碳中和技術概論 課件 第八章 智能微電網應用技術

第8章

智能微電網應用技術CONTENTS目錄歷史背景和現實意義PART

01智能微電網的定義PART

02分類和結構PART

03智能微電網的特點PART

04智能微電網的運行模式PART

05智能微電網的控制方法PART

06智能微電網的穩(wěn)定性控制方法PART

07智能微電網的歷史背景和現實意義Part.01智能微電網的歷史背景和現實意義011.智能微電網產生的歷史背景分布式發(fā)電是相對于集中式發(fā)電提出的，它為解決集中式發(fā)電的問題及可再生能源發(fā)電的并網找到了突破口。分布式發(fā)電可以在負荷中心或偏遠的農村建立，具有諸如利于環(huán)保、提高能源利用效率、滿足負荷增長需求、具備可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點。智能微電網的歷史背景和現實意義011.智能微電網產生的歷史背景分布式發(fā)電技術的潛力尚未得到充分發(fā)揮，主要存在以下幾個方面：（1）分布式發(fā)電電源并網時會產生沖擊電流，給電網設備安全運行造成影響。（2）分布式發(fā)電電源功率減小或退出電網時需要及時補充功率缺額，需要大量的區(qū)域性備用設備及無功補償裝置，經濟性有待于提升。（3）分布式發(fā)電電源輸出功率具有一定的隨機性，其輸出功率的波動會導致電網電壓和頻率的不穩(wěn)定。（4）分布式發(fā)電系統采用的并網逆變器是由較多的電力電子器件組成，其運行時會對電網造成諧波污染。智能微電網的歷史背景和現實意義011.智能微電網產生的歷史背景分布式發(fā)電技術的潛力尚未得到充分發(fā)揮，主要存在以下幾個方面：（5）分布式發(fā)電功率波動會造成電網電壓波動及閃變，導致電網電壓偏差，從而影響電網電能質量。（6）傳統電網是輻射狀，由單側電源供電，分布式發(fā)電可與電網送電及反送電，分布式發(fā)電接入配電網后，配電網的結構將發(fā)生改變。例如當電網發(fā)生短路故障時，除了電網系統向故障點提供短路電流外，分布式發(fā)電電源也將對短路故障點提供短路電流，這將對配電網繼電保護裝置的正常運行造成影響。為使分布式發(fā)電得以充分利用，一些學者提出了微型電網（MicroGrid，簡稱智能微電網）的概念。智能微電網的歷史背景和現實意義012.智能微電網發(fā)展的現實意義（1）智能微電網有利于提升電力系統抗災能力分布式發(fā)電可實現分區(qū)分片靈活供電，通過合理的規(guī)劃設計，在災難性事件發(fā)生并導致大電網停電事故情況下，智能微電網能夠迅速脫離大電網而單獨給智能微電網內的負荷供電，提高了供電的可靠性和穩(wěn)定性，當大電網故障排除后，智能微電網有助于大電網快速恢復供電，降低大電網停電造成的社會經濟損失。分布式發(fā)電系統還可利用天然氣、冷、熱能易于在用戶側存儲的優(yōu)點，與大電網配合運行，實現電能在用戶側的分布式替代存儲，從而間接解決電能無法大量存儲難題；同時智能微電網中優(yōu)先并大量使用高滲透率的可再生能源進行分布式發(fā)電還可以降低環(huán)境污染。智能微電網的歷史背景和現實意義012.智能微電網發(fā)展的現實意義（2）智能微電網有利于我國發(fā)展可再生能源處于電力系統管理邊緣的大量分布式電源并網有可能造成電力系統不可控、不安全和不穩(wěn)定，從而影響電網運行和電力市場交易，導致分布式發(fā)電面臨許多技術障礙和質疑。智能微電網通過各種檢測、運行控制策略將地域相近的微電源、儲能裝置與負荷結合起來進行協調控制，使分布式發(fā)電的優(yōu)勢得以充分發(fā)揮，消除分布式發(fā)電對電網的沖擊和負面影響，使得智能微電網相對配電網表現為“電網友好型”的單個可控單元，可以與大電網進行能量交換，并能在大電網發(fā)生故障時獨立運行。智能微電網的歷史背景和現實意義012.智能微電網發(fā)展的現實意義（3）智能微電網有利于提高電網企業(yè)的服務水平智能微電網可以根據終端用戶的需求提供差異化的供電服務，智能微電網根據用戶對電力供給的不同需求，將負荷分為重要負荷、可控負荷和一般負荷，智能微電網能集中自身的優(yōu)勢資源保障重要負荷的持續(xù)穩(wěn)定供電。負荷分級的思想體現了智能微電網個性化供電的特點，智能微電網的應用有利于電網企業(yè)向不同終端用戶提供不同的電能質量及供電可靠性。智能微電網的歷史背景和現實意義012.智能微電網發(fā)展的現實意義（4）智能微電網有利于建設資源節(jié)約型社會傳統的供電方式是由集中式大型發(fā)電廠發(fā)出電能，經過電力系統遠距離、多級變送為用戶供電，這種發(fā)配輸電的方式需要耗費大量的建設經費且遠距離、多級變送的電能損耗也很大。智能微電網中存在大量的分布式發(fā)電和儲能系統，其所發(fā)和所儲存的電能實現“就地消費”，因此能夠有效減少對集中式大型發(fā)電廠電力生產的依賴以及遠距離電能傳輸、多級變送的損耗，從而減少電網投資，降低網損。智能微電網的歷史背景和現實意義012.智能微電網發(fā)展的現實意義（5）智能微電網有利于社會主義新農村建設智能微電網能夠有效解決我國西部地區(qū)目前常規(guī)供電所面臨的輸電距離遠、功率小、線損大、建設變電站費用昂貴等問題，為我國邊遠及常規(guī)電網難以覆蓋地區(qū)的電力供應提供有力支持，為這些地方的經濟社會發(fā)展作出相應的貢獻?？傊S著智能微電網應用技術水平的提高，分布式發(fā)電成本的進一步降低，可以預期，在不遠的將來，分布式發(fā)電必將與常規(guī)集中式發(fā)電構成未來的兩種相輔相成的發(fā)電方式，并在電力系統中占據重要的地位。智能微電網的定義Part.02智能微電網的定義021.美國給出的定義（1）美國電氣技術可靠性解決方案聯合會：智能微電網是一種由負荷和微電源共同組成的系統，它可同時提供電能和熱能。智能微電網內部的電源主要由電力電子器件負責能量轉換，并提供必需的控制。智能微電網表現為單一的受控單元，可同時滿足用戶對電能質量和供電安全需求。當智能微電網與主網解列，智能微電網還能夠維持對自身內部電能供應，直到故障排除。（2）美國能源部(DOE,DepartmentofEnergy)：智能微電網由分布式電源和電力負荷構成，可以工作在并網與離網兩種模式下，具有高度的可靠性和穩(wěn)定性。智能微電網的定義022.歐盟給出的定義歐盟智能微電網項目（EuropeanCommissionProjectMicrogrid）：利用一次能源，使用微型電源（分為不可控、部分可控和全控三種），并可冷、熱、電三聯供；配有儲能裝置，使用電力電子裝置進行能量調節(jié)。包括低壓網絡、負荷（部分可中斷）、可控或不可控的分布式電源、儲能裝置和基于監(jiān)控分布式電源和負荷的通訊設施的分層管理和控制系統。3.日本給出的定義（1）東京大學：智能微電網是一種由分布式電源組成的獨立系統，一般通過聯絡線與大系統相連，由于供電與需求的不平衡關系，智能微電網可選擇與主網之間互供或者獨立運行。（2）三菱公司：智能微電網是一種包含電源和熱能設備以及負荷的小型可控系統，對外表現為一整體單元并可以接入主網運行；并且將以傳統電源供電的獨立電力系統也歸入為智能微電網研究范疇。智能微電網的定義024.國際電工委員會（IEC:InternationalElectrotechnicalCommission）給出的定義微電網是由相互關聯的負荷和分布式能源（包括微燃機、柴油機、儲能、可再生能源等在內的各類分布式能源）組成，運行在可定義電氣邊界的配電網范圍，具備黑啟動能力且可以運行在并網或者孤島模式。5.我國給出的定義國網電力科學院提出的智能微電網的定義：以分布式發(fā)電為基礎，以靠近分散型資源或用戶的小型電站為主，結合終端用戶質量管理和能源梯級利用技術形成的小型模塊化、分散式的供電網絡。我國在《微電網管理辦法》中，對微電網定義為：由分布式電源、用電負荷、配電設施、監(jiān)控和保護裝置等組成的小型發(fā)配用電系統（必要時含儲能裝置）。智能微電網的定義025.智能微電網與傳統分布式發(fā)電并網網絡的區(qū)別主要區(qū)別在于智能微電網中擁有集中管理單元，使得各分布式電源、負荷與電網之間不僅存在電功率的交互，還存在通信信息、控制信息及其他信息的檢測與交互。

智能微電網中各單元間交互圖

傳統分布式發(fā)電并網中各單元間的信息交互圖智能微電網的分類和結構Part.03智能微電網的分類與結構03按照母線傳送的電流類型分：直流智能微電網和交流智能微電網；按照智能微電網輸出電壓的高低分：低壓智能微電網和高壓智能微電網，按照是否與電網并網運行分：并網型智能微電網和孤島（離網）型智能微電網，按照輸出的相數分：單相智能微電網和三相智能微電網。智能微電網的分類與結構031.直流智能微電網和交流智能微電網直流智能微電網是指系統中的DG、儲能裝置、負荷等均通過電力電子變換裝置連接至直流母線上，直流網絡再通過逆變裝置連接至外部交流電網，如圖左。交流智能微電網是指DG、儲能裝置等均通過電力電子變換裝置連接至交流母線，再通過控制公共聯結點(PCC)處的開關，既可實現并網運行，又可實現孤島運行，如圖右。智能微電網的分類與結構032.并網和離網智能微電網并網型智能微電網主要包括：光伏發(fā)電與風力發(fā)電等分布式發(fā)電系統、蓄電池組、及由雙向逆變器等組成的儲能系統、負荷系統、并網逆變器、智能微電網中央控制系統等，如圖左。孤島型智能微電網系統主要包括：風力發(fā)電系統、光伏發(fā)電系統、并網逆變器、蓄電池組、雙向逆變器、智能微電網中央控制系統等，如圖右。智能微電網的分類與結構032.并網和離網智能微電網并網型智能微電網主要包括：光伏發(fā)電與風力發(fā)電等分布式發(fā)電系統、蓄電池組、及由雙向逆變器等組成的儲能系統、負荷系統、并網逆變器、智能微電網中央控制系統等，如圖左。孤島型智能微電網系統主要包括：風力發(fā)電系統、光伏發(fā)電系統、并網逆變器、蓄電池組、雙向逆變器、智能微電網中央控制系統等，如圖右。智能微電網的分類與結構033.單相和三相并網智能微電網單相并網型：是指智能微電網的輸出以單相交流電的形式接入配電網。三相并網型：是指智能微電網的輸出以三相交流電的形式接入配電網。智能微電網的分類與結構034.智能微電網系統的典型結構智能微電網系統的典型結構一般包含：分布式電源、儲能系統、控制系統、能量管理系統、調度系統及負荷系統，其結構如圖。智能微電網的分類與結構035.智能微電網系統的控制體系就地控制層：實現故障保護、孤島檢測、低壓低頻減載、系統電壓穩(wěn)定、有功、無功功率的自動調節(jié)等功能，實現智能微電網的暫態(tài)過程控制。智能微電網集中控制層：實時監(jiān)控，實現離網能量平衡控制、分布式電源出力平滑控制、自動電壓無功控制、分布式電源發(fā)電互補經濟運行分析、冷熱電聯供優(yōu)化控制、消峰填谷等功能。配電網調度層：智能微電網與配電網的交互，將并離網狀態(tài)等重要信息上傳至配電網調度中心，并接受配電網調度中心對交換功率、電壓等運行指標的遠方控制。智能微電網的特點Part.04智能微電網的特點041.智能微電網的特點（1）智能微電網集成多種能源輸入、多產品輸出、多種能源轉換單元。（2）智能微電網中包含多種分布式電源，安裝位置靈活，一般通過電力電子接口接入，并通過一定的控制策略協調運行，共同統一于智能微電網這個有機體中。（3）一般而言，智能微電網與外電網之間僅存在一個公共連接點（PCC），對外電網而言，智能微電網可以看作電網中的一個可控電源或負載，它可以在數秒鐘內反應以滿足外部輸配電網絡的需求，可以從外電網獲得能量，在智能微電網內電力供應充足或外電網供電不足時，智能微電網甚至可以向電網倒送電能。智能微電網的特點041.智能微電網的特點（4）正常狀況下，智能微電網與外電網協調并網運行，共同給智能微電網中的負荷供電；當監(jiān)測到外電網故障或電能質量不能滿足要求，微電網轉入孤島運行，由智能微電網的分布式電源給智能微電網內關鍵負荷繼續(xù)供電，保證負荷的不間斷電力供應，維持智能微電網自身供一般需能量平衡，從而提高了供電的安全性和可靠性；外電網故障消失或電能質量滿足要求時，智能微電網重新切換到并網運行模式。智能微電網控制器可根據實際運行條件的變化實現兩種模式平滑切換。（5）智能微電網存在上層控制器，通過能量管理系統對分布式電源進行經濟調度和能量優(yōu)化管理，可以利用智能微電網內各種分布式電源的互補性，更加充分合理的利用能源。智能微電網的特點042.智能微電網的優(yōu)點多DG集成，實現DG優(yōu)勢互補：解決了大規(guī)模DG的接入問題，繼承了單個DG系統所具有的優(yōu)點，同時可以克服單個DG并網時的缺點，減少單個分布式電源可能給電網造成的影響，實現不同DG的優(yōu)勢互補，有助于DG的優(yōu)化利用。靈活運行，提高供電可靠性：當外電網發(fā)生較嚴重的電壓閃變及跌落時，智能微電網可根據負荷重要性等級，通過靜態(tài)開關將重要負荷隔離起來孤島運行，保證局部供電的可靠性。降低成本，降低電價：通過縮短發(fā)電與負荷供電間的距離，降低輸電損耗和因電網升級改造而帶來的成本增加。智能微電網的特點043.智能微電網在實際應用中還存在諸多挑戰(zhàn)，具體如下：相關支持政策：智能微電網建設、運營模式與目前電力法規(guī)存在一定的沖突，國家相關政策有待于明晰，已成為智能微電網發(fā)展的障礙之一。電力電子等器件性能：分布式電源相對于傳統大發(fā)電機慣性很小或無慣性，能量需求變化的瞬間分布式電源無法滿足其需求；通過逆變器接口的電源過載能力低，故障特性與旋轉發(fā)電設備具有明顯不同，使得智能微電網的運行及故障特性與傳統電網有明顯區(qū)別，增加了繼電保護及自動化控制等方面的配置難度。相關設施設備：儲能變流器、并網接口、協調控制器、繼電保護及自動化等設備還不夠完善，特別是智能微電網中多種接口形式的電源協調穩(wěn)定運行技術還有待進一步的研究和深入的實驗驗證。智能微電網的運行模式Part.05智能微電網的運行模式05智能微電網有并網和離網兩種運行模式，在這兩種運行模式下存在著并網、孤島、并網與孤島運行模式之間過渡的運行狀態(tài)，另外還存在智能微電網的故障檢修及大電網直供負荷的運行狀態(tài)。智能微電網的運行模式05智能微電網的啟動分為：冷啟動、熱啟動和黑啟動。冷啟動：智能微電網從頭開始啟動或停運后的再啟動。熱啟動：智能微電網在運行過程中啟動相關設備。黑啟動：智能微電網排除故障后啟動或人為斷電而依靠新能源來加速整個智能微電網的啟動。智能微電網的運行模式05智能微電網的孤島運行與并網運行（1）孤島運行：又稱智能微電網的離網運行，是指智能微電網與電網隔離開來獨立運行。孤島運行可以分為計劃內孤島運行和計劃外孤島運行。計劃外孤島運行：在外部電網發(fā)生故障或其電能質量不符合智能微電網系統標準，智能微電網以孤島方式獨立運行。計劃內孤島運行：基于經濟性、電網的消納能力或其他方面的考慮，電網遠程調度下發(fā)指令使智能微電網與電網脫離或智能微電網主動與電網隔離起來，使得智能微電網獨立運行。智能微電網的運行模式05智能微電網的孤島運行與并網運行（2）并網運行指智能微電網通過PCC點與大電網相連，與大電網之間進行有功功率交換。當負荷所需電量大于分布式電源發(fā)電量，智能微電網從電網獲取電能；當負荷所需電量小于分布電源所發(fā)電量，智能微電網向電網輸送電能。智能微電網的控制方法Part.06智能微電網的控制方法06控制主要包括智能微電網內分布式電源的控制和智能微電網系統的控制兩部分。1.智能微電網內分布式電源控制智能微電網中的DG按照并網方式可以分為逆變型電源（占絕大多數）、同步機型電源和異步機型電源。。逆變型DG的控制方法主要有三種：P/Q控制方法、V/F控制方法、Droop控制方法。（1）P/Q控制方法：即恒功率控制。（2）V/F控制方法：即恒壓恒頻控制。(a)頻率下垂特性(b)電壓下垂特性V/F控制原理智能微電網的控制方法06控制主要包括智能微電網內分布式電源的控制和智能微電網系統的控制兩部分。1.智能微電網內分布式電源控制智能微電網中的DG按照并網方式可以分為逆變型電源（占絕大多數）、同步機型電源和異步機型電源。。逆變型DG的控制方法主要有三種：P/Q控制方法、V/F控制方法、Droop控制方法。（3）Droop控制方法：即下垂控制方法Droop控制原理圖智能微電網的控制方法06控制主要包括智能微電網內分布式電源的控制和智能微電網系統的控制兩部分。2.智能微電網系統的控制方法主從控制法：指智能微電網處于孤島運行模式時，其中一個DG（或儲能裝置）采取恒壓恒頻控制（V/f控制），用于向智能微電網中的其他DG提供電壓和頻率參考，而其他DG則可采用恒功率控制（P/Q控制）。智能微電網的控制方法06控制主要包括智能微電網內分布式電源的控制和智能微電網系統的控制兩部分。2.智能微電網系統的控制方法對等控制法：指智能微電網中所有的DG在控制上都具有同等地位，各控制器間不存在主和從的關系，每個DG都根據接入系統點電壓和頻率的信息進行控制。智能微電網的控制方法06控制主要包括智能微電網內分布式電源的控制和智能微電網系統的控制兩部分。3.智能微電網系統的控制方法分層控制法：指通過智能微電網中的中央控制器和DG中的本地控制器來分層協同控制從而達到控制智能微電網內電壓、頻率的一種控制法。兩層控制智能微電網結構智能微電網的控制方法06控制主要包括智能微電網內分布式電源的控制和智能微電網系統的控制兩部分。3.智能微電網系統的控制方法分層控制法：指通過智能微電網中的中央控制器和DG中的本地控制器來分層協同控制從而達到控制智能微電網內電壓、頻率的一種控制法。弱通訊聯系的兩層控制結構智能微電網的控制方法06控制主要包括智能微電網內分布式電源的控制和智能微電網系統的控制兩部分。3.智能微電網系統的控制方法智能微電網三層控制方案智能微電網的穩(wěn)定性控制方法Part.07智能微電網的穩(wěn)定性控制方法07智能微電網的穩(wěn)定性控制方法主要有單主或多主控制、孤島下垂控制、儲能裝置平滑控制、甩負荷控制及再并網控制等。1.單主或多主控制法在智能微電網孤島運行和孤島與并網切換運行的過程中都需要頻率和電壓作為參考，僅用一個參考電源時稱