微网仿真研究平台综述.docx
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微网仿真研究平台综述
微网仿真研究平台综述
一、概述
1.微网的概念
目前，国际上对微网的定义尚未统一。
美国电气可靠性技术协会（CERTSConsortiumforElectricReliabilityTechnologySolutions）给出的定义为：
微网是一种由负荷和微型电源共同组成系统，它可同时提供电能和热量；微网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必需的控制；微网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并同时满足用户对电能质量和供电安全等要求。
欧盟微网项目（EuropeanCommissionProjectMicrogrids）给出的定义是：
利用一次能源；使用微型电源，分为不可控、部分可控和全控三种，并可冷、热、电三联供；配有储能装置；使用电力电子装置进行能量调节。
美国威斯康辛大学麦迪逊分校（UniversityofWisconsin-Madison）的R．H．Lasseter给出的概念是：
微网是—个由负载和微型电源组成的独立可控系统，对当地提供电能和热能。
其中，美国CERTS最早提出了微网的概念，并给出了典型的微网结构，是众多微网概念中最权威的—个。
微网具有以下几个特点：
①通过一个公共耦合点（PCC）与大电网连接，从大系统的角度来看，一个微网与一个负荷或者一个小型电源没有区别，微网并不表现出特殊的特性。
在大电网缺电的情况下，微网还可以向大电网提供能量，给其支撑。
②运行方式灵活，可以在并网，孤岛两种方式下运行，并能够灵活的转换运行方式。
③每一个发电装置附近都具有潮流控制器和保护装置，旋转发电装置安装同步装置来与微网连接。
这些装置都只使用本地电流、电压、频率信息进行控制。
④热电联产电厂的设置不再优先靠近负荷的地方，而是设在热需求点附近，以充分利用发电产生的热能。
简单来说，微网就是DG（分布式发电）的一种形式，一种可将各种分布式电源组合起来为当地负荷提供电能的中、低压小型电网,集微电源、储能装置、负荷、保护与控制系统为一体的自治系统，具有并网和孤岛2种运行方式,能提高负荷侧的供电可靠性。
2.微网的结构
图1.CERTS提出的微电网结构
此图为美国CERTS提出的微电网基本结构，图中包括3条馈线A，B和C及1条负荷母线，网络整体呈辐射状结构。
馈线通过主分隔装置（通常是一个静态开关）与配电系统相连，可实现孤网与并网运行方式间的平滑切换。
该开关点即PCC所在的位置，一般选择为配电变压器的原边侧或主网与微电网的分离点。
IEEEP1547标准草案规定：
在PCC处，微电网的各项技术指标必须满足预定的规范。
负荷端的馈线电压通常是480V或更低。
该图展示了光伏发电、微型燃气轮机和燃料电池等微电源形式。
其中一些接在热力用户附近，为当地提供热源。
微电网中配置能量管理器和潮流控制器，前者可实现对整个微电网的综合分析控制，而后者可实现对微电源的就地控制。
当负荷变化时，潮流控制器根据本地频率和电压信息进行潮流调节，当地微电源相应增加或减少其功率输出以保持功率平衡。
此图还示范了针对3类具有不同供电质量要求的负荷的个性化微电源供电方案。
对于连接在馈线A上的敏感负荷，采用光伏电池供电；对于连接在馈线C上的可调节负荷，采用燃料电池和微型燃气轮机混合供电，对于连接在馈线B上的可中断负荷，没有设置专门的微电源，而直接由配电网供电。
这样，对于敏感负荷和可调节负荷都是采用双源供电模式，外部配电网故障时，馈线A，C上的静态开关会快速动作使重要负荷与故障隔离且不间断向其正常供电，而对于馈线丑上的可中断负荷，系统则会根据网络功率平衡的需求，在必要时将其切除。
微电网的基本特征，也揭示出微电网中的关键单元：
①每个微电源的接口、控制；②整个微电网的能量管理器，解决电压控制、潮流控制和解列时的负荷分配、稳定及所有运行问题；③继电保护，包括各个微电源及整个微电网的保护控制。
微电网虽然也是分散供电形式，但它绝不是对电力系统发展初期的孤立系统的简单回归。
微电网采用了大量先进的现代电力技术，如快速的电力电子开关与先进的变流技术、高效的新型电源及多样化的储能装置等，而原始孤立系统根本不具有这样的技术水平。
此外，微电网与大电网是有机整体，可以灵活连接、断开，其智能性与灵活性远在原始孤立系统之上。
3.微网的运行方式
实验室微网系统有联网和孤岛2种稳态运行方式,以及由联网到孤岛模式切换、孤岛到联网模式切换2种暂态模式。
本实验系统中,因光伏模拟系统和风机模拟系统的功率输出不可调度,双向逆变器通过对蓄电池的充放电控制来实现微网功率平衡,进而维持电压和频率稳定。
因此,双向逆变器控制就成为保证微网稳定运行的关键问题。
图2.双向逆变器主电路结构
1）并网运行控制
并网模式下,双向逆变器仅存在充电这一控制模式。
本系统蓄电池的充电过程采用恒流（充电电流
）、恒压（充电电压
）、浮充（充电电压
）三段式充电。
在联网充电时，双向逆变器控制如图3所示。
PWM整流器工作于整流模式，通过对其控制，维持连接电容C处的电压
恒定，通过对Cuk变换器的控制，可以调节充电电压
或充电电流
跟踪控制参考信号实现对蓄电池不同方式的充电。
（a）PWM整流器控制
（b）Cuk变换器控制
图3.联网运行双向逆变器控制
2）孤岛运行控制
在微网孤岛运行时，光伏并网逆变器和风机并网逆变器仍采用恒功率控制，因失去了外电网的电压和频率参考，为维持微网的稳定运行，双向逆变器将切换到恒电压、恒频率控制，并通过调节自身功率输出来跟踪外界的各种扰动，如图4所示，
为给定的交流电压参考值。
孤岛运行时，Cuk变换器控制反映蓄电池充放电策略。
若DG出力大于负载功率消耗，则对蓄电池进行充电，充电控制策略与联网充电相同；若DG出力小于负载功率消耗，蓄电池放电，以连接电容电压
为控制参数进行控制。
PWM整流器的控制关键在于逆变侧电感电流
的控制，同时，为保证逆变器恒电压、恒频率的交流输出，需采用交流输出
为控制变量。
因此，采用图4（b）所示的电容电压外环、电感电流内环的双闭环控制策略。
在微网孤岛运行时，当DG出力与负载功率消耗不匹配时，如何避免蓄电池的过充和过放，是必须要考虑的问题。
本实验系统中，双向逆变器通过对微网频率的调整，实现了对DG和负荷的管理。
图5分别为蓄电池状态与双向逆变器输出频率、微网频率与DG输出功率间的关系曲线。
从图5（a）中可以看出，当蓄电池剩余容量
较低时，说明蓄电池向过放电状态过渡，此时微网频率设定值随
降低而降低；当
正常时，蓄电池处于正常充放电状态，微网频率设定值相对变化比较小；当
比较高时，说明蓄电池向过充电状态过渡，此时微网频率设定值随
的提高而加大。
这样，微网频率的变化反映了蓄电池的充放电状态，进而反映了微网中功率平衡关系的变化。
从图5（b）可以看出，当
=
，微网频率达到
，为避免对蓄电池的过充电，DG开始限制其功率输出；当f=fstop时，DG输出功率下降到0；在二者之间，DG的功率输出将在0～100%之间线性变化。
另一方面，当
降至
时，频率下降到
，系统进行切负荷控制，避免蓄电池的过放电。
（a）Cuk变换器控制
（b）PWM整流器控制
图4.孤岛运行双向逆变器控制
（a）SOC与频率关系曲线（b）DG输出与频率关系曲线
图5,微网孤岛运行频率控制
3）联网--孤岛模式切换控制
其切换策略是：
当双向逆变器检测到外电网信号正常时，则控制微网与外电网间的连接开关闭合，微网与外电网相连接，微网的电压和频率由外电网设定；当外电网发生故障或者停电时，双向逆变器检测到外电网电压和电流超出额定范围，则控制微网与外电网间的连接开关打开，断开微网与外电网连接，微网转入孤岛模式运行，由双向逆变器提供电压和频率参考。
二、微网仿真研究平台及其控制方式
1.微网仿真研究平台的组成形式
微网中的电源主要为分布式电源，多为带有电力电子接口的小型发电机组。
例如风电、小水电、太阳能发电、微燃气轮机、柴油发电机、小型热电联产机组以及微型核电，光伏电池，燃料电池等等。
这些分布式电源有些和传统的发电机比较相似（如小型热电联产电厂，小水电）而有些在出力、入网连接方式等方面与传统的大电网有较大的差别。
首先，使用可再生能源作为一次能源的分布式电源，由于其一次能源往往具有较大的随机性（如风能、太阳能、潮汐能等），因此这些分布式电源的出力不可避免的存在较大波动。
对电网的运行带来不利影响。
其次，根据分布式电源与电力系统的接口可以分为直接与系统相联（机电式）和通过逆变器与系统相连的分布式发电系统。
光伏电池和电压性燃料电池通过逆变器和滤波器与电网相连，微气轮机、风电等通过整流、逆变与电网相连。
这些转换器可以较为灵活的发电机的有功无功输出和输出电压，这对于提高电网的供电可靠性有很大好处。
储能单元在微网中的作用可概括为三方面：
①提高系统的稳定性。
储能元件的应用使得微网能够运行在一个较稳定的输出水平。
②适量的储能可以在DG不能正常运行的情况下作为电源使用。
③储能使得不可调度的DG能够作为可调度机组单元运行，实现与大电网的并网运行，在必要时向电力公司卖电，提供削峰、紧急功率支持等服务。
目前人们研究的储能形式主要包括：
蓄电池、超导、超级电容器和飞轮。
大量研究给出了各种储能技术的原理及模型。
DG与储能技术的结合大大提高了微网的稳定性、经济性和能源利用率。
在负荷中心建立微网模式的新型终端电网，将电源和负荷结合起来进行协调控制和运行，是近年来的一个新思路。
无疑，分布式电源、微网运行将成为未来大型电网的有力补充和有效支撑，是未来电力系统的发展趋势之一。
由此可以预见随着储能技术的不断发展，储能单元必将在微网中得到更加广泛的应用。
尽管如此，储能装置价格昂贵，不可能在微网中随意配置。
如何优化储能单元的配置，实现社会效益的最大化，是微网研究的—个重要课题。
为了保证系统的稳定性，微网拥有一些特殊保护装置和控制装置，如能量管理器、保护协调器及潮流控制器等。
整个微网通过公共连接点（PCC）与大电网相连。
2.微网仿真研究平台的类型（直流与交流微网实验系统）
1）直流微网
图6.直流微网结构
直流微网通过电力电子变换装置可以向不同电压等级的交流，直流负荷提供电能，DG和负荷的波动可由储能装置在直流侧补偿。
图7.多直流馈线微网结构
对于有不同等级电能质量需求的，可以使用双回或多回路供电方式，如上图所示。
直流微网由于各DG与直流母线之间仅存在一级电压变换装置，降低了系统建设成本，在控制上更易实现，无需考虑各DG之间同步问题。
2）交流微网
图8.交流微网结构
目前交流微网仍是微网的主要形式，通过对公共连接点（PPC）端口处开关的控制，可实现微网并网运行与孤岛运行方式的转换。
3）交直流混合微网
图9.交直流微网混合结构
既可向直流负荷供电也可像交流负荷供电。
3.简单结构与复杂结构微网实验系统
1）简单结构微网
图10.简单结构的微网
其应用很多，如DG为微型燃气轮机的冷热电联供（CCHP）系统，在向用户提供电能的同时，还满足用户冷和热的需求。
2）复杂结构微网
以德国DeMotec微网实验系统为例。
图11DeMotec微网结构
该系统通过175KVA和400KVA的变压器与外部电网相连，系统中的80KVA和15KVA的电源用于模拟与之相连的其他微网，DG包括光伏，风机，柴油机，微燃机等多种类型，储能装置采用蓄电池储能。
将DG和储能装置组成了3种类型的小型微网嵌入系统中：
三相光伏-蓄电池-柴油机微网单相光伏-蓄电池带负荷微网单相光伏-蓄电池不带负荷微网。
该微网存在一个上层控制器，与底层的各DG，储能装置和负荷之间通过INTERBUS总线通信，可以实现网络结构重组。
此类微网实验系统还包括法国ARMINES微网，西班牙Labein微网，意大利CEIS微网等。
3.微网仿真研究平台的控制方式
1）主从控制模式
是指微网处于孤岛运行方式时，其中一个DG（或储能装置）采取定电压和定频率控制（V/f控制），用于向微网中其他DG提供电压和频率参考，而其他DG则可采用定功率控制（PQ控制）。
V/f控制的DG为主控制器，其他DG的控制器为从控制器，从控制器根据主控制器来决定自己的运行方式。
当微网处于并网运行状态时，所有DG都采用PQ控制，一旦转入孤岛模式，需要作为主控模式的DG快速转换为V/f控制模式。
常见主控制单元包括以下几种：
1）储能装置作为主控制单元。
典型示范工程包括荷兰Continuon微网，希腊NTUA微网，日本Wakkanai微网等。
在孤岛运行方式下，储能装置通过充放电控制来跟踪DG输出功率和负荷的波动，因失去外部电网的支撑，又储能装置储能有限，一般不能维持时间太长。
2）DG为主控制单元。
典型示范工程包括葡萄牙EDP微网。
3）DG加储能装置为主控制单元。
当微网中存在像微燃机这样输出稳定且易于控制的DG时,由于这类DG的输出功率可以在一定范围内灵活调节,输出稳定且易于控制,将其作为主控单元可以维持微网在较长时间内稳定运行。
如果微网中存在多个这类DG,可选择容量较大的DG作为主控制单元,这样的选择有助于微网在孤岛运行方式下长期稳定运行。
3）DG加储能装置为主控制单元。
这类典型示范工程包括德国MVV微网等。
当采用微燃机等DG作为主控制单元时,在微网从并网模式向孤网模式过渡过程中,由于系统响应速度以及控制模式切换等方面的制约,很难实现无缝切换,有可能造成系统的频率波动较大,部分DG有可能在低频或低压保护动作下退出运行，不利于一些重要负荷的可靠供电。
在对电能质量要求非常高的负荷情况下,可以将储能系统与DG组合起来作为主控制单元,充分利用储能系统的快速充放电功能和微燃机这类DG所具有的可较长时间维持微网孤岛运行的优势。
采用这种模式,储能系统在微网转为孤岛运行时可以快速为系统提供功率支撑,有效抑制由于微燃机等DG动态响应速度慢所引起的电压和频率的大幅波动。
2）对等控制模式
图12对等控制微网结构
目前，采用对等控制的微网系统大多数仍停留在实验室研究阶段（如美国Wisconsin微网实验系统、新加坡南洋理工微网实验系统、比利时Katholieke微网实验系统、西班Catalunya大学微网实验系统等）。
应用于实际的示范工程相对较少，仅有的示范工程都对系统参数提出了比较严格的要求。
以CERTS微网示范工程为例，其DG采用了3台规格、容量完全一致的60kW微型燃气轮机以实现对等控制。
如何提高对等控制微网系统的稳定性水平，建立通用性和鲁棒性强的对等控制微网系统，是微网研究者正在致力解决的问题。
对于这种控制模式，DG控制器的策略选择十分关键，一种目前备受关注的方法就是Droop控制方法。
在对等控制模式下，当微网运行在孤岛模式时，微网中每个采用Droop控制策略的DG都参与微网电压和频率的调节。
在负荷变化的情况下，自动依据Droop下垂系数分担负荷的变化量，即各DG通过调整各自输出电压的频率和幅值，微网达到一个新的稳态工作点，终实现输出功率的合理分配。
显然，用Droop控制可以实现负载功率变化在DG之间的自动分配，负载变化前后系统的稳态电压和频率也会有所变化，系统电压和频率指标而言，种控制实际上是一种有差控制。
与主从控制模式相比，对等控制中的各DG可以自动参与输出功率的分配，易于实现DG的即插即用，于各种DG的接入，由于省去了昂贵的通信系统，理论上可以降低系统成本。
同时，由于无论在并网运行方式还是在孤岛运行方式，微网中DG的Droop控制策略可以不加变化，统运行方式易于实现无缝切换。
在一个采用对等控制的实际微网中，些DG同样可以采用PQ控制，此情况下，Droop控制的多个DG共同担负起了主从控制器中主控制单元的控制任务：
过Droop系数的合理设置，实现外界功率变化在各DG之间的合理分配，而满足负荷变化的需要，持孤岛运行方式下对电压和频率的支撑作用等。
3）分层控制模式
图13日本2层控制微网结构
日本微网展示项目包括Archi微网、Kyoto微网、Hachinohe微网等，供了一种微网的2层控制结构，图13所示。
中心控制器首先对DG发电功率和负荷需求量进行预测，后制定相应运行计划，根据采集的电压、电流、功率等状态信息，运行计划进行实时调整，制各DG、负荷和储能装置的启停，证微网电压和频率的稳定，为系统提供相关保护功能。
在上述分层控制方案中，DG和上层控制器间需有通信线路，一旦通信失败，微网将无法正常工作。
另外提出一种中心控制器和底层DG采用弱通信联系的分层控制方案，如图14所示。
在这一控制方案中，微网的暂态供需平衡依靠底层DG控制器来实现，上层中心控制器根据DG输出功率和微网内的负荷需求变化调节底层DG的稳态设置点并进行负荷管理，即使短时通信失败，微网仍能正常运行。
图14弱通信联系的2层控制结构
在欧盟多微网项目“多微网结构与控制”，提供了3层控制结构，方案如图15所示。
最上层的配电网络操作管理系统主要负责根据市场和调度需求来管理和调度系统中的多个微网；中间层的微网中心控制器（MGCC）负责最大化微网价值的实现和优化微网操作；下层控制器主要包括DG控制器和负荷控制器，负责微网的暂态功率平衡和切负荷管理。
整个分层控制采用多代理（Agent）技术实现。
图15欧盟微网3层控制方案
三、国内外微网仿真研究平台简介
1.欧洲示范系统
1）希腊基吉昆岛微网
该示范系统安装在一个12户的小村庄，有10KW的光伏发电，普通的53KWh容量的蓄电池，5KW的柴油发电机，第二个2KW的光伏阵列位于控制系统建筑屋顶。
如下图所示。
在此基础上基吉昆岛又增加了第二个示范工程，包括了为提供可行有效的微网操作的新分布式电源控制的调查报告，对利用下一代信息和通信技术的另行控制策略的补充，对含有现代保护方法、现代固态接口和对频率变量的操作的网络的创造设计等一系列的工程，其结构如下图所示。
2）荷兰Continuon中压/低压设备
Continuon有200多个村舍，配备有固定网光伏阵列共计315KW。
这些村舍是通过四根400米左右的馈线连接到一个高压/低压变压器上的，白天负荷较低，所以大部分的光伏电流流入中压网中。
而在夜晚，需要电网支持供电。
在微网岛上，追求的是通过灵活配电系统和储能改善电能质量。
3）德国在Mannheim-WallstadtMVV居民示范工程
在Mannheim-Wallstadt已经有1200居民的房地产为更多微网工程连续长期的测试提供地点。
一个装机30KW的光伏阵列已经安装用于个人投资中，更多的分布式电源的安装也在计划之中。
实验的第一个目标是涉及负载管理中的用户。
用户可以得到邻居基于光伏输出的可用信息，当直接使用太阳电能时他们可以随时转移自己的负载。
这就可以使参与的家庭把晚上的用电高峰的负荷转移到日晒教强烈的时间段上，或把阴天的负荷转移到晴天里去。
目前，这些活动得到德国，西班牙，英国，荷兰等其他地方的政府的支持。
2.美国示范系统
美国CERTS是最早提出微网概念的，并且是最权威的一个。
1）威斯康辛大学实验室系统
该系统有三台60Kw的Tecogen微型发电机，有4个负载（90Kw，45Kvar），一个20H的感应电机，一个15Kw三相谐波源，以及一个直流负载。
试验系统如下图。
2）其他CERT微网工程
一个显著的特征就是把未来的期望加进微网部署的必要工作中，而并不只是实际的电气硬件支持。
这个统一方法的两大成果一个是乔治亚理工大学的微网分析工具的发展，还有一个是伯克利实验室的分布式电源用户采用模式。
3.日本示范系统
日本新能源与工业技术发展组织（NEDO）是日本最大的公共研发管理组织，旨在促进先进的工业，环境，和能源节约技术的发展。
NEDO的一个重要目标就是解决分布式可再生能源接入电网的问题。
NEDO涉及微网技术的示范工程主要在青森，爱知，京都3个地方。
1）青森示范工程
运行于2005年10月，其重要的特点就是微网中能源是由可再生能源组成。
微网通过一条配网线路从垃圾发电厂向市中心输送电力。
微网中主要电源有位于垃圾发电厂的3台燃气轮机发电机，一个50Kw的光伏阵列，100Kw的蓄电池，一个1.0t/h的木材燃烧锅炉，一个4.2t/h的沼气锅炉，位于初中学校的2个10Kw的光伏阵列，位于小学学校的2台8Kw的小型风力发电机。
的位于市办公楼一个10Kw的光伏阵列，以及2台2Kw的小型风力发电机。
2）爱知示范工程
该系统有燃料电池发电，光伏发电和蓄电池储能系统。
其中燃料电池为两个功率为270Kw和300Kw熔融碳酸盐燃料电池（MCFC），一个功率为25Kw的固体氧化物燃料电池（SOFC），4个功率为200Kw的磷酸燃料电池（PAFC）；光伏电池功率为330Kw，蓄电池容量为500Kw，整个系统结构如下图
3）京都示范工程
该示范工程是个“真正的微网”，从2005年12月开始运行。
系统中主要设备是生物发电厂，有5台80KW的燃气轮机发电机组成。
系统中还有250Kw的固体氧化物燃料电池（SOFC），容量100KW的铅酸蓄电池，两个功率为20Kw和30Kw的光伏阵列。
整个系统的发电量和负荷之间的平衡通过控制系统管理，控制系统一个有趣的特点是没有采用最新的信息网络系统而是采用农村中广泛使用的传统ISDN或ADSL技术。
4.加拿大示范系统
加拿大微网示范工程有孤岛和并网两种运行方式。
在加拿大，对于偏远地方传统的供电都是采用柴油发电机发电，为了节省燃油费用，开展了研究采用多种电源供电方式的微网项目，如纽芬兰省的Ramea岛上的一个项目，一个以柴油发电机为主，风力发电占一定比例的供电系统。
系统的峰值功率达到1.2MW。
安装的风力发电功率为395KW，其在系统中的比例超过30%。
下图为加拿大Fortis-Alberta配网系统，图中一个25kV的配网在公共连接点（PCC）通过65kV/25kV的变电站连接到65kV电网。
微网中有两个功率为1.26MW和2.52MW的风电场，一个3MW的水力发电厂。
该微网系统还准备通过138kV/25kV变电站与138kV电网连接。
下图是一个计划孤岛运行（plannedislanding）的系统，系统通过69kV/25kV变电站给3条馈线供电，一条馈线上有总功率为8.64MW的径流式小水电站和峰值为3MW的负荷。
孤岛运行时，由小水电站给相关的馈线供电。
5.合肥工业大学分布式发电系统示范项目
合肥工业大学分布式发电实验室是“211”建设项目，是国内第一个建立的研究分布式发电的示范系统。
实验室里有光伏发电及并网子系统，模拟风力发电及并网子系统，燃料电池发电及并网子系统，超级电容蓄能发电并网子系统，轻型直流输电系统，多线路柔性组合高压输电网络模拟子系统等各实验环节。
实验室设备有静止无功补偿器，模拟负荷，水力发电机模拟机组，火力发电模拟机组，轻型直流输电线路，超导储能，蓄电池，燃料电池发电，风力发电模拟设备，光伏发电。
各参数如下：
表2-1合肥工业大学分布式发电实验室设备
设备
容量
光伏发电
20kW
风力发电
15kVA
燃料电池发电
5kW
蓄电池
300Ah
火力发电模拟机组
15kVA
水力发电模拟机组
15kVA
轻型直流输电线路
15kW
实验室结构见图
具有以下特色：
①涵盖了分布式发电研究的热门领域；
②实验室电网系统是个可变结构，可以自由设计；
③实验室主要设备均为自行研制；
④
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