微网标准和技术发展

第37卷第9期2009年9

月

Vo.l37No.9

Sept.2009微网标准和技术发展

薛迎成,邰能灵,刘立群,杨兴武,金楠,熊宁

(1.上海交通大学电气工程系,上海200030;2.盐城工学院电气系,江苏盐城224001)

摘要:集成分布式电源和负荷的/微网0技术,为改善分布式电源应用中的电网电压和电能质量提供了途径,介绍了微电网的概念和特点、微网标准和技术发展概况,重点介绍了微网标准IEEE P1547.4,并讨论了现阶段微电网研究中的关键和研究方向。

关键词:微网;有意孤岛;分布式能源资源

基金项目:上海市曙光基金项目(07sg11)

作者简介:薛迎成(19692),男,博士,主要从事新能源、分源式发电、继电保护研究工作。

中图分类号:T M727文献标志码:B文章编号:100129529(2009)0921579205

D evelopm en t of m icrogr id standard s and technology

XU E Y ing2cheng1,2,TAI N eng2ling1,LI U Li2q un1,Y A NG X i ng2wu1,JIN Nan1,XIONG N ing1

(1.Dept.of E lectr i ca l Engi neering,Shang ha i Jiaoto ngUn i v.,Shangha i200030,Ch i na;

2.Dept.of E l ec trica l Engi neeri ng,Y ancheng Institute of Technol ogy,Y ancheng224001,Ch i na)

Ab stra ct:The m i crogr i d technologywh ich integrated with distr i buted po wer so u rces and loads provides an approach to i m provi ng the po wer qua lity duri ng appli ca tio n of distr i buted po wer so urces.The concept and features of the m icrogri d were presented,as well as t he deve l op m en t of its standa rds and technol ogy.The IEEE P1547standard was illu m i na t2 ed,and key i ssues o n m i crogr i d research and the research directi on i n the current stage were d i scussed.

K ey w or ds:m icrogr i d;i n tentio na l islandi ng;d istri buted energy resource

微网是一些负载和微电源的组合,是一个可控的电力系统单元,微网为分布式电源(D G、DR)应用提出了新的方向,可作为一个大小可以改变的智能负载,能够快速响应输电系统的要求,也可以满足用户的一些特殊需求,如增加可靠性,降低馈线损耗,保持本地电压稳定,提高发热使用效率,电压校正,提供不间断电源服务等[1]。

微网也被称为分布式能源孤岛系统[224],其特点为:有D R和负荷;有能力与地区电网并网或分离;包括本地电力系统、或部分地区电力系统;有意的或计划的孤岛系统,孤岛系统可以是本地孤岛系统或地区孤岛系统。

微网正常运行时,通过变压器与主电网连接,主电网通过公共联接点(PCC)与微电网进行能量交换,双方互为备用,当微网从公共点切离后,它本身至少可给其中一部分负荷提供电能,运行于孤岛状态(自动状态)[224]。DR可以在孤岛运行和并网运行两者间平滑切换(孤岛检查,瞬时同步化),从而充分利用微网中的电源[526]。

按照范围、大小和所有权的不同,分布式能源孤岛系统(微网)具有多种形式。可以分为单元孤岛、分支路孤岛、支路孤岛、变电站总线孤岛、变电站孤岛和邻近支路孤岛[7211]。如图1

所示。

图1DR孤岛系统

1微网标准

比较早的分布式电源标准是5商业中紧急备用电力系统推荐标准6(I EEE44621995),讲述紧急备用分布式电源如何安装和应用,用户可以采用分布式电源给本地负荷提供动力,这种发电机主要用途是为紧急备用提高可靠性,发电机不并网。

分布式电源并网标准6 (I EEE1547),I EEE1547实际上是分布式电源(DG)一系列互连标准中的第一项标准。该标准规定了10MVA以下DG互连的基本要求,涉及所有有关D G互连的主要问题,包括电能质量、系统可靠性、系统保护、通讯、安全标准、计量等[7]。

I EEE1547并不覆盖所有DR互联范围,也有一些限制例如:规定仅适用于基于逆变器DR,总容量小于10MVA,D R安装于60H z配电系统初次级;没有规定D R保护;不涉及电网规划、设计和经营;不涉及商业或关税问题;没有考虑负荷在DR和电网自动转移方案,DR并行的时间少于100ms等。为了补充上述缺陷,I EEE1547标准已经扩展到成系列标准,包括:

2005年出版完成I E EE P1547.1:5DG与电力系统互连一致性测试程序6[8],以确认D G是否适合与电力系统联网。

2007年出版的I E EE P1547.2:5DG与电力系统互连应用指南草案6[9]。提供了互连应用技术背景和应用的细节,以支持对I E EE1547的理解。

2007年批准了I EEE1547.3:5D G与电力系统互连的监测,信息交流和控制指南6[10]。

允许有意识地将一部分配电网作孤岛运行,可以提高可靠性,为此,I EEE P1547标准中定义了有计划孤岛(即微网)和无计划孤岛,I EE1547定义无计划孤岛为:分布式电源检测孤岛条件,当电网失电时,要求在2s内关闭内部电源。2003 I EEE制订了I EE1547.4:5分布式孤岛电力系统的设计、操作和集成指南草案6[11]。介绍了微网中有计划孤岛的概念,一般也叫做/D R孤岛系统0。其最新版为2008年7月的修订版。

I EEE1547.4涵盖规划和经营微网主要考虑因素。包括:电压的影响,频率,电能质量,保护计划和修改,监测,信息交流和控制,客户负载要求,了解D R特点,确定稳态和瞬态条件,发电机、储能设备、需求响应、切负荷、冷负荷重起、逆变器额外的功能之间的相互作用,该指南还讨论了在大多数并网和岛屿模式情况下应遵循策略。

I EEE P1547.4提出4种工作模式。

(1)正常并联运行

在正常同地区电力系统EPS并联,DR运行符合I E EE154722003。在I EEE1547.2应用指南概述了用于连接各种DR的并联运行技术。如果DR不与地区

可能不要求满足这些标准。

并联后的D R功率分配将取决于电力系统的限制,发电机控制和当地运营商策略。发电机由地区EPS经营者或DR所有者控制。

(2)向孤岛过渡模式

过渡到岛屿模式可以是事先排定或不定期的事件。如果计划岛屿的时间和期限是有关各方同意,这种切换就是有意事件。如果是主电网失电引起自动防护设备启动,设备故障等原因触发的切换是无意事件。

(3)孤岛模式

在岛屿模式,微网必须能够满足负荷有功和无功功率需求,提供稳定的频率和ANSI C84.1规定的电压。微网电压调节设备可能需要调节,以满足有意孤岛的电压要求。

一旦进入孤岛模式,发电和负荷管理成为关键。可能需要发电机改变DG输出与负载匹配。应该有足够的备用容量,备用容量是负荷功率因数,负荷大小,负荷性质,负荷所需的可靠性,可使用的发电机的函数。可使用各种技术(例如,负荷管理和切负荷),保持发电机和负载的功率平衡。如果负荷大于DR的容量,可能需要断开一些负载或通过其他手段降低负荷。微网应当有适当的无功负荷,防止电压超出规定范围以外。必须具有足够的电压稳定和动态无功能力。举例来说,如果有一个电动机启动,需要较大的无功功率,应有足够的无功功率,使系统恢复稳定。

在负荷的突变、D R停电和微网内部故障时,微网也应保持暂态稳定,清除岛内所有的故障。保护装置应保持协调,可以通过自适应继电器改变运行和保护设置。这些设置更改、检查,可以采用通讯方式。

(4)重新联网模式

在电网干扰消失后,微网与电力系统重新并网前,应当监测并网条件的存在。监测电网电压是否与主电网同步。电压频率范围是否符合相关标准。在重新并网之前,还应当验证系统接地、中立系统完整性。

在地区电力系统稳态电压和频率都恢复到上述范围内以后,互连系统应包括一个可调延迟时间(或固定延迟5m in),以确保地区EPS稳定。

其他相关标准有I EEE P1547.55大于10

MVA DG与输电电网互连技术准则草案6[14]。

I EEE P1547.6:5D G与电力系统配电二级网络互联建议草案6。详情可以从SCC21网站了解[15]。

2微网技术

微网技术由若干基本技术组成。

(1)分布式发电及存储技术

微网中的微电源DER(DG)可分为传统旋转电机和通过功率电子接口与电网联接的电源两类。后者也有两种:一种是直流电源,如燃料电池、光伏、电池存储电元;另一类为高频交流电源,如微涡轮机。必须整流或通过电压逆变器转换成可接受的交流[14]。

微网中的DER也可分为不可控、部分可控和全控三种,并可冷、热、电三联供。有的配有储能装置,通过双向交直交转换器与微网相联,使用电力电子装置进行能量调节。可控DER的输出功率可以由中央监控单元提供设定值来控制。

不同的DER响应速度可能不一,微轮机和燃料电池响应速度较慢和缺惯性,可能出现负载跟随问题,其原动机输出功率的时间常数为10~ 200s,这对大多数负载来说太慢了,因此微网在孤岛运行时,必须提供某种形式的能量存储,以保证负荷变化的平衡[15,16]。

用于微网的能源储存单元有电池、超级电容器和飞轮。电池是直流电源系统,需要电力电子转换成交流电源。许多与电网连接电池具有双向转换器,允许能源被储存,或从电池输出。超级电容器是电气能源存储设备,与电化学能源储存相比,提供高功率密度和极高的循环能力。飞轮系统由于其快速反应,可以作为解决关键负荷供电中断的一种可行的手段。

在微网中能量存储单元有3方面作用。首先,使DG运行稳定,如在负荷波动情况下,使输出功率为常数。其次,它可以对间隙性能源(如太阳能,风能,水电来源)提供补偿。第三,带能量存储单元的D G可以作为一个可分配单位。此外,能源储存有利于电力系统削峰的电力需求,抵御瞬间功率干扰,提供备用发电机和停电穿透能力,并为以后的能量需求提供备用[11]。

微网的能量存储单元(电池或超级电容)可以安装在每个微电源的总线,也可以直接将交流存储设备联到电网上(电池、飞轮机),当然如果微网不要求在孤岛运行,能量不平衡在并网时可由电网来提供,微网内部就不需要存储单元了。

(2)智能互连开关

互连开关是微网与配电系统之间的连接点,它是微网应用技术的一个关键,集成各种电力和开关功能(如电源开关,保护继电保护,计量,通讯功能),由并网接口处的继电器、硬件、其他元件组成,能够满足I EE1547、UL1741并网标准,可以避免大的电压频率波动,实现并网和孤岛之间无缝转换和协调运行,最大可能减少用户工作和场地申请处理过程,以及减少费用。

AS CO电力技术公司的AS CO7000负荷软开关,可以提供一个安全可靠的发电机、本地负载并网功能,ASCO负荷软开关能够实现无缝转换,在发电机和电网之间分配负荷,能够满足I EE1547并网标准。

(3)控制技术

微网孤岛运行的基本要求是微电源(基于逆变器或旋转电机)电压和频率,必须处于稳定的允许范围内。微电网控制[17]应当保证:任一微电源的接入不对系统造成影响;自主选择运行点,微电网控制应该做到能够基于本地信息对电网中的事件做出自主反应,例如,对于电压跌落、故障、停电等,发电机应当利用本地信息自动转到独立运行方式,而不是像传统方式中由电网调度统一协调;平滑地与电网并列、分离;对有功、无功进行独立控制;具有校正电压跌落和系统不平衡的能力。

微网孤岛运行的3个可选择的控制战略:

1)集中控制[18,19]由中央控制系统发布命令,整个系统实际由中央系统和分设备间的主从配置控制,方法有主从站控制和tie li n e控制两种。

2)分布式控制[18229]各设备独立完成控制,智能设备相互交流,并根据检测到的本地信息和开展必要的行动。控制方法为基于多代理技术的微电网控制。

3)自动控制由独立控制完成,不需要与其他设备通信。

由于发电设备种类繁多(单纯供电/热电联供/冷热电联供等)、运行模式多样(供热为主发电为辅/供电为主供热为辅)、微网中分布式电源的协调控制非常复杂。大多数微电网现行控制采用分布式控制和自动控制,属于自动控制的方法有纯下垂、反下垂[30,31]。

15822009,37(

9)

主从站控制方法、第二阶段负载频率控制和多代理控制方法能保证电压和频率不会偏移正常值太多,这样就获得较高的电能质量。适合于要求电能质量的敏感性负荷。在纯下垂、反下垂、tieli n e 控制中,下垂曲线的斜度,发电机和负载的功率交换大小决定微网的频率和电压。频率和电压波动幅值取决负载频率和大小的波动。频率和负荷摆动将导致频率超出上下限。如果所带负荷能承受波动,这种控制方法是可以采用的。

对于复杂多微网系统,分布式控制策略和多代理控制策略结合是最佳的选择。

(4)微网保护技术

微网一旦形成,就要使负载、线路、DG 得到保护,此外,DG 还应具有孤岛检测功能。基于具有逆变器的D G 短路电流不会太大,现存的保护设备的定值难以满足微网孤岛保护的要求,并网时可能误动。保护装置应具有可能发生的不正常情况下的相应操作能力,还要有足够的故障协调能力。为防止DG 误切除,可能需要调整孤岛保护方法,尤其是保护设定比较灵敏时。

为加强可靠性,要求微网中每个元件具有点到点和即插即用的功能,这就会对电网保护产生影响,点到点模式中,每个被保护元件地位相同,而即插即用可以配置在电网任何一处,因而微电

网保护就成了每个微电源的一部分[18,19]

。

目前,几乎所有的技术标准都要求DG 不应当破坏自动重合闸、不改变原有电力系统保护的协调性,DG 必须满足反孤岛保护的要求。但随着DG 容量的比重越来越大,以及允许DG 孤岛运行,保护原理和动作逻辑均变得异常复杂,在这种情况下,仍采用现有的防孤岛保护就会带来一些问题,如电压降低时,大量DG 的退出将加大功率缺额,使情况进一步恶化

[42]

。

3 微网技术的研究方向

作为大电网的有效补充与分布式能源的有效利用形式,微电网的发展潜力十分巨大,中国微电网的发展尚处在起步阶段,微电网的研究和发展中,以下几个方面将得到更多重视。

(1)高渗透率下微网与大电网相互作用机理研究 微网一般接入中压或者低压配电系统,含微网的中压或低压配电系统在结构和运行参数等

方面与高压电力系统存在很大的差异,其稳定性分析方法可能截然不同。

(2)含微网新型配电系统的规划 含微网的配电系统的规划工作十分复杂,不同的投资主体直接导致了微网设备类型、容量、安装地点、以及投入时间的不确定,且一些可再生能源呈现的间歇式特点,使得电力负荷预测的难度显著增高。

(3)需要建立适合微网特点的网络设计和运行的基础理论 使之满足由于微电网的并、离网运行方式和储能单元的存在,造成微电网存在内部能量的多向、多路径流动与传输的估算。

(4)微网及含微网配电系统的保护研究 微网系统既要能并网又要能脱网独立运行,需要研究各种运行模式下复杂的保护与控制问题。

(5)微网综合仿真与能量优化管理方法研究 为适应微电网内部组成元件的时间常数差异很大的特点,需要建立多参量复杂系统的建模、仿真与优化方法,以构建兼容微网分析的配电系统数字和半实物仿真实验平台。

(6)建立大电网与微网(独立电力公司)的新型经济关系体系 需妥善研究制定微网自主发电相应行业规范、法律法规,研究微网的出现对电力市场的影响。

4 结论

微网可以为终端用户提供更好的可靠性和更好的质量,微网也可以使本地电力公司受益,它可以为当地电力公司提供可控的负载,可以在维修系统同时不影响客户的负荷。减轻(延长)配电网更新换代,采用I EE1547.4标准,指导分布式电源孤岛运行,能够消除某些特殊操作要求产生的技术阻碍。

微电网的出现将从根本上改变传统的应对负荷增长的方式,其在降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性等具有巨大潜力。微电网的理论和实验研究已经在世界范围内取得了一定成果,但是在如何实现微电网控制保护、建立大电网与微网(独立电力公司)的新型经济关系体系等方面仍存在诸多问题,有待于进一步研究。

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本文编辑:王志胜