微電網(wǎng)是實現(xiàn)主動配電網(wǎng)的有效方式,能夠促進(jìn)分布式電源與可再生能源的大規(guī)模接入,使傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能網(wǎng)絡(luò)過渡。此外,中科院院士周孝信曾指出:第三代電網(wǎng)將采用骨干電網(wǎng)和地方電網(wǎng)、微電網(wǎng)相結(jié)合的模式。智能化是電力系統(tǒng)發(fā)展的方向。在此背景之下,科學(xué)家和工程師們首先將目光聚焦在了智能化、柔性化的微電網(wǎng)。微電網(wǎng)既可孤島運行,也可并網(wǎng)運行,黑啟動、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、潮流控制、有源濾波、能量管理……,這些都是微電網(wǎng)應(yīng)具備的基本功能,只有這樣才能實現(xiàn)在負(fù)荷端就近發(fā)電、儲能,省去了大容量、長距離的輸電環(huán)節(jié),從而顯著地減小了輸電線路上的損耗,提高了電網(wǎng)的可靠性。本文對智能微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略以及能量管理等問題進(jìn)行了綜述。l微網(wǎng)是分布式發(fā)電并網(wǎng)的關(guān)鍵途徑
智能微電網(wǎng)是將分布式發(fā)電(Distributed Generation,DG)、分布式儲能(Distributed Storage,DS)、分布式負(fù)載(DispersedLoads,DL)進(jìn)行系統(tǒng)集成的最佳方案。在大電網(wǎng)集中供電體制下,大型電廠通常遠(yuǎn)離負(fù)荷中心,因此需要大容量、長距離輸電。但通過這些小容量的微電網(wǎng)就可實現(xiàn)在負(fù)荷端就近發(fā)電、就近儲能,從而省去大量的輸配電線路以及由此導(dǎo)致的輸配電損耗??偟膩碚f,傳統(tǒng)的集中供電配電模式有很多缺陷:線路損耗太大導(dǎo)致了系統(tǒng)效率低,高壓長距離輸電線的容升效應(yīng)導(dǎo)致了電壓穩(wěn)定性差,多發(fā)的單點故障以及其他偶發(fā)的網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致了可靠性低。
微電網(wǎng)主要有兩種發(fā)展方向,一是將微電網(wǎng)與公共大電網(wǎng)相連;二是將多個鄰近的微電網(wǎng)互聯(lián),形成微電網(wǎng)群(microgrid clusters)。因此,未來的電力網(wǎng)絡(luò)將包含一次能源、原動機、電力電子變流器、DS裝置以及本地的DL,而微電網(wǎng)只是其中的一部分。微電網(wǎng)既可獨立地自主運行,也可接入大電網(wǎng)。可在并網(wǎng)模式與離網(wǎng)模式之間進(jìn)行無縫切換是微電網(wǎng)的主要特征。通過微電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)線即可實現(xiàn)在多個微電網(wǎng)之間進(jìn)行能量調(diào)度,以同時實現(xiàn)各個微電網(wǎng)的實時功率平衡。這種微電網(wǎng)之間的相互支援,起到了此消彼長的作用,減小了微電網(wǎng)從公共大電網(wǎng)上吸收的能量,進(jìn)一步減少了不必要的長距離輸電損耗。此外,微網(wǎng)是一種全新的低壓配電網(wǎng),其中的發(fā)電機組不僅包括小型的發(fā)電機,還包括小型的原動機,例如:光伏電池組件、小型的風(fēng)力發(fā)電機、生物燃料電池等等,這些發(fā)電單元都需要AC/AC或者DC/AC變流器作為接口電路。這些電力電子接口電路的動態(tài)響應(yīng)十分迅速。但與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機相比,電力電子變流器自身的慣量水平非常低,而充足的慣量是系統(tǒng)穩(wěn)定性的保障,是實現(xiàn)各個單元之間保持穩(wěn)態(tài)同步性的關(guān)鍵因素。
為了提升系統(tǒng)穩(wěn)定性,學(xué)者們提出了在控制環(huán)路中引入下垂控制,通過測量有功、無功來線性地調(diào)節(jié)逆變器輸出的頻率、電壓。經(jīng)過下垂控制之后,微電網(wǎng)就能自動地實現(xiàn)功率平衡了,同時避免了交直流母線電壓失穩(wěn)。此外,低電壓穿越、有源濾波、不間斷供電、黑啟動、孤島運行,以及與主電網(wǎng)保持同步、有功無功潮流獨立控制、系統(tǒng)能量優(yōu)化管理等也是微電網(wǎng)必須具備的核心功能。
下圖給出了一個典型的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖,包含了風(fēng)電、光伏、儲能以及若干負(fù)載。
微電網(wǎng)通過智能旁路開關(guān)(Intelligent BypassSwitch,IBS)并入大電網(wǎng)的公共連接點(Pointof Common Coupling,PCC),系統(tǒng)中包含了大量的以電力電子變流器作為接口電路的DG和DS。因此,微電網(wǎng)中的絕大部分元件都是以電流型逆變器(Current-SourceInverters,CSI)或電壓型逆變器(Voltage-SourceInverters,VSI)的形式運行。
1)CSI:DG單元經(jīng)常工作在CSI模式,以實現(xiàn)最大功率追蹤;若不需要進(jìn)行最大功率追蹤,那么這些發(fā)電單元也可以根據(jù)系統(tǒng)需要工作在VSI模式。
2)VSI:這種工作模式常用于儲能裝置,在孤島運行時為微電網(wǎng)提供頻率、電壓支撐;如果有多個VSI單元并聯(lián)時,就必須增加適當(dāng)?shù)目刂撇呗裕允垢鱾€單元協(xié)調(diào)工作。
微電網(wǎng)的運行模式
1 并網(wǎng)運行模式
微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)必須同時考慮離網(wǎng)、并網(wǎng)條件下的系統(tǒng)潮流分布以及儲能系統(tǒng)的可用容量和運行方式。微電網(wǎng)必須具備靈活快速的功率控制能力,通過從電網(wǎng)中吸收或者送出必要的功率來實現(xiàn)微電網(wǎng)內(nèi)部的實時功率平衡,同時滿足儲能裝置的能量需求。由于微電網(wǎng)的容量相較于主電網(wǎng)來說非常小,因此微電網(wǎng)在并網(wǎng)模式下的動態(tài)特性主要取決于主電網(wǎng)。此外,當(dāng)輸出功率發(fā)生變化時系統(tǒng)響應(yīng)很慢;如果微電網(wǎng)交流母線沒有同步發(fā)電機,那么電力電子變流器的控制系統(tǒng)中需要增加虛擬慣量控制環(huán)節(jié);暫態(tài)過程中需要蓄電池、超級電容、飛輪等來保證動態(tài)功率平衡。發(fā)生停電事故之后,微電網(wǎng)需要自行建立電壓頻率條件,同時在一系列預(yù)設(shè)指令下逐步恢復(fù)各個層級的DL和DG單元,即黑啟動。在并網(wǎng)模式下,所有的DG都應(yīng)該在能量管理系統(tǒng)的調(diào)度下輸出指定的功率,以最大化地減少從主電網(wǎng)吸收的電量,即削峰。此外,每一個DG單元均可通過公共通訊線來實現(xiàn)輸出功率調(diào)節(jié),與其它單元實現(xiàn)協(xié)調(diào)工作??偟膩碚f,當(dāng)微電網(wǎng)處于并網(wǎng)狀態(tài)時,需要根據(jù)用戶的需要,與主電網(wǎng)以及本地的DG一起,為負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)的電力。
2 孤島運行模式
在下述條件下,微電網(wǎng)將脫離主電網(wǎng)自主運行:1)計劃性的孤島運行模式:當(dāng)主電網(wǎng)發(fā)生長時間電壓跌落或其它一般性故障時,微電網(wǎng)可以主動地脫離大電網(wǎng),進(jìn)入孤島運行狀態(tài);2)非計劃性的孤島運行模式:當(dāng)主電網(wǎng)發(fā)生停電時,微電網(wǎng)必須通過孤島檢測算法來自動識別主電網(wǎng)的停電狀態(tài),并通過IBS進(jìn)入孤島運行模式。
在孤島運行模式下,系統(tǒng)的動態(tài)特性主要取決于其中的DG單元,這些DG單元將自動地調(diào)整微電網(wǎng)的電壓、頻率。此時,系統(tǒng)的頻率、電壓一般會出現(xiàn)小范圍的偏移。因此,需要啟動DS來平衡微電網(wǎng)功率,通常是讓DS根據(jù)頻率偏移量成比例地吸收或者釋放有功功率。在該模式下,IBS處于斷開狀態(tài),微電網(wǎng)脫離大電網(wǎng)獨立運行,DG單元必須承擔(dān)起穩(wěn)定微電網(wǎng)電壓、頻率的重要責(zé)任,確保各個變流器不過載,確保負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化時系統(tǒng)依然能夠保持穩(wěn)定運行。為了達(dá)到上述目標(biāo),微電網(wǎng)通常采用有通訊線的主從控制模式,尤其是基于公共交流母線的微電網(wǎng)。通常來講,低帶寬通訊方法更加經(jīng)濟(jì)、可靠、穩(wěn)定,因此在實際的工程項目中應(yīng)用較多。
在孤島運行模式下,微電網(wǎng)需要實現(xiàn)下述技術(shù)指標(biāo):1)電壓、頻率控制:微電網(wǎng)必須工作在電壓源模式,通過電壓、頻率調(diào)整策略來控制微電網(wǎng)的潮流,確保微電網(wǎng)的關(guān)鍵物理參數(shù)都在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)。2)實時功率平衡:并網(wǎng)模式下,DG單元的頻率由大電網(wǎng)決定;離網(wǎng)模式下的系統(tǒng)頻率需要根據(jù)功率平衡的原則進(jìn)行調(diào)節(jié);改變DG的輸出頻率,使微電網(wǎng)內(nèi)部保持功率平衡。3)電能質(zhì)量治理:微電網(wǎng)電能質(zhì)量控制可從兩個層次分別展開,首先必須要滿足微網(wǎng)內(nèi)部的無功平衡和諧波電流補償;其次是對PCC處的無功和諧波進(jìn)行治理,向大電網(wǎng)提供電能質(zhì)量支撐。
孤島運行模式下,所有的DG單元均工作在恒功率源模式,向微電網(wǎng)提供預(yù)期的功率。
3 并離網(wǎng)切換模式
如前文所述,IBS始終實時在線地監(jiān)測主電網(wǎng)與微電網(wǎng)的狀態(tài)。當(dāng)IBS及時檢測到孤島信號之后,微電網(wǎng)必須立即與主電網(wǎng)斷開連接,盡快進(jìn)入到孤島運行模式。通常來說,電網(wǎng)頻率偏移需小于2%,電壓幅值偏移需小于5%。若微電網(wǎng)沒有超出最大允許偏移范圍,微電網(wǎng)即可根據(jù)網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷的實際需求,在下垂控制的作用下輸出有功功率和無功功率,確保系統(tǒng)電壓、頻率穩(wěn)定,并實現(xiàn)多個DG單元之間的功率合理分配。
孤島運行模式下,微電網(wǎng)和大電網(wǎng)之間的電壓和相位會出現(xiàn)偏差,在不恰當(dāng)?shù)臅r刻并網(wǎng)會引起較大的沖擊電流,因此需要設(shè)計預(yù)并列單元來實現(xiàn)并網(wǎng)運行。當(dāng)微電網(wǎng)中央控制系統(tǒng)發(fā)出并網(wǎng)指令時,將微電網(wǎng)相應(yīng)的DG由孤島運行模式切換到預(yù)并列控制模式,將DG單元的輸入?yún)⒖贾登袚Q為大電網(wǎng)的電壓和頻率。
在并離網(wǎng)切換過程中,中央控制系統(tǒng)必須實時檢測微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的電壓差、頻率差和相位差,當(dāng)其均滿足合閘條件時,啟動合閘信號,閉合IBS,并將孤島控制策略切換到并網(wǎng)控制策略,實現(xiàn)并網(wǎng)運行。
微電網(wǎng)的分層控制
從功能上來說,微電網(wǎng)與大電網(wǎng)非常相似,也可基于下述三個層次分別控制:1)一次控制:下垂控制,主要實現(xiàn)DG單元間的功率分配(負(fù)荷分配);2)二次控制:無差控制,對下垂控制之后的微小偏差進(jìn)行消除,實現(xiàn)無差調(diào)頻調(diào)壓;3)三次控制:優(yōu)化控制,從系統(tǒng)優(yōu)化的層面對微電網(wǎng)潮流進(jìn)行規(guī)劃、分配。
1 一次控制:下垂控制
一般而言,微電網(wǎng)中的逆變器均由基于下垂控制策略的功率外環(huán)實現(xiàn),這種模式常被稱為分散控制或自治控制,目的是實現(xiàn)多個DG單元間的功率分配,并保證系統(tǒng)電壓、頻率的穩(wěn)定,如下圖所示。
微電網(wǎng)孤島運行時,沒有大電網(wǎng)的電壓頻率支撐,要自治地負(fù)責(zé)系統(tǒng)的電壓、頻率調(diào)節(jié),通常由DG完成。微電網(wǎng)中參與電壓、頻率調(diào)節(jié)和控制的多個DG具有同等地位,在下垂控制下進(jìn)行負(fù)荷分配,如下圖所示。
上述下垂控制的思想來源于高壓電網(wǎng)功率傳輸理論:發(fā)電機頻率隨著負(fù)荷增加而減小。高壓輸電系統(tǒng)主要呈現(xiàn)出電感性(X?R),P、Q之間近似獨立可控,這也是上述下垂控制可行的根本原因。然而,采用電力電子變流器的低壓微電網(wǎng),系統(tǒng)阻抗不再是電感性了,更多的是阻感性,甚至以阻性為主(R?X)。此時,PQ之間存在強耦合作用,影響下垂控制的效果,可能出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象,甚至不穩(wěn)定。因此,下垂控制策略必須進(jìn)行改進(jìn),以適應(yīng)阻性微電網(wǎng)的需要。
閉環(huán)控制下的微電網(wǎng)逆變器,其輸出阻抗特性影響著功率分配算法的準(zhǔn)確性。對逆變器輸出阻抗進(jìn)行合理設(shè)計即可削弱線路阻抗帶來的功率分配誤差。最常用的方法就是虛擬阻抗控制,其大致思路可用下圖描述。
DG與母線間的線路阻抗ZL=R+jX呈阻性,將原DG等效為一個虛擬發(fā)電機Ev,通過虛擬電抗Xv連接至B點。如果Xv?ZL,則虛擬發(fā)電機與母線間的阻抗將呈感性,此時若對虛擬發(fā)電機使用下垂控制,即可實現(xiàn)Pv和Qv的解耦控制。顯然Pv=P,因此調(diào)節(jié)虛擬發(fā)電機即可實現(xiàn)對DG有功功率的解耦控制?;谔摂M阻抗的下垂控制如下圖所示。
采用上述控制策略之后,即可實現(xiàn)多個DG間的功率合理分配。此外,從可靠性、穩(wěn)定性的角度來說,電壓幅值控制也非常重要。如果缺乏無功控制,DG單元可能輸出不確定的無功功率,導(dǎo)致母線電壓振蕩。
2 二次控制:無差控制
一次控制響應(yīng)快速,但卻無法實現(xiàn)無差控制。下垂控制雖然能同時實現(xiàn)電壓頻率穩(wěn)定和功率合理分配,但它是一種有差控制,負(fù)載變化前后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓和頻率會有所變化。因此,二次控制的主要目標(biāo)就是恢復(fù)微電網(wǎng)的電壓和頻率,如下圖所示。
此外,微電網(wǎng)運行模式的無縫切換控制也在該次控制中實現(xiàn),因此二次控制部分應(yīng)具備電網(wǎng)故障檢測、微電網(wǎng)與大電網(wǎng)同步等功能,并對微電網(wǎng)IBS和DG控制模式切換進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。
3 三次控制:優(yōu)化控制
該層控制主要從安全性、經(jīng)濟(jì)性的角度對微電網(wǎng)進(jìn)行能量管理與調(diào)度,通過相應(yīng)的優(yōu)化算法實現(xiàn):1、并網(wǎng)運行模式下,確定微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間聯(lián)絡(luò)線輸出功率參考值(作為微電網(wǎng)二次控制目標(biāo)參考值);2、孤島運行模式下,調(diào)整各DG單元輸出功率參考值或下垂曲線穩(wěn)態(tài)參考點和分配比例系數(shù)設(shè)定等信息,實現(xiàn)微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行等功能。如下圖所示。
此外,在該層控制中還可以進(jìn)行孤島監(jiān)測、電能質(zhì)量分析治理、最大功率跟蹤等多種運行目標(biāo)??偟膩碚f,微電網(wǎng)通過這種多層次、分散式控制能夠?qū)崿F(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、可控地運行。
需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容
微電網(wǎng)并網(wǎng)時的下垂控制需進(jìn)行如下方面的改進(jìn):1)提升DS、DG單元以及微電網(wǎng)的暫態(tài)響應(yīng)性能;2)基于虛擬阻抗思想的諧波功率分配算法以及DG、DS熱插拔技術(shù);3)研究自適應(yīng)下垂控制算法,提高系統(tǒng)在各種可能工況下的交互作用性能。
交流微電網(wǎng)的分層控制還需要做如下改進(jìn):1)基于下垂原理的一次控制應(yīng)當(dāng)能夠允許不同類型的交流電源自主地接入,即類同步發(fā)電機控制技術(shù);2)二次控制必須徹底地解決一次控制遺留的電壓、頻率偏移問題,實現(xiàn)無靜差控制。該層控制需要精心地設(shè)計同步控制方案,以實現(xiàn)孤島模式向并網(wǎng)模式無縫切換。3)三次控制不但需要對輸出能量進(jìn)行管理和控制,還需具備微網(wǎng)阻抗在線測量、非計劃性孤島檢測、諧波電流注入控制(補償PCC點的電壓諧波)等功能。
對柔性的、智能的微電網(wǎng)來說,還需要具備如下技術(shù)特征:1)在PCC點處,應(yīng)當(dāng)具備異常電壓穿越以及電能質(zhì)量治理功能,其中異常電壓包括高電壓、低電壓以及零電壓;2)黑啟動功能;3)微電網(wǎng)阻抗在線測量以及孤島在線檢測。4)微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)控制與管理。
上述這些技術(shù)特征的實現(xiàn)將會促進(jìn)DG、DS更加智能地、靈活性接入微電網(wǎng)以及未來的智能電網(wǎng),從而推動全球清潔能源大規(guī)模地應(yīng)用,構(gòu)建起可持續(xù)發(fā)展的清潔電力系統(tǒng)。