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我国微电网技术研究进展

时间:2017-05-17 来源:88必发老虎机 所属分类: 电气工程论文 本文字数:11292字

  摘要:微电网是集发、配、用电为一体的自治系统,构建了全新的能源技术公平竞争体系,具有长久的技术、经济、环境和社会效益。本文首先从供电模式角度就交流、直流、交直流混合3种形式微电网进行说明,总结了微电网中的储能技术;然后,着重分析了分层控制中每层控制的具体特征、特殊架构、优化算法与发展规律,指出了各层控制的问题及研究方向,探讨了微电网规划设计方法理论,并研究了微电网安全保护机制;最后,结合当前现状,阐述了微电网与能源互联网的关系,提出了微电网未来发展建议。

  关键词:微电网技术;可再生能源;储能技术;控制策略;保护机制;能源互联网。

  0、引言。

  近年来,电力系统呈现出用电负荷不断增加、输电容量逐渐增大的特点,大容量集中式发电、远距离高电压传输的互联大电网运营成本高、运行难度大、调节能力弱的问题日益凸显,难以满足用户越来越高的安全性、可靠性、多样性、灵活性供电需求。随着新型电力电子技术的不断成熟,基于风、光、热、储等绿色能源的分布式发电技术蓬勃发展。分布式发电具有能源利用率高、环境污染小、供电灵活性强、投入成本低等优点,开发利用高效经济、灵活可靠的分布式发电技术是解决能源危机和环境问题的有效途径。为了减缓大规模的分布式电源单机入网对大电网的冲击,弥补电力系统对分布式电源广泛渗透承载能力的不足,充分发挥分布式发电技术的优势,微电网[1-2]的概念应运而生。

  微电网具有多源低惯性供能、多模式协调运行、多模块互补支撑、多级架构灵活互动的特点,是由分布式电源、负荷单元及储能装置按照特定的拓扑结构组成的具备独立管理、保护、控制能力的集约化新型电力网络,是以新能源发电技术为支柱、低惯性电力电子装置为主导的多约束、多状态、多维度的复杂自治电力系统。微电网有并网和孤岛两种运行模式,并且可以在两种模式之间平滑无缝切换,一般通过单点接入主网,具有 “即插即用”的灵活性和可控性,是未来智能电网的重要组成部分[3].当微电网处于并网模式时,能实现公共电网、分布式电源与负荷的一体化协调运行和各种能源资源的梯级高效利用;当大电网发生故障时,微电网通过解列控制进入孤岛模式,单独向敏感负荷供电,充分满足用户对供电安全性、可靠性需求。

  在 “863”、“973”国家重点项目的支持下,我国微电网技术迅猛发展。

  2012年,国家能源局制定的 《可再生能源发展 “十二五”规划》指出,到2015年我国将建成30个新能源微电网示范工程。

  2015年7月,国家能源局发布了 《关于推进新能源微电网示范项目建设的指导意见》,国家能源局将结合项目具体技术经济性会同国务院有关部门研究制定相关支持政策,使微电网发展上升到新的高度。

  2015年9月,国家能源局又发布了 《配电网建设改造行动计划(2015-2020年)》,将新能源与分布式电源并网、微电网示范工程列入配网建设规划。本文首先对交流、直流、交直流混合三种形式的微电网进行说明,介绍了微电网中的储能技术的发展状况,然后从控制策略、规划设计、保护机制等方面进行探讨,简要介绍了能源互联网技术,并提出了微电网未来发展建议。

  1、微电网简介。

  微电网分为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网。交流微电网中,风机、微燃机等输出交流电的分布式电源通常直接或经AC/DC/AC转换装置连接至交流母线,而光伏模块、燃料电池等输出直流电的分布式电源则必须经过DC/AC逆变器连接至交流母线,分布式电源和公共电网依照特定的计划为负荷供电。鉴于分布式电源的随机性和间歇性,电力潮流的双向流动性等特点,交流微电网在电能质量、保护控制方面面临巨大挑战。因此,详细的网络架构规划、可靠的保护通信系统、稳定的运行控制技术是交流微电网良好运营的关键。

  直流网络构架是未来微电网发展的方向,更加符合负荷多样性的发展趋势,分布式电源、储能系统、交直流负荷等均通过电力电子装置连接至直流母线,储能系统可以通过电力电子装置补偿分布式电源和负荷的波动。与交流微电网相比,直流微电网具有损耗小、效率高、控制简单等优势[4-6],但是,直流微电网仅仅处于起步阶段且规划设计缺乏成熟统一的标准,大规模推广与发展是一个长期的过程。

  交直流混合微电网既含有直流母线又含有交流母线,既可以直接向直流负荷供电又可以直接向交流负荷供电,解决了多次换流带来的诸多问题,降低了电力变换带来的能量损耗,具有更高的效率和灵活性[7],是未来最有潜力的配电网形式。其具有直流部分独立运行、交流部分独立运行、交直流部分协调运行3种运行模式,囊括了交流微电网和直流微电网的优点,对交直流分布式电源皆有较好的兼容性。

  2、微电网中的储能技术。

  以风能、太阳能等新能源为主的分布式电源大规模集成渗透使微电网在供电质量、连续性、稳定性等方面面临严峻挑战。高效可靠的储能系统通过控制供需能量提供类似惯性的功能,是以新能源为支柱、低惯性电力电子装置为主导的微电网正常运行的保证。微电网中储能技术应用如下[8-10]:①通过合理有序的储能系统控制策略,弥补分布式电源随机性、间歇性和不可控性缺陷,增强分布式电源的稳定性与可调度性;②在负荷低谷时充电,在负荷高峰时放电,作为微电网能量缓冲环节实现负荷的削峰填谷;③基于储能系统的快速响应特性,减缓模式切换过渡的暂态冲击,实现微电网无缝平滑切换,并为微电网的孤岛运行提供电压和频率支撑;④为微电网提供有功功率支撑或无功功率补偿,平滑微电网电压波动,改善微电网的电能质量。

  储能系统分类标准很多,根据电能供应速度储能系统可分为3类[10]:①服务于能量管理体系的小时级电能供应储能系统;②处理电力瞬时短缺的分钟级电能供应储能系统;③用于有功或无功功率补偿的秒级电能供应储能系统。为了充分发挥储能系统的优势,通常将不同性能的储能装置进行互补组合。能量密度大的蓄电池和功率密度大、循环寿命长的超级电容组合成的混合储能系统可以提高功率输出能力,延长使用寿命[11];超级电容与压缩空气储能优化组成的混合储能系统在大容量存储的条件下具有高动态响应性能[12].在微电网运行过程中,需要整合不同的储能装置以达到特定的运行目标,混合储能系统是储能技术发展和应用的趋势。

  3、基于分层理念的微电网控制策略。

  稳定可靠的控制策略是微电网良好运行的保证,也是其优势充分发挥的关键。基于分层理念形成的微电网系统控制策略是当前最常用的控制架构,也是微电网控制技术不断发展完善的方向,利用分层控制架构可以在不同的时间尺度上实现对微电网电气量的控制,分层控制包括第一层、第二层及第三层控制三部分。

  3.1第一层控制。

  第一层控制为分布式电源和负荷本地自主控制,主要通过分布式电源控制器和负荷控制器实现有功功率和无功功率特定分配、维持微电网孤岛过程中电压和频率的稳定,提高微电网的稳态和暂态性能,其需要最快响应分布式电源供能和负荷需求的变化。分布式电源的控制是第一层控制的关键,目前多采用双环控制模式:内环动态响应较快,通过不同的控制算法提高逆变器输出信号的质量;外环动态响应较慢,通过不同的控制策略达到特定控制目的。内环控制算法中最常用的是经典PI调节器,其是适用于线性时不变、单输入单输出系统的线性控制器,由于对直流量具有较好的调节效果,而调节交流量时存在稳态误差,往往用于旋转坐标系控制,具有控制结构清晰简单的优点,可以实现大部分的控制目标[13].比例谐振控制器(propor-tional resonant,PR)可以实现交流量的有效控制,同时具有较高的动态性能和低次谐波控制效果,但是不能解决高次谐波问题,且控制器参数设计复杂性较高,其通常运用于静止坐标系的控制[14].另外,滞环控制和无差拍控制可以实现非线性控制,而预测控制、滑模控制等算法在文献 [13-14]中被详细说明,这些算法可以通过不同的控制方式实现各自的控制目标。外环控制策略常见的有:恒功率控制、恒压/恒频控制和下垂控制。

  恒功率控制利用电网电压和频率作为支撑,通过有功功率和无功功率解耦控制实现分布式电源功率输出的恒定,一般应用于微电网并网运行状态。

  恒压/恒频控制主要应用于微电网孤岛运行状态,通过调节分布式电源输出的有功功率和无功功率实现系统频率和电压的稳定。下垂控制模拟发电机功频特性,通过对逆变器输出电压的幅值和频率的调节来实现有功功率和无功功率的特定分配,不需要额外的通信线路,既可以应用于孤岛模式也可以应用于并网模式,是目前最有发展和应用潜力的分布式电源控制策略。传统下垂控制有一定缺陷:低压线路呈阻性,导致逆变器间环流大,功率分配不精确;孤岛模式下,电压和频率会随着负荷变化而波动;为有差控制,会有频率和电压的偏差;下垂系数过大会导致电压和频率波动剧烈,下垂系数过小又会导致功率分配不精确。因此,许多改进下垂控制被提出。为消除线路阻抗对下垂控制的影响,通常有两种改进方法[15-17]:①通过分析和补偿线路阻抗对有功和无功功率的影响实现电压和频率下垂控制的解耦;②通过逆变器合理控制输出虚拟阻抗。

  为了减小下垂系数的影响,改进的自适应调节下垂系数控制方法被提出[18-19],提高了系统稳定性和可靠性。另外,通过二次调压调频[20-21]维持系统电压和频率的稳定也是改进下垂控制的方向之一。

  主从模式和对等模式是微电网分布式电源控制最常用的两种结构。当微电网采取主从控制时,并网状态下的分布式电源通常采取恒功率控制,而在进入孤岛状态后,输出稳定的分布式电源或储能系统作为主控单元需切换至恒压/恒频控制策略,并为从控制单元提供电压和频率的参考[22].微电网采取对等控制时,分布式电源通常选择下垂控制且无主从之分,孤岛状态下自主参与系统电压和频率的整定,易于实现 “即插即用”和 “无缝切换”[23].

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