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智能微电网的分散式流量控制
Jalpa Shah, Bruce F. Wollenberg, Life Fellow, IEEE, Ned Mohan, Fellow, IEEE
摘要
本文提出了智能微电网可通过电力电子变压器（PET）在公共耦合点（PCC）来增强电源管理。智能微电网是一套能够提供一组客户需求的可控负载和分布式能源（DER）。对于本文提出的微电网组件的分散控制策略，我们可以利用本地电网频率的变化，来控制微电网中的有功功率的生产和消费。在公用事业确定所需的有功功率值后，电力电子变压器（PET）允许在公共耦合点（PCC）将限制的有功功率输送至微电网。
通过对电力电子变压器（PET）的验证操作与应用的仿真得到了以下几点
- 对于微电网内的阶跃扰动，不会影响大电网中的频率。
- 突然减少并网发电，微电网会利用导致当地电网频率下降的一个信号来调节分布式能源（DERs）的发电。
- 当微电网中的负载的供应总功率减少时，一旦本地电网频率稳定，微电网中的可控负载能够调节自己的功率消耗来恢复正常运行状态。
- 可以实现从孤岛模式到电网连接模式的平滑过渡。
关键词：分布式能源资源，矩阵变换器，电力电子变压器，智能微电网。
1引言
根据[ 1 ]中，微电网是配电系统中的一部分，它是配电系统中的一个子部分。微电网[ 2 ] - [ 4 ]， 是一个当地化的由不同种类的分布式独立能源和负载进行通常的功能连接，并且与传统的电力系统配电网同步。类似于主电网，一个微电网可以独立的进行电能产生、分配和调节，并将所产生的功率输送给消费者。微电网可以彼此之间或者与主电网实现并网，来增加容量，提高可靠性和效率[5]。微电为客户提供各种各样的服务，例如住宅建筑、商业建筑和工业园区。它包含了几个基本的操作技术。这些技术包括分布式能源技术，互连开关技术，和控制系统技术[6]。其中分布式能源（DER）包括分布式发电（DG）和分布式存储（DS）两种具有不同功能和特征的单元。分布式发电（DG）是一种位于或靠近使用点的小能源（通常在不足几千瓦到几十兆瓦之间）单元。分布式发电（DG）技术通常包括光伏发电技术（PV），风力发电技术，燃料电池发电技术，微型燃气轮机发电技术和往复式内燃机搭配发电机发电技术[7] - [9]。但是由于这些能源中的某些不可调度的性质，增加了电源管理技术的难度。这些微来源[6]的频率响应是基于一种必不可少的而非常小的直接连接的旋转质量，如同飞轮通过一个转换器耦合储能。微型燃气轮机和燃料电池具有对控制信号响应速度慢，并且惯性小的特点。为了计算负载变化时的系统响应，这些微源的惯性将由与分布式发电技术相关的电力电子接口确定，将能量转换成电网兼容交流电源。
微电网通常在并网模式下通过在一个公共耦合点以60赫兹的变电站变压器进行操作。但是，它也有望从配电网系统断开后，保持可操作性，作为一个自主（岛）实体提供足够的发电量，控制和操作策略，来供应一部分负载。在微电网的并网模式中，系统通过控制分布式电源来提供一个预先设置的有功功率值。即电力系统中电网提供的电源（由分布式电源生成有功功率）和需求（负载有功功率）的差[3]，[4]。在微电网的负载突然变化时，在公共耦合点（PCC）的有功潮流变化很大，然而当电力系统电网的运行在高峰负荷时，这种情况是不允许发生的。
图1.1[10]，[11]展示了微电网与电力电子变压器电网在公共耦合点（PCC）的一个三相交流输电和配电系统单线图。
图1.1三相输配电系统
在该拓扑中，用电力电子变压器（PET）代替常规的60Hz变压器。在如图1.2中[10]所示的电力电子变压器（PET），它包括了高频变压器的降压、隔离和两个三相到单相的矩阵变换器[12] - [15]。
图1.2电力电子变压器
当电力电子变压器（PET）确保在电力系统电网只有有功功率的效用值时，只提供给微电网。这导致了微电网内的频率下降而电力系统电网的频率不会受到影响。这个信息可以在本地由分布式能源发电（DG）单元和微电网中可控负载来感测负荷需求，并且根据负荷需求以及允许部分过负荷需求来进行动态控制。在使用电力电子变压器（PET）的情况下，在电力电子变压器的任一侧上的两个三相交流系统的电网频率是可以是不同的。因此，不需要达到电网频率同步就可以实现从孤岛模式到并网模式的平滑过渡。这使得微电网在市场策略和管制方面更加自由[16]，[17]。
本文对几例特定的微电网进行研究模拟仿真，通过获得的结果来验证电力电子变压器的操作和要求是否达到。微电网的研究对象包括可调度和不可调度的分布式能源，其中分布式能源又分为可控和不可控负荷分布式能源。关于各种情况下的模拟结果表示，在电网电力突然减少时分别对分布式能源发电单元和负载的发出功率和消耗进行调节，直到微电网的频率稳定。这也验证了电网不受公共耦合点有功功率变化的影响。本课题的模拟均是在MATLAB/SIMULINK中进行的。
第二章 潮流控制
潮流控制[18]，[19]的要求应该保证它的可靠性，提供经济的运行方式，使用最佳的发电方案，能够达到低成本发电，同时确保电力终端用户不受影响。有功功率和无功功率的控制对电力系统的性能是至关重要的。因此，频率应保持几乎恒定[ 19 ]。微电网可以通过控制发电量，匹配负载需求从而顺利运行。由于在微电网中存在可控负载，因此允许控制小部分负载，从而保持关键负载的操作运行，而不用完全关闭电源的任何特定的负载。供电质量由恒定频率和电压确定。这确保了异步电动机和同步电动机的转速恒定。系统的频率取决于有功功率平衡。由于频率是整个系统的共同所拥有的因素，因此在一个点上的有功功率需求的变化会引起反映整个系统的频率变化。发电和频率可以通过负荷频率进行控制（LFC），而达到最佳的发电运行状态的操作由自动发电控制（AGC）来实现。每个分布式发电电源（DG）上的调速器主要提供调速功能，而且辅助控制分配发电。
当有一个负载发生变化时，发电机的电矩输出量会立即随之变化。这反过来又说明了速度的变化由运动方程确定。另一方面，电力系统负载是由各种电气设备组合而成的。对于电阻性负载，如照明灯，电功率与频率无关。在电机的负载是风扇时，由于电机转速会随着频率的变化而变化，因此风扇的电功率也将随频率的变化而变化。
图2.1示出了由多个分布式能源（包括可调度和不可调度）和负载（可控和不可控）组成的一个微电网的功率的潮流控制。
图2.1功率潮流控制图
电力电子变压器允许在一个公共耦合点中从主电网输送一定量的有功功率到微电网中。动态设置是由实用的程序所设定的。微电网内的分布式电源将提供总的机械功率（）来自于分布式电源中可调度单元，而来自于分布式电源中不可调度的单元（）。因此，当原动机有效功率中的机械动力时，微电网中总控制阀会产生出：
（1）
类似的，总的负荷消耗可以表示为：。其中是总负载需求中的可控负载，是总负载需求中的不可控负载（）。总的负载变化可以表示为：
（2）
分布式能源发电单位需要在微电网中匹配负载的需求，因此在任何时候负载或电网供电突然发生变化时，方程（3）应满足：
（3）
微电网中的负载需求将由微电网中的分布式能源的有功功率发电和电力系统电网一起提供。由于公共耦合点存在着功率潮流的限制，分布式电源需要调节本身的发电，同时负荷也要调整消耗。电力系统对于负载变化的响应是由它的惯性常数（M）和阻尼常数（D）来决定的 [18]，[ 19 ]。阻尼常数D通常被表示为负载频率的百分比的变化。在这里，对于微电网来说，他是由以分布式能源与负载为基础的电力电子技术组成的。所有发电机组对于负载变化，是以一个等效惯性常数M来表示的。类似地，系统负载的影响被集中到一个单一的阻尼常数D.由公用事业决定的动态极限PGrid在突然变化时，如果有功功率也不匹配就会改变微电网的频率。由负载频率控制（LFC）和自动发电控制（AGC）的局部控制感测，来分别调节分布式能源单元以及可控负载单位的产生和消耗。对于分布式能源来说，它有着下降的调速特性，当负载发生变化时，他们将共享一个独特的频率。当负荷增加导致机组减速时，调速器会增加输出，直至他们达到一个新的共同工作频率。每一个单元的负载量取决于其下降特性。系统是通过自动发电控制（AGC）恢复其标准频率的。如图3所示，等效的分布式能源（DG）的负载 - 频率特性[18]，[19]是下降特性，等效的可控负载也有类似的调速特性。
图2.2 分布式能源单位和可控负荷的负荷-频率特性
最初，当额定频率为时分布式能源（DG）产生的机械功率为（点a）。当电网供电突然降低时，微电网的有功功率潮流不匹配会由当地电网频率的变化反映出来。分布式能源单位需要由调节其产生来适应负荷的变化。对于一个可控制的负载，其最初的额定功率消耗为，此时频率为（b点），当接收到频率下降的反馈信号时，功率消耗会下降。在稳定状态下，分布式能源单位运行在点，负载会返回到其初始运行状态b点。在分析过程中，我们对在系统中的所有发电机的集体表现进行了研究。一个电力系统的功率/频率复合特性取决于所有发电机下降的调速特性的组合效果和系统中的所有的负载的频率特性。
第三章 模拟仿真结果
整个系统是模拟在MATLAB / Simulink的。模拟分析案例[11]，考虑了微网仅具有两个可调度或不可调度的分布式发电机（如图3.1）此外，它由两个可控以及不可控负载组成。
图3.1 微电网模型的模拟研究
一个3oslash;，30千瓦的微型燃气轮机，由具有系统惯性构成的电力电子装置组成。它是一个可调度分配单元，可以提供辅助控制（LFC和AGC）。而一个3oslash;，15千瓦的风力涡轮机是一个不可调度分配的单元，因此它是基于最大功率跟踪的概念来提取最大功率的。而生活中，居民生活用电是不可预测的，而商业大厦的用电是可预测的。
对于造型简单的动态响应的分布式能源（DG）单元，例如一个非再热汽轮机，它的动态响应可近似的看作是由一个单一的时间滞后给出（约100弧度），调速器响应也是由一个单一的时间滞后给出（约100弧度）。这两个分布式能源单元的调节常数分别是0.05和0.167。而典型的阻尼常数D值为1~2%。在这里，取D =0.75，对于系统的等效惯性常数是5.3。对四种情况进行了研究，模拟结果如下：
情形1：只有可调度的分布式发电能源和不可控负载的微电网。在电网发生阶跃变化时，增加微电网的发电来平衡负荷需求的直到微电网内系统频率返回到初始值。如图3.2显示：
图3.2 电网的电源和负载发生阶跃变化时的频率调节
在时刻t=0的时流过公共耦合点（PCC）的功率减少了1％，会导致分布式能源1和2增加发电量。在时刻t = 80 时，电源恢复之前的供电量时，分布式能源单位减少发电量。图3.3验证了在所有时刻系统的供需平衡。
图3.3 案例1的供需平衡
案例2：在t=0时刻，电网系统中的可控负载的功率改变，在初始时，功率消耗降低，系统频率下降，此刻，对初始条件下的负荷进行操作，直到系统频率稳定到初始值。如图3.4所示，分布式能源单位提供了变化所需的功率。
图3.4电网中的电源和负载阶跃变化时，分布式能源和可控负载的频率调节。
图3.5 功率的供需平衡
案例3：类似于案例2，系统对几个瞬间的干扰进行了研究。在t=0和t=50时，负载收到扰动，公共电源频率将在t=0时下降，并在t=80时恢复到初始值。如图3.6所示，可控负载在每个时刻收到扰动后，都可以恢复并稳定运行在初始状态。
图3.6 电网中电源和频率发生阶跃扰动时的分布式能源和可控负荷的频率调节
图3.7 案例3的功率供需平衡
案例4：对不可调度的分布式能源单位（例如风力涡轮机）发电容量变化了最大值的5%时进行研究。当总功率在t=0时刻下降时，需要由可控负载降低其功率消耗。同时整个系统在t=80时达到正常条件，电网电源恢复正常值，并且没有负载扰动存在。图3.8提供了上述条件下的功率供需平衡。
图3.8 电网电源和平率收到扰动时，发电量有限的分布式能源单位的平率调整
图3.9 案例4中的功率供需平衡
第4章 结论
微电网通常利用分散控制策略来对电网频率变化进行参数控制。该策略使我们能够实现对有功功率进行更自由的进行控制。实现了不需要电网频率同步就可从孤岛模式到电网运行模式的平滑过渡。同时，在公共耦合点（PCC）的双向有功功率潮流控制能力，增强了微电网中的电源能量管理系统的并网运行能力。本文的主要目标是调节系统频率，使其达到标准值。并且通过分布式能源单位的发电和负载功率消耗的调度管理来，实现其模拟仿真。有功功率潮流的控制通常在公共耦合点（PCC）进行，公用事业用电决定了电网电源向微电网供电的动态极限。
第五章 参考文献
1.Katiraei,F.;Iravani,R.;Hatziargyriou,N.;Dimeas,A.;'Microgrids management,'Power and Energy Magazine,IEEE,vol.6,no.3, pp.5465,May-June 2008
2.Lasseter,R.H.;Paigi,P.,'Microgri
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