微电网运行与控制3.ppt

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1、微电网运行与控制,2014-2015学年 第一学期,10/27/2020,1,微电网运行与控制,第一章 微电网概述 第二章 微电网组成元件 第三章 微电网基本控制方法 第四章 微电网多代理优化控制方法 第五章 微电网保护,10/27/2020,2,第三章 微电网基本控制方法,3.1 微电网的运行状态 3.2 微电网控制方式,10/27/2020,3,3.1微电网运行状态,并网运行状态 离网运行状态 并网离网状态 离网并网状态 故障/检修状态 大电网直供负荷状态,10/27/2020,4,过渡状态,非正常状态,正常状态,3.1 微电网运行状态,10/27/2020,5,3.1 微电网运行状态,并

2、网状态 运行于联网模式时，母线电压频率和负载由大电网支撑。微网一般被要求控制为一个“好公民”或者“模范公民”。 作为“好公民”时，微网在与配电网连接时需满足配电网的接口要求，同时不参与主电网的操作。此时，微网应能实现减少电能短缺、提高当地电压质量和不造成电能质量的恶化等目标。 作为“模范公民”时，要求微网能为大电网提供一些辅助操作，例如：参与大电网的电压和频率调节，参与维持整个电网稳定运行，提高故障承受能力等等,10/27/2020,6,3.1 微电网运行状态,离网状态 运行于孤岛模式时，微网必须能维持自己的电压和频率。在传统电网中，频率能通过大型发电厂内拥有大惯性的发电机来维持，电压通过调节

3、无功功率来维持。在微网中，由于采用大量电力电子设备作为接口，其系统惯性小或无惯性、过载能力差、以及采用可再生能源发电的分布式电源输出电能的间歇性和负载功率的多变性增加了微网频率和电压控制的难度。而且配电网线路阻抗呈阻性，使电压不仅与无功功率有关也与有功功率有关，控制电压需要通过控制有功和无功功率两个方面来完成。,10/27/2020,7,3.1 微电网运行状态,切换状态 微网运行在两种模式之间切换的暂态时，维持微网稳定是其最主要的问题。 如果微网在联网运行时吸收或输出功率到电网，当微网突然从联网模式切换到孤岛模式时，微网产生的电能和负荷需求之间的不平衡将会导致系统不稳定，此时设计合理微网结构和

4、采用恰当的控制方法是非常重要的。 当微网从孤岛模式重连到大电网，如何与电网同步是其主要问题。目前，储能装置对缺少惯性的微网是维持其暂态能量平衡的必要元件。,10/27/2020,8,第三章 微电网基本控制方法,3.1 微电网的运行状态 3.2 微电网控制方式,10/27/2020,9,3.2、微电网控制方式,（一）主从控制 1、以分布式电源作为主控制器 2、以中心控制器作为主控制器 （二） 对等控制 1、分层协调控制 2、自治协调控制,10/27/2020,10,（一） 主从控制,主从控制就是微网的控制系统中存在某一个控制器为主控制器，其余为从控制器，主从控制器之间一般需要通信联系，且从控制器

5、服从主控制器。 以分布式电源作为主控制器 以中心控制器作为主控制器,10/27/2020,11,3.2、微电网控制方式,以分布式电源作为主控制器 微网底层分布式电源的控制是一种主从控制结构。由于这种主从控制存在于分布式电源层，所以其通信联系是强联系，一旦通信失败，微网将无法正常工作。,10/27/2020,12,主单元分布式控制策略,联网运行时微网中所有分布式电源采用PQ控制，即微网不参与系统频率调节， 只输出指定的有功和无功功率； 在孤岛运行时主单元采用 V/f 控制维持系统的电压和频率恒定。,（一） 主从控制,3.2、微电网控制方式,恒功率控制 控制目的是使分布式电源输出的有功功率和无功功

6、率等于其参考功率。,10/27/2020,13,有功功率控制器调整频率下垂特性曲线使分布式电源输出的有功功率始终维持在参考值附近；无功功率控制器则调整电压下垂特性曲线使无功功率也维持在相应 的参考值附近。,（一） 主从控制,3.2、微电网控制方式,V/f 控制,10/27/2020,14,V/f控制原理,基本思想：输出电压的幅值和频率一直维持不变,分布式电源输出的有功功率从 P1变化到 P3，无功功率从 Q1 变化到 Q3，其输出的频率始终为 50Hz，电压幅值为额定值。,（一） 主从控制,3.2、微电网控制方式,恒功率控制,10/27/2020,15,（一） 主从控制,3.2、微电网控制方式

7、,V/f 控制方法1,10/27/2020,16,分布式电源不管系统负荷功率如何变化，其端口输出的电压和频率一直维持恒定,当负荷需求量小于发电量时，主单元吸收剩余电能； 负荷需求量大于发电量时，主单元则提供更多电能；,（一） 主从控制,3.2、微电网控制方式,10/27/2020,17,主单元相当于无穷大母线；在动态过程中，由于这种方法使用锁相环（PLL）检测系统频率作为逆变器频率的参考输入，所以采用这种控制方法电压的幅值在动态程中变化更小。,（一） 主从控制,3.2、微电网控制方式,恒功率控制 当系统频率为 50Hz、分布式电源的端口电压为额定值，分布式电源运行在 B 点，输出的有功功率和无

8、功功率分为 Pref、Qref； 当系统的频率增加，且分布式电源的端口电压幅值增大，此时分布式电源运行点将由 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，且分布式电源的端口电压幅值减小，分布式电源运行点将由 B 点向 C 点移动，输出的有功和无功依然为 Pref、Qref；,10/27/2020,18,该控制方法需要系统中有维持电压和频率的分布式电源或电网,（一） 主从控制,3.2、微电网控制方式,以中心控制器作为主控制单元 上层管理系统管理底层多个分布式电源和各类负荷的一种控制方法，所以底层分布式电源与上层管理系统之间亦需要通信联系。但是这种通信联系是

9、弱联系，即使短时间通信失败，微网仍能正常运行。,10/27/2020,19,（一） 主从控制,3.2、微电网控制方式,以中心控制器作为主控制单元,10/27/2020,20,上层中心控制器根据分布式电源原动机的输出功率和微网内的负荷需求变化调节底层分布式电源控制器的稳态设置点和切联负荷。 微网内供需平衡动态调节依靠底层分布式电源控制器来完成。底层的分布式电源控制器可以采用主从控制也可采用对等控制。,（一） 主从控制,3.2、微电网控制方式,以中心控制器作为主控制单元,10/27/2020,21,日本微网展示项目分层控制,中心控制器首先对发电单元的发电量和负荷需求量进行预测，然后制定相应实时运行

10、计划，控制分布式电源、负荷和储能装置的起停，同时控制微网内的电压和频率并为系统提供相关保护功能。,（一） 主从控制,3.2、微电网控制方式,以中心控制器作为主控制单元,10/27/2020,22,欧盟多微网项目三层控制方法,最上层为中压配电网监控中心,中间层是单个微网的中心控制器（MGCC ,micro grid central controller）,分布式电源和负荷的当地控制器（LC）,（一） 主从控制,3.2、微电网控制方式,以中心控制器作为主控制单元,10/27/2020,23,欧盟多微网项目三层控制方法,中压配电网监控中心,配电网络操作人员（DNO）和市场管理人员（MO）可在此层完成

11、相应的调度管理。主要负责根据市场和调度要求来管理和调度系统中的多个微网,中压配电网监控中MGCC）,微网中心控制器负责最大化微网价值的实现和优化微网操作，它的功能主包括： 1）根据市场电价、配电网络操作人员的要求及负荷预测并优化微网中分布式电源的 发电量； 2）通过改变分布式电源有功功率和无功功率的输出设置点和切联负荷实现二次频率调整。,（一） 主从控制,3.2、微电网控制方式,以中心控制器作为主控制单元,10/27/2020,24,欧盟多微网项目三层控制方法,分布式电源和负荷的当地控制器（LC）,负责分布式电源的正常运行，而负荷控制器则按照中心控制器的指令断开或重联负荷，需要具备自治控制能力

12、,分层控制方案的软件采用多agent技术实现,（一） 主从控制,3.2、微电网控制方式,二、微电网控制方式,2.1 主从控制 以分布式电源作为主控制器 以中心控制器作为主控制器 2.2 对等控制 分层协调控制 自治协调控制,10/27/2020,25,定义： 每个分布式电源有相等的地位，没有一个单元像主控制单元或中心储能单元那样对微网有着特别重要的作用。同时这种控制方法能让微网具有“即插即用”的功能。 “即插即用”：能量平衡的条件下，微网中的任何一个分布式电源在接入或断开时，不需要改 变微网中其它单元的设置,10/27/2020,26,要求分布式电源采用本地变量进行控制，不同分布式电源之间没有

13、通信联系。 离网运行时，DG采用相同的控制方法，母线电压幅值和频率由所有分布式电源和当地负荷控制共同决定,（二） 对等控制,3.2、微电网控制方式,逆变器接口控制策略： 下垂控制 f-P,V-Q下垂控制 P-f,Q-V下垂控制 虚拟发电机控制,10/27/2020,27,（二） 对等控制,3.2、微电网控制方式,10/27/2020,28,它利用分布式电源输出有功功率和频率呈线性关系而无功功率和电压幅值成线性关系的原理而进行控制。,分布式电源输出有功和无功功率分别增加时，分布式电源的运行点由A点向B点移动。该控制方法由于其具有不需要分布式电源之间通信 联系就能实施其控制的潜力,下垂控制,（二）

14、 对等控制,3.2、微电网控制方式,10/27/2020,29,下垂控制,（二） 对等控制,3.2、微电网控制方式,10/27/2020,30,下垂控制,频率-有功下垂,电压-无功下垂,有功-频率下垂,无功-电压下垂,（二） 对等控制,3.2、微电网控制方式,10/27/2020,31,下垂控制,对于 f-P 和 V-Q 下垂控制，由于其输出为分布式电源参考有功和无功功率， 所以必须增加内环控制器才可能控制其接口逆变器。,频率-有功 电压-无功 控制实现,（二） 对等控制,3.2、微电网控制方式,2.2 对等控制,10/27/2020,32,下垂控制,对于 f-P 和 V-Q 下垂控制，由于其

15、输出为分布式电源参考有功和无功功率， 所以必须增加内环控制器才可能控制其接口逆变器。,有功-频率 无功-电压控制实现,2.2 对等控制,10/27/2020,33,对于 f-P 和 V-Q 下垂控制，由于其输出为分布式电源参考有功和无功功率， 所以必须增加内环控制器才可能控制其接口逆变器。,有功-频率 无功-电压控制实现,虚拟同步发电机控制 控制目标：逆变器接口模拟同步发电机特性，提高分微电网 的系统惯性，从而提高微电网 的控制稳定性。,10/27/2020,34,（二） 对等控制,3.2、微电网控制方式,虚拟同步发电机控制,10/27/2020,35,虚拟同步发电控制思想,（二） 对等控制,

16、3.2、微电网控制方式,虚拟同步发电机控制,10/27/2020,36,虚拟同步发电机控制策略,（二） 对等控制,3.2、微电网控制方式,10/27/2020,37,下垂控制,两种下垂控制对比,对于逆变器接口的分布式电源来说，它们不是传统的发电机，没有转子运动方程，而微网在孤岛运行时必须控制系统的频率和电压。如果采用 f-P 和 V-Q 下垂控制必须设计内环控制器，通过内环控制器模拟转子运动方程来实现其控制，因此该控制方法依赖于内环控制器的设计 f-P 和 V-Q 控制方法需要足够精确的频率测量装置确保控制策略的实施 f-P 和 V-Q 控制方法可能在系统孤岛模式运行并且空载时引起系统不稳定，

17、因为这时网络阻抗将变得无穷大，小的电流变化将导致大的电压变化。而 P-f 和 Q-V 下垂控制可以应用单环控制器直接控制其分布式电源接口逆变器，控制器设计简单。 P-f 和 Q-V 下垂控制方法时，多个分布式电源将同时参与系统的频率调节,P-f 和Q-V下垂控制是目前微电源逆变器的主流控制方法,（二） 对等控制,3.2、微电网控制方式,3.3 微电网控制方式,主从控制策略和对等控制策略对比： 以一个分布式电源为主控制单元主从控制：底层分布式电源之间需要强的通信联系，增加成本，降低可靠性，并且由于采用这种控制方法，整个系统对主单元有很强的依赖性，主控制单元控制失效和通信失败，整个微网就会瘫痪 以

18、中心控制器为主控制单元的主从控制策略，由于其通信联系不是强联系，中心控制器能起到管理微网的作用，随着微网概念的发展，这种分层控制系统是一个很好的选择 对等控制：分布式电源之间不需要通信联系就能实现功率共享，不同分布式电源之间地位相等，控制具有冗余性,10/27/2020,38,微电网运行与控制,2014-2015学年 第一学期,10/27/2020,39,微电网运行与控制,第一章 微电网概述 第二章 微电网组成元件 第三章 微电网基本控制方法 第四章 微电网多代理优化控制方法 第五章 微电网保护,10/27/2020,40,第四章 微电网多代理优化控制法,4.1 agent 基本理论 4.2

19、多agent技术在微电网中的应用,10/27/2020,41,4.1 agent 基本理论,Agent 概念首先是由麻省理工学院的著名计算机学家和人工智能学科创始人之一的minsky提出来的。 Agent 是驻留于环境中的实体,既可以是硬件也可以是软件 弱定义：具有自主性、社会性、反应性和能动性等基本特性 强定义：除了上述基本特性之外,还具有理性、信念、通信能力等人类特冇的一些特性,10/27/2020,42,4.1 agent 基本理论,（1）自主性； （2）交互性； （3）反应性； （4）社会性； （5）环境协调性；,10/27/2020,43,Agent 特征,一、agent 基本理论,

20、10/27/2020,44,Agent 体系结构,单Agent的工作过程,一、agent 基本理论,10/27/2020,45,单Agent的工作过程,Agent 体系结构,一、agent 基本理论,多代理系统MAS(MULTI-Agent-system) 包含了多个Agent,是由具有不同信息或不同利益的多个自治实体组成的网络系统，是一个松散耦合的的分布式交互系统。,10/27/2020,46,一、agent 基本理论,多代理系统MAS(MULTI-Agent-system) 特点： Agent 都具有自治性和主动性 系统内部的交互性和系统整体的封装性 每个代理之间只进行少量的信息交流 每个

21、代理针对不同的目标有不同的运行方式,10/27/2020,47,1+12,一、agent 基本理论,多代理系统MAS(MULTI-Agent-system) 结构： 集中式结构 分布式结构 混合式结构,10/27/2020,48,一、agent 基本理论,10/27/2020,49,MAS集中式结构,一、agent 基本理论,10/27/2020,50,MAS分布式结构,一、agent 基本理论,10/27/2020,51,MAS混合结构,一、agent 基本理论,MAS 中的关键问题： (1)通信机制 直接通信；广播通信、公共黑板系统 公共黑板系统? (2)协调机制 协调多个Agent 共同

22、完成某个任务 存在合作，竞争，冲突，跟从等多种情况 (3)自治机制 Agent能够对环境的做出相应的反应,10/27/2020,52,二、MAS在微电网中的应用,10/27/2020,53,欧盟的三层微电网控制结构,最上层为中压配电网监控中心,中间层是单个微网的中心控制器（MGCC ,micro grid central controller）,分布式电源和负荷的当地控制器（LC）,10/27/2020,54,二、MAS在微电网中的应用,与之相对应 微电网存在三种类型的agent,1、元件级agent,分布式电源控制，发电控制，储能元件的控制，和部分负荷控制,2、微电网的整体运行agent,主

23、要针对微电网内部的调度控制,3、配电网监控层代理,根据大电网和微电网运行情况，制定调度计划,根据大电网和微电网运行情况，发布并网电价,10/27/2020,55,IEEE 9 节点 micro grid 系统从,10/27/2020,56,元件Agent 结构模型,10/27/2020,57,二、MAS在微电网中的应用,以光伏发电元件Agent为例:,自治控制,1、母线电压大于额定值,2、母线电压恢复额定值,3、光伏发电故障,4、通信协商,上层Agent下发,相邻Agent请求/竞争,微电网运行与控制,2014-2015学年 第一学期,10/27/2020,58,微电网保护技术,一、分布式电源

24、对传统保护的影响 二、逆变器接口分布电源（inverter interfaced distributed generation，IIDG）的故障特性 三、微电网保护控制策略 四、微电网中的孤岛保护,10/27/2020,59,一、分布式电源对传统保护的影响,10/27/2020,60,不同类型DG故障电流注入能力,一、分布式电源对传统保护的影响,10/27/2020,61,分布式电源通常接入在10kv馈线,Rx为三段保护的断路器,Fx为熔断丝,一、分布式电源对传统保护的影响,10/27/2020,62,DG 对三段式保护的影响,（1）导致本线路保护动作的灵敏度降低，严重时甚至拒动 （2）导致本线路保护误动作 （3）导致相邻线路的瞬时速断保护误动作，失去选择性,一、分布式电源对传统保护的影响,10/27/2020,63,DG 对熔断器保护的影响,d1故障：要求F2动作优先于F3动作 d2故障：要求F3动作优先于F2动作,一、分布式电源对传统保护的影响,10/27/2020,64,DG对自动重合闸的影响,1）非同期重合闸,2）故障点电弧,失去系统电源以后，DG可能继续维持对故障点的供电，重合闸发生时，DG所提供的故障电流妨碍了故障点电弧的熄灭，引起故障点持续电弧。此时，原本的瞬时故障变成了永久性故障。,