典型微網系統分析

典型微網系統分析13Contents問題的提出今后的工作LOGOStudysmartmicrogridinthecontextoffollowsLOGO歐洲典型微網系統作為提高電網供電可靠性的重要實現方式，微網的相關研究近年來受到了歐盟成員國的的普遍重視.以“能源、環境和可持續開展〞為指導思想的歐盟第五研究框架〔1998-2002〕和第六研究框架〔2002-2006〕，分別資助了“微網：大規模分布式電源接入低壓電網研究〞和“多微網結構與控制〞工程，對分布式電源控制策略和上層調度管理方面展開相關研究。2006年4月，歐盟發布了“智能電網—歐洲未來電力開展戰略及前景〞綠皮書，闡述了智能電網的概念，提出了歐盟電力開展的遠景規劃：建立以集中式電站和微網為主導的供電可靠，少環境污染，高經濟效益的智能電網形式，并將其作為歐盟第七研究框架〔2007-2021〕的核心議題之一。1.1NTUA微網雅典國立大學是歐盟微網工程的領導者，其建立的NTUA微網是歐盟所倡導的一種結構[55]，如圖1-1所示.微電網能量管理多目標優化LOGO圖1.1NTUA微網結構LOGOLOGO圖1.2Demotec微網結構LOGO該實驗室微網為三相400V、50Hz系統，通過175kVA和400kVA的變壓器并入大電網。微網中存在80kVA和15kVA的電網模擬，既包括傳統的發電裝置〔容量分別為20kVA和30kVA的柴油發電機組〕，也包括分布式能源〔光伏、風力發電等〕。負荷包括電燈、冰箱等常用負荷以及電機等負荷。Demotec微網結構上的一個顯著特點，就是內部包括幾個小型微網系統〔單相光伏-蓄電池系統、三相光伏-蓄電池-柴油機系統〕。通過上層控制器調度，能夠實現整個微網的重構，有利于微網在故障情況下的快速恢復，保障電能質量和提高供電可靠性，并可以優化微網結構，使微網發揮最大效率，有利于微網的平安穩定運行。Demotec微網可以實現聯網和孤島模式無縫切換，并且聯網運行時，當分布式電源出力大于負載消耗時，可以向電網倒送電能。Demotec微網實驗室對歐盟微網理論的開展起到了巨大的推動作用。Demotec微網可以進行以逆變器為主導的微網孤島運行測試，采用下垂控制的逆變器并聯運行測試，電阻負載、電感負載、電機負載、不平衡負載突變對微網暫態影響測試，分布式電源輸出波動對電網穩定性影響測試等多項實驗。1.3.ARMINES微網ARMINES微網位于法國巴黎礦業學院的能源研究中心，為單相230V、50Hz微網，如圖1-3所示。

LOGO圖1.3ARMINES

微網結構LOGO系統包括光伏〔3.1kW〕、燃料電池〔1.2kW〕、柴油機〔3.2kW〕等電源，儲能裝置采用蓄電池〔48V，18.7kWh〕。負荷包括4個可變電阻負載、非線性負載、感性負載、容性負載、電機負載等多種類型，可聯網和孤島運行。可以通過計算機對斷路器的控制，決定分布式電源和負荷是否并入微網交流母線，并調節接入負荷的大小。該微網系統包括一個基于AGILENTVEE7和Matlab開發的上層調度管理系統，可以進行系統數據采集和發布指令，對微網系統進行實時調度管理。1.4.Labein微網Labein微網位于西班牙巴斯克地區的畢爾巴鄂市，是歐盟“多微網〞工程的示范平臺之一，通過兩臺1250kVA的變壓器接入30kV網絡，其結構如圖1-4所示LOGO圖1.4Labein

微網結構LOGOLOGO圖1.5CESI

微網結構LOGO歐盟微網示范工程2.1Kythnos微網Kythnos微網是由德國SMA公司與希臘雅典國立大學通訊與信息研究〔ICCS/NTUA〕合作，于20世紀80年代初于希臘愛琴海基克拉迪群島建立的一個島式電網，目前只能孤島運行，并不是嚴格意義上的微網。但是，該微網對歐盟微網理論思想的形成和開展有重大影響，其結構如圖2-1所示。LOGO圖2.1Kythnos

微網結構LOGO根據研究的目的，Kythnos微網可以配置為單相或三相系統。基于歐盟多微網工程的研究需要，2007年6月，系統配置為三相400V，50Hz系統，用于微網運行、多主控制方法、提高系統供電可靠性等方面的研究。目前，Kythnos微網包含兩個子系統，其中三相系統包括光伏、蓄電池和柴油機，用于對本地負荷供電。單相系統包括2kW的光伏和32kWh的蓄電池，用于保障整個微網系統通訊設施的電力供給。進一步方案參加5kW的風機，以減小柴油消耗及增加能量供給的多樣性。Kythnos微網目前僅有孤島這一運行模式，當發電量小于用電需求時，將切掉局部非重要負荷，反之，智能負荷將消耗掉多余的電力。2.2Continuon微網Continuon微網為荷蘭的首個微網工程，于2006年8月建成，位于荷蘭的Zutphen度假村，是一個民用的微網示范工程，見圖2-2。LOGO圖2.2Continuon

微網結構LOGO系統為三相400V，50Hz系統，通過一臺400kVA的變壓器并入20kV網絡，并允許向電網反送電能。系統主要采用光伏發電方式，額定容量335kW，通過四條饋線給200戶的別墅供電，峰值負荷150kW。Continuon微網主要研究聯網和孤島模式之間的自動切換問題，要求當大電網故障時，能自動切換到孤島運行模式并能維持穩定運行24小時，具有黑啟動能力。系統通過上層控制器實現對蓄電池的智能充放電管理，維持微網穩定運行。2.3EDP微網如圖2-8所示，EDP微網為三相，400V、50Hz系統，主要采用1臺80kW的capstone燃氣輪機作為分布式電源，通過一臺160kVA變壓器連接至10kV中壓網絡，可孤島和聯網運行。EDP微網為歐盟多微網工程的示范平臺之一，其聯網和孤島運行模式分為兩種不同的情況：①微型燃氣輪機僅供給本地負荷，多余的電力可以倒送至大電網；②微型燃氣輪機除供給本地負荷之外，還可以供給其它家用、商用、工業用負荷。EDP微網主要針對這兩種不同的聯網和孤島運行模式，對微型燃氣輪機的運行特性、聯網和孤島模式之間的切換、切負荷控制策略展開研究。LOGO圖2.3EDP

微網結構LOGO2.4MVV

微網MVV微網現在仍然是在建設中的一個微網，位于德國的曼海姆市，見圖2-4。圖2.4MVV

微網結構LOGOLOGO歐盟微網實驗室和示范平臺目前絕大多數采用圖2-5所示的微網結構。其中，光伏、燃料電池和微型燃氣輪機通過電力電子接口連接到微網，中心儲能單元被安裝在交流母線側。微網系統采用分層控制策略，底層控制包括分布式電源控制和負荷控制。上層控制負責底層分布式電源和儲能裝置的參數設置和管理，維持微網的最優運行，并且允許微網作為一個整體向大電網供電。圖2.3歐盟微網結構LOGOLOGOCERTS

微網示范工程3.1Wisconsin實驗室微網Wisconsin微網實驗室，是CERTS為驗證其微網概念，在Wisconsin大學Madison分校建立的實驗室微網，其結構如圖3-1所示。

圖3.1Wisconsin微網結構LOGOLOGO圖3.2CERTS微網示范平臺LOGO圖3.3NREL

微網結構LOGOLOGO圖3.4DETL微網結構LOGO3.5DUIT微網DOE、加州能源署〔CaliforniaEnergyCommission,CEC〕和太平洋燃氣和電力公司〔PacificGasandElectricCompany,PG&E〕合作，于加利福尼亞的SanRamon開展了分布式電源綜合測試工程〔DistributedUtilityIntegrationTest，DUIT〕。該微網為美國的首個商用微網工程，其系統結構如圖2-15所示。主要用于多分布式電源的高滲透率對配電網絡影響的研究。DUIT微網研究的核心問題在于分析不同種類和數量的分布式電源，在不同情況下對配電網絡的影響。同時，微網的電壓和頻率調整，含不同負荷〔非線性、旋轉負荷、阻感負荷等〕、不同分布式電源的孤島運行，電能質量監測和分析，微網的繼電保護等，也是DUIT微網所要研究的問題。LOGO圖3.4DUIT

微網結構LOGOLOGO圖3.7GE

微網結構LOGOLOGO圖3.8MADriver微網結構LOGO3.9Palmdale微網鑒于儲能裝置在微網中的重要性，由CEC能源公共事業部〔PublicInterestEnergyResearch，PIER〕資助的“EnergystorageenhancedMicrogridnetwork〞研究工程，建立了Palmdale微網[76]，用于超級電容器對電能質量影響的研究，如圖3-9所示。圖3.9Palmdale微網結構LOGO未來建設規劃除了上述的微網工程之外，美國方案建立九個微網工程，見表3-1美國的微網建設;提倡各分布式電源應具有即插即用能力，儲能裝置連接在直流側與分布式電源一起作為一個整體通過電力電子接口連接到微網，微網通過公共連接點PCC接入公共電網，到目前為止，不允許微網向大電網供電。微網中不存在主控制器，各分布式電源以對等的形式接入微網，并通過本地下垂控制策略維持微網功率平衡，在可靠性和靈活性方面更具優勢，但此種結構微網的穩定性問題值得關注.LOGO名稱

目的系統組成CityofFortCollins能源效率和控制光伏，燃氣輪機，熱存儲等ATKLaunchDG

自主控制光伏，風機，壓縮空氣儲能ChevronUSA

儲能和新能源儲能，光伏，燃料電池IllinoisInstitute

能量多樣化供應燃氣輪機，光伏，儲能AlleghenyPower

超級電網光伏，燃氣輪機，儲能ConsolidatedEdison

上層調度管理風機，柴油機，燃料電池SanDiegoG&E

沿海微網光伏，儲能，需求側管理UniversityofHawaii

錯峰汽輪機，風機，需求側管理UniversityofNevada能源效率和控制光伏，蓄電池，需求側管理LOGO4.日本典型微網系統日本自然資源匱乏，石油、煤炭及天然氣等主要能源資源蘊藏量均較低，這也迫使日本政府大力推進新能源開發利用，并在微網研究領域居于領先地位。日本沒有明確給出微網定義，但是在開展微網示范平臺方面做出了重要奉獻。為推動微網示范平臺建設，日本專門成立了新能源綜合開發機構(NewEnergyandIndustrialTechnologyDevelopmentOrganization,NEDO)統一協調國內高校、企業與國家重點實驗室對新能源及其應用的研究。NEDO的微網開展戰略，主要集中于兩個領域。4.1可再生能源區域電網方案NEDO可再生能源區域電網方案〔2003-2007〕，是其成立以來最著名的方案之一，其目的是建立含多種分布式能源的區域供電系統，并防止對大電網產生不良影響，包括三個示范工程。Archi微網該微網是為2005年Aichi世博會建立的以燃料電池、燃氣輪機、光伏為分布式電源的微網，可以為展館提供5%的電力供給，如圖4-1所示。LOGO圖4.1Aichi微網結構LOGOArchi微網的一個典型特征是所有分布式電源均通過逆變器并入交流母線，NaS電池作為儲能裝置，在保證微網的供需平衡方面發揮了巨大作用。Aichi微網展示工程主要研究分布式電源輸出功率對負荷功率變化的跟蹤能力。從2004年12月至2005年9月的示范運行期間，總發電3716MWh。2005年9月，Archi微網進行了孤島運行實驗，實驗結果說明，由于NaS電池的存在，Aichi微網可以穩定運行于孤島模式。2005年世博會之后，Archi微網遷移至Tokoname市，并于2006年8月重啟運行。4.1.2Kyoto微網見圖4-2，Kyoto微網安裝了4臺100kW的內燃機、250kW的燃料電池以及100kW的鉛酸蓄電池。另外，在偏遠地區安裝了2組光伏電站以及50kW的小型風機。通過ISDN和ADSL通訊線路，對系統進行遠程監控，實現對微網的能量管理，控制微網的供需平衡，監測微網的電能質量〔電壓波動、閃變、頻率波動等〕。LOGO圖4.2Kyoto

微網結構LOGOHachinohe微網分布式電源主要采用以沼氣為燃料的內燃機，通過5.4km的6.6kV架空線路，給6個終端用戶供電[81]，見圖4-3。Hachinohe微網通過單點接入電網，不允許反向潮流，并且與電網之間的功率交換維持恒定。孤島運行時，內燃機作為頻率支持單元以維持微網的穩定運行。Hachinohe微網采用光纖通訊，通過上層中央控制器對微網進行能量調度管理，內容包括：a〕每周供需方案〔控制目的為計及環境因素、燃料本錢等情況下，最小化購電本錢，最大化微網經濟效益〕；b〕每3分鐘一次的經濟調度〔根據預測需求和實際需求之差對分布式發電出力進行調整〕；c〕1s級的潮流控制〔防止負載波動和分布式電源波動對電網產生影響〕；d〕10ms的頻率控制〔用于保障孤島運行的電壓和頻率恒定，孤島運行時，蓄電池首先作為電壓頻率控制單元，逐步過渡到由內燃機提供電壓和頻率支持〕；

LOGO圖4.3Hachinohe

微網結構LOGO4.2新型配電網絡方案新型配電網絡方案〔2004-2007〕的目的是開展含有分布式電源和無功補償、動態電壓調節裝置的的新型配電網絡，包括兩個子方案，其中一個為Akagi示范工程，主要研究無功補償裝置對配電網絡的影響；另一個就是知名的Sendai微網示范工程，見圖2-22。Sendai微網的典型特征，就是將供電質量分為A、B1、B2、B3四個等級。根據不同級別的用戶需求，通過對微網的調度管理，可以實現向各級負荷提供不同等級電力供給的目的。Sendai微網于2006年進行了虛擬負荷運行測試，并于2007年8月投入正式示范運行。LOGO圖4.4Sendai微網結構LOGO4.3其它微網示范工程4.3.1Shimizu微網示范工程清水建設〔ShimizuInstituteofTechnology〕在其實驗室規模微網的根底上，建立了圖4-5所示的微網示范平臺，并在此根底上開發了負荷跟蹤、優化調度、負荷預測、熱電聯產四套控制軟件。清水建設微網示范工程要求控制微網與公共電網連接節點處的功率恒定。圖4.5Shimizu微網結構LOGO4.3.2Tokyogas微網東京燃氣公司在橫濱建立的微網示范系統，見圖4-6.其示范目的在于保證微網電力供需平衡，實現本地電壓控制、高質量電能供給，減少溫室氣體排放等。日本的微網示范工程，一般通過上層能量管理系統，對各分布式電源和儲能裝置進行調度管理，保證微網的暫態功率平衡，各分布式電源一般不具有即插即用能力。同時，為了防止微網運行對大電網的電能質量產生影響，一般要求與大電網連接處的功率恒定。LOGO圖4.6Tokyogas微網結構LOGO5.其它地區典型微網系統5.1加拿大典型微網實驗系統加拿大微網研究主要集中于中壓網絡，表達在以下三個領域。5.1.1偏遠地區微網a.加拿大幅員遼闊，島嶼眾多，其北部存在幾百個柴油機為主的島式電網，消耗昂貴的燃油。因此，對其進行改造，參加分布式電源，開發分布式電源容量優化軟件，并對微網進行上層調度管理，使微網運行到達經濟最優，是加拿大一直致力于解決的問題。b.其代表包括Nemiah島式電網的光伏改造和Ramea島式電網的風機改造，改造后的結構如圖5-1和5-2所示.LOGO圖5.2Ramea微網結構圖5.1Nemiah微網結構LOGO方案孤島微網方案孤島微網研究的目的主要是利用外部控制，實現有方案孤島運行，研究孤島運行對供電可靠性的影響，并對緊急停電狀況下孤島運行穩定性、電壓和頻率波動及其經濟效益進行分析。典型代表為HydroQuebec及HydroBostonBar微網，如圖5-3和5-4所示。圖5.3HydroQuebec

微網結構LOGO圖5.4HydroBostonBar微網結構LOGO自主控制微網主要對含有大量不同類型分布式電源的微網展開研究，目的是實現微網聯網和孤島模式之間的無縫切換，分析分布式電源大量滲入對微網電壓和頻率調整的影響。通過對實時采集的發電量和負荷數據進行分析，研究季節變化對微網運行的影響[87]，典型結構如圖5-5所示。圖5.4Utility微網結構LOGO圖6.1Bulyansungwe微網結構LOGOLOGOLOGO下一步工作LOGO參考文獻[58]E.SANCHEZ,J.SANTIAGO,J.OYARZABALetal,Tech.Rep.ReportonfieldtestsforislandedmodePartI–Labein’sμGriddescription,Jan.2007注釋：西班牙巴斯克地區的畢爾巴鄂市，E.SANCHEZ,J.SANTIAGO,J.OYARZABALetal,.研究方向：Labein微網[59]CESIRICERCADERTestFacility,[Online].Available::///index.Php?page=kythnos&id=6[60]M.VANDENBERGH,R.GEIPEL,M.LANDAUetal,PerformanceevaluationoftheGaidoroumandramini-gridwithdistributedPVgenerators,4thEuropeanPV-HybridandMini-GridConference,Athens,Greece,May2021.注釋：德國SMA公司與希臘雅典國立大學通訊與信息研究〔ICCS/NTUA〕合作，M.VANDENBERGH,R.GEIPEL,M.LANDAUetal,.研究方向：Kythnos微網[61]S.COBBEN,Bronsbergen:ThefirstMicrogridintheNetherlands,Kythnos2021SymposiumonMicrogrids,KythnosIsland,Greece,June2021.注釋：荷蘭的Zutphen度假村，S.COBBEN,Bronsbergenetal,.研究方向：Continuon微網下一步工作LOGO下一步工作LOGO參考文獻[68]P.PIAGI,R.H.LASSETER.ControlanddesignofMicroGridcomponentspdf.注釋：在Wisconsin大學Madison分校P.PIAGI,R.H.LASSETER.研究方向：Wisconsin微網[69]DAVIDK.NICHOLS,JOHNSTEVENS,ROBERTLASSETER,ValidationoftheCERTSMicroGridconceptTheCEC/CERTSMicroGridtestbed,IEEEPowerEngSocGenMeet(2006),pp:1–3.注釋：在Wisconsin大學Madison分校DAVIDK.NICHOLS,JOHNSTEVENS,ROBERTLASSETER.研究方向：CERTS微網示范平臺[70]B.KROPOSKI,interconnectionTestingandApplications,Presentedatthe2004PowerEngineeringSocietyGeneralMeetingSpecialTechnicalSession注釋：美國國家可再生能源實驗室〔NationalRenewableEnergyLaboratory，NREL〕B.KROPOSKI.研究方向：NREL微網下一步工作LOGO參考文獻[71]C.WHITAKER,J.NEWMILLER,M.ROPP,B.NORRIS,RenewableSystemsInterconnectionStudy:TestandDemonstrationProgramDefinition,Tech.Rep.SANDIA2021-0948P,Feb.2021.注釋：Sandia國家實驗室C.WHITAKER,J.NEWMILLER,M.ROPP,B.NORRIS研究方向：DistributedEnergyTechnologiesLaboratory，DETL微網[72]B.KROPOSKI,DUIT:DistributedUtilityIntegrationTest,CA,Tech.Rep.NREL/SR-560-34839,2003.注釋：DistributedUtilityIntegrationTest，DUIT；B.KROPOSKI.研究方向：DUIT微網[73]R.FIRESTONE,DistributedEnergyResourcesCustomerAdoptionModelTechnologyData,Tech.Rep.January,2004注釋：美國橡樹嶺國家實驗室；R.FIRESTONE.研究方向：美國橡樹嶺國家實驗室的CHP系統下一步工作LOGO參考文獻[74]S.BOSE,MicroGridDesign,DevelopmentandDemonstration,FY06AnnualProgramandPeerReviewMeeting,SanRamon,May,2006注釋：S.BOSE,研究方向：GE微網示范平臺[75]NorthernPowerSystems,UpdateonMadRiverMicroGridandRelatedActivities,CERTSMicroGridSymposium,June,2005[79]S.MOROZUMI,Micro-griddemonstrationprojectsinJapan,IEEEPowerConversionConference,April,2007:635-642.注釋：S.MOROZUMI,研究方向：NEDO可再生能源區域電網方案[80]H.FUKUDA,OverviewoftheMicro-GridrelatedProjectinNEDO,InternationalConferenceonRenewableEnergyinAsia:AChallengeforMicroGridConcept,Aug.2021.注釋：H.FUKUDA,研究方向：NEDO可再生能源區域電網方案下一步工作LOGO參考文獻[81]Y.KOJIMA,H.MAEJIMA,ADemonstrationProjectinHachinohe:MicrogridwithPrivateDistributionLine,IEEEInternationalConferenceonSystemofSystemsEngineering,2007注釋：Y.KOJIMA,H.MAEJIMA,研究方向：Hachinohe微網[82]K.HIROSE,AnupdateonSendaiDemonstrationofMultiplePowerQualitySuppl