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1、智能微能源网 Smart micro-energy grid, SMEG,清华大学电机系 卢强 2015年5月30日,第一部分 微电网与智能微电网,1.1 微电网（Microgrid, MG）,定义： 在一个最高电压等级小于35千伏（一般为10千伏）的区域内，由一种或多种新能源发电站和相应的储能设备以及本区用户相联接而成的电网，可离网或者并网运行。该电网所发之电能应以本区自用为主，其多余和不足之部分与外部配网双向互通。这样的电网称为微电网，以MG记之。,储能电池,光伏电站,小水电站,风电站,逆变器,逆变器,自用AC负荷,10kv AC总母线,配电网,MG示意图,自用DC负荷,自用DC负荷,2,
2、第一部分 微电网与智能微电网,微电网的几大特征,1）有一定容量的储能单元。 2）严格实现CO2及其它污染物的零排放。 3）所发出的清洁能源以区内自用为主；不足或多余之电量 可与外部配电网（一般为35千伏）互调节。 4）总装机容量一般小于双位数兆瓦级。,3,第一部分 微电网与智能微电网,1.2 智能微电网（SMG）,定义： 在微电网中可实现清洁能源发电、储电、自用电与外接配电网交互电能的自动优化控制；其优化控制以用电效率最高和年平均停电时间极小为指标；其控制过程与状态变化具有可视化功能，以SMG记之。,储能设备,光伏电站,小水电站,风电站,逆变器,自用AC负荷,AC母线,逆变器,自用DC负荷,S
3、CADA,趋优化控制中心,SMG示意图,配电网,4,第一部分 微电网与智能微电网,智能微电网的几大特征,1）具有微网的所有特征，特别是零碳排放的特征。 2）自动实现发电、储电、自用电以及与外部配电网交互 电量的趋优化控制。 3）微电网内部的保护系统实现优化配置，其优化指标为 设备安全和全微电网年平均停电时间极小。 4）控制系统能实现微网与外部配电网“并网”与“离网” 的干扰极小化。,5,第一部分 微电网与智能微电网,1.3 智能微网群（The group of microgrids）,定义： 个智能微网以低于35千伏电压级的线路互联，并在该个智能微网中自动实现以效率极大化，停电概率极小化为指标
4、的“优化潮流（OPF）”。由该 个智能微网所组成的微网群，选择 个“接口”与外部配电网互联，。 凡符合上述整合标准的微电网群称之为“智能微网群”，以SGMG记之。,No. 1 SMG,No.2 SMG,No. SMG,No. SMG,配电网,配电网,No. 1 出线,No. 出线,10千伏,6,系统拓扑,50kWPCS,0.33kWh超电,50kWh锂电,100A APF,照明20*3=60kW,热水炉6kW,交流母线,5kW阳光房,第二部分 光伏微电网,2.1 系统总体构成,7,第二部分 光伏微电网,集中式继电保护,储能快速响应,安全紧急控制,综合保护系统,运行控制系统,能量管理系统,8,2
5、.1 系统总体构成（续）,四楼阳光房（BIPV）,光伏车棚（BAPV）,单相光伏逆变器,微型光伏逆变器,柜体整体效果,第二部分 光伏微电网,2.1 基础研究平台实景展示,9,第二部分 光伏微电网,具有自抗扰能力的微电网运行控制系统,对外部扰动和内部不确定性的鲁棒性 多种运行模式的平滑切换,2.2 运行控制系统,离网运行控制 并网运行控制 离并网切换控制,10,主要包括跟踪微分器（TD）、扩张状态观测器（ESO）、非线性反馈控制律（NLSEF）等部分,自抗扰控制器具体框图,1韩京清. 自抗扰控制技术估计补偿不确定因素的控制技术M, 北京: 国防工业出版社, 2008.,第二部分 光伏微电网,2.
6、2 运行控制系统,自抗扰控制_原理,将系统模型的不确定性（内部扰动）和其他不确定性(外部扰动)一起作为“总扰动”，通过构造“扩张状态观测器”对“总扰动”进行估计并实时补偿,11,基本原理,拓扑状态：PCC点并网接触器断开 控制模式：储能系统运行在VF模式 控制目标：提供稳定的电压/频率支撑,第二部分 光伏微电网,2.2 运行控制系统,2.2.1 离网运行,12,基于电压扰动观测补偿的自抗扰控制,传统的电压-电流双环VF控制,实现电压扰动观测补偿 保障控制性能,控制策略,第二部分 光伏微电网,2.2 运行控制系统,2.2.1 离网运行,13,实验：启动过程电压波形,实验：稳态电压波形,启动过程：
7、软启动，无冲击 稳态过程：电压偏差 (2%） 频率偏差（0.05Hz，1）,保障了离网运行时微电网内负荷对供电质量的需求,实验效果,第二部分 光伏微电网,2.2 运行控制系统,2.2.1 离网运行,14,拓扑状态：PCC点并网接触器闭合 控制模式：储能系统运行在PQ模式 控制目标：实现有功/无功的可控可调,基本原理,第二部分 光伏微电网,2.2 运行控制系统,2.2.2 并网运行,15,基于电流扰动观测补偿的自抗扰控制 实现了有功/无功解耦控制 响应速度满足控制需求,控制策略,第二部分 光伏微电网,2.2 运行控制系统,2.2.2 并网运行,16,实验：输出有功功率10kW,实验：输出有功功率
8、10kW变为-10kW,响应速度： 40ms 稳态误差： 1kW,实现了微电网与大电网之间交换功率的快速、准确调节,实验结果,第二部分 光伏微电网,2.2 运行控制系统,2.2.2 并网运行,17,离/并网切换的两个操作 控制模式切换（VF模式或PQ模式）软件执行 物理状态切换（并网点开关开或合）机械动作,基本准则 离网：VF & PCC开 并网：PQ & PCC合,异常状态 离网：VF & PCC合 并网：PQ & PCC开,基本原理,第二部分 光伏微电网,2.2 运行控制系统,2.2.3 离并网切换,18,以物理状态切换超前控制模式切换为例,基本原理,第二部分 光伏微电网,2.2 运行控制
9、系统,2.2.3 离并网切换-考虑时序配合的离并网切换控制,Tp异常：闭合&VF,切换过程应尽量缩短异常状态持续时间！,19,平滑切换控制实现,离网切换至并网：自同期并网,并网切换至离网：主动离网,控制策略,第二部分 光伏微电网,2.2 运行控制系统,2.2.3 离并网切换-考虑时序配合的离并网切换控制,20,第二部分 光伏微电网,2.2 运行控制系统,2.2.3 离并网切换-考虑时序配合的离并网切换控制,实现了微电网离并网运行模式的平滑切换!,离网切换至并网过程,并网切换至离网过程,切换时间：小于4ms 暂态冲击：小于0.1p.u,21,第二部分 光伏微电网,2.3 综合保护系统,需求分析
10、(a)如何快速定位故障？ (b)如何弥补切除线路后功率缺额？ (c)如何确保微电网的安全？,方案设计,22,关键难点 离网短路电流小，依靠电流幅值启动的保护可能拒动 短路电流分布多变，保护阈值整定存在困难,有利条件 微电网接线集中，量测布点方便，易获取全局信息 微电网规模有限，数据总量较小，便于分析与处理,光伏微电网适于发展集中式继电保护,第二部分 光伏微电网,2.3 综合保护系统,2.3.1 集中式继电保护-基于全局故障信息的短路故障定位,23,不依赖短路电流幅值启动，光伏馈线短路电流小时仍适用,BRK2开关动作分析,传统方法 按相启动： 1、电流反向 2、幅值较大,改进方法： 滤除零序分量
11、,A相接地故障,BRK2 出现误动,BRK2 不误动,电流反向 判据,第二部分 光伏微电网,2.3 综合保护系统,2.3.1 继电保护-基于全局故障信息的短路故障定位,针对光伏馈线,24,解决思路 启动判据： 检测正序电压降低或零/负序电压上升 故障定位：故障馈线的电流正序故障分量最大,不需要整定电流阈值即可适应不同短路电流水平,问题描述：弱光轻载三相短路电流接近额定电流，阈值难整定,第二部分 光伏微电网,2.3 综合保护系统,2.3.1 继电保护-基于全局故障信息的短路故障定位,针对负载馈线,25,第二部分 光伏微电网,2.3 综合保护系统,2.3.2 储能快速调节-考虑SOC约束的快速功率
12、调节,问题 继电保护切除线路后，如何弥补系统出现较大功率缺额？ 方法 光伏微电网中储能占比高，可控性强 储能系统快速响应，稳定系统电压/频率,26,问题 储能出力尽限后，如何保证重要负荷的供电？ 方法 投入光伏、弃光 调节负载、切负荷,三项判据,启动时机 根据主电源状态/电压启动,保证系统功率平衡 保证系统能量平衡 保证系统电压质量,（1）储能功率越限 （2）储能SOC越限 （3）系统电压越限,第二部分 光伏微电网,2.3 综合保护系统,2.3.3 紧急控制-基于分级管理的精细化切机减载,27,紧急控制流程,紧急控制配置,第二部分 光伏微电网,2.3 综合保护系统,2.3.3 紧急控制-基于分
13、级管理的精细化切机减载,28,传统保护方法,综合保护方法,测试工况,系统0.15秒发生短路故障，保护动作切除线路后，出现较大功率缺额,测试结果,可有效清除故障并保证重要负荷供电,第二部分 光伏微电网,2.3 综合保护系统,系统测试,29,主要构成 采集服务器（数据汇总） EMS 服务器 （监视、管理、调度） 监控/展示屏 （人机交互） 主要功能 状态监测 设备管理 功率调度,2.4.1 系统概况,通信架构,第二部分 光伏微电网,2.4 能量管理系统,30,网络拓扑与实时状态,2.4.2 状态监测,第二部分 光伏微电网,2.4 能量管理系统,31,微型逆变器监测,设备管理 微逆汇流箱 直流汇流箱
14、 微型逆变器 交流逆变器 APF,2.4.3 设备管理,第二部分 光伏微电网,2.4 能量管理系统,32,现场实验,调度模式 恒功率模式 功率曲线模式,2.4.4 系统调度,第二部分 光伏微电网,2.4 能量管理系统,33,软件平台,具有自抗扰能力的微电网运行控制系统,多层次微电网综合保护系统,理论成果,硬件平台,四楼采光顶,五楼光伏屋顶,一楼光伏车棚,光伏建筑一体化,单相逆变器,单相微逆,三相逆变器,光伏发电系统,多逆变方式,技术成果：完整的光伏微电网解决方案,第二部分 光伏微电网,34,第二部分 光伏微电网,推广应用 青海大学图书馆光伏微电网（BIPV） 安徽工程大学综合楼光伏微电网,35,谢 谢！,
