微电网运行-有功功率与无功功率控制要点
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
PG _ init PL10 PL20
总的负荷由两台电源根据稳 态时的功率-频率倾斜特性分配。 两台电源的频率倾斜特性的斜率分别为
K1 1 PG1
PL1 _ ref 0
1 1 1 b1
2 K2 PG 2
PL 2 _ ref 0
1
2
当母线1的负荷变化时，系统总功率为
2018年10月4日星期四 64－4
§4-1 微型电源控制器功能
三、快速负荷跟踪和电能存储的需要 不仅具有微型电源，还有电能存储装置的微电网不仅可以运 行在与大电网并列运行的状态，也可运行于孤岛状态。 当微电网运行于孤岛状态时，微电网的负荷跟踪能力可能成 为问题，因为微型涡轮发电机和燃料电池的响应速度比较慢， 时间常数为10~200s，并且基本上没有动能储备。 大型电力系统中的发电机的动能具有电能存储的作用，当新 的负荷接入到线路上时，最初的能量平衡由系统的动能实现， 这将导致系统频率轻微下降。 微电网不能依靠发电机的动能，必须采用某种形式的能量存 储，保证最初的电能平衡。 微电网的能量存储可为下述几种形式：可在每个微型电源的 直流母线上采用蓄电池或超级电容；直接将交流电能存储装 置(蓄电池、飞轮电能存储装置等)连接到微电网；或者采用较 大动能的微型发电机等。在此我们仅假设在微型电源的直流 母线上装设有足够容量的电能存储装置。
§4-2 有功功率控制
潮流的方向取决于两条母线之间电压的相位差，为两个系统 之间相对频率偏差的函数。 1. 没有自动发电控制时的有功功率控制 设 ΔPL1 发生变化而 ΔPL2为零，则可确定系统的频率偏移和联络 线上的功率变化。 (1)首先考虑传递函数中没有频率调节器的情况。 当母线1上的负荷发生变化时微型电源1的频率偏移为
2018年10月4日星期四
64－7
§4-2 有功功率控制
一、单台微型电源的有功功率控制 微电网中电动机等与 频率相关的负荷可提 供附加的负荷调节作 用，但其调节效应非 常小，可忽略不计。 有功功率控制器包含 一个频率恢复环节，其功能类似于同步发电机中的调速器。
s PL s b 1 1 b 1 sTG b PL ref s 1 sTG b
实际转速ω和所需功率PG的变化曲线。
通过改变参考功率，可将控制器设 置到满足任何负荷要求的给定额定 频率。 当系统的参考功率不变，而负荷变化 时，频率的变化为
P
L ref
s 0
b 1 1 b 1 sTG
PL
2018年10月4日星期四
64－10
§4-2 有功功率控制
二、两台微型电源并列运行的有功控制
2018年10月4日星期四
64－11
§4-2 有功功率Hale Waihona Puke Baidu制
两台微型电源并列运行的功率控制传递函数框图
T Pt 1 2 s
T
314 X tie
流过联络线上潮流可等效为两台发电机的负荷，大小相等， 方向相反。
2018年10月4日星期四 64－12
2018年10月4日星期四 64－14
§4-2 有功功率控制
当负荷1阶跃变化而负荷 2不变，且两台电源均没有频率恢复控 制时，系统的响应曲线：
由于系统具有恒定增益的倾斜特性，当负荷发生变化的瞬间， 频率突然下降。
2018年10月4日星期四 64－15
§4-2 有功功率控制
(2)考虑频率恢复控制回路的作用 当负荷发生 1变化而负荷 2不变时，系统频率将恢复到接近于额 定频率，此时稳态频率偏差和联络线上功率变化为
具有自动发电控制的微电网可根据系统频率的变化调节各微 型电源的参考功率PL_ref。 因为微电网的主要目标是对电能质量非常敏感的负荷提供可 靠的电能，因此控制器参考功率的变化必须非常迅速地跟随 负荷的变化。 当控制器的参考功率发生变化时，微 型电源的频率偏差为
P s 0
L
b PL _ ref s 1 b sTG
PG1 PG 2 PL1
因为稳态时两台电源的频率变化相等，因此可得：
1 1 PG1 P G2 1 2 b b 2 1 1 1/ b1 PG1 PL1 1 2 1/ b1 1/ b2 2 1/ b2 PG 2 PL1 1 2 1/ b1 1/ b2
2018年10月4日星期四 64－6
§4-2 有功功率控制
由同步发电机组成的电力系统，两台或两台以上发电机之间 有功功率分配主要通过控制器的频率倾斜特性实现。 与由同步发电机组成的电力系统类似，微电网中分布式电源 之间的负荷分配同样采用频率倾斜特性实现。 在电力系统中，频率倾斜特性是发电机的惯性、负荷的频率 调节特性和转速 /频率调节特性等的综合，由电机的转动惯量、 与频率相关的负荷以及调速器等实际的设备实现。 在由分布式电源互联所组成的微电网中，每台分布式电源的 频率倾斜特性是通过其控制器的软件来实现，实现分布式电 源之间的负荷分配。 分布式电源的控制器通常采用DSP实现，因此具有非常大的灵 活性，不会受到电机的转动惯量、频率相关负荷、调速器的 时间常数或原动机的时间常数等这些物理参数的限制。
设1/s=0可得到控制器频率响应的暂态偏移：
bPL
控制器在负荷变化的瞬间具有有限的频率降落，这与具有大 惯性的同步发电机控制系统的在负荷变化瞬间的零频率降落 特性不同。
2018年10月4日星期四 64－8
§4-2 有功功率控制
令s=0可得到控制器的稳态频率偏移：
PL PLref 1 1 b
3 UE P sin P 2 X Q 3U U E cos P 2X
P U E
2018年10月4日星期四
64－3
§4-1 微型电源控制器功能
二、电压倾斜控制 若要将大量微型电源集成到微电网中，不能仅仅采用基本的PQ控制，为保证微电网的可靠性和稳定性必须实现电压调节。 若没有电压控制，具有大量微型电源的微电网将可能产生电 压和无功功率振荡。 电压控制必须确保电源之间没有较大的无功环流，该问题与 具有大型同步发电机的电力系统控制一样。 在大电网中，发电机之间的阻抗足够大，从而减小了环流产 2 Qmax S 2 P2 生的可能性。 U设定 在辐射型微电网中，较大无 功环流问题非常显著，当出 现很小的电压参考值偏差时， Q容性 Q感性 环流可能超出微型电源的额 Qmax Qmax 定值。 因此微电网需要电压 -无功电流倾斜控制，使得微型电源产生 的无功电流更加偏于容性，本地电压设定值减小。
1
1 2
1 1 b1 b1
PL1
Pt
2 1 / b2
1 2
1 1 b1 b1
PL1
2018年10月4日星期四
64－16
§4-2 有功功率控制
稳态时频率偏移额定数值的大小由于调节器的作用而减小。 两台并列运行的微型电源的稳态频率特性和负荷分配： 设负荷变化前系统处于稳定 工作状态，两台电源的输出 功率等于设定值，系统的总 功率为：
微电网有功功率和无功功率控制
§4-1 微型电源控制器功能 §4-2 有功功率控制 §4-3 无功功率控制 §4-4 微型电源在不对称负荷情况的运行和控制
2018年10月4日星期四
64－1
§4-1 微型电源控制器功能
电力电子装置可为微电网提供灵活的控制功能，从而使其同 时满足用户和电力系统的需要。 微电网控制必须保证新的微型电源加入到系统中时，不需要 更改微电网中已有设备的运行状态。 微电网可以非常迅速和无缝隙地与大电网并列或解列。 系统的有功功率和无功功率可以分别控制。 电压降落和三相不平衡可以得到校正。 微电网能够满足电力系统负荷的动态特性的要求。 设计控制器时最关键的是在微电网的正常操作中，各微型电 源不必互相交流信息，每个微型电源控制器必须能够有效地 响应系统的变化，而不需要来自于其它微型电源或本地其它 设备的数据。 微型电源控制器的主要功能：调节馈线上的潮流；控制每个 微型电源接口处的电压；当系统处于孤岛运行状态时，保证 每个微型电源能够迅速承担它所分配的负荷；微电网能够自 动平滑地进入孤岛运行和重新与大电网并列的能力。
频率倾斜特性将负荷变化开始初始特性曲线 (虚线 )以一阶时 间常数TG转换到稳态特性曲线(实线)。 负荷功率的变化由电源输出功率变化提供，用ΔPG表示。 当本地负荷突然变化时，系统频率将首先按1/s=0突变，并最 终达到s=0所确定的稳态值。
2018年10月4日星期四 64－9
§4-2 有功功率控制
2018年10月4日星期四 64－2
§4-1 微型电源控制器功能
一、有功功率和无功功率控制 微型电源由三个部分组成，即微型发电系统、直流接口和电 压源逆变器。 逆变器 U E 微型电源通过一个电抗器连接 微型发 G 电系统 到微电网。 X 电压源逆变器同时控制微型电 直流接口 源输出电压的幅值和相位。 逆变器的输出电压 U、微电网的本地电压 E以及电抗器的电抗 X决定了微型电源输出到微电网的有功功率P和无功功率Q， 当系统受到微小扰动时，P主要取决于功角 δP， Q 取决于逆变 器的输出电压幅值U。这些关系构成了有功功率调节和通过调 节无功功率控制电压的基本的反馈控制方法。
P G _ final P G1 P G2 P L10 P L 20 P L1
2018年10月4日星期四
1 b2
64－17
§4-2 有功功率控制
当参考输出功率不变时，根据电源的功率-频率特性，系统频 率下降，电源的输出功率增加，从而满足负荷的需要。 稳态时系统增加的功率为
1 s b1 s Tb2 PL1 s T b1 b2 2 Tb1b2 s PL1 s T b1 b2 Pt s Tb1 PL1 s T b1 b2
微型电源2的频率偏移为
从母线1到母线2联络线上功率变化为：
2018年10月4日星期四
64－13
§4-2 有功功率控制
电源1的初始频率偏移为 1 b1PL1 电源2的初始频率偏移为 2 0 联络线上的初始功率变化为 Pt 0 负荷1的瞬时功率改变开始时并不能由电源2提供，这是因为 联络线对系统功率的变化具有积分的作用。另外联络线也不 能存储电能来支持负荷的瞬时变化。 在负荷变化瞬间，两电源的频率变化不相等将引起母线 1 和 母线2之间的电压相位差迅速变化，从而使得由电源1响应母 线1上负荷瞬时变化的持续时间达到最小。 两台电源在暂态过程的初期即可实现负荷的分配，这与常规 的由同步发电机组成的多机系统不同。这对由分布式电源组 成的微电网具有积极的作用 。 系统达到稳态时，两台电源的频率变化和频率变化率将相等。 系统达到稳态时频率偏 1 P 1 / b2 Pt PL1 L1 1 1 1 1 差和联络线上的功率变 b b b1 b1 化为： 1 1
2018年10月4日星期四 64－5
§4-1 微型电源控制器功能
四、孤岛运行模式下实现功率分配的频率倾斜控制 采用先进的控制技术微电网能够提供基本的潮流控制。 在孤岛运行模式，必须考虑每个逆变器产生的微小频率误差 和需要改变逆变器的输出功率来匹配负荷的变化等问题。 每个微型电源的功率 -频率倾斜特性不需要复杂的通信网络就 能解决上述问题。 当微电网与大电网并列运行时，根据用户的需要，微电网中 的负荷可同时从大电网和本地微型电源取用电能。 当微电网与大电网断开后，微电网中每个电源的电压相位角 将发生变化， 导致本地电压频率明显地下降。 随着频率的下 降每个微型电源根据其功率 ω P01 P02 - 频率调节特性按一定比例 ω0 ω1 增加其输出功率 ，实现负 荷分配的功能 ， 不需要能 ωmin 量管理系统提供新的功率 分配方案。 P02max P01max P
总的负荷由两台电源根据稳 态时的功率-频率倾斜特性分配。 两台电源的频率倾斜特性的斜率分别为
K1 1 PG1
PL1 _ ref 0
1 1 1 b1
2 K2 PG 2
PL 2 _ ref 0
1
2
当母线1的负荷变化时，系统总功率为
2018年10月4日星期四 64－4
§4-1 微型电源控制器功能
三、快速负荷跟踪和电能存储的需要 不仅具有微型电源，还有电能存储装置的微电网不仅可以运 行在与大电网并列运行的状态，也可运行于孤岛状态。 当微电网运行于孤岛状态时，微电网的负荷跟踪能力可能成 为问题，因为微型涡轮发电机和燃料电池的响应速度比较慢， 时间常数为10~200s，并且基本上没有动能储备。 大型电力系统中的发电机的动能具有电能存储的作用，当新 的负荷接入到线路上时，最初的能量平衡由系统的动能实现， 这将导致系统频率轻微下降。 微电网不能依靠发电机的动能，必须采用某种形式的能量存 储，保证最初的电能平衡。 微电网的能量存储可为下述几种形式：可在每个微型电源的 直流母线上采用蓄电池或超级电容；直接将交流电能存储装 置(蓄电池、飞轮电能存储装置等)连接到微电网；或者采用较 大动能的微型发电机等。在此我们仅假设在微型电源的直流 母线上装设有足够容量的电能存储装置。
§4-2 有功功率控制
潮流的方向取决于两条母线之间电压的相位差，为两个系统 之间相对频率偏差的函数。 1. 没有自动发电控制时的有功功率控制 设 ΔPL1 发生变化而 ΔPL2为零，则可确定系统的频率偏移和联络 线上的功率变化。 (1)首先考虑传递函数中没有频率调节器的情况。 当母线1上的负荷发生变化时微型电源1的频率偏移为
2018年10月4日星期四
64－7
§4-2 有功功率控制
一、单台微型电源的有功功率控制 微电网中电动机等与 频率相关的负荷可提 供附加的负荷调节作 用，但其调节效应非 常小，可忽略不计。 有功功率控制器包含 一个频率恢复环节，其功能类似于同步发电机中的调速器。
s PL s b 1 1 b 1 sTG b PL ref s 1 sTG b
实际转速ω和所需功率PG的变化曲线。
通过改变参考功率，可将控制器设 置到满足任何负荷要求的给定额定 频率。 当系统的参考功率不变，而负荷变化 时，频率的变化为
P
L ref
s 0
b 1 1 b 1 sTG
PL
2018年10月4日星期四
64－10
§4-2 有功功率控制
二、两台微型电源并列运行的有功控制
2018年10月4日星期四
64－11
§4-2 有功功率Hale Waihona Puke Baidu制
两台微型电源并列运行的功率控制传递函数框图
T Pt 1 2 s
T
314 X tie
流过联络线上潮流可等效为两台发电机的负荷，大小相等， 方向相反。
2018年10月4日星期四 64－12
2018年10月4日星期四 64－14
§4-2 有功功率控制
当负荷1阶跃变化而负荷 2不变，且两台电源均没有频率恢复控 制时，系统的响应曲线：
由于系统具有恒定增益的倾斜特性，当负荷发生变化的瞬间， 频率突然下降。
2018年10月4日星期四 64－15
§4-2 有功功率控制
(2)考虑频率恢复控制回路的作用 当负荷发生 1变化而负荷 2不变时，系统频率将恢复到接近于额 定频率，此时稳态频率偏差和联络线上功率变化为
具有自动发电控制的微电网可根据系统频率的变化调节各微 型电源的参考功率PL_ref。 因为微电网的主要目标是对电能质量非常敏感的负荷提供可 靠的电能，因此控制器参考功率的变化必须非常迅速地跟随 负荷的变化。 当控制器的参考功率发生变化时，微 型电源的频率偏差为
P s 0
L
b PL _ ref s 1 b sTG
PG1 PG 2 PL1
因为稳态时两台电源的频率变化相等，因此可得：
1 1 PG1 P G2 1 2 b b 2 1 1 1/ b1 PG1 PL1 1 2 1/ b1 1/ b2 2 1/ b2 PG 2 PL1 1 2 1/ b1 1/ b2
2018年10月4日星期四 64－6
§4-2 有功功率控制
由同步发电机组成的电力系统，两台或两台以上发电机之间 有功功率分配主要通过控制器的频率倾斜特性实现。 与由同步发电机组成的电力系统类似，微电网中分布式电源 之间的负荷分配同样采用频率倾斜特性实现。 在电力系统中，频率倾斜特性是发电机的惯性、负荷的频率 调节特性和转速 /频率调节特性等的综合，由电机的转动惯量、 与频率相关的负荷以及调速器等实际的设备实现。 在由分布式电源互联所组成的微电网中，每台分布式电源的 频率倾斜特性是通过其控制器的软件来实现，实现分布式电 源之间的负荷分配。 分布式电源的控制器通常采用DSP实现，因此具有非常大的灵 活性，不会受到电机的转动惯量、频率相关负荷、调速器的 时间常数或原动机的时间常数等这些物理参数的限制。
设1/s=0可得到控制器频率响应的暂态偏移：
bPL
控制器在负荷变化的瞬间具有有限的频率降落，这与具有大 惯性的同步发电机控制系统的在负荷变化瞬间的零频率降落 特性不同。
2018年10月4日星期四 64－8
§4-2 有功功率控制
令s=0可得到控制器的稳态频率偏移：
PL PLref 1 1 b
3 UE P sin P 2 X Q 3U U E cos P 2X
P U E
2018年10月4日星期四
64－3
§4-1 微型电源控制器功能
二、电压倾斜控制 若要将大量微型电源集成到微电网中，不能仅仅采用基本的PQ控制，为保证微电网的可靠性和稳定性必须实现电压调节。 若没有电压控制，具有大量微型电源的微电网将可能产生电 压和无功功率振荡。 电压控制必须确保电源之间没有较大的无功环流，该问题与 具有大型同步发电机的电力系统控制一样。 在大电网中，发电机之间的阻抗足够大，从而减小了环流产 2 Qmax S 2 P2 生的可能性。 U设定 在辐射型微电网中，较大无 功环流问题非常显著，当出 现很小的电压参考值偏差时， Q容性 Q感性 环流可能超出微型电源的额 Qmax Qmax 定值。 因此微电网需要电压 -无功电流倾斜控制，使得微型电源产生 的无功电流更加偏于容性，本地电压设定值减小。
1
1 2
1 1 b1 b1
PL1
Pt
2 1 / b2
1 2
1 1 b1 b1
PL1
2018年10月4日星期四
64－16
§4-2 有功功率控制
稳态时频率偏移额定数值的大小由于调节器的作用而减小。 两台并列运行的微型电源的稳态频率特性和负荷分配： 设负荷变化前系统处于稳定 工作状态，两台电源的输出 功率等于设定值，系统的总 功率为：
微电网有功功率和无功功率控制
§4-1 微型电源控制器功能 §4-2 有功功率控制 §4-3 无功功率控制 §4-4 微型电源在不对称负荷情况的运行和控制
2018年10月4日星期四
64－1
§4-1 微型电源控制器功能
电力电子装置可为微电网提供灵活的控制功能，从而使其同 时满足用户和电力系统的需要。 微电网控制必须保证新的微型电源加入到系统中时，不需要 更改微电网中已有设备的运行状态。 微电网可以非常迅速和无缝隙地与大电网并列或解列。 系统的有功功率和无功功率可以分别控制。 电压降落和三相不平衡可以得到校正。 微电网能够满足电力系统负荷的动态特性的要求。 设计控制器时最关键的是在微电网的正常操作中，各微型电 源不必互相交流信息，每个微型电源控制器必须能够有效地 响应系统的变化，而不需要来自于其它微型电源或本地其它 设备的数据。 微型电源控制器的主要功能：调节馈线上的潮流；控制每个 微型电源接口处的电压；当系统处于孤岛运行状态时，保证 每个微型电源能够迅速承担它所分配的负荷；微电网能够自 动平滑地进入孤岛运行和重新与大电网并列的能力。
频率倾斜特性将负荷变化开始初始特性曲线 (虚线 )以一阶时 间常数TG转换到稳态特性曲线(实线)。 负荷功率的变化由电源输出功率变化提供，用ΔPG表示。 当本地负荷突然变化时，系统频率将首先按1/s=0突变，并最 终达到s=0所确定的稳态值。
2018年10月4日星期四 64－9
§4-2 有功功率控制
2018年10月4日星期四 64－2
§4-1 微型电源控制器功能
一、有功功率和无功功率控制 微型电源由三个部分组成，即微型发电系统、直流接口和电 压源逆变器。 逆变器 U E 微型电源通过一个电抗器连接 微型发 G 电系统 到微电网。 X 电压源逆变器同时控制微型电 直流接口 源输出电压的幅值和相位。 逆变器的输出电压 U、微电网的本地电压 E以及电抗器的电抗 X决定了微型电源输出到微电网的有功功率P和无功功率Q， 当系统受到微小扰动时，P主要取决于功角 δP， Q 取决于逆变 器的输出电压幅值U。这些关系构成了有功功率调节和通过调 节无功功率控制电压的基本的反馈控制方法。
P G _ final P G1 P G2 P L10 P L 20 P L1
2018年10月4日星期四
1 b2
64－17
§4-2 有功功率控制
当参考输出功率不变时，根据电源的功率-频率特性，系统频 率下降，电源的输出功率增加，从而满足负荷的需要。 稳态时系统增加的功率为
1 s b1 s Tb2 PL1 s T b1 b2 2 Tb1b2 s PL1 s T b1 b2 Pt s Tb1 PL1 s T b1 b2
微型电源2的频率偏移为
从母线1到母线2联络线上功率变化为：
2018年10月4日星期四
64－13
§4-2 有功功率控制
电源1的初始频率偏移为 1 b1PL1 电源2的初始频率偏移为 2 0 联络线上的初始功率变化为 Pt 0 负荷1的瞬时功率改变开始时并不能由电源2提供，这是因为 联络线对系统功率的变化具有积分的作用。另外联络线也不 能存储电能来支持负荷的瞬时变化。 在负荷变化瞬间，两电源的频率变化不相等将引起母线 1 和 母线2之间的电压相位差迅速变化，从而使得由电源1响应母 线1上负荷瞬时变化的持续时间达到最小。 两台电源在暂态过程的初期即可实现负荷的分配，这与常规 的由同步发电机组成的多机系统不同。这对由分布式电源组 成的微电网具有积极的作用 。 系统达到稳态时，两台电源的频率变化和频率变化率将相等。 系统达到稳态时频率偏 1 P 1 / b2 Pt PL1 L1 1 1 1 1 差和联络线上的功率变 b b b1 b1 化为： 1 1
2018年10月4日星期四 64－5
§4-1 微型电源控制器功能
四、孤岛运行模式下实现功率分配的频率倾斜控制 采用先进的控制技术微电网能够提供基本的潮流控制。 在孤岛运行模式，必须考虑每个逆变器产生的微小频率误差 和需要改变逆变器的输出功率来匹配负荷的变化等问题。 每个微型电源的功率 -频率倾斜特性不需要复杂的通信网络就 能解决上述问题。 当微电网与大电网并列运行时，根据用户的需要，微电网中 的负荷可同时从大电网和本地微型电源取用电能。 当微电网与大电网断开后，微电网中每个电源的电压相位角 将发生变化， 导致本地电压频率明显地下降。 随着频率的下 降每个微型电源根据其功率 ω P01 P02 - 频率调节特性按一定比例 ω0 ω1 增加其输出功率 ，实现负 荷分配的功能 ， 不需要能 ωmin 量管理系统提供新的功率 分配方案。 P02max P01max P