智能建筑微电网的结构和控制策略分析

2015-03-12朱德志胡春花王红林欧阳菲菲陈戎军

常州工学院学报 2015年5期

朱德志，胡春花，王红林，欧阳菲菲，徐峰，陈戎军

(镇江市高等专科学校电气与信息工程学院，江苏镇江 212000)

目前随着能源危机的加剧和环境保护的需要，新能源的利用和建筑节能的要求紧迫，国家倡导利用新能源(光伏、风能、生物质能)建设分布式发电［1］作为电网的补充，随着能源管理要求及水平的提高，智能微电网技术也在不断研发和推进中。分布式发电与智能建筑微网技术及交直流混合供电技术结合是笔者研究的主要方向。

智能微电网的概念是为了解决能源危机和电网可靠性问题而提出的。智能微电网是一种由负载和微型电源共同组成的系统，其内部主要由电力电子器件负责能量转换，并提供必要的控制，满足用户对电能质量和供电安全的要求［2］。

分布式发电主要是利用功率不大但靠近用电负荷的太阳能发电、风能发电、沼气发电、天然气发电、潮汐能发电等新能源可靠、高效、经济地发电。在城市建筑物里主要是运用太阳能发电、风能发电、天然气发电技术［3－4］。由于就近解决了全部或部分的建筑物能源问题，可以降低线路负荷、减少线路损耗和调峰填谷，提高了电网安全性和用户的经济性，同时清洁环保的新能源的广泛使用对大气环境改善有着非常重大的意义。

本文提出的智能建筑微电网就是结合智能微电网和分布式发电的建筑物智能用电的应用。

1 智能建筑微电网的控制策略

1.1 并网运行模式控制

当系统运行于并网状态时，由于逆变器采用了电压型逆变器，并网发电系统采用了电压源输入和电流源输出的结构，这样并网发电系统与电网之间就是交流电流源和电压源的并联。光伏逆变器输出电压的幅值可自动钳位为电网电压。

当并网系统的控制部分提供了电流参考值后就通过PWM控制方式使并网系统发出的电流能够跟踪参考电流。

智能微电网输出复功率为

式中:U1表示微电网电压向量的有效值;U2表示主电网电压向量的有效值。

对于低压为主的微电网，系统阻抗远大于感抗，即

有功功率取决于电压差U1－U2，无功功率取决于功率角δ和频率f，所以并网系统控制中需要采用有功-电压(P-V)控制和无功-频率(Q-f)控制实现有功和无功的解耦控制。微电网到主电网的功率传输关系如图1所示。

1 智能建筑微电网与主电网的传输关系图

1.2 独立运行模式控制

微电网独立运行模式下，微电网与主电网断开，微电网内部要保持电压和频率额定值，需要以几个分布式电源或储能电源中的一个来提供电压和频率，这种模式为主从模式。提供电压和频率的电源为主电源，其他电源为从电源。主电源采用V-f控制方法，输出额定电压和频率值;其他从电源根据需要采取P-Q或者P-V控制，控制输出功率来维持微电网内部的功率平衡。

Q-f下垂特性见图2，P-V下垂特性见图3。

图2 Q-f下垂特性

图3 P-V下垂特性

2 智能建筑微电网的架构和功能

分布式电源相对大电网来说，是一个不可控的电源。大电网不得不采取限制、隔离的方式来处理分布电源，以减少分布式电源对大电网的冲击［5］。对于建筑物来说，如果按照发电厂并网标准设计分布式电源并网成本是非常高的。分布式能源接入电网的成本高和控制难是在智能电网设计中需要首要考虑的问题。

结合分布式发电的智能建筑微电网，设计所要达到的功能概括如下。

1)分布式发电电能首先满足建筑内部负载使用，余电并入主电网。

2)主电网故障或其他原因失电时，迅速切断建筑内部电网与主电网的联系，同时建筑内部电网确保在分布式电源内部储能支持下不失电，最大化确保建筑用电安全。

3)主电网恢复正常供电时，及时恢复建筑内部电网与主电网的并联运行。

4)智能建筑微电网能源管理中心能够使主电网、分布式发电系统和智能建筑微电网负载相互协调。智能建筑微电网能够记录电网参数和操作记录，为今后调整控制参数和进行科学研究提供科学依据。按照功能需求提出了本智能建筑微电网结构，系统结构图如图4所示。

智能建筑微电网有2种运行模式［6］。

1)并网运行模式主电网正常情况下运行于并网运行模式，智能建筑微电网和主电网并网运行，实现功率的双向流通，实现智能电网的自发自用、余电上网功能。智能建筑微电网的能源控制核心(以下简称EMC)实时监控电网健康状态，提前判断和发现主电网存在的问题，预前对主电网和建筑智能微电网并联和分离进行操作，确保建筑智能微电网的不断电运行。

2)独立运行模式主电网故障或其他原因断电时，智能建筑微电网与主电网自动解列，智能微电网进入独立运行状态。EMC启动储能对微电网供电，同时根据分布式发电的情况和储能情况对负荷进行严格管理，切断或保留可中断负荷，调节敏感负荷和确保重要负荷。

图4 智能建筑微电网系统结构图

2种运行模式的切换过程如图5所示。

图5 运行模式切换图

EMC负责对所有电量参数的监视以及对系统所有设备的控制。MC1～MC3为分布式电源监视监控器，为EMC提供分布式发电监控参数同时受控于EMC。MC4～MC6为三类负荷的监控器，为EMC提供负荷用电参数的同时受控于EMC。

智能电网专用逆变器和双向逆变器的工作状态以及投入、切断时间受控于EMC。KM1主开关的工作状态受控于EMC。

3 智能建筑微电网的技术难点

目前微型燃气轮机在国内应用很少，风力分布电源发电不太稳定，但光伏分布电源已经被很多用户所接受。因此，本文仅讨论以光伏发电作为分布式电源的智能建筑微电网运行控制策略。

系统的安全和稳定性是首要需要确保的问题。本系统的控制要点就是要求AC母线在任何状态下都不失电。

传统并网逆变器都必须具有防孤岛效应保护、过流保护、过欠压保护、过欠频保护、恢复并网保护等保护功能。参考合肥阳光并网逆变器的试验报告，防孤岛效应保护切断时间大概在0.64 s内，过流保护切断时间为0.05 s，最大过欠压保护跳闸时间为0.4 s，过欠频保护时间为0.05 s，电网恢复正常后逆变器正常投入时间5 min。

依靠传统的并网逆变器系统实现的技术难点说明如下。

1)当光伏系统处于发电状态而主电网电源失电时，如使用传统并网逆变器作为分布式发电逆变器，则在主电网失电后逆变器会立即停止逆变，双向逆变器无法立即转换为逆变状态，此时微电网失去了市电和光伏的电力支持会导致失电的后果。

2)传统并网逆变器采用电压/电流的结构，如果主电网失电则失去逆变参考电压，无法进行离网状态的逆变。

3)当光伏系统处于停止发电状态而主电网电源失电时，双向逆变器无法立即转换为逆变状态，导致微电网崩溃。

4 技术分析

所研究的智能建筑微电网分布式发电使用专用智能微电网专用逆变器，该逆变器具备迅速无缝地在并网运行和离网运行2种模式之间自动切换的功能，尤其在并网运行状态下的逆变器能在电网失电时立即切断微电网与主电网的联系同时转换为离网运行工作状态确保AC母线不失电。在主电网恢复供电时自动转换为并网模式。

双向逆变器和MC1～MC6受控于EMC管理。MC1～MC6的动作时间小于0.2 s。这样才能确保AC母线无论主电网状态如何均不失电。

EMC 通过 MC1、MC2、MC3监控分布式电源的发电情况，通过 MC4、MC5、MC6监控负载情况，通过MC7监控主电网情况。EMC依靠获取的参数进行实时计算，确定如何进行相应操作。

EMC可以从原建筑物有智能管理平台接口获取建筑内部电网和建筑物各负荷运行动态参数，也可以从单独装设的传感器获取建筑内部电网和建筑物各负荷运行动态参数。

目前国内微型燃气轮机应用较少，图1系统中的分布式发电电源只考虑光伏发电和风能发电，工作情况具体分析如下。

1)EMC实时检测主电网工作数据、分布式发电发电参数、负荷用电参数以及上网电量参数，EMC采用独立于逆变器之外的防孤岛效应保护电路监测主电网。

2)当分布式发电正常工作并有一定电能输出时，EMS检测到主电网失电或电能质量劣化到会引起负载故障状态预前切断主电网与微电网并联开关KM1，KM1切断后智能微网专用逆变器立即转变为离网工作模式，调整双向逆变器工作在逆变状态，此时2台逆变器相互间锁频和锁相运行。EMC根据分布式发电和储能电量情况对负荷进行投切，确保重要负荷的正常工作。此时系统进入离网运行模式。

当夜间光伏系统停止发电时，依靠双向逆变器对AC母线供电，满足夜间负荷运行需要。

3)当主电网恢复供电后，EMC调整双向逆变器为整流状态(由电网向蓄电池充电)，同时将智能微电网专用逆变器调整为向主电网锁相和锁频，最后闭合KM1开关，系统进入并网运行模式。