交直流混合微电网关键技术综述.pdf

交直流混合微电网具有多能源互补、运行模式灵活切换、协调控制等优势因而成为新能源微网接入主电网的重要形式 本文通过对交直流微网的发展历程和发展现状进行综合分析和总结从拓扑结构、控制策略以及能量管理等三个方面阐述交直流混合微电网关键技术的最新研究成果并从安全性和经济性等方面对电力电子器件的应用、分层控制、无储能管理等相关技术的未来进行了讨论和展望关键词:交直流混合微电网拓扑结构控制策略能量管理中图分类号:文献标识码:/(.):/:.:/引言传统的一次能源对环境的负面影响是全人类有目共睹的而可再生能源的开发利用可以为能源互联网提供可靠、能源高效利用以及环保的策略是当今解决严峻的环境问题的重要手段 新能源主要以分布式电源的形式接入电网随着分布式发电()逐渐发展新能源输出功率不稳定和电源电压以及频率难以控制造成的影响也日益凸显故传统配电网在接入新能源时会面临输出不稳定、电能质量不高的问题 交直流混合微电网在这样的环境下应运而生成为可再生能源与大电网之间的重要接口对能源互联网的运行效率和发展前景有着决定性的作用 混合微电网有较为高效和可靠的运行控制能够保证智能电网稳定、高效、环保的运行 因此需要对多源微电网的新型电力系统开展更加深入的研究以满足未来智能电网的需求本文对交直流混合微电网的拓扑结构、运行控制、能量管理等关键技术最新的理论成果进行总结介绍电气开关(.)并对交直流混合微电网的关键技术在微电网的应用和发展趋势进行展望 交直流混合微电网的拓扑结构 微电网网络拓扑结构是其安全经济运行的基础在设计、建设和运行中至关重要 混合微网的基本结构如图 所示之后的拓扑结构都基于该拓扑进行改进和分析 混合微电网共分为交流微电网、直流微电网、交流微网与大电网的接口、直流微网与大电网的接口、交直流微网间接口 五个板块如图 交直流混合微网等基本结构所示图 交直流混合微网等基本结构 混合微电网按照其并网方式进行划分共分为交流并网、直流并网、交直流并网、同并互联等四种典型的结构形式 基于这四种基本结构学者们对其特点和性能指标进行研究和改进根据容量大小、电压等级、母线结构、保护、供电方式等方面开展综合分析以探寻适用不同场合的微电网结构为变流器等电力电子器件的结构设计寻找方向使微电网能够在稳定性、经济性、可靠性等方面得到进一步提升 文献通过对北京冬奥会的智能电网进行研究提出用于交直流混合微电网的拓扑结构中的三级式四个端口的电力电子变压器模型通过分析接口变流器的结构发现应用最大功率跟踪控制 可以将功率输出至最大储能的时候使用分段下垂控制还能将并网/离网模式下实现控制之间的无缝切换图 混合微网板块结构示意图 交直流混合微电网的运行控制 运行控制在混合微电网中是最为重要的技术不同微电网由于拓扑结构的差异其控制的重点和难点大相径庭控制策略也各不相同故而需要对每一种微电网都提出与之相适应的运行控制模型和控制方法 交直流混合微电网有离网和并网两种模式对应的运行控制策略主要有中心控制(主从)、非中心控制(对等)两种 离网模式下的混合微网控制策略 在离网模式下可采用恒压恒频控制来保证微电网的电压和频率的稳定 离网运行中常常会出现电压偏差、频率不稳定的情况同时也会带来环流等问题往往需要对下垂控制进行改进或者需要一个逆变器发出恒定的电压与频率去对系统进行支撑为了解决离网微电网系统与功率分配并联使用的逆变器引起环流的问题文献在 年提出了一种增强鲁棒电压的改进下垂控制对逆变器的、等进行了研究得出了环流产生的原因通过引入虚拟复阻抗(虚拟的正电阻、负电感相加所得)消除电感增大电阻值对电流偏差进行极大的优化将传统下垂控制中传统的积分环节改进为比例积分环节应用于混合微电网中的离网模式可以得到减小电流偏差精准分配功率抑制了脱离大电网而出现的环流 在实际的系统中存在因直流侧储能、光伏、风电等带来的新能源发电波动和速度变换等因素逆变器的理想状态与实际状态对比会出现偏差 同电气开关(.)年文献基于虚拟同步控制策略对下垂控制方法进行了改进通过将输入为直流母线电压的模糊控制器、微分补偿等加入到下垂控制中逆变器就能够对其发出功率的直流侧低频率功率波动进行响应能在短时间内到达稳态从而具有良好的动态稳定性让微电网运行安全可靠 并网模式下的混合微网控制策略 在并网模式下系统并网运行下需要考虑到电压偏差和功率分配等问题因此常采用恒功率控制使并网功率保持恒定 文献在 年提出一种基于减少电压偏差的补偿器和功率分配精度补偿器的改进下垂控制方案该方法通过伏安补偿量 和 加到下垂控制环中从而减小电压偏差和满足功率均衡分配达到改进下垂控制的目的实现储能单位间的功率分配和系统电压无偏差控制解决了线路阻抗产生电压及功率分配误差的问题 该方法同样可用于混合微电网中功率分配误差以及电压产生偏差问题引入恒功率控制可以有良好的控制结果 并、离网过程中的混合微网控制策略 在混合微网接入或者退出大电网时保证并网或离网过程中不对混合微网造成干扰实现平滑切换并保证子网间的能量协调是运行控制的关键问题 文献对光伏电池 控制策略进行改进设计出一种环路控制器该控制器对于光伏电池变流器有恒电流或双闭环两种控制模式 经模拟验证该控制器在混合微网的并网、离网过程中通过切换光伏电池变流器的模式实现系统的正常工作和并网、离网之间的无缝切换 文献通过改进的下垂控制对逆变器输出功率进行调控以中心控制模型为基础主要控制单元以改进的下垂控制方法对分布式电源进行控制其他从属单元使用恒功率控制方法进行调节 在负荷突然增大电源发生故障、并网和离网的切换等工作过程中能够自行将系统功率、频率、电压逐渐恢复到设定范围具有较高的可靠性 二次电压调整是微网经济运行控制的重要内容但是目前针对该领域的研究相对较少 文献在 年研究微电网运行控制的经济、安全性问题时使用离散型一致的原理对下垂控制算法进行改进得到一种增加了二次控制的最优功率迭代算法使混合微网在运行中在实现功率按需分配的同时还能保证频率和母线电压的稳定从而保证电网的安全、稳定、经济运行 交直流混合微电网的能量管理 新能源作为主要的分布式电源接入电网具有波动性大、不稳定性高等诸多缺陷 能量管理的主要作用是在确保混合微电网在安全可靠的前提下保证系统经济性运行 其中解决分布式电源间歇性、电压、频率波动等问题是实现电能协调管理、维护动态平衡的关键 混合微网的储能方式 因可再生能源的分布式电源发电的间歇性如果将其直接接入电网会使电网出现产生能量大于负荷需求的情况 针对这个问题目前通用的解决方案是使用锂电池进行储能 此方法虽然能够解决新能源发电时的不稳定、波动大、不确定等问题但是没有考虑电池本身充放电次数有限导致运行成本过高的情况 大多数微电网的储能系统侧重于对充电、放电进行控制虽然表面上具有经济性但是没有考虑到储能衰减后带来的经济影响 文献针对这个问题提出一种无储能的分层式控制的方法 该方法通过俯仰角控制算法对微电网中的发电机输出进行控制利用分层的控制器实现能量调度减小新能源发电时产生的波动而造成影响并解决了生产能量过度无法使用等问题 能量管理的集中与分散控制 能量管理目前可以分为集中式控制、分布式控制两种控制结构 集中式控制能够对电源、储能等进行直接控制具有工作效率高、简单稳定、技术成熟等特点但是中央控制器必须承担大量任务为防止随时可能出现的故障需要增加一个可切换的备用控制器这无疑增加了生产运行成本 分布式控制则脱离了中央控制器的使用在分布式控制的系统中每个个体独立而个体与个体又能相互协调完成能量管理 年文献提出了一种集中式储能控制策略该方法通过将恒压恒频下垂控制和能量管理结合能够快速补偿功率缺额避免模式切换时产生的振荡在增加预同步处理的同时用频率跟踪调控来抑制系统中频率波动从而减少并网时冲击电流所造成影响 文献提出了一种联合集中式和本地式控制方式的多时间尺度无功电压控制方法 该方法共电气开关(.)分三层其中:在小时、分钟级别的控制层使用集中式控制方式在实时级别使用本地式控制 该方法虽然优化了系统电压分布实现了对系统电压的控制但是仍然存在通信压力大和中央控制器负担重、经济性差的问题 为解决集中控制方式下的中央控制器任务多、负担大、经济性差等问题 文献提出一个由多个微网组成互联系统模型在这个系统中功率、信息可以相互交换降低运行成本基于模型预测控制提出同步型交通方向乘子法的分布式优化调度消除误差和不稳定性的影响不再使用中央控制器从而提高了经济性和可靠性 考虑到集中式控制和分布式控制各有优势把以上两种控制各自优点相结合运用到微电网中已成为能量管理新的发展方向 文献对两种控制的优缺点进行分析为不同的情况找到对应的最佳控制方式并在该控制方式的基础上加以改进从而提高交直流混合微电网的经济性、可靠性 基于一致性微电网的分布式控制特征文献提出了一种自适应滑模次级分布式控制方式可在未知扰动类型的前提下对频率和电压、功率的分配以及对波动进行补偿 该控制方法虽然能消除次级控制中的扰动但文中缺乏对感应扰动影响的研究 文献提出了微电网运行时分两个阶段的日前能量管理方案第一个阶段是对系统内的分布式储蓄电源集中控制并整体优化得到系统储能的总功率第二个阶段将上一阶段的总功率分配给各单位以实现缓解中央控制器的压力、减少中央控制器使用的目的从而提升整个系统的经济性 总结 交直流混合微电网作为分布式电源直接接入电网的载体受到国内外研究者的广泛关注交直流混合微电网提高了新能源的利用率 本文概括了交直流混合微电网拓扑的五个板块四种典型的结构形式总结了并网、离网模式的控制策略探讨了能量的存储方式和控制方式以期为混合微网的安全、稳定、高效、经济提供思路 在如今世界能源大量消耗、环境污染严重的情况下新能源发电对环境污染小以及社会效益高等优点是我国在 年前实现碳达峰在 年前实现碳中和的重要手段 而混合微电网是新能源发电的重要枢纽保证其可靠性、经济性是其发展的关键所在 可以预见:()随着混合微电网的规模扩大将电力电子器件运用到拓扑结构逐渐成为主流 ()在微网并网、离网过程中减小整个系统的扰动和保持微网内部的稳定仍然是混合微网控制的重要课题 ()对微网的系统功率、电压、电流、功率、频率等参数可以使用分层控制的方法进行调节 ()微网的无储能式管理有助于提高系统的经济性 ()能量的集中和分散控制结构各有优劣可探究综合控制方式以提高安全性和经济性参考文献 熊文明.能源互联网十年记.法人():.万德超.新能源分布式发电及其优化控制技术.山东理工大学.().孙湛冬马丛淦.刍议首都能源互联网建设.中国电力企业管理():./.田龙刚.光储交直流混合微电网拓扑分析与控制策略研究.合肥工业大学.朱永强贾利虎蔡冰倩等.交直流混合微电网拓扑与基本控制策略综述.高电压技术():.唐萁.新型交直流混合微电网拓扑及其可靠性分析.华北电力大学(北京).李俊杰.基于电力电子变压器的交直流混合微电网协调优化控制研究.东南大学.张继红宋广宇熊伟等.基于虚拟复阻抗的增强型鲁棒电压下垂控制方法及环流抑制策略.太阳能学报():.朱迪.微电网中混合储能系统控制策略与逆变器控制研究.东华大学.李显忠肖杰李峥等.多储能变换器直流微电网功率控制.大电机技术():.唐巍.混合微网运行控制策略研究.中国矿业大学.周凌志任永峰陈麒同等.新型主从控制微电网运行控制策略研究.可再生能源():.李万丰.交直流混合微电网的经济运行控制技术研究.天津理工大学.常媛媛.风光储微电网能量管理策略研究.中国矿业大学.(下转第 页)电气开关(.)布图 由图可知当 取值为 且 取值为 时 取值最大(此时结点数量设置为)图 随可调参数变化的 分布图 图 所示为采用当前能量路由器路由策略时当 取值为 且 取值为 时随着能量理由器结点数量增加时发生拥塞临界 图 随结点变化的临界 分布图 结论 为解决日益严重的能源危机充分利用分布式新能源提出了新型能量路由器结构图包括光伏发电系统接口、风力发电系统接口、交直流负载接口、微电网接口、大电网接口、储能系统接口等智能接口 提出了通过直流母线电压的变化率判断能量路由器与大电网之间能量传输方向 将能量路由器控制策略分为二级控制策略第一级为并网控制策略第二级为孤岛控制策略 提出了基于可调参数、能量传输权值的理由策略提出了根据单位时间内增加的任务量判断能量互联网发生拥塞的概率 本文所提出的能量路由器的结构、控制策略与路由策略为构建能量互联网提供了技术参考参考文献 杨新华张景帆.交直流多端口户用型能量路由器协调控制策略.电气技术():.王建元张泽强宋月航.户用型能量路由器控制策略研究.电测与仪表():.郁家麟肖龙海胡舟等.面向微电网集群的多端口能量路由器及其分布式控制策略.电气传动():.沈建良黄志华郑仲舒等.多端口能量路由器储能接口单元准三模式控制.电力电子技术():.王加澍王颖李梦月等.交直流混合多端口能量路由器拓扑与控制研究.电气自动化():.贾俊国庞松楠董瑞彪等.基于虚拟同步发电机控制技术的能量路由器交直流协调控制.现代电力():.周一凡苏适朱斌等.含多端口能量路由器的多能互补系统故障保护功能测试研究.电力科学与工程():.王建元谢天才王智文.多端口能量路由器协调控制方法研究.吉林电力():.李亚昕杜耀鹏.面向能源互联网的多端口双向能量路由器.通信电源技术():.李铎焦丰顺鲍重廷等.能量路由器发展现状及关键技术研究.通信电源技术():.王聪徐晓贤沙广林等.基于能量路由器的交直流混合微网潮流计算.电工电能新技术():.张程翔陆莹贺军等.基于多端口能量路由器的微网系统及其调试.科学技术与工程():.施灵卫刘桂英.多 端口能量路由器切换控制策略研究.电力科学与技术学报():.刘凯陈才学文军等.基于能量分层协调控制的能量路由器.太阳能学报():.收稿日期:作者简介:马磊(.)湖北孝感人硕士研究生从事超特高压直流输电技术、换流站运维管理、项目管理、工程技经管理工作(上接第 页)韦伯鲁.微电网中储能系统优化调度研究.南昌大学.张东刘甲琛夏艺歌等.风力发电无储能型微电网能量管理方法研究.电力勘测设计():.杨少布道陈乐乐李波.集中式储能下微电网控制策略研究.供用电():.李海啸.集中式光伏电站并网无功电压控制策略研究.重庆大学 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