微型电网黑启动与孤岛运行

1、微型电网黑启动与孤岛运行摘要-拥有大量的小型分散发电的低压配电网络在一定条件下可以为一个 孤立的系统运行。本文提出的控制策略以这样一个系统，用于处理孤岛运行和开 发当地发电资源以帮助在电力系统停电后恢复供电，而被应用。黑启动过程的一 系列动作的程序已确定，这被预计将是在目前拥有许多分散电源的电力系统运 行可靠性方面的一大优点。关键词：微型电网，电力系统恢复， 微型发电厂，能源储存，孤岛运行1介绍随着中压（MV分散发电（DG）网络的增长渗透，对微型发电连接到低电 压（LV）电网开始引起注意，因为它的潜力，减少温室气体排放，提高可靠性 对 最终消费者和积极的影响，可能对全球进行系统操作，规划和扩大

2、。在这种 情况下，一个新概念-微型电网（MG）-正在开发中。一个微型电网相当于一个低压电网在电力负载和小型发电系统（燃料电池，微型燃气轮机， 风力发电机，光伏板）连同存储设备（如飞轮和电池）通过嵌入式管理和控制系统并存。3如果一个整体或局部停电时，当地发电能力 在低压电网下可以被利用来降低 用户的中断次数，通过：a）提供快速的低压电网黑启动恢复；b）容许微型电网孤岛运行以满足用户用电直到中压电网恢复供电传统的电力系统恢复是一个非常复杂的过程，通常涉及的任务进行手动 按预定指南1。他们必须以一个快速的方式完成， 在实时的基础，在极端 紧张的条件。这个过程的复杂性使得决策支持手段极其宝贵的协助系统

3、操作 者2。在微型电网中整个恢复过程简单得多，由于可控变量数量减少 （负载， 开关和微型电源）。另一方面，大多数微型电源（MS）不适合 直接连接到低压电网，由于这些单元 产生的电能的特点。通常，一个DC / AC或AC / DC / AC电源的电子界面是必需的。此外，它是没有被预期完全可控的同步发电机，能够控制系统的频率 和电压（平衡负载和电源），故而不会直接连接到低压电网。在微型电网中的一 个方案在同步可控的情况下需要MS逆变器能够模拟机同步操作，以便在孤岛 模式下与其他MS并行运行。这些单元在恢复过程中发挥关键作用，如本文所 讨论。MS的特异性 （如响应时间常数的主要来源，可再生能源的间歇

4、性， 技术限制），电力电子接口的控制特性 及其发热极限所决定的非常精细的恢复程序。通过对微型电源和当地可控负荷相配合的深入了解，确定微型电网完全自动 恢复程序也变为可能。因为有中央控制和通信基础设施可供使用。在MG的 概念下是可能的，因为这种做法对具体的控制结构，并建立遍布低压网路的不同 类型的控制着之间的通信的可能性。在这篇论文中的一个关于微电网黑启动的动作序列已经被开发出来。微网 黑启动（BS）现在已存在而且正在被争论。两种逆变器控制技术相结合以找到合 适的方法对低压配电系统的恢复和确保其稳定运行。当研究一个LV网络案例 时， 为了确定其恢复序列，两个仿真平台已经已经被开发出来： EMTP

5、-RV 工具用于分析初始的快速瞬变 基于MATLAB和Simulink仿真平台用于评估长期的孤岛微网的动态行为。2.微型电网的架构如前所述，微网涉及低压电网，负载（其中一些可中断），可控和不可控的微型电源，储能装置和由一个通信系统支持的分级管理和控制策略3。这样的概念已 经在欧盟范围内的微网计划框架下发展成熟3。在这个架构下的微网（MG）由安装在中压/低压变电站的微网中央控制器 （MGCC）控制和管理。MGCC具有一些关键作用（如负荷预测，需求侧管理， 微型发电厂经济调度，安全评估等）和主管分级控制系统。在二级控制水平下， 控制器位于负载或负载组（LC）和微型发电厂（MC）与微网中央控制器（M

6、GCC） 交换信息和控制本地设备。PVIkratuirhiake图1：拥有大量微型电源，负荷，控制和管理设备的微网整个系统的运作，需要两套设备之间的通信和相互配合：一方面是负载控制， 作为接口通过应用一个中断能力概念的来控制负载， 另一方面微型发电控制 控制微型发电厂有功和无功电力生产水平。MGCC，作为中央控制器，充分促进技 术和经济管理政策，并为LC和MC提供设置点.I在本文描述的方法中，该MGCC 也是当地本科功能负责。 这种先进的BS程序连同系统技术的限制条件，将作 为一个软件模块被嵌入到MGCC。重要的是要认识到的 在几个网络控制器之间交换的数据量是相当小 的，它包括到LC和MC主要

7、设定点的有功和无功 以及电压水平的信息或来控 制低压系统的恢复的信息。与此同时，一个MG涵盖小的地理区域。这些因 素有助于缓解所需的通信系统的建立3动态模型本节提供了一个用于模拟MS和电力电子接口的动态模型所采用的模拟工具 的简要说明。3.1微型电源建模一些被认为共存于MG和 相对应的动态模型的微型电源（MS）技术已得出。一种固体氧化物燃料电池（SOFC）及单轴微型燃气轮机（SSMT）模型的详细描述 可以参见文献4。一个小型异步风力发电机（固定速度）直接连接低压网络也包括在该模拟平台。最大功率跟踪控制系统的详细并没有包括在PV模式中。相反，是假定该整列总 是在特定的温度和光照下在最大功率水平上

8、工作，如5中描述的。像飞轮和电池这些模拟为恒定的直流电源（考虑到所分析的时间跨度）的储 能装置加上静态转换器连接到低压电网。通常它注AMG的有功功率与的频率偏 差是成比例的6。3.2逆变器建模一些MS，如SSMT，固体氧化物燃料电池和光伏不适合直接供电到电网，因为 这种电流是以直流的形式产生或者是高频交流汇集而成。逆变器这时就需要提 供交流电网的接口。逆变器控制策略对MG的正常是至关重要。变频器控制，可分为两种类型7：a）PQ的逆变器控制；b）电压源逆变器（VSI）的控制方法。要提的重要的是在分析的MG动态行为时，逆变器详细的建模通常是可以避免 的。变频器长期动态 模型可被他们的控制功能所代替

9、。这意味着，与固态开关 换向有关快速瞬变不考虑，假定，以这种方法，电力注入交流侧是在没有谐波失 真，损失或延误。如果暂时性的分析是必需的那么这种方法要求完全替代变换器 的特性。1）PQ的逆变器控制一个PQ的逆变器控制相当于一逆变器和初始能源联合控制，当这在物理上成 为可能。就意味着 变频器注入电网仅仅可用的的电能在其输入端。PQ控制的 一个应用实例停留在光伏PV单元。无功功率注入 相当于在本地或从MGCC所确 定的预先给定的值。该PQ控制的逆变器可由电流控制技术来扮演： 控制该逆 变器电流的幅度和相位，以满足所需有功和无功功率点的设定。82）电压源逆变器控制在这种情况下，逆变器被电压和频率根据

10、特定控制策略预先确定的值控制满足 负载的需求。VSI控制原理应用在MG中应该效仿同步电机的行为。因此，有可 能控制交流系统电压和频率依靠变频器控制手段。考虑这样的VSI与一个角频率为3grid交流系统相并联，对逆变器有功输 出由著名的频率下垂特性自动定义，如图2所示。图2：有功功率与频率下降特性曲线逆变器输出功率可以通过对闲置的频率(3 01, 3 02)简单的修改而完美 发送。如果主交流系统丢失，如果主要是失去了交流系统，每个逆变器输出功率根据下垂特性设定值和网络的 频率偏移迈向一个新的值。根据下垂特征有功功率是逆变器在新的频率值时所共 用的。频率的变化提供了一个适当的方法来确定在多个VSI

11、逆变器并联运行在一 个孤岛电网9功率分配。类似的考虑可在所关注的电压/无功功率控制中实现， 也是使用一个电压下垂的概念11。一个三相VSI的运用这两个下垂概念源于一 种单相模式如10中提出的，如图4所示。图4：三相逆变器控制模型VSI的端电压和电流测量用于计算有功，无功功率水平。这种测量阶段引入 的延迟相当于去耦，通过如图4所示的“退耦”传递函数。有功功率通过有功功 率/频率下垂(Kf)特性决定了输出电压的频率。同样，无功功率通过无功功率 下垂特性(Kv)决定输出电压也是相当重要的。相位反馈控制的作用是使系统稳 定10，对应于Kff循环，如图4所示。4微型电网运行的控制策略如果没有同步电机来平

12、衡供需，在孤岛运行时逆变器应负责控制频率。一个 电压调整策略也是需要的，否则MG可能遇到电压和无功功率振荡9，12。如果一群MS在MG下可以运转并且主电源(MV电网)是可用的，所有的逆变 器可以工作在PQ的模式，因为基准电压和频率是可用的。但是，如果失去了所 有中压网络的逆变器将关闭，因为在MG中没有一个参考电压可用 并且它不可 能在负载与发电厂之间取得平衡。这意味着必须要有一个普通的频率控制策略， 为使MG能在孤岛模式运作。两个主要策略是可能的：单主机操作（SMO）:当主电源丢失时，用一个VSI来提供参考电压；多主机操作（MMO）:两个或多个逆变器作为VSI来操作；为了能在紧急模式提供一个参

13、考电压和频率，一个VSI的单位存在是至关重 要的。一个VSI有能力对电力系统扰动作出反应 （例如，负荷跟踪或风波动）， 根据变频器上测量到的-电压和电流的本地可用信息11。这样一个VSI应加上 一个具有有限容量的储能装置，以能够补偿自然负荷和生产的变化。对于一次成 功的黑启动（BS）和孤岛运行这是一个重要的论据。4.1单主机操作在SMO模式下，大部分的MS连接到网络，通过一个具有PQ控制类型的逆变 器和一个单一的VSI逆变器与储能装置相连接-主机-提供参考频率，如图3 所示。V图3： SMO模式这种VSI应该负责快速负载跟踪。如果VSI必要的下垂设定可根据运行状况 从MGCC改变而且为了避免大

14、范围的频率偏移。在这种情况下，PQ控制的MS可 以接收来自MGCC设定点或可采本地的PI频率控制，以确定其初始能源的输出 有功功率的目标值。保证在任何一个孤岛运行工况下的零频率偏差应被视为任何控制战略的关键 问题。事实上这样的程序问题需要避免存储单元注入（或吸收）有功功率，当 MG的频率偏差不为零时。4.2多主机操作在一个多主机方式下，一些变频器作为预定义的频率/有功功率和电压/无功 功率下垂曲线的VSI运行。其它PQ控制的逆变器也可能并存。l&c ItliCK 地 13 kWb ud Cd I 3ih 30 kWSingle rctidunt kilMisunitjWind cnertur

15、3i|, I kWNiikk hatt in it n Ku rbin 3ri，30 kW 区一GHMStcirnge dwiccAppirlihcnl buildingAppartmcjitbuikUnv麻 JsijIi.Il ie；J七ntiiilco m 5 u m t. r图6：低压电网个案研究图7： LV网络在EMTP-RV平台的研究案例。7 结果对于这个低压测试系统假设一个普通的崩溃发生和紧接着的：a）中/低压变 压器从中压网络断开；b）负载断开；c）在SSMT和SOFC的独立模式下孤岛运 行自动产生。对于MG的黑启动操作序列定义如第5部分所述，已在模拟平台测 试被测试，并通过得出

16、的结果进行了分析。网络运行状况在黑启动的初始阶段已 在EMTP-RV平台下进行了评估，在这种情况下，包括逆变器交换的详细数据。 一般的MG的动态行为 使用MATLAB Simulink平台来分析。由于其他MS被假定来满足他们所保护的负载，存储设备，如图6所示，被选定为给低压电网和DT在t= 0.5s时充电，使用斜坡电压控制此逆变器，通过 0.5秒。得到的逆变器电流如图8所示，可以观察到它的DT励磁电流维持在较 低水平上。图8：黑启动初始初始阶段的存储逆变器电流如前所述，当DT已上电和低压网络已建立后，对MG的黑启动程序的下一步 是，在独立模式下SOFC和SSMT同步运行并且满足他们保护的负载。

17、为检查同步 条件MGCC发送指令到VSI逆变器（最初到SOFC，后来到SSMT），以产生一个小 频率的变化，因为它可以看出，在图9中（在t=1.8s和t=4.5s ）。同步 后SOFC和SSMT就可以连接一些可控负载和不可控的MS。图9和图10显示了这 些控制功能对VSI的频率和MS有功输出的影响，SOFC和SSMT在t = 2.3s同步 和七二4.6,分裂。存储逆变器电流对这些同步性的影响，也可以从图8观察到。snprCTOIiiCE我MT一 -一 O 2 10 9 5 5 5 4 出)JmEnb闰Time (s)10图9：每个VSI的频率 80s-20010C2PLI号 VHOE-IS10

18、0Time (s)046Time (s)810图10 :每个VSI的有功功率它可以从图10观察到，当前有功功率一些小的振荡。这些振荡是VSI的滤波 器共同作用的结果，振荡发生在由滤波电容器和联络线电感组成的主阻尼环缺失 时11。这些振荡电力系统中是不常见的，可由逆变器抑制，在逆变器给定足够 的带宽时11。为了得到一个BS序列的扩展概述，可使用MG的MATLAB Simulink仿真平 台。对VSI的频率、有功、无功输出和总线电压取得的结果的描述在下一幅图中。 在这种情况下，在不到1 / 3的EMTP仿真时间有可能得到这些结果。20406080100120Time (s)2 O058 & JQ.

19、4 4 4 42二 F一图11 :每个VSI中的有功功率和频率负荷重联是这个程序中的一个关键问题，因为它导致频率偏移，因此需要特 别注意。如果频率偏差有时仍然存在则一个当地的二级控制将被使用。电压和 无功功率控制可以很容易的通过调整每个VSI的下垂设定或PQ的逆变器的无功 设定点。在BS过程中，通过下垂特性控制电压以确保MG稳定和MS中没有无功功率振 荡，在图12可观察到。 与有功功率分配（这是通过下垂特性定义的）相反的 是无功功率的分配受连接无功负荷的每个特定节点的电压下降的极大地影响（由 于低压电缆阻抗）。.三.卫)?三三_19SOFCSSMTSTORAGETime (i)图12:每个VS

20、I和存储设备中的无功功率和端电压当MV网络变得可用，MGCC要求所有的VSI改变频率和电压，通过略微的等 量的改变其闲置的频率和电压以检查同步条件。此过程可保证MS功率输出没有 发生重大变化。在MG与中压电网同步后，VSI的闲置频率和电压MG是恢复他们 之前的值，以维持MG中的功率分配。通过和比较负荷增加后SSMT和SOFC的有功功率输出，如图11和13所述， 本，它可以观察到它们的电源的初始响应延迟(根据它们身体的特征)，和相应 的VSI的有功输出相比。发生这种情况是因为由被假定安装在直流侧的存储设备 所提供的几乎是瞬时的贡献。501QQ1?0Time (5)4 2 o S 6 4 2 O

21、82 r.- 1 1 1 1 1-土|,-心.户一 AWJ图13： (SSMT和SOFC)电源的初始的有功功率8结论本文介绍了微型电网的孤岛和黑启动运行所需要的控制策略，在没有可直接连 接到电网的同步发电机可用的情况下。从得到的结果可看出，储能装置在系统孤 岛运行和恢复的过程中发挥了关键的作用。通过对微型电网各部分恢复阶段一系列规则的鉴定和条件的检查时，并通过 数值模拟得出结果并进行评估，来证明这种程序的可行性。这种成功的验证带来 了重大贡献，并表明微型发电资源应得到进一步的推广。致谢作者想要表达对微型电网项目进行了有价值的讨论以促进这个研究进一步 发展的科研队伍的和为这个项目提供经费的欧盟的

22、感谢。参考文献1 J. J. Ancona，“主电网崩溃后电力系统恢复的一个框架”，电力系统自动 化，第 10 卷 ，1480 - 1485 页，1995 年。2 M. M. Adibi, R. J. Kafka, D. P. Milanicz， 系统恢复详解”，在电力 系统自动化，第9卷，1592至1600页，1994年。J. A. Pegas Lopes 等人，“微电网管理”，JIEEC2003，毕尔巴鄂，2003 年10月28-29日。Y. Zhu, K. Tomsovic,，“为分析负载跟踪下的微型燃气轮机和燃料电池性能的模型的发展”，电力电子系统研究，第62卷，1-11页，2002N.Hatziargyriou等，微型电源模