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智能微电网的分层控制

作者:张海涛    发布时间: 2016-08-21     浏览次数:654次
智能化是电力系统发展的方向。在此背景之下,科学家和工程师们首先将目光聚焦在了智能化、柔性化的微电网。微电网既可孤岛运行,也可并网运行,黑启动、电压稳定、频率稳定、潮流控制、有源滤波、能量管理……,这些都是微电网应具备的基本功能,只有这样才能实现在负荷端就近发电、储能,省去了大容量、长距离的输电环节,从而显著地减小了输电线路上的损耗,提高了电网的可靠性。本文对智能微电网的拓扑结构、控制策略以及能量管理等问题进行了综述。

l 微网是分布式发电并网的关键途径

智能微电网是将分布式发电(Distributed Generation,DG)、分布式储能(Distributed Storage,DS)、分布式负载(Dispersed Loads,DL)进行系统集成的最佳方案。在大电网集中供电体制下,大型电厂通常远离负荷中心,因此需要大容量、长距离输电。但通过这些小容量的微电网就可实现在负荷端就近发电、就近储能,从而省去大量的输配电线路以及由此导致的输配电损耗。总的来说,传统的集中供电配电模式有很多缺陷:线路损耗太大导致了系统效率低,高压长距离输电线的容升效应导致了电压稳定性差,多发的单点故障以及其他偶发的网络故障导致了可靠性低。

微电网主要有两种发展方向,一是将微电网与公共大电网相连;二是将多个邻近的微电网互联,形成微电网群(microgrid clusters)。因此,未来的电力网络将包含一次能源、原动机、电力电子变流器、DS装置以及本地的DL,而微电网只是其中的一部分。微电网既可独立地自主运行,也可接入大电网。可在并网模式与离网模式之间进行无缝切换是微电网的主要特征。通过微电网之间的联络线即可实现在多个微电网之间进行能量调度,以同时实现各个微电网的实时功率平衡。这种微电网之间的相互支援,起到了此消彼长的作用,减小了微电网从公共大电网上吸收的能量,进一步减少了不必要的长距离输电损耗。此外,微网是一种全新的低压配电网,其中的发电机组不仅包括小型的发电机,还包括小型的原动机,例如:光伏电池组件、小型的风力发电机、生物燃料电池等等,这些发电单元都需要AC/AC或者DC/AC变流器作为接口电路。这些电力电子接口电路的动态响应十分迅速。但与传统的同步发电机相比,电力电子变流器自身的惯量水平非常低,而充足的惯量是系统稳定性的保障,是实现各个单元之间保持稳态同步性的关键因素。

为了提升系统稳定性,学者们提出了在控制环路中引入下垂控制,通过测量有功、无功来线性地调节逆变器输出的频率、电压。经过下垂控制之后,微电网就能自动地实现功率平衡了,同时避免了交直流母线电压失稳。此外,低电压穿越、有源滤波、不间断供电、黑启动、孤岛运行,以及与主电网保持同步、有功无功潮流独立控制、系统能量优化管理等也是微电网必须具备的核心功能。

下图给出了一个典型的微电网结构图,包含了风电、光伏、储能以及若干负载。

微电网通过智能旁路开关(Intelligent Bypass Switch,IBS)并入大电网的公共连接点(Point of Common Coupling,PCC),系统中包含了大量的以电力电子变流器作为接口电路的DG和DS。因此,微电网中的绝大部分元件都是以电流型逆变器(Current-Source Inverters,CSI)或电压型逆变器(Voltage-Source Inverters,VSI)的形式运行。

1)CSI:DG单元经常工作在CSI模式,以实现最大功率追踪;若不需要进行最大功率追踪,那么这些发电单元也可以根据系统需要工作在VSI模式。

2)VSI:这种工作模式常用于储能装置,在孤岛运行时为微电网提供频率、电压支撑;如果有多个VSI单元并联时,就必须增加适当的控制策略,以使各个单元协调工作。

l 微电网的运行模式

1、并网运行模式

微电网的能量管理系统必须同时考虑离网、并网条件下的系统潮流分布以及储能系统的可用容量和运行方式。微电网必须具

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