分布式能源和微電網(wǎng)綜述

1、分布式能源和微電網(wǎng)綜述摘要：分布式能源（DER）涵蓋的技術(shù)如柴油發(fā)動機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、光伏發(fā)電、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。微電網(wǎng)概念的核心就是分布式能源、可控負(fù)載以及儲能設(shè)備的協(xié)調(diào)運行和控制，其中儲能設(shè)備包括飛輪、超級電容器和蓄電池等。微電網(wǎng)能夠與主網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行，或者運行在孤島模式。本文總結(jié)和研究了微電網(wǎng)技術(shù)，并闡述了微電網(wǎng)的運行以及市場環(huán)境中的微電網(wǎng)。關(guān)鍵詞：分布式能源，微電網(wǎng)，運行，多代理系統(tǒng)（MAS）1、緒論由于科技進(jìn)步和環(huán)境保護(hù)的要求，一些分布能源（DER）如內(nèi)燃機(jī)（IC）、微型燃?xì)廨啓C(jī)、光伏發(fā)電、燃料電池和風(fēng)力發(fā)電1，已經(jīng)在配電網(wǎng)中應(yīng)用。獨立分布式發(fā)電的應(yīng)用可以解決很多問題，但其本身

2、也存在不少缺陷。為更好地實現(xiàn)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(guān)的負(fù)載構(gòu)成一個子系統(tǒng)或微電網(wǎng)（MG）。在文獻(xiàn)2中，認(rèn)為微電網(wǎng)是一組負(fù)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(xiàn)2,3分析了微電網(wǎng)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(lián)產(chǎn)（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(wǎng)可以運行在兩個不同的運行條件下：正常并網(wǎng)運行模式和緊急模式（孤島模式）4。由于電能生產(chǎn)的特點，微電網(wǎng)中大多數(shù)分布式電源不可以直接與電網(wǎng)相連。因此，微電網(wǎng)中需要電力電子接口（DC/AC或AC/DC/AC），而在微電網(wǎng)運行中的主

3、要問題就是逆變器的控制。微電網(wǎng)通過中壓/低壓（MV/LV）變電站的微電網(wǎng)中央控制器（MGCC）來進(jìn)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(guān)鍵功能包括經(jīng)濟(jì)管理功能和控制功能4。本文的主要目的是，總結(jié)和研究了微電網(wǎng)技術(shù)。在第2節(jié)中，介紹了微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀，其中重點介紹微電網(wǎng)在歐洲和日本的發(fā)展。第3節(jié)描述了微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，其包括微電源、儲能設(shè)備和逆變器。然后，第4節(jié)詳細(xì)討論了微電網(wǎng)緊急運行的兩種方式，在本節(jié)中也介紹了微電網(wǎng)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(wǎng)，并重點分析了多代理系統(tǒng)（MAS）。2.微電網(wǎng)的現(xiàn)狀“MICROGRIDS”項目是歐洲關(guān)于可再生能源和分布式發(fā)電

4、接入技術(shù)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(wǎng)的運行、控制、保護(hù)、安全、電信基礎(chǔ)設(shè)備，并且確定和量化微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。其目的是通過發(fā)展和推廣微電網(wǎng)的概念，來提高它在電網(wǎng)中的滲透率，其中相關(guān)的內(nèi)容有，研究微型發(fā)電機(jī)控制策略和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、開發(fā)多分布式發(fā)電的微電網(wǎng)運行管理工具，開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)和商業(yè)協(xié)議，詳見文獻(xiàn)5。Amorim等人在文獻(xiàn)6中，簡述了“MICROGRIDS”項目中的一個葡萄牙低壓電網(wǎng)。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(jìn)效率和可靠性的措施。其得出的結(jié)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(hù)的

5、硬件；為防止微電網(wǎng)的電壓擾動，需要詳細(xì)分析其從聯(lián)網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換到孤島模式的過渡過程；微電網(wǎng)黑啟動是另一項重要的挑戰(zhàn)。測試表明了微型燃?xì)廨啓C(jī)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(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展組織（NEDO）在2004年，開始了新能源接入本地電網(wǎng)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(wǎng)近接于一點，因而其對沒大電網(wǎng)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(wǎng)（AC），文獻(xiàn)8提出了應(yīng)用分布式電源的直流（DC）系統(tǒng)。該實驗系統(tǒng)在，10kW直流

6、太陽能電池發(fā)電機(jī)組、風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)組、儲能單元、功率調(diào)節(jié)單位、與交流電網(wǎng)相連的逆變器的基礎(chǔ)上設(shè)計和建造。實驗結(jié)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(wǎng)逆變器和存儲單元可以分配到適量的功率。3.微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)在微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)圖中（圖1），該系統(tǒng)包含一組放射式饋線和一個集中負(fù)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(guān)，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(wǎng)項目中，微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用圖2所示的運行架構(gòu)。它包括一個低壓網(wǎng)絡(luò)、負(fù)載（部分可中斷）、可控和不可控的微電源、儲能設(shè)備、通過通信設(shè)施監(jiān)測和控制微電源與負(fù)載的分層管理控制

7、系統(tǒng)。分層管理控制系統(tǒng)是的中心是MGCC。其第二層是負(fù)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(fù)荷控制器和微型控制器提供設(shè)置點來管理微電網(wǎng)運行。在網(wǎng)絡(luò)中，控制器之間的數(shù)據(jù)交換量小，這是因為交換的信息主要包含LC和MC的設(shè)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(wǎng)開關(guān)的信號。圖1 微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)圖2 分層管理控制的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)3.1微電源微電網(wǎng)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(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、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

8、令人印象深刻，但文獻(xiàn)9指出分布式能源的普及率并沒有達(dá)到預(yù)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(jī)構(gòu)正在積極解決這些問題，其中包括能源部和國家機(jī)構(gòu)。 文獻(xiàn)1詳細(xì)介紹了一些新興的發(fā)電技術(shù)，文獻(xiàn)10則建立了幾個描述微電源動態(tài)行為的模型。此外，文獻(xiàn)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(wǎng)中負(fù)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(wǎng)）通過發(fā)電機(jī)慣性儲能。當(dāng)來新的負(fù)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(xiàn)2中指出，多微電源的系統(tǒng)在孤島模

9、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(yīng)時間常數(shù)大（10s-200s），如燃料電池、微型渦輪機(jī)，為了平衡潮流擾動和重要負(fù)荷的變化，儲能裝置必須提供所需的電量。這些設(shè)備可以作為可控交流電壓源來處理系統(tǒng)變化，如負(fù)荷跟蹤。盡管作為電壓源，這些設(shè)備有物理限制，其存儲容量有限。 微電網(wǎng)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(shè)備（電池、飛輪等）；利用傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的慣性儲能。 Venkataramanan和Illindala在文獻(xiàn) 12 中，認(rèn)為進(jìn)行的鉛酸蓄電池最合適在微電網(wǎng)中應(yīng)用，它們在非常短的時間間隔內(nèi)能夠提供較大的電流。3.3逆變器控制由于電能生

10、產(chǎn)的特點，微電網(wǎng)中大多數(shù)分布式電源不可以直接與電網(wǎng)相連。因此，微電網(wǎng)中需要電力電子接口（DC/AC或AC/DC/AC），而在微電網(wǎng)運行中的主要問題就是逆變器的控制。 Pecas Lopes等人在文獻(xiàn)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(jù)下列控制策略導(dǎo)出，PQ逆變器控制：逆變器用來維持給定的有功和無功設(shè)定點；電壓源逆變器（VSI）控制：逆變器的電壓和頻率控制在預(yù)定值。圖3 逆變器接口系統(tǒng)文獻(xiàn)1中，假設(shè)微電網(wǎng)運行中微電源的電力電子控制器已得到改進(jìn)，可以提供一系列關(guān)鍵功能。其中影響系統(tǒng)性能的關(guān)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(diào)節(jié)

11、對于當(dāng)?shù)氐墓╇娍煽啃院头€(wěn)定性是十分重要的。如果沒有對當(dāng)?shù)仉妷哼M(jìn)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(shè)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(chǎn)生的容性無功增加，當(dāng)?shù)仉妷涸O(shè)置點降低；或者使微電源產(chǎn)生的感性無功增加，電壓設(shè)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(chǎn)生的輕微頻率干擾和改變功率運行點來與負(fù)荷的變化相匹配。微電源在沒有通信網(wǎng)絡(luò)時，仍可以有效地解決有功功率與頻率下垂的問題。當(dāng)微電網(wǎng)脫離大電網(wǎng)孤立運行時，微電網(wǎng)中每個微電源的電壓相角都會發(fā)生變化，這將導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐念l率明顯下降。頻率

12、下降和負(fù)荷有功功率的增加，要求系統(tǒng)中所有微電源應(yīng)合理分配有功功率。 Li等在文獻(xiàn)13中設(shè)計與分析了多母線微電網(wǎng)系統(tǒng)的控制器。該控制器采用三相接口逆變器，用于調(diào)節(jié)分布式發(fā)電（DG）系統(tǒng)的內(nèi)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(xiàn)14中提出了一種電網(wǎng)電能質(zhì)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(wǎng)中敏感負(fù)荷電壓和微電網(wǎng)于大電網(wǎng)間的電流。并聯(lián)逆變器A的主要功能是，在微電網(wǎng)所有運行條件下，維持敏感負(fù)載電壓的平衡。而串聯(lián)逆變器B主要功能是，在配電饋線中引入適當(dāng)?shù)碾妷海胶饩€電流和限制在大電網(wǎng)電壓驟降期

13、間的故障電流。4.微電網(wǎng)緊急運行、故障檢測和安全分析靈活的微電網(wǎng)可以運行在兩種不同的條件下。一是正常的并網(wǎng)運行模式，微電網(wǎng)可以從大電網(wǎng)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(dāng)微電網(wǎng)切斷和MV電網(wǎng)的聯(lián)系時，微電網(wǎng)將自治運行（就像自然界中的島嶼）。 微電網(wǎng)孤島運行的原因有，計劃切斷與MV電網(wǎng)的聯(lián)系（由于維修的需要）和強制中斷（由于MV電網(wǎng)的故障）。4.1微電網(wǎng)緊急運行的兩種方式Pes Lopes等在文獻(xiàn)15中介紹了微電網(wǎng)孤島運行的兩種方式。第一種方式主要關(guān)注變頻器的控制模式。由于微電網(wǎng)是以逆變器為主的電網(wǎng)，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(jī)控制密切

14、相關(guān)。 A.逆變器控制模式如果微電網(wǎng)由一組微電源供電而且主網(wǎng)的電力供應(yīng)（MV電網(wǎng)）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(wǎng)，使微電網(wǎng)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(wǎng)由儲能設(shè)備來進(jìn)行一次調(diào)頻，切除不重要負(fù)荷和二次負(fù)荷頻率控制也是微電網(wǎng)孤島運行的關(guān)鍵。相關(guān)內(nèi)容詳見文獻(xiàn)12，它給出了逆變器內(nèi)部控制和相關(guān)仿真的細(xì)節(jié)。B.一次能源控制微電源和儲能設(shè)備采用同步發(fā)電機(jī)和STATCOM電池儲能器（STATCOM-BES）。在并網(wǎng)模式下，微電網(wǎng)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(wǎng)的

15、頻率可能快速變化。微電源的控制和儲能設(shè)備對于維持微電網(wǎng)孤島模式時的頻率是非常重要的4,12。微電網(wǎng)負(fù)載的變化時,根據(jù)下垂特性和負(fù)荷頻率/電壓靈敏度的控制，將導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)頻率和電壓偏差，儲能設(shè)備將有利于總體變化。需增加儲能設(shè)備的輸出來進(jìn)行二次調(diào)頻控制，從而恢復(fù)微電網(wǎng)的頻率/電壓至其正常值。4.2微電網(wǎng)故障檢測當(dāng)微電網(wǎng)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(jī)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(jī)，為了保護(hù)它們的電力電子設(shè)備而限制其輸出電流，一般被限制在2倍的半導(dǎo)體設(shè)備額定電流2,16。這就限制了常規(guī)過量電流保護(hù)的使用，因此需要開發(fā)其他保護(hù)技術(shù)。文獻(xiàn)2的結(jié)論是，由于

16、微電網(wǎng)的設(shè)計和運行具有獨特的性質(zhì)，因此需要重新研究繼電保護(hù)的基本原理。一個相當(dāng)好的辦法就是，開發(fā)比傳統(tǒng)繼電器更準(zhǔn)確的實時故障定位技術(shù)。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(xiàn)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(jìn)行主動孤島檢測的技術(shù)。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(diào)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

17、在PCC點加入頻率偏移。文獻(xiàn)17介紹了一種新型的保護(hù)方案，它可以保護(hù)區(qū)內(nèi)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(wǎng)區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障。 Mahinda Vilathgamuwa等在文獻(xiàn)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(wǎng)電壓驟降時微電網(wǎng)的線電流進(jìn)行保護(hù)。在阻感算法中，通過控制微電網(wǎng)和大電網(wǎng)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(wǎng)的安全分析對于低壓網(wǎng)絡(luò)的分布式電源，微電網(wǎng)的故障會使地電位大大升高。因此分布式電源和微電網(wǎng)與大電網(wǎng)間變壓器的接地方式，

18、需要詳細(xì)分析和制定適當(dāng)?shù)囊?guī)則。 低壓系統(tǒng)接地方式就是指，MV/LV變壓器（為負(fù)荷供電）副邊和負(fù)載設(shè)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(wǎng)，首選TN-C-S方式，而TT次之。此外文獻(xiàn)19設(shè)計了一個典型微電網(wǎng)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(biāo)準(zhǔn)的安全接觸電壓和已通過等級電壓。文獻(xiàn)20中提出了微電網(wǎng)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(wǎng)利用多代理技術(shù)能夠解決一些具體的操作調(diào)度問題。首先分布式電源的擁有者不同且部分決策需現(xiàn)場確定，因而對其進(jìn)行集中

19、控制十分困難。由于微電網(wǎng)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(wù)：為當(dāng)?shù)毓?，保持?dāng)?shù)仉妷悍€(wěn)定，為重要負(fù)荷提供備用21-23。上述任務(wù)都說明了分布式控制和自治運行的重要性。Dimeas和Hatziargyriou在文獻(xiàn)21介紹四種代理：生產(chǎn)代理、消費代理、電力系統(tǒng)代理和微電網(wǎng)中央控制器代理（MGCC）。MGCC代理只起到協(xié)調(diào)任務(wù)的作用，就是確定市場周期內(nèi)談判過程的開始和結(jié)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(wǎng)調(diào)度(DNO)和中壓等級的市場調(diào)度(MO)微

20、電網(wǎng)中央控制器(MGCC)本地控制器(LC)，包括微電源控制器和負(fù)荷控制器DNS/MO和微電網(wǎng)間的主要接口就是微電源控制器MGCC。MGCC主要負(fù)責(zé)優(yōu)化微電網(wǎng)運行；或者協(xié)調(diào)本地控制器，而優(yōu)化運行由LC承擔(dān)。文獻(xiàn)22概述了為提高不同政策的實時市場中微電網(wǎng)的效率，微電網(wǎng)中央控制器MGCC應(yīng)具有的主要功能。6.結(jié)論本文總結(jié)了分布式能源和微電網(wǎng)的研究工作。介紹了微電網(wǎng)及微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。 接著，詳細(xì)分析了微電網(wǎng)運行。最后概述了市場環(huán)境中的微電網(wǎng)。 微電網(wǎng)是一種新型的電力系統(tǒng)，它的技術(shù)到現(xiàn)在還沒有成熟。為了可以使它早日在市場中應(yīng)用，還有很多工作需要我們?nèi)プ觥Ｈ毡竞鸵恍W洲組織已經(jīng)在這個方向做了一些研究，盡管仍

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