微电网能量管理系统(1)

1 微电网的典型结构

图1 微电网结构图

图1为微电网的结构图[1][2]，它通过隔离变压器、静态开关和大电网相连接。微电网中绝大部分的微电源都采用电力电子变换器和负载相连接，使其控制灵活。微电网内部有三条馈线，其中馈线A和B上连接有敏感负荷和一般负荷，根据用电负荷的不同需求情况，微电源安装在馈线上的不同位置，而没有集中安装在公共馈线处，这种接入形式可以减少线路损耗和提供馈线末端电压支撑。馈线C上接入一般负荷，没有安装专门的微电源，而直接由电网供电。每个微电源出口处都配有断路器，同时具备功率和电压控制器，在能量管理系统的控制下，调整各自功率输出以调节馈线潮流。当监测到大电网出现电压扰动等电能质量问题或供电中断时，隔离开关S1动作，微电网转入孤岛运行模式，以保证微电网内重要敏感负荷的不间断供电，同时各微电源在能量管理系统的的控制下，调整功率输出，保证微电网正常运行。对于馈线A、B、C上的一般负荷，系统则会根据微电网功率平衡的需求，将其切除。

2 负荷分类、要求及接入设备功能

2.1 负荷分类与要求

根据负荷对电力需求的特性可将负荷分为基本两大类[3]：

敏感负荷：对这一级负荷断电，将造成人身事故、设备损坏，将生产废品，使生产秩序

长期不能恢复，人民生活发生紊乱等。这是这是敏感负荷中的重要负荷。 由于供电中断会造成大量减产、人民生活会受到较大影响的用户负荷，这是敏感负荷中的比较重要的负荷。 一般负荷(非敏感负荷)：敏感负荷以外的属于一般负荷。可视为一个可控的负荷参与微电网的能量调度，并且在适当的时候(孤网模式时)可中断其供电，以此确保敏感负荷的正常供电。

要求：敏感负荷。保证不间断供电以及较高的供电质量。并由独立电源供电。

非敏感负荷对供电方式无特殊要求。

2.2 负荷接入设备功能

(1) 负荷通断控制

在正常情况下，敏感负荷与一般负荷均应正常供电，当微电网系统因事故出现功率缺额或运行在孤岛模式，应采取切断一般负荷，确保敏感负荷的正常供电。

(2) 负荷保护

具有自动跳闸和电动合闸功能，可切断故障电流，发挥保护作用。

(3) 微电网功率平衡控制-自动低频减载[4]

当微电网系统因事故出现功率缺额时，其频率将随之急剧下降，自动低频减载装置的任务是迅速断开相应数量的一般负荷，使系统频率在不低于某一允许值的情况下，达到有功功率的平衡，以确保微电网系统安全运行。

(4) 负荷监测

提供微电网线路负荷的实时数据包括负荷功率，线路电流情况。对所有线路进行监控，对大负荷及超负荷提供预警和报警信号。

3 微电源分类、特点、工作方式及接入设备功能

3.1 微电源分类与特点[5]

光伏电池无废气排放、无化石燃料消耗，采用与建筑物集成在一起的模块可联合生产低温热能为房间供暖。但输出的功率由光能决定，因此是断续的，不能与负荷完全匹配，因此常常需要蓄电池或其他辅助系统。一般光伏电池发电模块拥有最大功率点跟踪(MPPT)功能、电池板监测和保护功能、逆变并网等功能，以保证光伏电池能够可靠、安全地运行。

微型燃气轮机，具有体积小、质量轻、发电效率高、污染小、运行维护简单可以统一调度。微型燃气轮机模块具有气体温度、压力、流量测量、燃料供给、燃料注入控制、热量处理、转速监控，气体污染物监测、功率调节及并网等功能。具有电力电子转换和控制接口的微型燃气轮机可跟随电网的电压和频率变化，主要起负荷跟踪和削峰填谷的作用。它的另一个作用是完成基本的有功功率控制的同时，可调节系统输出的无功功率，实现电压调节和功率因数的调整。因此是目前最成熟、最具有商业竞争力的分布式电源之一。

3.2 微电源典型工作方式

(1) 光伏电池具有MPPT和定电压两种工作方式。

当工作在MPPT工作方式且无功功率可调时遵循Q-V下垂特性。

当工作在定电压工作方式时遵循P-f下垂特性。

(2) 微型燃气轮机可工作在功率可调的运行方式或定功率的运行方式。

当工作在功率可调的方式时遵循P-f下垂特性和Q-V下垂特性。在此工作方式下，微型燃气轮机可作为具有自适应调节功能的调节电源，快速跟踪负荷有功功率和无功功率的变化。

当工作在定功率的方式时按照设定值输出有功功率和无功功率。

3.3 微电源接入设备功能

由于光伏电池电压等级低，需采用DC-DC中的Boost电路升压至合适的电压等级，然后通过逆变把直流电变换为标准的交流电，供给负荷或并入电网。即经过DC-DC-AC变换接入微电网。并可根据系统稳定运行要求自动切换工作方式的功能。

微型燃气轮机为不稳定的交流电源，需要先变为直流电，然后通过逆变技术变成标准的交流电，供给负荷或并入电网，即经过AC-DC-AC变换接入微电网。并可根据系统稳定运行要求自动切换工作方式的功能。

3.4 微电源控制功能

微电源的基本控制由微电源控制器完成，主要功能包括微电源自身的调节功能即微电源机组工作方式的切换。能量调节功能包括有功/无功控制、电压/频率调节、孤岛模式下负荷分配/电压、频率调节等。

3.4.1 微电源工作方式的切换

根据微电网负荷用电需求并结合微电源控制策略切换微电源的工作方式。

(1) 对于光伏电池在MPPT和定电压模式之间切换。

(2) 微型燃气轮机可工作在定功率与功率可调的模式两种方式下。在功率可调时可工作低位运行和高位运行两种方式下。

(3) 储能装置根据蓄电池的荷电状况以及此时的负荷是需求，蓄电池可工作在充电模式与放电模式。

3.4.2 能量调节功能

(1) 有功功率调节

在并网运行模式时，系统的频率是固定，微电源发送分配好的有功功率，在孤网运行模式下，通过快速的电力电子装置，根据P-f下垂特性，调节微电源的输出有功功率使功率输出与负荷需求保持平衡。

(2) 无功功率调节

在并网运行模式下，能量控制器监测负荷和无功的变化，通过储能装置进行无功调节，并补偿无功，维持系统功率平衡。

在孤网运行模式下，应具备三个功能⑴根据预先设定的Q-V特性阻止末端电压偏压;⑵参与特定负荷线路的电压调整;⑶根据负荷设定的功率因数补偿无功。

电压调节：通过调节微电源电压的幅值，相角，与系统要求相匹配，而且负荷和微电网的功率因数可得到控制。

功率因数调节：当电动机启停时负载的功率因数是变化的，可以影响到微电网的电压稳定。通过调节微电源无功输出使负载的功率因数保持在预先设定的工作点。

对分布式电源的控制除了满足以上要求外，微电源自身还应具有以下功能：

(1) 通信功能

接受能量管理系统的调度，同时上传自身的各种状态信息。

(2) 辅助的电能质量改善功能

微电源在自身不对电网造成污染的前提下，能在一定程度上对电网进行谐波抑制和不平衡补偿等。

(3) 保护功能

微电网内部有数量众多的分布式电源，且它们之间的距离短，这就造成了短路电流的急剧增大，而传统的继电保护装置因时效性难以起到应有的保护作用，严重威胁了电力电子设备的安全，所以分布式电源自身必须具备各种可靠的保护功能(如过压、过流及故障等)。