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1、 智能微电网技术与智能微电网技术与实验系统实验系统l第一章 概述l第二章 分布式发电l第三章 微电网结构与分类l第四章 微电网的运行与控制l第五章 微电网保护l第六章 微电网的监控与能量管理2 微 网 定 义 微网是以分布式发电技术为基础，以靠近分散型资源或用户的小型电站为主，结合终端用户电能质量管理和能源梯级利用技术形成的小型模块化、分散式的供能网络。微网是智能电网的重要组成部分，能实现内部电源和负荷的一体化运行，并通过和主电网的协调控制，可平滑接入主网或独立自治运行，充分满足用户对电能质量、供电可靠性和安全性的要求。 3 微电网基本结构4燃汽轮机柴油发电机风力发电光伏发电沼气发电波浪能发电
2、生物质能发电数据采集和监控系统（SCADA）自动发电控制（AGC）经济调动控制（EDC）电力系统状态故估计（State Estimator）安全分析（Security Analysis）数字化变电站智能继电保护系统电力线路在线监测系统电力故障实时报警系统智能调度系统智能电表远程抄表系统负荷监测系统无功补偿系统分布式微能源分布式微能源 能量管理系统能量管理系统 输配电系统输配电系统 用户负载用户负载 智能微电网智能微电网 5发展微电网的意义 市场化前景6 微电网技术已取得了一定的理论和应用成果，但在诸如微电网的运行与控制、微电网电能质量、微电网保护以及微电网的接入标准等方面仍存在很多问题和不足。
3、因此，进一步深入推进微电网技术的研究和开发应用必须发展微电网新技术，如大容量的多级混合微电网技术、智能微电网技术、微电网的多代理控制技术、面向整个微电网系统的各种仿真和应用工具软件及微电网多方向潮流交换的高智能型继电保护技术等。7l2.1 分布式发电的基本概念 l2.2 分布式发电技术 l2.3 分布式发电与并网技术 l2.4 发展分布式发电的意义l2.5 分布式发电研发重点与应用前景 82.1 分布式发电的基本概念 9一般指发电容量较小(几十千瓦至一百兆瓦之间) 、 与配电网连接、分散在负载附近的发电形式。在许多国家分布式发电一般不经规划或中央调度。与远距离输电和大电网互联的电力系统相区别，
4、称之为分布式发电。 2.1 分布式发电的基本概念10含有分布式电源的电力系统2.1 分布式发电的基本概念11 分布式发电供能系统与常规电力系统并网运行，实现功率的双向交换，具有很多优势。l提高分布式发电系统供能质量，有助于可再生能源的高效利用。l有助于防止大面积停电，增强电网抵御自然灾害的能力。 2.1 分布式发电的基本概念12几种常见的分布式电源 2.2 分布式发电技术 13燃气轮机：燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。燃气轮机的工作过程是，压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入
5、燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气涡轮中膨胀做功，推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的做功能力显著提高，因而燃气涡轮在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃气轮机由静止起动时，需用起动机带着旋转，待加速到能独立运行后，起动机才脱开。燃气轮机有轻型燃气轮机和重型燃气轮机两种类型。轻型燃气轮机为航空发动机的转型，有点事装机快、体积小、启动快、快速反应性能好、简单循环效率高，适合在电网中调峰、调节或应急备用。重型燃气轮机为工业型燃机，优点是运行可靠、排烟温度高、联合循环效率高，主要用于联合循环发电、热电联产。 2.2 分布式发电技术14内燃机
6、：内燃机是通过在热功转换空间内部的燃烧过程将燃料中的化学能转变为热能，并通过一定的机构使之再转化为机械功的一种热力发动机。内燃机发电的工作原理是将燃料与压缩空气混合，点火燃烧，使其推动活塞做功，通过气缸连杆和曲轴驱动发电机发电。由于较低的初期投资，在容量低于5MW的发电系统，柴油发电机占据了主导地位。然而随着对排放的要求越来越高，天然气内燃机市场占有量不断提升，其性能也在逐步提高。在效率方面，相同跑量和转速条件下，柴油发电机有较高的压缩比，因而具有更高的发电效率。微燃机：微燃机是指发电功率在几百千瓦以内（通常为100200kW以下），以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的小功率燃气轮机。微燃机由径
7、流式叶轮机械、单筒形燃烧室和回热器构成，可分为单轴型和分轴型两种。2.2 分布式发电技术15热电联产与冷热电三联产：热电联产(Combined heat and Power，简写为CHP)是指热能与电能的联合生产。CHP系统已在能源密集工业如造纸、纸浆和石油等行业应用了一百多年，满足了这些行业对于蒸汽和电力的需求。生产电能的动力装置的排热与余热用于工业生产供热与冬季采暖，使不同品质的能量得到阶梯利用。燃煤热电联产为的能源利用率达到70%以上，而即便当今世界上最高效率的燃煤发电产厂，也只有50%的效率。为进一步提高能源利用效率，在热电联产的基础上，发展起来了通过锅炉产生的蒸汽在背压汽轮机或抽汽汽
8、轮机发电的冷热电三联产技术，其排汽或抽汽，除满足各种热负荷外，还可做吸收式制冷机的工作蒸汽，生产 C冷水用于空调或工艺冷却，便于减少冷凝损失、降低煤耗、提高能源利用率。2.2 分布式发电技术l光伏（Photo-Voltaic，PV）发电技术 光伏发电具有不需燃料、环境友好、无转动部件、维护简单、维护费用低、由模块组成、可根据需要构成及扩大规模等突出优点，其应用范围十分广泛，如可用于太空航空器、通信系统、微波中继站、光伏水泵、边远地区的无电缺电区以及城市屋顶光伏发电等。光伏发电系统由光伏电池阵列、控制器、储能元件（蓄电池等）、直流-交流逆变器、配电设备和电缆等组成，如下图2-1所示。16图2-1
9、 光伏发电系统示意图2.2 分布式发电技术l燃料电池（Fuel Cell）发电技术燃料电池主要包括碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、融入碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池等。燃料电池的分类及特性参见下表：17电池类型碱性燃料电池质子交换膜燃料电池磷酸燃料电池熔融碳酸盐燃料电池固体氧化物燃料电池英文名及简称Alkaline Fuel (Cell) AFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEM) Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) Solid Ox
10、ide Fuel Cell (SOFC)电解质KOH质子交换膜PEM磷酸Li2CO3-K2CO3 YSZ(氧化锆等)电解质形态液体固体液体液体固体燃料气体H2H2H2、天然气 H2、天然气、煤气H2、天然气、煤气工作温度（）502006080150220650 9001050应用场合空间技术、机动车辆机动车辆，电站， 便携式电源机动车，轻便电源，发电发电发电2.2 分布式发电技术l燃料电池发电技术在电动汽车等领域中有所应用，其基本流程如下图2-2所示。18图2-2 燃料电池发电的基本流程这种静止型发电技术的发电效率与容量大小几乎无关，因此在小规模分布式发电的应用中有一定的优势，是一种很有前途的
11、未来型发电技术。2.2 分布式发电技术l生物质（Biomass）发电技术 生物质能发电有多种方式，其基本工艺流程为：生物质能预处理生物质能生产装置动力机发电机发电。目前生物质能发电的主要包括直接燃烧发电、混合燃烧发电、气化发电、沼气发电、垃圾发电等五种形式。生物质发电系统装置主要包括：(1)能源转换装置。不同生物质发电工程的能源转换装置是不同的，如垃圾焚烧电站的转换装置为焚烧炉，沼气发电站的转换装置为沼气池或发酵罐。(2)原动机。如垃圾焚烧电站用汽轮机，沼气电站用内燃机等。(3)发电机。(4)其他附属设备。生物质发电的工艺流程图如图2-3所示。19图2-3 生物质发电系统工艺流程图2.2 分布
12、式发电技术l风力发电技术 风力发电主要是通过原动机(风力机)捕获风能，并将其转化为机械能，然后再由发电机将机械能转化为电能，最后并网运行。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电机一般分为鼠笼式异步发电机、转差可调的绕线式异步发电机、双馈异步发电机、低速同步发电机等。按其并网方式将其分为二类：直接并网和通过逆变器并网。通过逆变器并网的风力发电机由于逆变器的自身特性，不可能承受电网短路电流，所以，通过逆变器并网的风机在系统发生故障时，将会迅速关断，使系统恢复到无DG的状态。202.3 分布式发电与并网技术l分布式发电接入配电网的基本要求
13、分布式发电接入配电网的基本要求 (1) 与配电网并网时，可按系统能接受的恒定功率因素或恒定无功功率输出的方式运行。分布式发电本身允许采用自动电压调节器，但在运行电压调节时应遵循已有的相关标准和规程，不应造成在公共连接点（Point of Common Coupling，PCC）处的电压和频率频繁越限，更不应对所联配电网的正常运行造成危害。（2） 采用同期或准同期装置与配电网并网时，不应造成电压过大的波动。（3）分布式发电的接地方案及相应的保护应与配电网原有的方式相协调。(4)容量达到一定大小（如几百KVA至1MVA）的分布式发电，应将其连接处的有功功率、无功功率的输出量和连接状态等方面的信息传
14、给配电网的控制调度中心。(5)分布式发电应配备继电器，以使其能检测何时应与电力系统解列，并在条件允许时以孤岛方式运行。(6)与配电网间的隔离装置应该是安全式，以免设备检修时造成人员伤亡。212.3 分布式发电与并网技术22分布式发电相关的电能质量问题主要考虑以下方面：分布式发电相关的电能质量问题主要考虑以下方面： 供电的暂时中断 电压调节 谐波问题 电压暂降2.3 分布式发电与并网技术23 对电能质量的影响 对继电器保护的影响 对配电网可靠性的影响 对配电系统实时监视、控制和调度方面的影响 孤岛运行问题 其他方面影响(1) 短路电流 （2）铁磁谐振 (3)变压器的连接和接地 (4)调节配合 2
15、.4 发展分布式发电的意义24l提高经济效益和能源利用效率并减少对环境影响是对电力工业发展的一贯要求，而融合了互联网技术和信息技术的分布式发电，以其能源利用效率高，直接面向终端用户的优点，将电力工业的综合效益寻优由单变量函数变为了综合考虑分布式发电和传统大电网相协调的多变量函数的最优解，从而获得经济效益、环境效益等的进一步优化。l经济性：经济性：有些分布式电源，如以天然气或沼气为燃料的内燃机等，发电后工质的余热可用来制热、制冷，实现能源的阶梯利用，从而提高利用效率（可达60%90%）。此外，由于分布式发电的装置容量一般较小，其一次性投资的成本费用较低，建设周期短，投资风险小，投资回报率高。靠近
16、用户侧安装能够实现就近供电、供热，因此可以降低网损（包括输电和配电网的网损以及热网的损耗）。 2.4 发展分布式发电的意义25l环保效益环保效益 ：采用天然气作燃料或以氢能、太阳能、风能为能源，可减少有害物（NOx、SOx、CO2等）的排放总量，减轻环保压力。大量的就近供电减少了大容量、远距离、高电压输电线的建设，也减少了高压输电线的线路走廊和相应的征地面积，减少了对线路下树木的砍伐经济性：有些分布式电源，如以天然气或沼气为燃料的内燃机等，发电后工质的余热可用来制热、制冷，实现能源的阶梯利用，从而提高利用效率（可达60%90%）。此外，由于分布式发电的装置容量一般较小，其一次性投资的成本费用较
17、低，建设周期短，投资风险小，投资回报率高。靠近用户侧安装能够实现就近供电、供热，因此可以降低网损（包括输电和配电网的网损以及热网的损耗）。 l能源利用的多样性能源利用的多样性: 由于分布式发电可利用多种能源，如洁净能源（天然气）、新能源（氢）和可再生能源（生物质能、风能和太阳能等），并同时为用户提供冷、热、电等多种能源应用方式，对节约能源具有重要意义。 2.4 发展分布式发电的意义26l调峰作用调峰作用 :夏季和冬季往往是电力负荷的高峰时期，此时如采用以天然气为燃料的燃气轮机等冷、热、电三联供系统，不但可解决冬、夏的供热和供冷的需要，同时能够提供电力，降低电力峰荷，起到调峰的作用。 l安全性和
18、可靠性安全性和可靠性:当大电网出现大面积停电事故时，具有特殊设计是分布式发电系统仍能保持正常运行。虽然有些分布式发电系统由于燃料供应问题（可能因泵站停电而使天然气供应中断）或辅机的供电问题，在大电网故障时也会暂时停止运行，但由于其系统比较简单，易于再启动，有利于电力系统在大面积停电后的黑启动，因此可提高供电的安全性和可靠性。l边远地区的供电边远地区的供电:许多边远及农村、海岛地区远离大电网，难以从大电网直接向其供电，采用光伏发电、小型风力发电和生物质能发电的独立发电系统是一种优选的方法。 2.5 分布式发电研发重点与应用前景27分布式发电技术的研究与开发的重点 分布式发电系统的数字模型和仿真技
19、术研究。规划研究。控制和保护技术研究电力电子技术研究微电网技术研究。分布式电源并网规程和导则的研究与制定。2.5 分布式发电研发重点与应用前景28随着分布式发电技术水平的提高、各种分布式电源设备性能不断改进和效率不断提高，分布式发电的成本也在不断降低，应用范围也将不断扩大，可以覆盖到包括办公楼、宾馆、商店、饭店、住宅、学校、医院、福利院、疗养院、大学、体育馆等多种场所。目前，这种电源在我国仅占较小比例，但可以预计未来的若干年内，分布式电源不仅可以作为集中式发电的一种重要补充，而且将在能源综合利用上占有十分重要的地位。293.1 3.1 微电网设备组成微电网设备组成3.2 3.2 微电网体系结构
20、微电网体系结构3.3 3.3 微电网分类微电网分类1.3 1.3 微电网现状微电网现状3.1 3.1 微电网设备组成微电网设备组成 微电网是指由分布式电源、用电负荷、配电设施、监控和保护装置等组成的中、小型发、配、用、输电力网系统（很多设计中还含有储能装置）。根据建设目的和现场环境不同，微网的形状结构可能各不相同，但是技术架构大体类似。微电网的基本组成包括以下几个部分：（1）分布式电源（2）储能装置（3）用电负荷及设备（4）控制装置及管理系统303.2 3.2 微电网体系结构微电网体系结构 31硬件体系 微电源 公共电网(可外接) 储能元件 开关 电力电子装置 通信设施 负荷3.2 3.2 微
21、电网体系结构微电网体系结构 按照微电网系统不同的应用场合，我们将将微电网的体系架构分为四种：(1)单个设施级微电网，指所带负荷量小于2MW，应用于小型工业或商业建筑、大的居民楼以及医院等单幢建筑物的网络。(2)多个设施级微电网，指所带负荷量在25MW范围内，应用于包含多种建筑物、多样负荷类型的网络，如校园、军事基地、工业和商业综合区及居民区等。(3)馈线级微电网，容量在510MW范围内，它管理一条配电网母线内所有单元的运行。(4)变电站级微电网，容量在510MW范围内，管理连接到配电网变电站的所有发电和/或负荷单元的运行情况。323.2 3.2 微电网体系结构微电网体系结构 按照微电网系统控制
22、体系的设计及网络拓扑结构，我们将微电网结构分为三层，如图3-1所示。 最上层称作配电网调度层，从配电网的安全、经济运行的角度协调调度微电网，微电网接受上级配电网的调节控制命令。 中间层称作集中控制层，对DG发电功率和负荷需求进行预测，制订运行计划，根据采集电流、电压、功率等信息，对运行计划实时调整，控制各DG、负荷和储能装置的启停，保证微电网电压和频率稳定。 下层称作就地控制层，负责执行微电网各DG调节、储能充放电控制和负荷控制。333.2 3.2 微电网体系结构微电网体系结构34图3-1 微电网三层控制方案结构3.3 3.3 微电网分类微电网分类 一般在微电网项目建设时，我们都是根据不同的建
23、设容量、建设地点、接入电压等级、分布式电源种类，对微电网进行分类，但是因为这些参数都不固定，也没有具体的规范，所以分类也就没有统一标准，但是目前最科学的分类是按微电网系统中的用户及分布式发电的电流类型进行分类。所以我们就将微电网分为直流微电网、交流微电网和交直流混合微电网。353.3 微电网分类l直流微电网直流微电网 直流微电网的特征是系统中的DG、储能装置、负荷等均通过电力电子变换装 置连接至直流母线，直流母线再通过逆变装置连接至外部交流电网。典型结构如图3-2所示。36图3-2 直流微电网结构3.3 微电网分类l直流微电网的优点直流微电网的优点：1)DG控制只取决于直流电压，无需考虑各DG
24、之间的同步问题；2)微电网的DG较易协同运行，在环流抑制上更具优势；3)只有与主网连接处需要使用逆变器，系统成本和损耗大大降低，DG和负荷的波动由储能装置在直流侧补偿。l直流微电网的缺点直流微电网的缺点：1)不能用变压器改变电压等级，换流站设备昂贵；2)换流装置消耗大量无功功率，换流装置运行时在交流或直流 侧会产生谐波电流电压，换流装置几乎没有过载能力；3)缺乏高压直流开关，直流系统无电流过零点，灭弧困难。373.3 微电网分类l交流微电网交流微电网 交流微电网是微电网的主要形式，典型结构如图3-3所示。交流微网中，DG、储能装置等均通过电力电子装置连接至交流母线，通过对公共联结点(PCC端口
25、)处开关断路器的控制，可实现微电网并网运行与孤岛运行模式的转换。38图3-3 交流微电网结构3.3 微电网分类l交流微电网的优点：交流微电网的优点：1)交流微电网不需要采用昂贵的换流站，不存在换流时产生的谐波电流电压影响；2)存在电流自然过零点，灭弧容易。l交流微电网的缺点：交流微电网的缺点： 交流微网存在系统稳定问题，短路电流幅值具有随机性，有无功损耗和集肤效应等。393.3 微电网分类l交直流混合微电网交直流混合微电网 交直流混合微电网是指采用交流母线和直流母线共同构成的微电网。图3-4所示为交直流混合微电网结构，含有交流母线及直流母线，可以直接给交流负荷及直流负荷供电。整体上看，交直流混
26、合微电网是特殊电源接入交流母线，仍可以看作是交流微电网。40图3-4 交直流混合微电网结构3.3 微电网分类l交直流微电网的优点：交直流微电网的优点：1）分布式电源以交流、直流形式产生电能。2）电力储能以交流、直流形式产生电能。3）负荷类型多样，有交流和直流负荷。4）微网中的直流系统没有无功问题，损耗减少，电压易控。5）交直流混合微电网结构简单，省略了许多变换环节，切换更容易，具有控制灵活、损耗较低，可靠性高等优点。414.1 4.1 微电网的运行方式微电网的运行方式4.2 4.2 微电网的控制技术微电网的控制技术4.3 4.3 微电网控制模式微电网控制模式42 微电网在实际运行中需要解决的关
27、键问题之一就是控制问题。当微电网中的负荷或网络结构发生变化时，如何通过对微电网中各种分布式电源进行有效的协调控制，以保证微电网在不同运行模式下都能够满足负荷的电能质量要求，是微电网能否可靠运行的关键。微电网的控制应该做到分布式电源自身根据本地信息对电网中的信息作出自主反应，例如对于电压跌落、故障、停电等，其利用自身逆变器采集的信息自动转到独立运行状态，而不像传统方式一样由电网统一协调调度。这就要求微电网能够对本地信息作出快速反应。43因此，微电网的控制应当保证：（1）新的微电源的接入不对现有系统造成影响（2）能够自主的选择运行点（3）能够快速平稳地在并网和孤岛两种状态之间转换（4）能够对有功、
28、无功可以根据动态负荷的要求进行独立的控制 针对微电网的特点，目前各专家学者已提出了几种较为有效的微电网控制策略，主要包括:基于下垂特性的电压频率控制、PQ控制、主从站控制、基于多代理技术的控制等。当然，微电网的运行控制策略与微电源类型、负荷特性和电能质量约束条件有关，不管采用哪种控制策略，微电网控制系统必须保证其在并网和孤岛两种运行模式下都能够稳定运行。444.1 微电网运行方式l一般的微电网系统有三种运行方式。一般的微电网系统有三种运行方式。l第一种为并网运行 并网运行控制是微电网在并网运行状态下对整个系统的综合控制和协调 l第二种为孤岛运行 孤岛运行控制是微电网在孤岛运行状态下，为了维持系
29、统自身稳定运行对分布式电源的控制l第三种为微电网并离网切换运行 由于主网故障或电能质量等原因，微电网需要快速与主配网断开，为了能快速检测出孤岛，国内外许多专家学者提出了多种孤岛检测方法，大体可分为两类：被动式孤岛检测和主动式孤岛检测。离网转并网控制流程图如图4-1所示。454.1 微电网运行方式46图4-1 离网转并网控制流程图4.1 微电网运行方式l4.1.1 并网运行方式下微电网运行特性 微电网的运行可以通过与公共并网点PCC连接，这样就可以和大电网联接起来，当出现负载大于分布式发电提供的负荷时，大电网就可以来弥补。另一方面，当负载小于分布式发电提供的负荷时，多余的负荷就可以送到大电网中。
30、在电网正常运转的情况下，它能够根据社会的实际用电情况来进行供电，保证人民生活的正常使用电源，减少了不必要的供电或供电不足引起的电能质量下降或者电网安全，从而取得了更大的经济实用价值。474.1 微电网运行方式l4.1.2 孤岛运行方式下的微电网运行特性孤岛运行方式下的微电网运行特性 孤岛运行模式可以分为在计划内孤岛运行和计划外的孤岛运行。当大电网系统出现故障或者电能不符合用电质量和需求的时候，这个时候微电网从大电网分离开来，它的负载全部由分布式发电的负荷承担。此时对频率的控制具有很大的挑战。频率响应基于旋转体是大电网的频率控制的重要因素，要想有一个很稳定的系统，控制好频率是其中的一个重要条件。
31、相比之下，微电网基本上是一个非常小或没有直接连接的转子的基于转换器的网络。484.2 微电网控制技术4.2.1 恒功率(P/Q)控制 介绍恒功率控制之前，先介绍一下常用的三相桥式电压型逆变器。逆变器主要由DC/AC逆变电路和滤波电路组成。DC/AC逆变电路由6个带有反向并联二极管的开关器件组成，六个开关器件组成三个半桥，每个半桥上下桥臂互补导通，同一时刻均有三个开关器件导通，一个周期内，六个开关管一次导通，相位相差60。经过滤波等适当处理，将直流电转换成所需要的交流电。49图4-2 三相桥式电压型逆变器4.2 微电网控制技术 图4-2所示为一经典三项桥式逆变器，经过逆变器，直流信号被转换成三相
32、交流信号，经过滤波处理，得到所需要的正弦交流信号，给负载和电网供电。 其中L1为滤波电感，C1为滤波电容，R1为滤波电阻，Z为负载，L2，R2为输送线路上的感抗和阻抗。U1为逆变器输出端的端电压，U2为负载端的端电压。I1、I2分别是滤波电感和滤波电容上的电流，而I3则是负载端和电网端电流之和。根据电感上电压和电容上电流列出方程：5011122131dLiuud td uCiid t4.2 微电网控制技术根据电感上电压和电容上电流列出方程： 其中U1，U2，I1，I3均是三相交流矢量5111122131dLiuud td uCiid t1312113311221312,aaaabbbbcccc
33、iiuuiiiiuuuuiiuu 4.2 微电网控制技术将U1，U2，I1，I3带入式（4-1）中可得：521121112121Laaabbbcccd id tuud iuud tuud id t2312131312Caaabbbcccd ud tiid uiid tiid ud t4.2 微电网控制技术 三相逆变器在静止坐标系下的数学模型，有直观易懂等优点，但是数学模型中的各个交流信号均是时变的，控制起来比较复杂，所以一般是将三相静止坐标系下的数学模型转换为两相（d,q）旋转坐标系下进行控制，又称dq变换。dq变换公式为：5322coscos()cos()3322sinsin()sin()3
34、3dqabctttUUttt 4.2 微电网控制技术经过dq变换后，可以得到：54111 112111 112dqddqdqqdiLLiuudtdiLLiuudt211 21321 2131dqddqdqqduCCuiidtdiCCuiidt4.2 微电网控制技术在三相静止坐标系下，三相逆变器的输出功率为：552 a12121P = UabbccIUIUI2212212213()()()3bcacababcQUUIUUIUUI将其转换到两相转转坐标系下，得到：2d121P=UdqqIUI2121qddqQUIUI三相电压从三相静止坐标系转变到两相旋转坐标系22coscos()cos()3322
35、0sinsin()sin()33mdqabctttUUUttt4.2 微电网控制技术 由上式可知，通过三相静止坐标系转变到两相旋转坐标系下，把逆变器的输出功率控制，转变为对逆变器的输出电流控制，只要实现了对Id和Iq的跟踪控制，就可以实现功率控制。 恒功率控制一般运用在微电网主从控制或者并网控制模态下，整个微电网的电压和频率由电网或者其他单元支撑，所以控制功率这一目标就可以通过控制逆变器的输出电流来实现。所以需要设计一个电流闭环系统，实现对参考电流的实时跟踪。56图4-3 恒功率控制原理框图4.2 微电网控制技术 如图4-3所示，控制器主要包括锁相环、dq变换器、电流环控制以及SPWM控制。
36、（1）锁相环 锁相环(简称PLL)本质上是一种反馈电路，它的作用是调节电路上的时钟，使其与另一外部时钟实现相位差同步。传统锁相环结构如图4-4所示，是由三个部分构成的：鉴相器环节（下面统称为PD）、环路滤波器（下面统称为LF)和压控振荡器（以下面统称为VCO),57图4-4传统锁相环闭环系统4.2 微电网控制技术（2）SPWM控制 SPWM控制（又称正弦脉宽调制）技术的理论基础就是面积等效原理，就是将一些脉冲信号加到惯性环节上，这些脉冲信号形状不同但是脉冲的面积相同，由此产生的结果是与原信号一致的，即通过SPWM调节后的输出相应波形基本相同。58SPWM调制4.2 微电网控制技术 SPWM控制
37、技术根据信号极性的差异可以分为单极性SPWM调制和双极性SPWM调制。 单极性SPWM调制如图4-8所示，在一个周期内，上下桥臂中间点的输出电压只包括0、正电压或0、负电压。59图4-8单极性SPWM调制4.2 微电网控制技术 而双极性SPWM调制如图4-9所示，在一个周期内，上下桥臂中间点的输出电压既包含正电压，也包含负电压。60图4-9双极性SPWM调制SPWM调制方法原理易懂、简单，算法成熟，适用范围广，可调节性强，频率恒定，输出电压中只包含高次谐波，所需滤波器结构简单，是现阶段应用最为广泛的逆变器控制技术。4.2 微电网控制技术（3）电流环 一般情况下P/Q控制应用在微电网的主从控制模
38、式或者是并网模式下，在这几种控制模式中，微电网的电压和频率被钳制住，只需要控制调节逆变器的输出电流，就可以达到控制功率的效果，因此只需一个控制器，实现逆变器的输出电流时刻跟踪上给定电流。具体电流环控制框图如图4-10所示。61图4-10解耦控制4.2 微电网控制技术l4.2.2 恒压恒频（V/f）控制 恒压恒频控制，顾名思义，这种控制方式的目标就是将分布式电源的电压和频率始终维持在一个固定水平。在微电网离网运行时，由于恒压恒频控制的这一特性，使用该控制模式的微电源一般被用作为主从控制模式下的微电网中的主控制单元，支撑起整个微电网的电压频率，使其他从控制单元可以正常运行。62根据原理分析，可得V
39、/f控制算法流程，如图4-11所示。图图4-11 恒压恒频算法控制原理图恒压恒频算法控制原理图4.2 微电网控制技术l4.2.3 下垂控制(Droop） 所谓下垂控制，就是模拟大电网频率的一次调整，根据频率和有功功率、电压和无功功率之间的下垂曲线控制逆变器的输出。 在孤岛运行时，对等控制中的微电网各分布式电源均采用下垂控制，电压幅值和频率由所有微电源和负载根据下垂曲线来确定。 所以下垂控制技术的原理就是依据同步发电机的频率和有功、电压和无功的调节特性来对分布式电源并网逆变器的进行调节。其调控原理方程为：63=nmnm PP nmUUnQ4.2 微电网控制技术式中，m为有功调节下垂系数；n为无功
40、调节下垂系数；为额定角频率；Pn为额定有功功率；Un为系统中无功输出为零时的电压幅值；、为分布式电源有功和无功实际输出值。根据下垂系数由一个给定的量控制另一个参数跟踪至下垂曲线上对应的值称为下垂控制。下垂控制方法调控过程如图4-12所示。64 （a）频率下垂特性）频率下垂特性 （b）电压下垂特性）电压下垂特性 图图4-12 下垂控制曲线下垂控制曲线4.2 微电网控制技术 该控制方法借鉴了同步发电机的自下垂调节功能，其运算流程如图4-13所示，首先通过采集并网侧电压、电流信号并进行功率计算，求得并网逆变器并网侧实际的有功、无功输出，通过下垂控制方程求得得到频率和电压的指令值，经过电压电流双闭环控
41、制得到SPWM调制的输入信号，进而对分布式电源的输出进行调控。65图图4-13 下垂控制算法流程图下垂控制算法流程图4.3 微电网控制模式 上一节介绍了对单个微电源的控制方法，然而仅仅对微电源单独控制是无法维持微电网的稳定运行，因此需要在管理层面上对微电网进行控制。综合考虑各个分布式电源输出特性、微电网并网/离网运行模式特点，制定出稳定、高效、经济的微电网控制策略。目前主流的微电网控制策略有对等控制以及主从控制。4.3.1主从控制模式 主从控制模式，是根据各个分布式电源的自身情况不同，运用不同的控制策略，实现其不同的作用。微电网中，一个分布式电源作为主控制单元，来测量网侧的各种电气量，根据电网
42、的运行状况进行相应的调节，而其他从控制单元通过通讯线路与主控制单元相连接，按照给定进行输出，使整个电网的负载和输出达到功率平衡。664.3 微电网控制模式主从控制微电网结构如图4-14所示67图4-14 主从控制微网结构4.3 微电网控制模式4.3.2对等控制模式 对等控制模式，就是指在整个微电网系统中，各个分布式电源在控制上都有着相等的地位，不存在从属关系，每一个分布式电源都根据接入系统的电压和频率信息来进行控制。对等控制模式的微电网结构图如图4-15所示。68图4-15 对等控制结构框图l5.1在保护系统中的微电网运行模式选择l5.2 微电网运行保护策略l5.3 微电网并网保护配置l5.4
43、并网保护的性能要求l5.5微电网保护方案69 微电网作为新兴的、高效环保的发电技术，近年来获得了迅速发展。然而，大量分布式发电的并网运行将深刻影响配电网络的结构及配电网中短路电流大小及分布，由此给配电网的运行、控制以及继电保护工作带来多方面的影响。微电网由于含有多种分布式电源，不同类型的分布式电源的特性也有所不同，微电网具有与传统电网不同的运行及故障特征，而且微电网运行模式切换时会导致线路的潮流和电压发生变化。大多数传统的配电网保护基于短路电流检测。70 在微电网的许多运行场合，可能会出现与保护系统的选择性（对应错误的、不必要的跳闸）、灵敏性（对应未检测到的故障）和速动性（对应延迟跳闸）相关的
44、问题。其主要问题可以概括如下：（1）短路电流大小和方向的变化，取决于是否有分布式电源接入。（2）在分布式电源接入处，故障检测灵敏度和快速性的降低（3）由于分布式电源对故障的贡献导致电网断路器因临近线路故障而产生不必要的跳闸。（4）增高的故障水平可能会超过开关设备目前的设计容量。（5）配电线断路器的自动重合闸和熔断器动作策略可能失效。（6）基于换流器的分布式电源对故障电流贡献的减少导致保护系统性能降低，尤其当微电网从公用电网断开的时候更明显。（7）馈线保护和电力公司在故障穿越的要求上存在矛盾，而许多分布式电源渗透率高的国家电网规程中对此有明确规定。 此外，微电网的保护还必须与微电网内的各种控制环
45、节相结合，根据微电网的运行模式、控制策略及故障特性来制定微电网的保护策略。715.1在保护系统中的微电网运行模式选择 在微电网中，微电源有足够的容量满足当地所有负荷的需求，微电网可以采用与并网模式和离网模式两种模式运行。其运行原则是，正常情况下微电网采用并网模式运行。当主电网发生任何扰动时，其将无缝地断开与主电网在公共连接点（PCC）处的连接并继续作为电力孤岛运行。图5-1示出了典型的微电网网络保护系统。72图5-1 典型微电网的保护5.1在保护系统中的微电网运行模式选择 为确保微电网在发生意外事故期间稳定运行必需解决两个主要的保护问题，分别是：（1）确定在特定的意外事故情况下微电网什么时刻成
46、为离网模式。（2）对离网运行模式下的微电网划分区段并提供充分的故障协调保护。 虽然微电网大部分的保护设备的特征和性能与目前配电网中的保护设备相同，但却因微电网中具有电力电子换流器系统而另有不同。原因如下：（1）换流器的特征可能与现有的传统保护设备不同。（2）不同设计方案的换流器会有不同的参数，因此没有任何统一的特性可以将换流器表征为一类设备。（3）在系统中，由于换流器的设计与用途不同，其基本特性会发生显著的变化。735.1在保护系统中的微电网运行模式选择 对于离网模式下的微电网安全可靠运行，保护系统应确保做到以下几点：（1）独立运行的微电网要有合理的接地方式。（2）微电网中故障检测设备的运行必
47、需服从于联网运行时的故障检测系统。（3）故障检测的一种方法是不依赖于故障电流和最大负荷电流之间的大比值，而是必须能够对进入孤岛模式后降低的电流水平作出响应。（4）如果有必要，任何现有的反孤岛方案都应检查和修改，以防止微电网运行不稳定或者因敏感的整定值引起不希望的微电源损失。（5）在微电网区域内，所制定的任何减载方案都必须密切协调配合。745.2 微电网运行保护策略 同大电网一样，微网内部发生故障时，通常不希望直接切掉电源，而是通过保护装置的选择性将故障部分切除，保障微网正常部分的稳定运行。微网除供电负荷外，还有一些其他的负荷，例如医院、军事设施以及一些重要的热负荷，因此更不能轻易切掉电源。故障
48、按照微电网的运行方式可以分为联网运行方式下的故障和孤岛运行方式下的故障；按照故障类型可以分为线路故障，负荷故障，变压器故障；按照故障位置可以分为位于分布式电源下游的故障和位于分布式电源上游的故障。755.2 微电网运行保护策略l目前微电网系统主要的保护策略是：(1)如果配电网发生故障，将主动退出分布式发电单元，此时传统配电网的保护不受任何影响。(2)限制分布式发电的容量和接入位置，整个配电网不做任何调整。(3)采用故障电流限制措施，如使用故障限流器或者电流保护器，使系统发生故障时分布式发电的影响最低。765.2 微电网运行保护策略 在工程实际中，其实大多都是针对于多个微电网系统组成的配电网系统
49、，其保护主要包括并网模式与孤岛模式下配网保护与孤岛保护，因为配电网系统接入分布式发电电源以后，改变了原有的网络结构，原系统的潮流分布和短路电流的大小随之改变，这些改变对过流保护的整定、配置和动作特性都有影响，而影响的大小取决于保护的位置、故障点和分布式发电电源的接入位置。此时在并网运行时，微电网系统内部若发生故障，微电网保护应可靠切除故障。775.3 微电网并网保护配置 并网保护包括防孤岛保护、故障保护以及其他异常保护。由于微电网系统的接入，传统的配电网一次设备无法满足快速故障隔离要求，因此配电网系统的一次设备配置为： (1) 对于直接接入到110kV及以上输电网络中的分布式电源，其并网联络线
50、已配置了完善的保护系统，不需要专门的并网保护。因此上述并网保护主要针对接入35kV及以下电压等级的分布式电源。 (2) 并网保护既不同于分布式电源的发电机保护，也不同于配电网馈线保护，本质上是一种接口保护，所以并网保护与发电机保护、配电网馈线保护的保护配置方式要结合微电网系统的接入点综合考虑。 (3) 在标准IEEE 1547中，从反映系统侧故障、防孤岛以及电能质量等3个方面，给出了并网保护的核心功能要求。 (4)并网保护的相间故障检测可以采用过电流保护、低电压起动的过电流保护或者阻抗保护实现。 (5)有些微电网保护方案中按照信号来源是否有主动激励分为被动检测法、主动检测法和联跳方案。785.