第28卷第1期 2015年1月 广东电力 GUANGD0NG ELECTRIC PoWER Vo1.28 No.1 Jan.2015 doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2015.01.O15 交直流混合微电网平台开发及其控制策略研究 刘振国 ,邓应松 ,胡亚平 (1.广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东广州510080;2.广东省智能电网新技术企业重点实验室(广东电网有 限责任公司电力科学研究院),广东广州510080) 摘要:为有效提升能源利用效率和电网运行可靠性,设计开发一种用于交直流混合微电网研究的平台,该平台 结构可根据研究需要自由改变,同时具备良好的开放性,可兼容多个厂家设备。平台具备微电网控制策略研究、 微电网关键设备和系统检测、微电网与配电网相互影响研究等功能,可用于微电网技术和主动配电网技术仿真 验证、新能源发电关键设备检测等。 关键词:交直流混合微电网;架构;控制策略;检测;配电网 中图分类号:TM743 文献标志码:A 文章编号:1007.290X(2015)O1.0067—05 Research on AC/DC Hybrid Micro-grid Platform Development and Its Control Strategy LIU Zhenguo .DENG Yingsong .HU Yaping ’。 (1.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong,5 1 0080,China; 2.Guangdong Province Key Laboratory of Smart Grid Technology(Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co.,Ltd.),Guangzhou,Guangdong 510080,China) Abstract:In order to effectively improve energy use ratio and power grid operation reliability,a kind of platform for stud・ ying AC/DC hybrid micro-grid was designed and developed.This platform was able to be freely changed according to re— search demands and provided with good openness which might be compatible with several manufacturers.This platform was provided with functions including research on power grid control strategy,detection on key equipments and systems of mi— cro.grid。study on mutual effects between micro.grid and power distribution network which was able to be used for verifica— tion on simulation of micro-grid technology and active power distribution network technology and detection on key equip— ments for new energy power generation. Key words:AC/DC hybrid micro—grid;framework;control strategy;detection;power distribution network 目前,全世界90%以上的电能由以煤、石油 为主的常规能源提供,这些常规能源发电的特点是 发电厂集中、远距离送电并形成互联大电网。但其 资源有限且对大气的污染问题也日益凸显,造成了 新能源发电技术得到了迅速的发展。新能源发电装 置大量接入电网中,在一定程度上缓解了电力供应 紧张的问题,并在改善能源结构、减少环境污染、 实现人与自然的可持续发展方面起到很好的作用瞳]。 全球性能源紧张和环境恶化。同时大电网存在着供 电模式单一、不能灵活跟踪负荷变化、局部事故极 易扩散并导致大面积停电等弊端 ]。随着环境问题 以及能源危机的日益突出,诸如光伏、风电等一批 这些清洁的可再生能源大部分都是以分布式电 源(distributed generation,DG)的形式联接到电 力系统,与大电网互为支撑。但DG大量接入电网 所带来的问题也逐渐显现出来,例如可再生分布式 发电装置发电量的不可控制性、发电量的不确定 性、并网装置带来的谐波问题等,对电力系统的建 收稿日期:2014—09-12 基金项目:国家高技术研究发展计划项目(863项目)(2012AA050212) 广东省智能电网新技术企业重点实验室资助项目(2060299) 设与运行造成了诸多影响_3 41。另一方面,如果没 有大规模的投资,现有配电系统很快就会达到极 广东电力 第28卷 限,以传统被动配电网的技术,将不能再接入新的 DG和可再生能源 ]。 在现有技术体系下,主动配电网技术和微电网 均有可能以较低的费用接入更多的DG,并且不给 环境带来负担。目前学术界和工业界都已经逐步将 研究方向从单纯的新能源发电逐步转向新能源发电 接入主动配电网和微电网方面l_6 ],并建立示范工 程和实验系统,以证明新型配电系统的可行性和由 此带来的效益。 本文主要从交直流混合微电网平台架构、控制 策略研究和平台检测功能三个方面进行介绍,研究 成果在微电网技术和主动配电网技术仿真验证、新 能源发电关键设备检测方面具有重要作用。 1 交直流混合微电网平台架构 本文基于对交直流混合微电网控制策略研究、 微电网关键设备检测等实际需求,借鉴国、内外微 电网平台的建设经验,设计开发了一个电网拓扑结 构先进,控制与操作灵活,集系统研究、设备检 测、系统功能性验证于一体的交直流混合微电网仿 真测试平台,可进行微电网系统控制策略研究、光 伏逆变器等新能源发电关键设备检测、主动配电网 技术研究、新能源与配电网接入的相互影响研究 等。系统架构如图1所示。 图1 交直流混合微电网平台架构图 平台以光伏发电和储能电池为主要能源,由光 伏发电模拟器、风力发电模拟系统、柴油发电模拟 系统、可编程负载、直流负载、线路阻抗模拟装 置、能量管理与控制系统、电网模拟器、电网谐波 闪烁阻抗系统组成,采用交直流混合母线形式。具 体组网方案如下: a)DG总容量为120 kW,其中真实光伏发电 系统30 kW,光伏组件模拟器30 kW,小型风力 发电模拟系统30 kW,柴油发电机30 kW; b)储能系统为30 kWh锂电池储能; c)负载为30 kW可编程交流负载和20 kW可 编程直流负载; d)储能双向变流器50 kW,直流变换器30 kW; e)微电网能量管理系统包括通信屏、主控屏、 并网屏、组合屏、配电屏; f)另外还包括电网模拟电源、线路阻抗模拟装 置、电网谐波闪烁阻抗模拟系统、电能质量补偿器 等设备。 2平台控制策略研究 本项目平台系统级目标是在微电网能量管理系 统的控制下,协调各部分的工作,以满足其在并网 和孤岛情况下的运行要求。储能系统在并网和孤岛 情况下的应用要求及相应的控制方法,是本平台能 量调度控制策略的核心内容。 2.1 并网情况下的控制策略 在并网情况下,敏感负荷通过配电柜接入微电 网系统,负荷的能量优先由光伏发电系统提供,不 足部分由储能、其他能源、电网提供,储能系统主 要起到能量均衡调节作用。 储能系统在微电网中可以分别或同时发挥备用 电源、平抑间歇性能源的功率波动、削峰填谷或移 峰填谷的作用。 2.1.1 系统功率调节控制策略 在本平台系统中,并网情况下的控制策略是首 先考虑电网故障时的备用能量需求,因此将电池容 量的~%(当前设置为60%)用于备用,当电池存 储的能量低于此设定值时,对电池进行充电;在满 足备用容量需求的前提下,将电池容量的(1一 Ⅳ)%用于平抑光伏的功率波动。 为了满足电池维护的需要,在并网运行的过程 中定期对电池进行满充满放的控制。在并网运行过 程中,优先利用光伏的输出功率,即负荷、电池需 要的能量优先由光伏提供,同时还可以进行逆流的 第1期 刘振国,等:交直流混合微电网平台开发及其控制策略研究 防护控制。 2.1.2功率波动平抑策略 功率波动平抑策略是在微电网能量管理系统的 协调下进行的。以光伏发电系统前n分钟的平均 功率P作为平抑功率波动的控制目标,对储能并 网变流器进行功率的双向实时调节,使光伏、储能 的总输出功率在更大的时问尺度上保持稳定,从而 实现功率波动的平抑控制。 2.2并网一孤岛的转换及孤岛情况下的控制策略 微电网系统在孤岛情况下的控制目标,是通过 光伏、储能系统的协调控制,在保证供电质量的前 提下实现供用电的功率平衡。 2.2.1 并网与孤岛模式的转换 2.2.1.1并网到孤岛的转换策略 储能变流器通过孤岛检测算法,监测孤岛情况 的发生;当检测到电网故障时,立即通知智能配电 柜和监控调度系统;智能配电柜接到孤岛指令后, 迅速断开与电网的连接,并按照孤岛供电预案,保 留或切除其他负荷,保留敏感负荷;在智能配电柜 断开与电网连接的过程中,有可能出现储能、光 伏、风电变流器因过载而脱网的情况,导致“并网 一孤岛”元缝切换失败,此时须按黑启动模式运行; 光伏、风电变流器不参与孤岛检测,在并网到孤岛 的转换过程中也不必采取特别措施。 2.2.1.2孤岛模式稳定运行的控制策略 系统在孤岛运行期间总的控制原则是充分利用 光伏、风电的功率,以延长孤岛运行的时间,因此 需要制定负荷控制策略、储能控制策略、光伏和风 电控制策略。 2.2.1.3孤岛到并网的转换策略 当电网供电恢复时,储能变流器通过检测电网 的电压和频率予以确认,并向微电网能量管理系统 反馈相关信息;微电网能量管理系统按并网模式及 控制策略重启储能系统。 2.2.2孤岛运行模式的控制方法 2.2.2.1 方法一 在孤岛运行模式下,储能系统既是功率调节的 主要执行环节,也是电网电压的控制环节,光伏、 风电模拟系统是功率的输出环节,因此各部分须按 如下要求进行控制:储能系统中储能变流器维持微 电网交流母线电压的稳定;光伏变流器、风电模拟 器以正常模式工作,输出与交流母线电压一致的电 流;输出电流的大小主要由变流器根据发电功率确 定,储能变流器进行功率调节,达到用电负荷平衡。 2.2.2.2 方法二 在孤岛运行模式下,柴油机模拟器既是功率调 节的主要执行环节,也是电网电压的控制环节,光 伏、风电模拟系统、储能电池是功率的输出环节, 因此各部分须按照如下的要求进行控制:柴油模拟 器维持微电网交流母线电压的稳定;光伏变流器、 风电模拟器、储能系统以正常模式工作,输出与交 流母线电压一致的电流;输出电流的大小主要由变 流器根据发电功率确定,储能变流器进行功率调 节,达到用电负荷平衡。 2.3储能变流器的控制策略 在孤岛模式下,如果由储能变流器维持微电网 母线电压、频率稳定,储能变流器三相输出电压幅 值及频率稳定在380 v/5o Hz,输出的功率由负 荷、光伏和风电模拟器的功率共同决定,不需要微 电网能量管理系统下达指令。 在并网情况下,储能变流器起到并网变流器的 作用,采用电流源模式工作。 3平台检测功能 平台具备光伏逆变器、储能逆变器等新能源发 电关键设备和系统的检测功能。 3.1 光伏并网逆变器检测平台 检测平台建设依据IEC 62109-1:2010、IEC 62109.2:2011、IEC 62446:2009和IEC 62l09.1: 2010等国际通用标准以及GB/T 19964--2012{光伏 发电站接入电力系统技术规定》,可以满足光伏电 站验收及逆变器鉴定试验检测业务,同时可为本地 区分布式发电进行检测、认证以及办理入网许 可 。 光伏并网逆变器检测平台如图2所示。 平台可开展以下4个方面的检测试验: a)光伏并网逆变器的电性能试验。包括结构外 观检查、逆变效率、谐波检测、功率因数、直流分 量、电压不平衡、噪声、低电压穿越、方阵绝缘阻 抗监测、残余电流检测、自动开关机、软启动、通 信接口、有功功率控制电压一无功调节以及连续工 作15个试验项目。 b)光伏并网逆变器的保护功能试验。包括电 网电压响应、电网频率异常响应、防孤岛效应检 70 广东电力 第28卷 可编程 交流 电源 一一一删一277V/400V 'V/400Vl关 7 、、n n i柜 电网 ~ 一 高精度功I l l l I防孤岛参 率分析仪{ I数测试仪 [互 亟 ] 图2 光伏并网逆变器检测平台示意图 测、交流侧短路、防反放电保护、极性反接保护直 流侧过载以及直流过压7个试验项目。 c)光伏并网逆变器的安全功能试验。包括绝缘 电阻绝缘、耐压以及外壳防护等级3个试验项目。 d)光伏并网逆变器的环境检测试验。包括低 温启动、高温启动及工作、恒定湿热以及温升4个 试验项目。 3.2储能变流器检测平台 平台建设依据IEEE P2030.3、Q/GDw 676— 2011《储能系统接入电网测试标准》,能够为储能能 量调度设备(储能控制器)提供全功率运行试验环 境,并提供超级电容、锂电池、铅酸电池等直流源 输入,以评价设备本身的功率运行稳定性和可靠 性,并对能量调度算法进行性能检测;能够完成对 锂电池、超级电容等储能介质集成技术的检验和储 能锂电池管理系统的性能评估,提供真实的运行检 测环境,进而保证产品的稳定性和可靠性_1 ”]。 储能变流器(power conversion system,PCS) 实验平台系统构成如图3所示。 可编程 可编程 交流 交J l直 直流 电源 交 直 流 流 负载 防孤岛 配 配 试验检 电 测装置 柜 盒l I盒 电 柜 可编程 直流 电网 信号 l信号 采集 l采集 电源 一 I +- 愿f率分析仪I I —一-一 控制线 l控制线 控制线控制线 圈一c一统 圈 图3储能POS实验平台示意图 由图3可见,平台集成了可编程交流电源、 可编程直流负载等多种设备,能够实现储能PCS 电能计量设备功能和性能的自动检测,满足储能 PCS电站电能计量及逆变上网电能计量等方面的 需要。 平台检测环节如图4所示。 < 亟 圈 DC一直流,direct current的缩写;AC一交流,alternating current的缩写。 图4储能PCS检测示意图 检测平台具备DC/AC、AC/DC单双向变流 器的工作状态模拟功能,集中控制软件可以实现 AC/Dc充电机性能参数检测功能,检测过程可以 按预先编好的程序自动进行,并采集数据自动生成 检测报告,可以实现Dc/Ac并网逆变器防孤岛保 护性能检测功能,检测过程可以按预先设定的试验 步骤,自动调整各设备参数,完成检测流程,并给 出检测报告。 利用该平台可开展储能PCS高级控制策略、 供电逻辑控制的技术研究与验证,进行储能PCS 型式试验、储能系统互补优化控制技术研究,以及 一、二次设备的入网检测等微电网课题技术研究与 检测。 3.3微电网接入配电网验证平台 平台主要特点在于微电网交流母线可以模拟实 际配电线路,通过线路阻抗模拟器可以模拟1 km 的配电线路,在1 km配电线路上实现不同节点的 接地故障模拟。 此外,平台可根据需求接入不同容量的新能源 发电系统,根据线路阻抗模拟器的接线步长,模拟 接人配电网的不同节点处,研究和验证不同容量的 分布式发电系统与配电网接入点的关系,开展配电 线路渗透率的研究与验证等。 第1期 刘振国,等:交直流混合微电网平台开发及其控制策略研究 71 4结束语 交直流混合微电网平台建设,可进行交直流 混合组网微电网控制策略以及光伏发电、风力发 电等新能源并网关键技术的应用研究,为多能互 补、多微电网互联,以及开展DG并网系统对配 电网影响的研究提供完整的实验平台。 通过对可再生能源、分布式并网系统的研 究,可以掌握DG中发电系统的运行技术、保护 技术、监控技术、调度技术、并网一孤岛切换技 术和大电网与微电网互动性技术等,为未来包括 光伏发电在内的大量可再生能源分布式并网提供 技术支撑l1 。 参考文献: Eli梁才浩,段献忠.分布式发电及其对电力系统的影响EJ].电力 系统自动化,2001,25(6):53—56. 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