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      1.   行業新聞

        微電網運行與控制系統

        發布時間:2016-05-06

                                           微電網運行與控制系統

                                                        

        一、微電網概述

        首先說說分布式能源和微電網的區別吧。

        分布式能源(DER):一般定義為包括分布式發電(DG)、儲能裝置(ES)和與公共電網相連的系統。其中DG是指滿足終端用戶的特殊需求,接在用戶側的小型發電系統,主要有內燃機,微型燃氣輪機、燃料電池、太陽能、風能等發電系統。

        分布式能源有很多優點,比如可實現能源綜合梯級利用,彌補大電網穩定性方面不足,環境友好等,但是它的最本質缺點在于不可控和隨機波動性,從而造成高滲透率下對電網穩定的負面影響。

        所以,分布式能源和微電網的本質區別就在于前者不可控,后者可控。

        微電網(MG)把分布式發電、儲能裝置、負荷通過控制系統協調控制,形成單一可控單元,直接接在用戶側,優點是非常明顯的。

                                    

        微電網的控制模式和策略是里面的關鍵部分,無論是系統級的主從、對等和綜合性控制模式,還是逆變器級的P/Q、V/f、下垂控制,乃至和儲能相結合的控制方式,都是微電網的核心部分。而這些,在分布式能源系統里面是不會涉及的。

        所以說,很多外面在搞的微網項目,特別是中國人在國外援建,都是在混淆概念,沒有控制系統,其實只能叫做分布式發電(分布式能源系統都算不上)。

        所以說微電網的核心在于“自治獨立,協調互濟”,自治獨立指的是微電網具備阻斷電網故障影響的能力,使微電網的孤網運行具有不失負荷或者少失負荷;協調互濟指的是微電網和主網可以建立互相支援的關系。

        國外這塊,美國,歐盟和日本研究和應用較為領先,三者之間對于微電網的定義略有區別但不大,國內這塊,示范工程許繼有兩個。

         

        二、微電網的架構

        微電網的體系結構一般采用國際上比較成熟的三層結構(許繼的示范工程也是如此):配電網調度層、微電網集中控制層、分布式電源和負荷就地控制層。

                         

        這塊就不多展開了,比較直白。

                       

        控制策略是微電網的核心關鍵部分。

        微電網的運行分為并網運行和離網運行(孤島運行),控制策略也是圍繞這兩種狀態和切換過程進行。

        微電網控制體系主要如下圖所示:

                             

        第一層為逆變型電源的逆變器級控制

        這一層的控制模式主要分為:恒功率控制(PQ控制)、恒壓/恒頻控制(V/f控制)和下垂控制(Droop控制)。

        恒功率控制(PQ控制):顧名思義,就是實現有功和無功的控制=參考值。當光伏、風機等分布式發電系統采用最大功率追蹤控制時,屬于恒功率控制。微電網并網 運行時,由電網提供電壓和頻率參考,各分布式電源一般采用恒功率控制。當然,部分可控型分布式電源也可采用f-P和V-Q下垂控制方法,在電網電壓幅值和 頻率降低時,能夠支撐電網電壓和頻率。

        恒壓/恒頻控制(V/f控制)和下垂控制(Droop控制):

        恒壓/恒頻控制,即控制電壓和頻率。

        下垂控制,則比較重要且復雜些,即選擇與傳統發電機相似的頻率一次下垂特性曲線(DroopCharacter)作為控制方式,即分別通過P/f下垂控制和 Q/V下垂控制來獲取穩定的頻率和電壓,這種控制方法對微網中的微源輸出的有功功率和無功功率分別進行控制,無需機組間的通信協調,實現了微源即插即用和 對等控制的目標。

        微電網規劃這塊國內目前也還是慢慢開始做,并不是很成熟。 

        微電網孤立運行時,需由微電網內主電源建立電壓和頻率參考,該層控制    可分為主從控制模式和對等控制模式。

        在主從控制模式中,微電網內的一個分布式電源(或儲能設備)采取V/f控制,為微電網提供電壓和頻率參考,而其他分布式電源則采用PQ控制。

        在對等控制模式中,微電網中參與電壓、頻率調節和控制的多個可控型分布式電源(或儲能設備)在控制上都具有同等的地位,通常選擇P-f和Q-V下垂控制方法,根據分布式電源接入點就地信息進行控制。

        與主從控制模式相比,在對等控制模式中采用下垂控制的分布式電源可以自動參與輸出功率的分配,易于實現分布式電源的即插即用。

        所以一般來說,下垂控制核心在于負荷功率變化時,不同分布式電源的功率自動通信和共享,P/Q控制核心在于根據實際運行情況,對分布式電源有功和無功指定控制。

        兩者區別已經很清楚了,直觀的說一個主要對外,一個主要對內。PQ控制對外用于并網,被處理為一個恒定的功率輸出;下垂控制用于孤島,沒有公網的電壓頻率支撐,要自治地負責系統的電壓頻率的調節滿足要求。

        第二層控制

        微電網并網運行時,第二層控制的主要目標為降低微電網內可再生能源與負荷的波動對主網的影響,使微電網作為一個友好、可控的負荷接入主網。

        通過微電網中心控制器(MGCC)對各分布式電源下發合理的功率指令,通過聯絡線功率控制可實現這一點。微電網孤立運行時,采用主從控制模式能維持微電網電 壓和頻率恒定,負荷的變化主要由主電源跟隨,需要通過MGCC實現各分布式電源間的功率合理分配。采用對等控制模式時,能同時解決電壓頻率穩定控制和輸出 功率合理分配,但這是一種有差控制,負載變化前后系統的穩態電壓和頻率會有所變化。此時,該層控制的目標主要是恢復微電網電壓和頻率。

        微電網運行模式無縫切換控制也在第二層控制中實現,該部分應具備電網故障檢測、微電網與電網同步等功能,并對微電網并網靜態開關和主電源控制模式切換進行協調控制。

               

        第三層控制

        該層主要為微電網能量管理系統層,通過相應能量優化算法:①確定微電網并網運行時,與大電網之間聯絡線輸出功率參考值(作為微電網第二層控制目標參考值);②在微電網孤立運行時,調整各分布式電源輸出功率參考值或下垂曲線穩態參考點和分配比例系數設定等信息,實現微電網經濟運行等功能。

        這里其實只是簡單總結了下微電網的控制模式,在實際運行中和儲能模塊相結合這塊還是非常復雜的,特別是離網控制,涉及穩態,動態和暫態的三態控制,并網控制稍微簡單些,只需考慮穩態控制即可。

        四、微電網規劃

                                                          

        里面具體的可以看一些文獻和資料,定容、儲能、協調控制,優化算法結合在一起,還是比較復雜的。

        用的軟件主要是HOMER軟件,軟件本身還是比較強大的。

        五、微電網保護

        微電網保護問題根源在于分布式電源使得配電系統從單電源輻射式網絡變為“潮流雙向性網絡”,主要是三個問題:1)分布式電源與原有配電網保護的配合問題2)分布式電源對線路重合閘的影響3)孤島監測和反孤島措施。

        傳統配電網典型保護設計方案通常是主饋線采用電流速斷保護和過流保護組成的兩段式保護,并配置三相一次重合閘裝置。電流速斷按照線路末端故障有靈敏度的方法整定,過流保護按保護線路全長加時限整定。

                                                 

        1)分布式電源與原有配電網保護的配合問題

        如圖所示。

        一是導致本線路部分保護靈敏度降低及拒動,部分保護的靈敏度增加。如圖,當K3發生接地故障時,由于MG的分流作用,使B3感受到的故障電流減小,B3的靈敏度降低:當K2點發生接地故障,B4將流過MG提供的故障電流,使保護B4的靈敏度增加。

        二是導致本線路保護誤動。當母線處或K1發生接地故障時,B3流過MG提供的反方向短路電流,當MG饋入電網的功率足夠大時,將使B3誤動。

        三是導致相鄰線路保護誤動,失去選擇性。當K4發生接地故障,B1流過MG提供的短路電流,如果MG的容量足夠大,那么B1的保護范圍將可能延伸到下一段線路,使保護失去選擇性。

        2)分布式電源對線路重合閘的影響

        依舊如圖。

        K3發生接地故障,保護B3的電流速斷保護立即動作斷開故障線路,但MG的PCC從檢測外部故障到SS斷開MG需要一段時間,期間MG和B3所在的饋線構成孤 島運行,如果此時保護B3的前加速動作,可能會造成非同期合閘。同時,MG繼續向故障點提供電路電流,可能使故障點電弧重燃,擴大事故。

        保護B3的前加速必須與PCC處的靜態開關SS動作時間配合。所以,必須限制MG提供的短路電流,以公共配電網電流速斷或定時限過流保護的定值為約束條件,以減輕MG接入對重合閘前加速,后加速的影響。

        3)防孤島保護

        孤島效應當主電網由于故障或檢修而停止對部分負荷供電時,用戶側的分布式電源可能與負荷構成一個可獨立運行的孤網系統,從而脫離電網調度系統的控制,如果不能明確地給出孤網系統與主電網的斷開點,則可能引發一系列人身和運行隱患。

        這塊內容涉及到一些孤島監測方法,可以結合IEEE1547孤島檢測標準看看。

        4)微電網保護措施

        一是微電網系統級保護。關鍵是其與公共配電網的連接點PCC,可知,微電網并網運行對配電網繼電保護的影響因素主要取決于兩個因素:注入配電網的短路電流大 小和持續時間。當公共電網發生永久性故障或微電網的運行狀態不符合標準時,要求微電網進入孤網運行,PCC的迅速動作能減輕微電網對公共配電網繼電保護的 不利影響。所以,PCC安裝的控制與保護裝置必需能夠檢測并準確判斷電網的各種故障情況,迅速做出響應,決定微電網是否進入孤網運行。

        二是微電網單元級保護。當公共電網發生故障或電能質量下降,如過電壓,電壓偏低等,對于敏感負荷,需要微點網快速斷開與公共電網的連接,微電網進入孤網運行模式。微電網單元及保護主要是應對微電網內部發生的各種故障所配置的保護。

        具體來說比如限制DG的容量與接入位置,配電網故障時,DG立即退出,引入故障電流限制手段如故障限流器等。

        六、微電網工程實例

        許繼河南分布式光伏發電及微電網運行控制試點工程是國內首個包含光伏發電、電力儲能,并具有微電網特性的試點工程,是國家電網公司唯一的微電網試點項目。該項目以河南財政稅務高等??茖W校屋頂380kW光伏項目為依托,由380kW光伏電源、2組100kW/100kWh儲能系統、約34路用電負荷、相關控制單元和保護單元構成光儲聯合微電網系統,可以實現微電網并網到離網,離網到并網的平滑過渡。

                                               

        圖中的負荷回路和光伏發電回路實際上對應有多路負荷回路和光伏回路。本示范工程將離網狀態定義為:1DL和2DL均跳開,即孤島狀態。并網狀態定義為:1DL和2DL有一個合上。

        正常運行時,1DL及分段3DL合上,2DL斷開,微電網為并網運行。系統和光伏電源同時給用電負載供電。

        如果系統故障,導致1DL斷開,微電網進入離網運行,光伏發電、儲能系統和用電負荷構成微電網的計劃孤島運行模式,持續供電。當系統電源恢復,則合上1DL或2DL開關,微電網由離網運行轉入并網運行。

        此項目的保護與控制裝置有:光伏逆變器,儲能變流器,微電網系統控制器,負荷控制器,饋線保護控制器。除了以上保護控制器外,還有一套后臺集中控制中心完成系統的集中控制和管理。

        在微電網的并網、離網過程中,系統控制流程如圖所示。

                                                           

        本項目中所有光伏逆變器在這整個過程中均作P/Q控制。在并網狀態,按最大出力發電,在離網狀態,由后臺集中控制中心根據需要控制出力。在整個過程中,光伏回路可以認為是功率為負值的負載回路。

        儲能回路二配置的2#儲能變流器在這整個過程中均作P/Q控制,由后臺集中控制中心根據需要進行充放電控制。在過程中,儲能回路可認為是功率可調節的負載回路。

        儲能回路一配置的1#儲能變流器在并網狀態作P/Q控制,由后臺集中控制中心根據需要進行充放電控制。在離網狀態作V/f控制,穩定系統的電壓和頻率,作為微電網的主電源,其他光伏回路和儲能回路根據此電壓和頻率作P/Q控制,共同維持系統的穩定運行。

        負荷控制器主要完成離網后的快速負荷切除功能,饋線保護控制器完成饋線的保護控制功能。

         

         

         

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