微电网运行与控制概论——20140916

主轴承
变桨 机构 变流控制器
调节转速适 应风速变化
风机主控器
并网电能质 量高，功率 因数可控
储能设备
飞轮储能
蓄电池储能
超导储能
超级电容储能
• 储能设备并不是个发电设备，但是微网中最关键的设备，主要 用于平抑间歇性微电源的功率波动； • 大型电力系统中，同步发电机组的旋转动能在维持负荷的动态 平衡、减小系统频率的瞬时变化起着重要的作用； • 在微电网中燃气轮机、风力发电等微电源容量较小，其旋转动 能也小；而光伏发电系统和燃料电池系统根本没有旋转动能， 如没有快速双向储能设备的调节，则很难保证系统频率的动态 稳定； • 应对不同时间尺度变化的功率波动需要选择不同的储能方式。
独立运行的PV系统组成
并网运行的PV系统组成
风力发电
调节发电机 转速适应风 速变化
感应式发电机
旁路开关
无法调节无 功，需增加 无功补偿
10 ... 24 kV, f = 50 Hz
齿轮箱
软并网控制器
运行控制器
brake
690V/10000V
交流异步发电机
中压开关
功率控制器 功率补偿器 风轮转子
自发自 特征四：发电类型主要为可再生能源发电、资源综合利用发电、高能效天然 用！
气多联供（能效一般达到70%以上）。
7
我国分布式电源发展重点是风电、光伏发电、小水 电和小型天然气多联供等技术类型。
2 分布式电源的概念常常与可再生能源发电、热电联
产的概念发生混淆，大型可再生能源发电、大型燃气 蒸汽联合循环机组不属于分布式电源。
u VD 4
uc
ur
k 1 n
0
0 + -2 + -4 0 + -1 + -3 + -5 0 + -2 + -4 1 2 3 角频率(nc +kr)
信号波 载波
调制 电路
O
t
uo uof
uo Ud
O -Ud
t
搭积 木式
微电网(MG)
综合国内外微电网的定义和基本特征，微电网一般可定义 为：以分布式电源为主，利用储能和控制装置进行实时调节， 实现网络内部电力电量平衡的小型供电网络，可并网运行也可 离网运行。
几种微电源的基本原理及控制
微型涡轮发电机 • 回流换热器利用燃烧过程产生的 排出废气，增加了系统的效率； • 系统中的发电机为永磁发电机， 发电机通过电力电子装置并网； • 无需发电机转速与电网严格同步， 其控制原理及大型汽轮发电机组 基本一致。
整流器 微型涡轮 发电机组 ～
三相380V
逆变器
用户应用层支持人机交互，支持展示微 电网运行状态与功能。 分析决策层分析网络状态分析、潮流计 算，进行经济性和可靠性评估。时间尺 度为小时（h）级 微网运行层实现对微网的电气控制，时 间尺度为分钟（min）级 物理层控制控制微电源和储能装置，时 间常数在毫秒（ms）级到秒（s）级
微电网分层(主从)控制框图
微电网的运行方式及控制
微电源控制模式 •主从： 中央控制器（MGCC）提供下层 单元的参考电压值，有功无功 设置点等。这样上层和下层之 间就存在通信联系，但这些通 信不需要实时性。下层从控制 单元（slave）需要获得主控 制单元（master）的电压的频 率支持，需要频率检测装置。 比较接近大电网控制模式。难 点在于DG控制器之间需要通信 和约定 •对等： 针对即插即用式微网的主从控 制方式，每个设备以对等模式 进行自动控制。接入或去掉其 中一个不会对微网中其它微型 源产生影响。即插即用意味着 在电力系统的任何地方都可以 安装一个微网单元而不需要对 控制部分重新设计。难点在于 并网和离网状态切换时的稳定 问题
能量管理 系统 负荷差异化 分级
分布式 发电 能源使用 多样性
微电网 技术特征
可独立 运行
辅助电网 优化调度
微电网的优点
可大大提高分布式电源的有效运行时间； 有助于电网灾变时的重要负荷持续供电； 避免间歇式电源对周围用户电能质量的直接影响； 有助于可再生能源优化利用和电网节能降损。 。。。。。 经济与社会意义巨大!
永磁直驱发电机
无齿轮箱，发 电机转速不同 步，能量转换 效率高
风机主控器
并网电能质 量高，功率 因数可控
双馈异步发电机
主回路断路器
调节转子励磁 电流，只需调 节转差功率， 变流器成本低
10...24 kV, f = 50 Hz or 60 Hz
齿轮箱
制动器 异步发电机
机侧 变流器
网侧 变流器
变压器 开关设备
微电网运行与控制概论
武汉大学电气工程学院 主讲人: 孙建军 jjsun@whu.edu.cn
目 录
1 引言 2 微电网的结构与组成 3 微电网的运行与控制
4 分布式发电及微电网发展 5 总结
背景
化石能源 大机组 大电网 高电压
环境污染 能源危机 电网安全
可再生能源 分布式发电 DG
功率波动 稳定性差
DG
DG
DG
DG
DG
分布式电源并网技术
纽带！
电力电子功率变换技术
电子运动代 替机械运动
DC
AC
DC
DC
1.2 1.0 谐波振幅
DC
V1 Ud + V2 ur uc
AC
VD1 R VD2 uo V3 L V4 VD3
0.8 0.6 0.4 0.2
a=1.0 a=0.8 a=0.5 a=0
L L L C u
功率变换拓扑
整流等效拓扑
燃料电池
氧化 e
e
CH 4 H 2 O CO 3H 2
CO H 2 O CO2 H 2
e 浓缩
• 将燃料(氢）与氧化剂(空气)中的化学能转化为电能； • 不是储能设备，是发电设备，所以叫燃料电池； • 能量转化效率高，本体效率可达40~60%，大容量热电联合联合 循环系统效率可达80%以上，是一般内燃机的2~3倍； • 非常环保，污染排放非常小、噪音极小，燃料易获取。
能量管理系统
自治运行
能量管理系统通过为每个微型电源控制设置功率和电压 的参考值来调节微电网的运行状态。其目标为 • 确保微型电源为负荷提供所需的热能和电能； 友好 • 保证微电网满足大电网的运行规约； • 微型电源的排放和系统的损耗达到最小；
充分利用可再生清洁能源 经济环保 热、冷、电联供
• 使微型电源的运行效率达到最大等。
微电网MG
大电网
优质
用电 环节 配电 环节
安全
当前大电网
发电 环节
输电 环节
经济
高效
集中式 单一供电系统
分布式发电（DG）
DG定义：利用分布式能源，装 机规模小，位于用户附近，通 过10（35）kV及以下电压等级 接入的可再生能源、资源综合 利用和能量梯级利用多联供发 电设施。
风能
太阳能
分布式 生物质能 能源 海洋能
微电源控制策略
决定了微电源的 外特性，时间尺 度ms级
改善微电源输出电 压/电流波形，提高 控制增益和响应速 度，时间尺度μs
微电源的PQ控制
控制目的是使 DG输出的有功功率和无功功 率等于其参考功率 例如当系统频率为 50Hz 、 DG 的端口电压 为额定值时， DG 运行在 B 点，输出的有功 功率和无功功率分别为 Pref、 Qref；当系 统的频率增加，且 DG的端口电压幅值增大， 此时 DG 运行点将由 B 点向 A 点移动，输出 的有功和无功依然为 Pref、 Qref；当系统 的频率减小，且 DG的端口电压幅值减小， DG 运行点将由 B 点向 C 点移动，输出的有 功和无功依然为Pref、Qref。
目 录
1 引言 2 微电网的结构与组成 3 微电网的运行与控制
4 分布式发电及微电网发展 5 总结
微电网的运行方式及控制
并网状态 离网状态 并网离网切换 离网并网切换 故障检修 大电网直供
微网运行方式示意图
微电网的运行方式及控制
并网状态 • 大电网提供频率和PCC点电压支撑，维持网内功率平衡； • 微电源根据电力市场规律选择最优运行模式以获得最大 的经济效益； • 微网内局部电压可由微电源进行调节。 离网(孤岛)状态 • 功率平衡、频率和电压支撑由微电源选择不同控制模式 实现； • 由于微电源的惯性几乎为零，频率控制具有一定的难度； • 必须有储能设备。
拓扑结构
• 直流与交流微网系统
直流微网系统-环形 直流微网系统-辐射形
交流微网系统
交直流混合微网系统
微网结构特征
• 简单结构与复杂结构微网
简单结构微网
DG
源自文库
复杂结构微网
微电源控制器/并网逆变器——功能 自动调节馈线的潮流； 自动调节节点电压及负荷分配； 确保系统能够自动平滑地转换孤岛和并网模式 微电源控制器/并网逆变器——特点 响应时间为毫秒级的，控制信号采自本地测量电压和电流； 即插即用。一般不需要快速通信协调微电源控制器的运行； 投入与退出不改变系统中的已经存在的控制和保护装置。
光伏电池
• 光照射到半导体系统上时，系统吸收光能后两端产生电动势， 这种现象称为光生伏特效应； • 光照强度、温度等影响光伏电池输出电流大小；
• 为使太阳能电池的输出功率达到最大，不论外界环境如何变化， 必须使其运行在这一最大功率点； • 可采用电力电子变换器实时地调节PV电池运行电压等于最大功 率点的电压来实现最大功率点跟踪。
电网提供励 磁，一般采 用笼型转子
n n1 电机运行在发电状态（一般 0.02 s 0.05 ）
变速恒频发电 永磁直驱式发电机
机侧 变流器
DC
网侧 变流器
主回路 断路器
功率控制灵 活，电网适 应性好，易 低电压穿越
10...24 kV, f = 50 Hz
变流控制器
变压器 开关设备 制动器 主轴承 变桨 机构
天然气 其他形式 新能源
综合各种关于分布式电源的标准，DG具有四个基本特征。
特征一：直接向用户供电，潮流一般不穿 越上一级变压器。 特征二：装机规模小，一般为10MW及以下。 18个典型国家（组织）中，13个为10MW及 以下，3个为数十MW级，2个为100MW级。 特征三：通常接入中低压配电网，一般为10（35）kV及以下。18个典型国家 （组织）中，8个为10kV及以下，7个为35kV级，3个为110（66）kV级。 电网 电网
工厂企业
居民
时间轴/h
分布式电源并网运行方式
输电 网络
高压配网
G
G
G
G
以分布式电源（DG）为单元 优点：接入方便，运行简单 缺点： 系统故障退出运行 间歇性影响周边用户 能源综合优化困难 对电网运行调度提出了挑战 上述缺点将制约了DG的发展
110KV
中压配网
35/10KV
负荷 低压配网 0.4KV 负荷
分布式电源接入常规电网并网运行，易满足负荷需 求，有助于可再生能源高效和规模化利用
负荷需求曲线
KW
大型电厂
升压变
5000
常规电网
枢纽变电站
4000
常规电网补充功率差额
配电变压器
燃气 轮机
3000
配电变压器
内燃机
内燃机
2000
配电变压器
燃气 轮机
DG输出功率
光伏 电池
1000 0
商业建筑
商业建 筑
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
目 录
1 引言 2 微电网的结构与组成 3 微电网的运行与控制
4 分布式发电及微电网发展 5 总结
微电网的拓扑结构
冷热电联供
热、冷
光伏
微网边界
微网母线
太阳能
储能
热、冷
中央 控制
冷热电联供
储能 装置
风电
微电网的组成
微网分布式电源 微电源控制器 功率和电压控制器 分段控制设备 能量管理系统 继电保护系统
微电网主要是利用储能和控制装置，实现分布式电源与本地
负荷电力电量自平衡的微型供电网络，是新技术在配电网中 的应用，是智能电网的组成部分。 分布式电源并网不一定要依靠微电网技术；但微电网必然包 含分布式电源，同时配置能量管理系统、控制装置、储能装 置等实现“自治”、“友好”。
总结美国、欧洲、日本等国20个微电网试点工程，具备以下四 个基本特征： 微型：微电网电压等级一般在10kV以下；系统规模一般在 兆瓦级及以下；与终端用户相连，电能就地利用。 清洁：微电网内部分布式电源以清洁能源为主，或是以能 源综合利用为目标的发电形式。天然气多联供系统综合利 用率一般应在70%以上。 自治：微电网内部电力电量能实现基本自平衡，与外部电 网的电量交换一般不超过总电量的20%。 友好：微电网对大电网有支撑作用，可以为用户提供优质 可靠的电力，能实现并网/离网模式的平滑切换。
配网层面
用户负荷
当前信息
输入输出 功率控制
DG层面
预测
实时能量 功率控制
间歇电源 预测
当前信息
分布式电 源控制
负荷层面
负荷响应 控制
继电保护系统 • 微电网中的继电保护必须同时能够响应大电网和微电网 的故障； • 对于大电网的故障，所需响应可能是为了保护微电网中 非常重要的负荷，应该迅速地将这些负荷与大电网隔离 开来； • 如果故障发生在可运行于孤岛状态的微电网内部，则所 需的保护是将馈线中最少可能的线路断开，从而消除故 障影响。