2022年微网发展与微网新技术借鉴 .pdf

摘要 分布式发电大量而快速的渗透为电网安全有效的运行提出新的挑战。采取系统的方法即把发电和相关负荷看成一个子系统或者“微网”是实现分布式发电新型潜力的更好方式。关于微网的理论基础，仿真研究，示范工程等，在国外已经很好的发展，本文旨在详细阐述微网的发展和新技术，重点详细介绍微网不同运行方式下的控制方式和微网保护系统的难点，新思路以及微网管理控制，为微网在中国快速而有效的发展提供一些理论基础。1关键词：微网；微网技术；微网管理。I.引言现代大电力系统的常规布置方式有很多优点，大发电装置只需要少量的运行人员，而且互联高压输电网允许发电机存储裕度最小化，因为其可以随时调度效率最高的发电厂，以有限的电能损耗远距离传输大的功率。然而，近年来世界范围内接连发生的大停电教训已经显示了互联电力系统对自然灾害和不可预期的现象所导致的电网故障所表现出来的脆弱性。今天开放的电力市场产生的额外压力，用户需求的变化和当今社会对先进的技术服务的高度依赖性给传统的电力系统增加了更大负担，其要求提供更可靠灵活的电力基础设施。采用大量小型的分布式发电单元的配电网络的改组能改善系统的可靠性水平并提供不同质量水平的服务。然而，由于，一方面，配电网络运行人员(DNOs ）主要关心的是分布式电源（DER ）高渗透率对主网电能质量的不利影响，尤其是间歇式可再生能源导致的功率波动问题。另一方面，DER主要依赖于骨干电网的电压/ 频率调节。所以，根据目前的规划和管理环境，对上级馈线故障，高压线路断开或者是失去一个大的发电厂时，为满足供需平衡，对发电短缺采取的应急管理措施是切负荷，强迫停电等。即使局部发电单元有足够的能力可为局部负荷提供服务并阻止滚动停电，由于配电系统运行方式和两种控制水平（ DNOs和独立发电生产商）之间缺乏协调，不允许部分系统孤立运行。而实际上，这时候它们的输出是非常必要的。随着新型技术的应用，尤其是电力电子接口和现代控制理论的浮现，微网出现了。微网将发电机、负荷、储能装置及控制装置等结合，形成一个单一可控的单元，同时向用户供给电能和热能。基于微网结构的电网调整能够方便大规模的DER互联并接入中低压配电系统，提供一种充分利用DER发电单元的机制。相对于以前，分别处理不同技术的个别发电单元，微网设计方法提供了一种大规模部署、DER/RES （可再生能源）自治控制的系统方法。微网方法促进 1）基于 DER和负荷的高效率能源供应系统的发展 2）考虑基于用户技术选择和电能质量需求的服务分化的安全可靠的供电结构的发展。3）停电和能源危机期间，脱离主网，有足够的发电和平衡能力1国家科学自然基金863资助项目审批号： 2007AA05Z249 的电源，独立自治运行的能源传输结构的发展【1】。表 1 显示了配电系统规划的传统方法和基于分布式能源发电和微网的新型规划方法的主要不同点。表 1 配电系统规划方法过去现在将来规划传统方法分布式能源系统微网联合发电（generation integration）集中式现场，后备发电分散式DER在中低压网络渗透分散式DER在高中压网络渗透负荷没有分类基于电能质量需求和控制的负荷分类（如关键/非关键，可控 / 不可控负荷）配电网络由变电站供电/ 无源网络半有源网络有源网络 /双向功率交换应急管理基于切负荷的频率调节，强迫停电切负荷，切DER 孤岛自治运行，紧急DRM ，功率分享II.微网概念及微网结构分布式电源（DER ），包括分布式发电（DG ）和分布式储能（DS ），位于局部负荷附近，能够提供大量的优点，包括提高电能质量和供电可靠性。微网是这样一个系统，可能由部分低压（ 1 kV ）或者中压（通常169 kV ）配电系统和由单个或者多个DER服务的群集负荷组成。在微网内部，以对当地负荷产生尽量小的干扰为目的，为局部区域提供热冷电。从运行的角度看，微网可能与当地电力系统有一个耦合点，其在物理结构上与主网相连，微网的运行和控制模式可能在依赖主网运行（grid-dependent-GD ）模式和独立于主网运行模式（grid-independent-GI) 之间转换，其取决于微网和主干网之间的功率交换和互动。从电网的角度看，微网可以认为是电力和能源市场中的净电源或者净负荷。任何时候，微网都被置力于电力系统中，它需要很好的规划以避免导致不可预期的问题。微网概念为实现分布式电源的运行提供了一种新范式。小型孤立的电力系统虽然并不完全符合上面的定义，在这里也被认为是微网。它们运用相似的技术并且使人们更清楚电力系统如何向当前尚未发展或者并不存在的方向去发展。表 2 提供了一个可能的微网结构的一般分类，应用特征，所有制结构及微网服务的负荷类型。表2 中介绍了 3 类，一类是电力系统微网，一类是单一或者是多厂址的工业/ 商业微网，还有一类是偏远微网。表2 微网结构电力系统微网工业 / 商业微网偏远微网城市电网农村馈线多场址单场址应用闹市区计划孤岛工业园商业楼或偏远社区和地理孤微网发展和微网新技术名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 10 页 - - - - - - - - - 区，大学校园和购物中心者居民楼岛主要驱动力停电管理，可再生能源整合（集成）电能质量提高，可靠性和能源效益偏远地区电气化和燃料消耗的减少效益（利益或者收益）GHG（greenhouse gas）减少混合供电阻塞管理升级延迟辅助服务改善电能质量服务分化（可靠性水平）CHP 整合需求反应管理供电可用度RES 整合GHG 减少DRM 运行方式：依赖主网（GD ），独立于主网运行或者自治运行（GI），孤岛网络（ IG）GD ，GI，IG GD ，GI，IG IG 向GI和IG过渡故障故障（临近馈线或者变电站）主网故障，电能质量问题预设维修能源价格（高峰期），电力系统维修典型的微网结构即设置为配电变电站的一部分，为工业、商业或者变电站的居民用户供电，如图1 所示。图 1 微网和微网元件2.1 电力系统微网微网方式便于可再生能源（RES ）大规模的部署或者配电网络的热电联产（CHP ），可以减缓间歇式电源问题和对主网的功率波动的影响。微网设置在由DNO管理的配电站部分馈线上。利用大量的位置靠近负荷中心的DER ，电力系统微网能够满足本地负荷增长，减缓配电馈线以及中压地区输电网络阻塞问题。从电力系统的水平上讲，小水电，中型的风力/ 光伏发电厂，生物质能和沼气为燃料的发电厂都是一些可选择的可再生能源。它们和低排放的燃气轮机一起提供足够的混合供电水平。电力系统微网在高压馈线或者变电站预计划的检修期，可以与主网隔离运行。微网的计划孤岛运行可以防止用户服务中断并延长停电周期。电力系统微网还可以提供辅助服务，包括本地无功补偿和改善电能质量。一些DER能够提供可调配的无功以补偿当地负荷的无功需求，维持电压曲线。2.2 商业和工业微网商业和工业电力用户通常被定义为关键负荷或者敏感负荷类，其要求较高的电能质量和可靠性。关键负荷可能不能容忍暂时性停电和一般网络提供的电能质量水平。采用微网形式可以满足多重工业和商业设施的负荷需求。例如一个大学校园，一个购物中心，或者是一个工业园区。由分布式控制和自动化支撑的先进的微网管理策略可以防止瞬时功率中断，并通过限制主网和相邻用户的影响来改善电能质量。使用微网方式，独特的可靠性和电能质量水平可以基于负荷分类和微网多重用户的服务区分来定义。负荷分类和对微网控制的需求反应也能帮助管理发电和调峰需求以及孤网独立运行。当主网供应的电能质量不能满足负荷需求或者是可能会恶化微网的电能质量时，商业或者工业微网也可能孤立出来运行。在能源价格很高，希望减少从主网的功率输出的电力系统的紧张时期，也可能规划商业/ 工业微网独立运行。微网也能为住宅区用户供电，如一套排屋或者是市区或郊区的低高层公寓。住宅区微网为用户电力需求提供了一个方便可靠的能源传输系统。光伏发电和基于微型燃气轮机的CHP发电厂是住宅区和工业应用极具吸引力的小型DER技术。光伏电源可以被整合入建筑结构。建筑物业主能从日间的高峰负荷和光伏发电之间良好的相关性中获益。小规模的模块化微型燃气轮机 DER提供可靠而可控的热电能源，并且因为其安装在个体公寓或办公楼内部，高效的满足负荷需求，伴随的噪音很低。基于微网方式，居民区微网总的热电消费通过合适的功率和需求侧管理策略来控制，通过控制策略，可以定制能源成本，减轻间歇式发电能源功率波动的影响，或者是电网负荷侧需求变化引起的波动的影响。从电网的角度看，包括综合能源发电和消费实时控制的功率管理的商业/ 工业微网代表一个恒定可控的负荷，其是一个预先设定的功率消费曲线。2.3 偏远地区的微网从历史上看，小型/ 模块化DER技术发展的主要驱动者是分布式发电作为独立的功率发电系统，孤立名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 10 页 - - - - - - - - - 社区和关键负荷的后备电源等在单一偏远的地方的应用。偏远地区和发展中国家没有并网地区以及地理上的孤岛的电气化问题已经成为全世界电力公司高度关注的问题。一些国家已经做了调查，关于偏远地区的供电，一般采用分散发电的概念，比较特别的采用微网的概念。没有并网地区的能源需求可以通过安装可再生能源和可选择的DER ，形成孤网和自治微网来实现。基于偏远地区的地理特征和能源可用度，使用不同类型的电源如小型水电，风电，光伏和低排放的燃气轮机。偏远地区微网设计的一个主要区别是偏远地区微网的电源容量必须满足所有负荷并且有足够的储能水平以备应急管理之用。另外，负荷分散，微网中最低和最高负荷之间较大的差值使技术选择，定容和DER的选址是一个极具挑战性的任务。III.微网技术电力系统的许多设想预见微网概念将具有极大的应用潜力。虽然依赖于它们“硬”连接（隔离）或者“软”控制的水平，结构和设计上存在很大的不同，但是所有方法的精力普遍集中在DER单元的最优整合和相关的潜在技术。3.1 分布式能源分布式能源（DER ），包括分布式发电（DG ）和分布式储能（DS），通常在中低压水平和主微网相连。DER单元，根据它们与微网接口的不同，分为两类。第一类包括传统的或者是旋转单元，其通过旋转电机与微网相连。第二类由电力电子耦合单元组成，其利用电力电子转换器作为与主系统的耦合媒介。电力电子转换器，作为大部分类型的DG和 DS单元的接口媒介，其控制概念，控制策略和特性与传统的旋转电机有很大的不同。传统的DG 单元（如由一个往复式内燃机驱动的同步发电机或者是固定风速驱动的异步发电机）的旋转机械，主要功能是：1） 把一次能源转换为电能2） 作为电源和微网之间的接口媒介而对于一个电力电子耦合的DG单元，耦合转换器的功能如下：1） 能提供转换和控制功能，如电压 /频率控制2） 作为电源与微网之间的接口媒介从电源侧输入接口转换器的功率可以是固定频率或者是变化频率的ac 或者是dc。转换器的微网侧是50Hz或者 60Hz的 ac 电。3.1.1分布式发电（DG ）DG 单元是安装在用户点附近的小型电源。典型的 DG 技术包括光伏（PV ），风电，燃料电池，微型燃气轮机和往复式内燃机发电机2,3。这些系统的原料可能是化石燃料或者可再生能源。某些类型的DG 如微型燃气轮机也可以通过回收电源产生的废热以提供热电联产。这个能极大的提高DG单元的效率。大部分DG技术需要电力电子接口以把能源转换成可以与电网兼容的AC 电。电力电子接口包括把一种形式的电能转换成另一种形式的电能的必要的电路。转换器可能包括整流器和逆变器或者仅包括一个逆变器。转换器与电力系统的电压和频率是兼容的，也可能包括必要的输出滤波器。电力电子接口还包括分布式能源系统和电力系统的保护功能，它允许与电力系统并联运行或者是断开运行。这些电力电子接口为DG 单元提供了一个独特的能力，并且能够提高微网的运行性能。图2 显示了一个由一次能源，一个接口媒介，和连接点（PC）的开关组成的DG单元。图2 DG单元的典型模块3.1.2分布式储能（DS）当微网中的发电与负荷不能精确匹配时，DS 技术应用于微网。分布式储能为微网满足功率和能源需求提供了一个桥梁。根据额定能源容量能覆盖负荷额定功率的时间来定义存储容量。存储容量还可以根据能源密度需求来分类（如中期或者长期需要）或者根据功率密度需求来分类（如短期或者超短期需要）。分布式储能以3 种方式提高微网系统的总的运行性能。第一，即使有负荷波动，也能稳定和允许DG单元以一个恒定输出运行。第二，当一次能源（如太阳能、风能和水能）发生动态变化时，能够提供过度容量（ ride-through capability）。第三，它允许DG以一个可调度的单元“无缝”运作。另外，储能有利于电力系统阻尼激增的高峰期电力需求，缓解暂时的功率扰动，当后备电源启动时提供停电过度（outage ride-through）。可用于微网的能源存储包括电池，超级电容器和飞轮。图2 中“一次能源”用“储能媒介”代替，则提供了一个高水平的DS 单元。电池以化学能的形式存储能量，电池是直流电力系统，需要用电力电子装置转换为交流电。许多电池连接的电力系统连有双向变换器，允许能量存储和从电池吸取能量。超级电容器是一种能够提供高的功率密度以及极高的循环容量的储能设备。近年来，由于与电化学储能设备相比较，飞轮系统较快的反应特性，其作为一种在网络功率中断时支撑关键负荷的可行的手段受到很大的关注。电力电子和数字控制领域的新进展更好的推进了飞轮设计，它是电能质量市场一种经济有效的选择。通常情况下，电动机为飞轮提供机械能，发电机与其耦合在同一根轴上，需要时通过一个变换器输出电能。另外飞轮系统也可能是双向系统电机，以电动机或者是发电机运行。表3 分别概述了广泛使用的一次能源和储能媒介， DG和 DS 单元潮流控制方法和典型接口配置。值得注意的是，除了DG和 DS两种基本类型，DER单元名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 10 页 - - - - - - - - - 可以是一种混合类型：如包括“一次能源”和“储能媒介”的单元【 4】。混合的DER单元与主微网的接口，通常是一个双向的ac-dc 和 dc-dc 转换器系统。表3 DER单元的接口媒介一次能源（PES ）接口 / 逆变潮流控制传统的 DG 往复式内燃机小水轮机固定风速的风轮机同步发电机异步发电机AVR 和调速控制（ +P, Q ）汽轮机的失速控制和浆距角控制（+P,-Q ）非传统的 DG 变速风轮机微型燃气轮机电力电子转换器（ ac-dc-ac 转换器）风轮机速度和dc母线电压控制（ +P,Q）太阳能 PV 燃料电池电力电子转换器（ dc-dc-ac 转换器）MPPT 和直流母线电压控制（ +P, Q ）长期储能（DS ）电池储能电力电子转换器（ dc-dc-ac 转换器）充电状态或者输出电压 /频率控制（ P, Q ）短期储能超级电容器电力电子转换器（ dc-dc-ac 转换器）充电状态（ P, Q ）飞轮电力电子转换器（ ac-dc-ac 转换器）速度控制（ P, Q ）根据潮流控制，DG 单元可以是可调度单元，也可以是不可调度单元。一个可调度DG单元的输出功率可以通过监控系统提供的设置点实现外部控制。一个不可调度的DG 单元可以是快速动作或者慢速反应的单元。图3 显示的是一个传统的可调度DG单元，其利用往复式内燃机作为一次能源。一个基于往复式内燃机的DG 单元，通常配有一个速度控制和燃料调节的调速系统。自动电压调节（AVR ）控制同步发电机的内部电压。调速机和AVR控制是基于可调度策略的 DG的有功和无功输出。图3 作为可调度 DG 单元的往复式内燃机发电机相反，不可调度DG单元的功率输出通常由自身的一次能源的最优运行条件控制。例如，不可调度风机单元通常是基于最大功率跟踪概念运行，从而从风源吸取最大可能的功率。那么，单元的功率输出则根据风的条件而发生变化。基于可再生能源的DG 单元通常都是不可调度单元。基于可再生能源的DG单元 ,为获得最大输出功率，通常采取基于最大功率跟踪点（maximum point of power tracking (MPPT) ）的控制策略用以获得所有变化条件下的最大功率。图4 显示了一个电力电子接口的DER单元的三种常见结构。图4 电力电子耦合的 DG 单元的一般特征（a）不可调度 DG （b）和（ c）可调度 DG 和DS 图4（a）是基于不可调度的光伏（PV）DG 单元，光伏阵列通过转换器系统与主微网相连。转换器由一个 dc-dc 转换器和一个dc-ac 转换器组成。图4（a）的结构也代表了，与PV阵列类似的一次能源即具有不可调度自然特性的DG 单元；例如燃料电池。相似地，如果图4（a）的PV 阵列被储能电池所取代，它就组成了一个电力电子耦合的DS 单元。图4（b）显示了一个混合的电力电子耦合DER 单元，转换器系统是由两个并列的dc-dc 转换器和一个dc-ac转换器组成。虽然PV 阵列提供不可调度的功率，但是可以控制转换器系统使发电单元输出可调度的功率。图4（b）也默示了基于风力的不可调度DG单元也能转换为可调度的混合DER单元。图4（c）显示了一个电力电子耦合的发电机组DG单元，其与电容器储能单元相耦合。这个发电机组是反应较慢的不可调度 DG单元，其通过一个ac-dc-ac转换器系统与主微网耦合。电容器储能单元通过一个dc-dc 转换器与dc-ac转换器系统的dc 母线相连，为反应较慢的发电机组启动或者是加速/ 减速期间提供短期的功率潮流。电力电子耦合的DER单元有一个显著的特点：其具有通过接口转换器快速反应的固有能力。接口转换器的另一个特点是限制DER单元的短路电流，使其小于额定电流的200% ，从而减小了故障电流。相对于传统的 DG单元，一个电力电子耦合的DG单元在微网暂态过程中没有任何的惯性，所以没有维持微网频率的固有能力。然而，转换器快速控制也有助于频率调节。图 4 接口转换器系统的另一个特点是有助于一次能源和配电系统之间一定程度的电气解耦，使两个子系统之间的动态相互作用，与传统的DG 单元相比，有所减缓。3.2 互联开关互联开关是微网和配电网络的连接点。这个领域的新技术巩固了各种功率转换功能（如电源开关、继电保护、计量和通讯）。传统上，这些都是由继电器、硬件和电力系统的其他组件整合到一个带有数字信号处理器的单一系统中来提供的。通过CT（电流互感器）和PT（电压互感器）测量开关两侧大电网和微网的网络状态，以决定其运行条件，如图 5 所示。一般情况下，互联开关的设计应满足网络互联标准（IEEE 1547 ）以减少自定义工程、位点专名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 10 页 - - - - - - - - - 一审批过程并降低成本【5】。为达到最大限度的适用性和功能性，其控制的设计也保持技术中立，可用于断路器和更快的以半导体为基础的静态开关，适用于带有传统发电机和电能转换器的DG单元。图 5 基于互联开关的断路器示意图3.3 控制系统最初，微网被视为是一个传统电力系统的微型版本，直觉上，它们的控制/ 运行概念是大电力系统控制/ 运行概念的降规模和简化版本。实际上，依赖于分布式电源（DER ）的类型和渗透深度，负荷特性及电能质量约束条件，以及市场参与策略，所需要的微网的控制和运行策略，甚至在概念上，与传统电力系统有显著地不同。微网的环境效益和经济效益，以及微网在电力系统中的可接受度和可扩展度，主要取决于所采取的控制器的能力和运行特点【6】。主要原因如下：1） DER单元的稳态和动态特性，尤其是电力电子耦合单元，与传统的大的汽轮发电机单元有所不同2） 由于单相负荷和单相DER单元的出现，微网自身受到单相不平衡程度的影响比较严重3） 微网供电一个显著的特点是：可能形成“不可控”电源：如风电发电单元4） 短期和长期的储能单元在微网控制中起到非常重要的作用5） 经济性往往对微网有一定的限定：必须随时容纳DER单元和负荷的接入和断开，而同时保证其稳定运行6） 微网可能要求为一些负荷提供负荷所要求的电能质量水平或者优质的服务7） 另外，除了电能，微网往往负责所有或者部分负荷的热供应。微网的控制系统能够保证在并网和孤网运行方式下，系统都能安全稳定运行。这个系统可能基于中央控制器或者是嵌入每个分布式电源内部作为其自治运行的一部分。当电网断开时，控制系统必须控制局部电压和频率，提供或者吸收电源和负荷之间的暂时功率差额，保护内部微网。孤网运行方式下，频率控制是一个具有挑战性的问题。大系统的频率响应是基于旋转体，其被认为是系统固有稳定性的要素。相反，微网本质上是一个以转换器为主的网络，具有很小（像飞轮储能通过转换器进行耦合）或者根本没有直接相连的旋转体。由于微型燃气轮机和燃料电池对控制信号有较缓慢的响应特性，并且几乎是没有惯性的，因此，孤网运行需要技术支持并且提出了负荷跟踪问题。转换器控制系统必须相对应的提供原先与旋转体直接相连时所能得到响应特性。而频率控制策略应该以一种合作的方式，通过频率下垂控制、储能设备响应、切负荷方案等，根据微源的容量改变它们的输出有功。对局部可靠性和稳定性，恰当的电压调节是必要的。没有有效的局部电压控制，分布式电源高渗透率的系统可能会经历电压和无功偏移或者是振荡。电压控制要求电源之间没有大的无功电流流动。因为电压控制本质上是一个局部问题，所以并网和孤网两种运行方式下，电压调节问题是一样的。在并网运行方式下， DG 单元以局部电压支撑的形式提供辅助服务。现代电力电子接口，其采用类似于有功频率下垂控制器的电压无功下垂控制器，为提供局部无功提供了一种解决方案。3.3.1 DER 控制微网内 DER单元的控制策略选择依赖于可能的运行场景所需求的功能。DER 单元的控制也由系统和其它 DER单元的相互作用的性质所决定。一个DER单元的主要控制功能是电压和频率控制或者有功/ 无功控制。表 2 提供了 DER单元主要控制功能的一般分类，划分为网络跟随和网络形成两种情况下的控制策略。表2电力电子耦合的DER 单元的分类和控制策略网络跟随控制微网形成控制非交互式控制方法功率输出（有 / 没有MPPT ）电压、频率控制交互式控制方法功率调度有功和无功支撑负荷分享（下垂控制）每一类又分为非交互式和交互式控制策略。当PC 点不需要直接进行电压控制或者频率控制时，采用的是网络跟随（grid-following）控制方法。同时，如果单元的功率输出控制与其它单元或者负荷（不可调度的DER单元）控制是相互独立的，则构成了非交互式控制策略。非交互式控制策略的例子是光伏 PV单元的 MPPT控制。交互式控制策略是基于精确的有功无功设定值作为输入指令。功率设定值的确定则是基于功率调度策略或者是基于负荷或者馈线的有功/ 无功补偿。一个非交互式，微网形成（grid-forming）控制，在没有大电网的情况下，是一种明确的依赖于可调度单元的电压和频率控制方法。基于这种控制策略， DER单元设法实现微网的功率平衡，同时，调节电压，稳定自治微网的频率。如果两个或者是更多的DG 单元分享负荷需求的同时，对微网负荷的变动作出响应，则采用的是通过改变DER单元的电压和频率的一种交互式控制策略。1) 网络跟随（grid-following）控制 功率输出控制网络跟随功率输出控制策略通常用于，当电压和频率在规定限制范围之内，控制DER的功率输出。如果耦合变换器是电压源变换器（VSC ），当前控制策略用于决定VSC的 PWM 电压参考波。通过跟踪PC点的电压波形，参考信号与微网频率同步。控制策略在同步“ dq0”坐标系下实现，变换器输出电流的直轴（d 轴）和交轴（q 轴）分量，分别对应输出功率的名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 10 页 - - - - - - - - - 有功和无功分量。图6 是“ dq0”坐标下的控制器模块的典型代表。图6 VSC型DER 的“ dq”电流控制图 6 中 VSC的“ d 轴”和“ q 轴”电流分量通过“abc”向“ dq0”转换的坐标转换器得到，然后与对应的参考信号相比较（参考信号由外部功率或者是电压控制环决定）。误差信号输入到d-q电流控制模块，从而决定参考电压信号的d 轴和 q 轴分量 Vd 和Vq。最后，通过转换器从“dq0”坐标变到“abc”坐标系下，得到PMW 信号发生器的三相电压参考信号。内部和外部的控制模块可根据控制模式和一次能源的类型改变。同理，也可以得到abc 坐标系下类似的电流控制方法，用于不平衡系统。图7 网络跟随功率输出控制模块图 7 是基于功率输出策略的控制模块。其中直流侧电压控制器和无功控制器分别代替了图6 中的dq参考控制器。从可再生能源得到的输入功率馈入直流母线，其提高了直流侧母线电压。电压控制器通过给逆变器指定一个合适的“d 轴”电流值以平衡直流母线的输入输出功率，反作用于电压的上升【7】。图7中无功控制器指定转换器电流的q 轴分量参考值。如果确定为单位功率因数，refQ（）的值被设定为0。同时图 7 也显示了d-q 电流控制的详细细节，包括d 轴和 q 轴电流控制的两个比例积分（PI）控制器，电压前馈项以及交叉耦合消除项。电流控制器的输出，经过变换以后，形成PWM 信号发生器的电压参考值。电流控制策略的主要特征之一是在微网故障时，具有限制 转 换 器 输 出 电 流 的 固 有 能 力 （ inherent capability ），以便提供变换器的过电流保护，降低单元的故障电流。 功率调度和有功/ 无功支撑功率调度和有功/ 无功控制策略通常用于可调度DER单元的功率输出控制，使用预设的参考值作为有功调度和无功补偿值。控制结构从概念上与图7 很类似。主要不同点在于产生参考值的方法不同。图8 显示了一个DER单元基于预设值的有功无功控制模块图。图8 有功和无功控制refP（）和refQ（）是功率设定值，outP和outQ是通过测量单元的电压和电流计算出来的有功和无功输出值。refP（）和refQ（）值通过监测功率管理单元或者是根据来自单元的为使有功无功输出最优的预设功率曲线的局部计算来确定。其它常用的应用方法是基于局部负荷的补偿变量，调峰曲线，以及消除馈线潮流波动的补偿等。无功补偿的两个具体的例子是发电单元基于PC点和功率因数补偿的电压调节。2）微网形成（grid-forming）控制微网形成控制策略是在自治微网条件下，对一个“摆动源”（swing source）的性能进行仿真研究。在微网运行条件下，网络形成单元的控制目标主要是调节 PCC的电压并稳定系统频率。此时发电单元容量要足够大，并有足够的存储容量实现功率平衡。如果两个或者更多的DER单元积极地参与网络稳定和电压调节，那么，频率- 下垂和电压 - 下垂控制策略用于分享有功无功分量。在这种情况下，微网的电压频率可能会偏离额定值，但在可以接受的限制范围之内，这取决于负荷水平和下垂特性。图9 显 示 了 频 率 - 下 垂f（ -P）和 电 压 - 下 垂VQ（）特 性 曲 线 ， 分 别 是 由 其 斜 率 (fPK或 者vQK) 和一个代表额定频率f00（ ，P）或者基准电压00（V，Q）的基点所确定。下垂系数和基点可以通过动态地的调节各个发电单元的运行点的恢复过程来控制。各个单元的运行点可以通过动态的改变功率分享水平，设置电压和频率为一个新值来实现。恢复动作通常施加的速度非常缓慢，也可能在自治微网的再同步过程中用到。下垂控制策略的模块图如图10 所示。控制器的输入是发电单元的频率和终端电压的局部测量偏差值。根据DER单元容量不同，每个下垂特性的斜率与防止超载的相应单元的额定容量成正比【8】。图9 多个 DER 单元进行负荷分享的下垂特性曲线（a）f-p 下垂特性（b）v-Q下垂特性名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 10 页 - - - - - - - - - 图10 下垂控制策略3.4 微网负荷微网负荷分为电负荷和热负荷。并网模式下，电力配电系统通常被认为是电气“松弛母线”，即平衡节点，以供应/ 吸收微网产生的不平衡功率，维持净功率平衡。但是如果基于运行策略或者是合同义务，净输入 / 净输出已经达到硬性限制（hard limits），微网内部也可以采取切负荷或者是切电源方案。自治模式下运行时，经常会采用切负荷/ 切电源方案以维持功率平衡，从而稳定微网电压/ 角度。运行策略必须保证微网对关键负荷的服务优先。微网运行应该满足，用户服务分化，改善特殊负荷的电能质量以及提高特殊类别负荷的可靠性。同时，也应该实行负荷控制，通过减少峰荷和负荷变动的范围，优化DS单元和可调度DG单元的额定容量。实践中，部分非敏感负荷也被认为是可控负荷，将其归入需求反应控制范围以减少峰荷或者是使负荷曲线平滑，或者将其安排在特殊时间内，如当间歇式DG有额外的功率可用时的负荷服务时间。而非敏感负荷的非可控部分是切负荷的第一候选。3.5 微网保护局部发电机和储能单元的引进极大的改变了配电网络的性能（馈线电压曲线和动态特性发生了变化）。由于更多电源的存在，起始短路容量增加，短路电流路径也更复杂，甚至可能是双向的，传统的保护技术都不能用。要使电能质量和可靠性增加，保证微网的安全性同现在电网的水平相同或者更高是非常重要的。另外，分布式电源的动态特性和不可预期的自然特性导致故障发生时，微网的行为不断变化。一般情况下，需要考虑三种类型的DER接口：同步和异步发电机以及电力电子接口的发电单元。它们分别有不同的特性。电力电子DER单元由于其电流限制，不能传输大的短路电流。其影响就是临近区域发生短路时，即使导致严重的电压畸变也不能产生大的注入电流。不过，因为这种发电单元的动态行为是可控的。如果有足够的储能可用以吸收这些发电单元持续的短路电流，则发电单元的短路电流行为可以用一台“虚拟的同步发电机”来模拟【 1】。还有一些DER单元（小的PV 系统）向配电网络注入单相功率，这会影响三相电流的平衡和故障行为。微网在并网运行与独立运行2 种工况下，短路电流大小不同且差异很大。电力电子接口的故障电流限制在其额定电流的2 倍左右，孤网时的电力电子接口的电流幅值不够大，不足以使传统的过电流保护继电器动作【9】。因此，如何在独立和并网2 种运行工况下均能对微电网内部故障做出响应以及在并网情况下快速感知大电网故障，同时保证保护的选择性、快速性、灵敏性与可靠性，是微电网保护的关键，也是微电网保护的难点。文献【 10】提出了一种新的保护方案：监测微源的输出电压，使用dq 参考坐标转换为直流量，由于网络故障微网输出的任何偏差反应在d-q值的偏差上，偏差值用于检测故障并启动故障段隔离。这种方案避免了并网和孤网运行时故障电流潜在变化导致的并发症。IV.微网管理多于两个DER单元的微网稳定运行，尤其是在自治模式下，要求一个功率管理策略（PMS ）和一个能量管理策略（EMS ）。与传统电力系统相比较，对于微网来说，PMS/EMS的快速反应更加关键。原因如下：1） 多种小型的，容量和功率特性存在极大不同的DER 单元的出现2） 自治模式运行时，没有潜在的主要发电单元3） 当明确的条文规定还不到位时，电力电子耦合的DER 单元的快速反应会对电压/ 角度稳定产生不利影响。图 11 显示了微网条件下，一个PMS/EMS 的信息 /数据潮流图。实时管理模块接收负荷及电源的当前信息和预测值以及市场信息，分别给电网的功率潮流，可调度DG 的发电输出，可控负荷的消费水平强加合适的控制。PMS/EMS 为 DER单元分配有功无功参考值，功能如下：1） DER 单元之间恰当的分配有功无功2） 对微网扰动和暂态作出恰当的反应3） 决定 DER 单元的功率设定值以平衡微网功率，恢复频率4） 如果需求的话，使微网和主网实现再同步。在并网模式下，DER 单元输出预先设定的功率，例如为了尽量减少来自大电网的功率输入（调峰），控制每一个发电单元为一个（有功/ 无功） PQ 节点，或者（有功 / 电压） PV 节点。而通过主网满足微网内供应和需求的有功无功偏差。然而，在自治模式下，发电单元的功率输出必须达到微网的总负荷需求。否则，微网必须实行切负荷以使发电和需求相匹配。另外，为了尽量减少微网动态的影响，例如孤岛暂态，功率振荡或者是频率振荡，快速灵活的有功/ 无功控制策略是必要的。PMS/EMS不仅应该保证短期的功率平衡，还应该实现长期的能量平衡。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 10 页 - - - - - - - - - 图11 微网实时 PMS/EMS 的信息流和功能短期功率平衡可能包括：1） 基于 DER 单元之间有功分享方案或者为减缓功率不匹配的切负荷方案，关于负荷跟随能力，电压调节和频率控制方面的规定2） 关于暂态过程中或者暂态过程之后，可接受的动态反应和电压 / 频率恢复方面的规定3） 关于满足敏感负荷电能质量约束条件的规定4） 关于主系统恢复以后实现再同步方面的规定长期能量管理可能包括：1） 当基于以下几个优化过程a）控制向电网输入或者从电网输出的净功率最优b）功率损耗最小化c）可再生能源发电单元的功率输出最大化，d）燃料发电单元的电能生产的成本最小化，重新安排可调度 DER 单元的运行点时，关于维持一个恰当水平的存储容量的规定2） 对每一个DER 单元的特殊需求/ 局限性方面的考虑，包括 DER 单元的类型，发电成本，一次能源的时间依赖性，维护周期和环境影响3） 关于需求反应管理（负荷曲线控制）和微网暂态过程中切除的非敏感负荷的恢复的规定；例如，孤岛事件发生以后，对切负荷需求的反应。微网监管控制微网，通过其监管系统，必须确保所有的或者是一套子功能（例如，电或者热的供应，能量市场的参与，敏感负荷的预设服务水平，故障以后的黑启动，辅助服务等规定）。通过一个集中的或分散的监管系统来达到控制目标，如图12 所示，包括三层结构：1） 配电网络运行人员（distribution network operator (DNO) ） 和 市 场 运 行 人 员 （ market operator (MO) ）2） 微网中央控制器（MCC ）3） 与 每 个 DER单 元 或 者 负 荷 相 关 的 局 部 控 制 器（LCs）。DNO用于一个不止一个微网存在的地区。一个或者更多的MO负责每个特定地区的市场功能。DNO和MO这两个实体不属于微网，而是主网的下属代表。DNO/MO 和微网之间的主要接口是MCC 。MCC设定了从微网价值的最大化到各个LCs 之间协调的不同规则。LC控制微网内的DER 单元和可控负荷。依赖于控制方法，每个 LC可能有一定的智能化水平。集中运行时，每个 LC从相应的 MCC 处接收设定值。分散运行时，每个LC局部作出决策。当然，不管哪种方法，有一些决策仅仅是局部作出的，例如，LC不会从 MCC 那里得到电压控制指令。在一个集中式方式中，并网运行时，LCs跟随 MCC 的指令，并对以下介绍有自主权：1） 对于DER 单元之间的功率交换执行局部优化2）过渡到自治模式以后，转换为快速的负荷跟踪方法。图12 微网监管控制结构对于 DER竞标策略和一个更高水平的优