直流微电网研究现状及挑战_窦真兰.pdf

SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.022023SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 02 期SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能 ENERGY SAVING FORUMSHANGHAI ENERGY SAVING2018 年第 08 期ENERGY SAVING FORUMSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018收稿日期：2022-09-26基金项目：国网上海市电力公司科技项目资助（5209142000KH）作者简介：窦真兰（1980-10-），女，博士，高级工程师，研究方向为综合能源张春雁（1967-01-），男，硕士，正高级工程师，主要从事综合能源系统、能源互联网、电制氢及综合利用技术等工作杨海涛（1976-11-），男，硕士，高级工程师，主要从事电力营销工作直流微电网研究现状及挑战窦真兰1张春雁1杨海涛21.国网上海综合能源服务有限公司2.国网上海市电力公司市北供电公司摘要：微电网作为解决分布式电源发电问题的有效手段之一，目前受到了研究人员广泛关注。综合考虑目前分布式系统中所包含的电力设备与网络结构，直流微电网更适合目前的分布式系统。就直流微电网的定义与相关概念以及组成结构进行了介绍，并从母线电压的控制、运行状态的切换与微电网集群的协调控制等研究方向发展及现状进行了详细分析，总结影响直流微电网运行控制的重要因素。最后总结归纳了目前直流微电网的发展现状，展望了未来直流微电网的研究与发展方向。关键词：直流微电网；下垂控制；能量管理DOI:10.13770/ki.issn2095-705x.2023.02.007Research Status and Challenges of Direct Current Mi-crogridDOU Zhenlan1,ZHANG Chunyan1,YANG Haitao21.State Grid Shanghai Comprehensive Energy Service Co.,Ltd.2.State Grid Shanghai Electric Power Company Norht Power Supply CompanyAbstract:As one of the effective means to solve the problem of distributed generation,microgrid has beenwidely concerned by researchers.Considering the power equipment and network structure contained in the163SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.022023ENERGY SAVING FORUMSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.0820180 引言日前，能源需求的日益增长，使得城市电网系统中的负荷不断加重，对供电的可靠性与稳定性要求。作为消纳分布式能源最高效的方式之一，当发生大面积断电的情况时，能够在孤岛运行的微网可以发挥出巨大作用，同时微网能够更合理地利用自然资源，可以保障环保经济的能源供应，由此针对微电网的相关研究引起了国内外学者的广泛关注。1 概念微网的定义最早是由CERTS提出，微网可以看作是由分布式电源、储能系统、变流器、保护装置和负载组成的发配电系统1-4。微电网以可再生的清洁能源发电为主，与各种其它类型能源兼顾，有效缓解了传统分布式可再生能源接入电网的困难，进而提升了资源效率。同时，在电网供电发生异常时，微电网作为补充接入电网，可以保证用户供电的可靠性。微电网包括交流微电网以及直流微电网两类。交流微电网主要采用交流设备，兼容交流负荷，具有相当成熟的保护装置5-7。由于光伏等直流类型能源以及电动汽车等直流用电装置的使用率提高，越来越多的学者把目光投向了直流微电网。由于缺少交直交变换的中间环节，直流微电网的结构更加简单，直流负荷供能更加灵活，减少电量损耗和成本，且不存在频率稳定性等问题。孤岛和并联是微电网的两种工作状态，利用合适的控制方式，可以使其在这两种状态间平滑切换8。在大电网出现故障时，切换至孤岛状态，为内部负荷稳定供电；在日常使用时可以切换至并网状态，将运行时储存的电能反馈给大电网，起到削峰填谷的作用。但将微电网切换为并网状态时会对大电网带来如闪变、谐波、短路电流增大、直流注入等问题，因此在切换为并网状态时，应选择合适的方式，从而减少对电网系统的安全隐患，保证系统的平稳运行。对偏远地区来说，大电网的投资规模较大且可靠性也较低9-11。在地质较复杂的地区甚难架设供电系统，同时要建立相当规模的、庞大的集中式供配电网需很大的投入，而这些地区本身不会消纳过多的电能，投资效益很低。在上述区域应用微电网技术时，可克服大电网内集中式供电的局限，实现稳定供电。另外，配电网内的一些敏感用户对电力品质和电源稳定性的要求很高，这要求配电网不但能够供应高质量的电力以符合其特殊设备要求，还要尽量避免断电，以实现对重要负荷不间断供电的需求。微电网能够利用先进的电力电子控制技术改善终端用户电能质量，并且在外部设备失效时能够迅速将并网工作状态平滑切换到离网工作状态，从而确保内部敏感负载的电源供应不受影响。current distributed system,the DC microgrid is more suitable for the current distributed system.The definition,related concepts and composition of DC microgrid are introduced,and the development and current situation ofresearch directions such as bus voltage control,operation state switching and coordinated control of microgridcluster are analyzed in detail,and the important factors affecting the operation control of DC microgrid are sum-marized.Finally,the development status of DC microgrid is summarized,and the research and development di-rection of DC microgrid in the future is prospected.Key words:Direct Current Microgrid;Sag Control;Energy Management164SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.022023SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 02 期SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能 ENERGY SAVING FORUMSHANGHAI ENERGY SAVING2018 年第 08 期ENERGY SAVING FORUMSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018微电网概念最早由美国的CERTS机构提出，一经提出就受到了各国学者的广泛关注。美国在微电网领域的探索和研究应用方面占据优势，占有全球 50%左右的微电网示范项目12。欧洲的微电网，主要是利用高功率电子技术进行并网。2005 年，欧洲国家共同发布了“智能能源网络（Smart Power Networks）”计划，该计划明确提出了未来欧洲的发电目标，并强调欧洲的供电需要具有灵活性、高可接入性、安全可靠性和经济性13的目标。由于能源短缺，日本政府重视可再生能源科技的发展，目前通过日本政府与高校、企业以及国家重点实验室结合，在微电网的研发上已获得了良好的成功。日本把主要的研究集中在了微电网运行中的电能需求、环保以及资源的合理利用方面。虽然相比于其他国家，我国的微网事业起步较慢，但随着国家的大力支持以及推广，各个高校及企业的高度重视，我国的微电网事业正处在高速发展的阶段14-15。现阶段微电网容量与规模较小，分布也比较分散。随着新能源领域的不断深入发展，以及分布式电源（distributed generation，DG）特别是可再生能源发电渗透率的持续提升16-18，传统的微电网供电方式将很难充分消纳并合理使用大量分散接入的 DG19。正因如此，微电网的构建方式已逐步由单个小型建设单位向多个微网集群化方向发展，微网群一方面能克服单一微电网设计、管理、维护等因素对DG接入规模的限制，另一方面又可显著增强微电网运行的灵活性、可靠性与经济性。2 系统组成微电网的结构具有多变性，可以根据各地区的电源形式以及负荷分布灵活配置，但都具有同一个特点：因为容量小并且内部电压等级较低，其拓扑不宜过长，以避免损耗。典型微网结构如图 1 所示，直流微电网通过直流母线将分布式能源、储能装置（电池、超级电容等）、负荷以及电网连接在一起，并通过公共耦合点并入配电网。分布式电源通过各自的转换器将一次能源转化为电能，并且通过变流器并入电网，分布式能源一般就近获取非可再生能源（天然气、柴油）以及可再生能源（太阳能、风能）20。图 1 典型微网拓扑结构因为微电网的低电压等级以及较低的系统容量，不需要再连接大功率电力设备，所以微电网可以适应于大部分典型的分布式电源如风力发电、光伏发电等接入。微电网大多是微型设备，有益于大规模普及应用，实现消纳分布式电源的目的。为实现给用户输送稳定高效的电能21，微网通常与中、低压大电网相连以协调多种形式的能源装置。3 直流微电网控制技术直流微电网系统运行中最重要的就是它的协直流微电网研究现状及挑战165SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.022023ENERGY SAVING FORUMSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018调优化控制，需要统一协调直流微电网系统的分布式能源、储能、交直流双向 DC-AC 变流器、负载等主要部件，管理各部分的工作情况与出力，从而保证母线电压稳定，保证系统功率平衡，确保直流微电网稳定运行。因为在直流微电网中所有模块都是并联在直流母线上的，所以每个功率单元的电流分配问题也是直流微电网能量管理中的重点课题。功率单元电流分配控制方法可分为平均电流控制、主从控制以及下垂控制三种22-25，其中下垂控制及其变形被广泛应用于直流微电网中。相比于其它控制技术，下垂控制即使是在无通信的情况下也可以实现各模块电流分配的目的，所以更适合于分布式的直流微电网系统。将下垂控制应用于直流微电网系统可使其具备更高的可靠性并做到即插即用，便于系统的扩容26-27。直流微电网下垂控制是将下垂曲线控制加在变换器的电流电压双闭环之外，再采用电流电压双闭环控制，图2为控制框图。然而在微电网中，采用下垂控制方式的逆变器还面临着一些弊端和不足，比如受到线路阻抗的影响，微网系统的无功功率不能有效合理分配。当低压微电网系统中，线路的感性与阻性相当时，会导图2 下垂控制框图致逆变器输出的有功和无功产生耦合。为了充分发挥下垂控制的优势并增加它的适用度，国内外学者对下垂控制策略进行诸多改进。文献 28 利用微电网线路总阻抗呈阻性的特点，提出反下垂控制，实现了有功功率和无功功率的解耦，但是依旧无法对无功功率进行分配，且该种方法不能很好地与传统同步发电机兼容。文献29-31 通过在微电网中加入中央控制器来获取各个分布式电源输出功率及下垂系数