n Ku rbin 3ri，30 kW 區(qū)一GHMStcirnge dwiccAppirlihcnl buildingAppartmcjitbuikUnv麻 JsijIi.Il ie；J七ntiiilco m 5 u m t. r圖6：低壓電網個案研究圖7： LV網絡在EMTP-RV平臺的研究案例。7 結果對于這個低壓測試系統(tǒng)假設一個普通的崩潰發(fā)生和緊接著的：a）中/低壓變 壓器從中壓網絡斷開；b）負載斷開；c）在SSMT和SOFC的獨立模式下孤島運 行自動產生。對于MG的黑啟動操作序列定義如第5部分所述，已在模擬平臺測 試被測試，并通過得出

16、的結果進行了分析。網絡運行狀況在黑啟動的初始階段已 在EMTP-RV平臺下進行了評估，在這種情況下，包括逆變器交換的詳細數(shù)據(jù)。 一般的MG的動態(tài)行為 使用MATLAB Simulink平臺來分析。由于其他MS被假定來滿足他們所保護的負載，存儲設備，如圖6所示，被選定為給低壓電網和DT在t= 0.5s時充電，使用斜坡電壓控制此逆變器，通過 0.5秒。得到的逆變器電流如圖8所示，可以觀察到它的DT勵磁電流維持在較 低水平上。圖8：黑啟動初始初始階段的存儲逆變器電流如前所述，當DT已上電和低壓網絡已建立后，對MG的黑啟動程序的下一步 是，在獨立模式下SOFC和SSMT同步運行并且滿足他們保護的負載。

17、為檢查同步 條件MGCC發(fā)送指令到VSI逆變器（最初到SOFC，后來到SSMT），以產生一個小 頻率的變化，因為它可以看出，在圖9中（在t=1.8s和t=4.5s ）。同步 后SOFC和SSMT就可以連接一些可控負載和不可控的MS。圖9和圖10顯示了這 些控制功能對VSI的頻率和MS有功輸出的影響，SOFC和SSMT在t = 2.3s同步 和七二4.6,分裂。存儲逆變器電流對這些同步性的影響，也可以從圖8觀察到。snprCTOIiiCE我MT一 -一 O 2 10 9 5 5 5 4 出)JmEnb閏Time (s)10圖9：每個VSI的頻率 80s-20010C2PLI號 VHOE-IS10

18、0Time (s)046Time (s)810圖10 :每個VSI的有功功率它可以從圖10觀察到，當前有功功率一些小的振蕩。這些振蕩是VSI的濾波 器共同作用的結果，振蕩發(fā)生在由濾波電容器和聯(lián)絡線電感組成的主阻尼環(huán)缺失 時11。這些振蕩電力系統(tǒng)中是不常見的，可由逆變器抑制，在逆變器給定足夠 的帶寬時11。為了得到一個BS序列的擴展概述，可使用MG的MATLAB Simulink仿真平 臺。對VSI的頻率、有功、無功輸出和總線電壓取得的結果的描述在下一幅圖中。 在這種情況下，在不到1 / 3的EMTP仿真時間有可能得到這些結果。20406080100120Time (s)2 O058 & JQ.

19、4 4 4 42二 F一圖11 :每個VSI中的有功功率和頻率負荷重聯(lián)是這個程序中的一個關鍵問題，因為它導致頻率偏移，因此需要特 別注意。如果頻率偏差有時仍然存在則一個當?shù)氐亩壙刂茖⒈皇褂?。電壓?無功功率控制可以很容易的通過調整每個VSI的下垂設定或PQ的逆變器的無功 設定點。在BS過程中，通過下垂特性控制電壓以確保MG穩(wěn)定和MS中沒有無功功率振 蕩，在圖12可觀察到。 與有功功率分配（這是通過下垂特性定義的）相反的 是無功功率的分配受連接無功負荷的每個特定節(jié)點的電壓下降的極大地影響（由 于低壓電纜阻抗）。.三.衛(wèi))?三三_19SOFCSSMTSTORAGETime (i)圖12:每個VS

20、I和存儲設備中的無功功率和端電壓當MV網絡變得可用，MGCC要求所有的VSI改變頻率和電壓，通過略微的等 量的改變其閑置的頻率和電壓以檢查同步條件。此過程可保證MS功率輸出沒有 發(fā)生重大變化。在MG與中壓電網同步后，VSI的閑置頻率和電壓MG是恢復他們 之前的值，以維持MG中的功率分配。通過和比較負荷增加后SSMT和SOFC的有功功率輸出，如圖11和13所述， 本，它可以觀察到它們的電源的初始響應延遲(根據(jù)它們身體的特征)，和相應 的VSI的有功輸出相比。發(fā)生這種情況是因為由被假定安裝在直流側的存儲設備 所提供的幾乎是瞬時的貢獻。501QQ1?0Time (5)4 2 o S 6 4 2 O

21、82 r.- 1 1 1 1 1-土|,-心.戶一 AWJ圖13： (SSMT和SOFC)電源的初始的有功功率8結論本文介紹了微型電網的孤島和黑啟動運行所需要的控制策略，在沒有可直接連 接到電網的同步發(fā)電機可用的情況下。從得到的結果可看出，儲能裝置在系統(tǒng)孤 島運行和恢復的過程中發(fā)揮了關鍵的作用。通過對微型電網各部分恢復階段一系列規(guī)則的鑒定和條件的檢查時，并通過 數(shù)值模擬得出結果并進行評估，來證明這種程序的可行性。這種成功的驗證帶來 了重大貢獻，并表明微型發(fā)電資源應得到進一步的推廣。致謝作者想要表達對微型電網項目進行了有價值的討論以促進這個研究進一步 發(fā)展的科研隊伍的和為這個項目提供經費的歐盟的

22、感謝。參考文獻1 J. J. Ancona，“主電網崩潰后電力系統(tǒng)恢復的一個框架”，電力系統(tǒng)自動 化，第 10 卷 ，1480 - 1485 頁，1995 年。2 M. M. Adibi, R. J. Kafka, D. P. Milanicz， 系統(tǒng)恢復詳解”，在電力 系統(tǒng)自動化，第9卷，1592至1600頁，1994年。J. A. Pegas Lopes 等人，“微電網管理”，JIEEC2003，畢爾巴鄂，2003 年10月28-29日。Y. Zhu, K. Tomsovic,，“為分析負載跟蹤下的微型燃氣輪機和燃料電池性能的模型的發(fā)展”，電力電子系統(tǒng)研究，第62卷，1-11頁，2002N.Hatziargyriou等，微型電源模