分布式电源与微网互联通用接口单元_邹三红

分布式电源与微网互联通用接口单元 邹三红1, 2 , 裴 玮2, 齐智平2 ( 1. 中国科学院研究生院, 北京市 100190; 2. 中国科学院电工研究所, 北京市 100190) 摘要: 研究设计了一种通用的分布式发电单元与微网互联接口单元, 将分布式电源与微网互联接 口分成功率接口和信息接口 2个部分,分析并阐述了这 2个接口的作用与设计方法,提出了即插即 用的分布式电源与微网互联接口模型。针对微网运行需求,分析了互联模型的 5种运行模式,并通 过设计的互联接口单元对运行模式及其切换进行了实际测试。结果明所设计的模块化互联接口 模型具有可扩展、技术独立的特点,能灵活地满足不同分布式发电单元与微网互联的要求, 很大程 度上提高了分布式电源与微网互联的标准性、灵活性。 关键词: 分布式电源; 微网; 模块化; 信息接口; 功率接口; 即插即用 收稿日期: 2009-08-27; 修回日期: 2009-11-09。 国家自然科学基金资助项目( 50777059) ;国家高技术研究发 展计划( 863 计划)资助项目( 2007AA05Z242)。 0 引言 分布式发电技术是未来世界能源技术发展的重 要方向之一,具有能源利用率高、环境负面影响小、 可提高能源供应可靠性等优势。美国电气可靠性技 术解决协会 ( The Conso rtium for Elect ric Reliability T echno logy Solut ions, CERT S) 提出了 一种能更好地发挥分布式发电潜能的一种组织形 式 ) ) ) 微网[ 1-3]。微网从某些方面可定义为一组负 荷和微能源的集合,是一种整合分布式发电的全新 方案,以单个系统方式运行,提供给用户优质电力, 是新型电力电子技术和分布式发电、可再生能源发 电技术与储能技术的综合。它将燃气轮机、风力发 电、光伏发电、燃料电池、储能设备等并在一起,直接 接在用户侧,是一个模块化的整体。 目前分布式发电通常都是直接并网,但是随着 IEEE 15471 4等标准的发布, 其已覆盖微网以及分 布式电源的主动孤岛(既包括分布式电源本地主动 孤岛,也包括微网及含分布式电源的区域电网主动 孤岛 )。为适应分布式发电以及微网的发展, Capstone和 SMA等厂家也提出了采用外加控制柜 实现微网并网/独立运行双模式切换 [ 4]。但是这些 接口提供的硬件结构、数据量、控制方式等不尽相 同,因此随着未来电源的多样化,分布式电源并网接 口必然需要实现通用化和标准化,这不但有利于分 布式发电以及微网的推广, 并且可以避免电源厂家 不正确的运行方式, 有利于即插即用等功能的实现, 提高系统可靠性。 本文针对分布式电源接入微网后的系统运行特 性,研究微网运行,将接口从系统中分离出来,使其 成为一个独立于微网与分布式电源的个体,并分为 功率接口与信息接口 2 部分, 提出了互联模型的 5种运行模式, 设计了分布式电源与微网互联标准 接口模型,并利用设计出的通用接口对系统运行模 式控制和无缝切换控制等技术进行了实验。 1 分布式电源与微网互联接口设计 11 1 微网运行需求分析与方案设计 在目前的分布式发电设备设计中, 分布式电源 与电网的互联接口作为分布式发电设备的一部分, 各厂家根据自身产品定制, 提供有限的信息和操作。 但是对于微网来说,对其内部的分布式发电单 元的管理要求更高,主要体现在以下几点: 1)分布式发电单元需要做到即插即用。由于某 些可再生能源发电本身存在间歇性等特性,如光伏 发电、风力发电等,使得分布式电源有可能需要频繁 地并入和切离微网系统,这需要类似于计算机串口、 并口和 U SB 口等标准化的接口以及类似于计算机 基本输入输出系统( BIOS )的微网中央管理单元配 合实现[ 5-6] 。 2)需要将分布式电源纳入统一的调度管理。正 常情况下,分布式电源需要在能量管理系统或本地 控制下调整各自功率输出,以维持微网运行的稳定 性、经济性等。此外,当整个系统完全断供时,需要 分布式发电单元辅助微网进行黑启动, 为重要负荷 供电。 3)系统对重要负荷的供电模式需满足无缝切换 的要求。考虑到功率平衡原则、分布式电源产权关 )91) 第 34 卷 第 3 期 2010 年 2 月 10 日 Vo l. 34 No. 3 Feb. 10, 2010 系、电气分布、地理位置及调度管辖范围等因素, 可 将微网独立运行划分为 2级 ) ) ) 单元孤岛和整体独 立运行。单元孤岛是指当微网无法维持正常独立运 行等情况时,需要将整个系统解列,分布式电源为重 要负荷一对一单独供电。因此, 在很多场合需要实 现单元孤岛无缝切换, 以确保网内重要敏感负荷的 供电不受影响, 即在逆变器持续不断工作的同时, 通 过其控制方法和网络结构等方面的调整来保证网内 电压的连续平稳过渡 [ 7-9]。 传统的分布式电源与电网的互联接口在微网环 境下难以实现整个系统的统一管理,也无法满足微 网系统对分布式电源灵活控制和保护的要求。但 是,目前对于分布式发电与微网互联还没有出台具 体统一的标准, 针对分布式发电的 IEEE P1547 标 准中也没有专门针对微网制定接口的标准, 并 且由于各国国情、法律、技术等种种因素的制约, 使 得具体标准很难统一 [ 10-12]。 为使互联接口设备既符合现有互联标准的一般 需求,又能尽量提高适应具体条件和需求的灵活性, 本文提出了一种灵活可靠的分布式电源与微网互联 方案,将互联接口从各个分布式电源中分离出来, 作 为一个独立于微网与分布式电源的即插即用单元, 大大提高了对微网系统进行统一管理的便利性, 并 可以通过在接口单元中设计控制功能, 对系统进行 灵活的控制和保护。整体规划如图 1所示。 图 1 互联接口设计整体规划 Fig. 1 Overall design plan of interconnection interface 接口可以采用现有产品和元件(如开关和断路 器等) ,都可由现有设备供应商提供。分布式发电装 置与微网之间的接口独立于分布式电源和微网, 其 可以分为功率接口和信息接口 2 部分。其中: 功率 接口与微网线路直接相连; 信息接口则是与微网的 中心管理单元通过通信方式相连,也就是分布式电 源的管理终端。 图 2为多分布式电源通过互联接口接入微网的 连接图。微网中含多个分布式电源时, 互联接口的 电力电子开关与信息接口共同实现即插即用特性, 使得各分布式电源并入与切离微网系统变得非常便 利。同时,各个互联接口的信息接口部分通过微网 系统中央管理单元进行通信,实现对各分布式电源 并网、切除、发电调度、故障检测等的统一管理, 协调 整个微网的运行, 并能够在完全断供情况下辅助微 网进行黑启动。各重要负荷通过互联接口的功率接 口接入系统,微网和分布式电源运行正常时,两者同 时对重要负荷供电,任一方发生故障情况下,都能确 保重要负荷的供电不受影响,实现其供电模式的无 缝切换。 图 2 含多个分布式电源的微网连接示意图 Fig. 2 Microgrid connection with multiple sources 11 2 功率接口 功率接口是用来连接/断开分布式发电单元与 微网,并为线路电量测量提供接口的硬件接口, 一般 由线路开关和电量传感器(用于为系统监控提供电 压/电流信号)组成。功率接口是互联接口的基础部 分,在本文的互联接口单元设计中,功率接口可以是 单相二/三线或者三相三/四线, 接线方式决定着电 缆/电线和传感器的数目,也决定着断路器和感应器 的等级。接口设计如图 3所示。 图 3 功率接口设计 Fig. 3 Power interface 该接口包括手动开关、断路器、控制接触器、电 压/电流测量等部分。除了功率部分外,接口还包括 2类信息: 一类是传感器测量的电压/电流信号以及 )92) 2010, 34( 3) 断路器状态,上送至信息接口;另一类是信息接口发 出的控制信号, 控制并网接触器。为了对负载提供 高质量的供电电源,并提高微网故障时保护的反应 速度,设计中采用快速静态开关晶闸管 ) ) ) 可控硅 整流器( SCR)代替普通的机械开关,其关断时间短、 通过电流大、价格低。开关 1 和开关 2主要用于电 力电子开关故障时将其彻底与线路隔离, 旁路开关 供电力电子开关检修时备用, 电流传感器和电压传 感器供测量线路实时电量使用。 11 3 信息接口 信息接口比功率接口复杂,是互联单元的核心, 主要包括 3种信息: 采集电压、电流和其他参数的测 量信息;发送/接收输入/输出信号的控制信号;分布 式电源和微网的信息。 为了提高接口使用的灵活性和功能可扩展性, 并结合实际应用要求, 设计中采用高级精简指令集 计算机( RISC)微处理器( ARM )管理终端对功率接 口传送来的信息进行处理,并为系统提供控制功能。 ARM 的数据处理能力能满足系统要求, 同时, 控制 性能强, 通信接口丰富, 具有以太网、CAN、RS-485 多种通信接口,外围硬件方面还配置有 USB 接口、 液晶显示器( LCD)、键盘接口、网口,非常便于系统 性能的扩展。软件方面配置有经裁减的嵌入式操作 系统,并提供集成开发环境,利于进行工业级的应用 程序开发。此外, 随着 ARM 技术及工业应用的快 速发展,其应用开发成本不断下降[ 13-15]。综合以上 优势,本文的信息接口设计中采用 ARM 作为管理 终端,具体设计如图 4所示。 图 4 信息接口设计 Fig. 4 Information interface 信息接口包括输入信息和输出信息两大类信 息。输入信息包括:来自功率接口的传感器信号与 开关状态信号; 来自本地分布式电源和其他设备(如 电力系统操作设备、企业能量管理系统、其他分布式 电源)的通信信号; 从键盘上输入的手动控制命令。 输出信息包括:发送到开关连接/断开设备的控制信 号;发送到分布式电源(开关开/合信号、功率命令 等)和微网的通信信号(功率输入/输出数据等) ; 显 示面板上的监视信号, 如功率、能量、谐波等。 2 分布式电源与微网互联运行模式分析 信息接口收集从功率接口传输来的信息量,对 负荷供电模式进行实时调节控制, 切换不同的系统 运行模式。根据接口设计中开关的作用, 将电力电 子开关及其旁路开关看做一个开关, 为了便于分析 系统运行状态,将接口中的开关简化为 3个,如图 4 所示。根据微网实际运行需求分析, 接口运行模式 主要有以下 5种: 1)模式 1: 微网与分布式电源共同对负荷供电。 2)模式 2: 微网直接对负荷供电。 3)模式 3: 分布式电源单独对负荷供电。 4)模式 4: 微网与分布式电源都断开。 5)模式 5: 分布式电源与微网连接但不对负荷 供电。 各种模式之间的转换关系如图 5所示。 图 5 开关状态转换示意图 Fig. 5 Switches state transition 模式 1是微网与分布式电源运行状况均良好 时,两者共同对负载供电的模式;模式 2是分布式电 源出现故障或检修时, 由微网直接对负载供电的模 式;模式 3是微网出现故障或检修等情况时,由分布 式电源直接对负载供电的模式; 模式 4 是微网与分 布式电源都出现故障或检修时, 停止对负载供电的 模式;模式 5是微网无法自启动时,由分布式电源为 其提供启动能量进行系统黑启动的模式。 接口互联单元的功能模块通过 ARM 编程实 现。这些功能模块主要有: 1)频率、电量等的数据计算、显示、传输。 2)继电保护:如欠压保护、过压保护、过频率保 )93) # 绿色电力自动化# 邹三红,等 分布式电源与微网互联通用接口单元 护、低频率保护等。 3)同步:将测得的微网电压和频率与分布式电 源输出电压和频率进行比较, 当微网与分布式电源 的电压和频率分别足够接近时, 模块将对互联单元 载流设备发出合闸命令。如果电压和频率相差大、 无法并网时,互联单元便将微网的电压和频率信号 发送给分布式电源,分布式电源据此对本身电压和 频率进行调节, 以使电压和频率达到并网要求。 4)反孤岛: 是互联单元的一个特殊功能, 需要与 分布式电源控制单元进行协调与通信。 5)控制:如控制功率因数以提高电压调节性能。 这种控制需要通过本地和远程通信进行调节。 6)能量管理:调节分布式电源基于日能量率的 尖峰抑制或基础负荷。 7)电能质量:对分布式电源并入微网的公共耦 合点的电能质量(如谐波直流注入)等进行分析, 如 果电能质量没有达到标准的要求,互联单元将发出 断开分布式电源连接的命令。 以上各种控制、保护、管理功能需根据系统要求 具体分析和选择, 目前本文设计的接口可以在 20 ms周期内对数据进行分析和处理, 并根据情况 对开关和分布式电源进行控制, 能够满足目前微网 运行的需求。但在需要更加实时计算、分析和控制 的情况下, 可以通过增加一块数字信号处理器 ( DSP)来完成,在这种情况下, DSP 主要用于对数据 进行快速采集和处理, 而 ARM 主要用于系统的控 制、保护、管理等。 以上设计的互联接口, 也可扩展到系统中无重 要负载或系统中有多个分布式发电单元的情况。系 统中无重要负载的情况可看做以上 5种运行模式中 的模式 5。当系统中有多个分布式电源时, 只需将 功率接口部分作小部分扩展即可,信息接口部分的 功能修改则要根据系统运行模式进行适当扩展。 图 6为示范项目所设计的扩展接口功率部分。 图 6 示范项目设计接口接线 Fig. 6 Demonstration project. s interface 3 实验 本文设计的互联接口单元可使分布式电源实现 即插即用的功能。当分布式发电单元并网合闸时, 首先与微网中央管理单元通信,在其同意并网后, 修 改中央管理单元配置信息,建立该分布式发电与管 理单元通信链路,将相关指令下达至发电单元。三 相负载电压和并网电流波形如图 7所示。 图 7 并网实验波形 Fig. 7 Grid-connected test waveform 图 7 中高电平脉冲代表 SCR导通时刻。由实 验波形可以看出, 使用标准接口将分布式电源接入 微网,当接口开关状态由模式 3转换为模式 1,即负 荷由分布式发电单元独立供电转换为由微网及分布 式发电单元共同供电时, 三相负载电压在时间上保 持了很好的连续性,并网电流很快进入稳定状态,有 效地实现了分布式发电单元的即插即用。 图 8为通过控制互联接口将分布式发电单元从 联网状态切换至独立运行的实验波形。 图 8 切换至独立运行时的波形 Fig. 8 Waveforms of distributed generation from grid-connected mode to island mode 关断点为撤去 SCR 触发脉冲的时刻。从图 8 中可以看出,强制关断策略下三相并网电流在 2 ms 内就全部降低到 0, 分布式电源随后就立即转入孤 岛运行模式。而三相负载电压在时间上保持了不间 断,且其幅值只是在 SCR关断的时间内有所畸变, 不过很快又恢复正常, 同时其相位与并网时保持一 致,确保了重要敏感负荷的正常供电。 4 结语 本文针对分布式电源与微网互联进行了研究讨 )94) 2010, 34( 3) 论,提出了一种可靠的分布式电源与微网互联的标 准解决方案,将分布式电源与微网互联接口分成功 率接口与信息接口 2 个部分, 设计了适用于即插即 用的分布式电源与微网互联模型。针对微网运行需 求,提出了互联模型的 5种运行模式及其相互转换 关系,通过设计的互联接口单元对运行模式及其切 换进行了实际测试工作。表明所设计的模块化互联 模型具有即插即用、可扩展、技术独立的特点, 能灵 活地满足不同分布式发电单元与微网互联的要求。 参 考 文 献 [ 1] LASSETER R H, Microgrids dist rib uted pow er generat ion/ / Proceedings of 2001 IEEE Pow er Engin eering Society Win ter Meet ing: Vol 1, January 28-Feb ruary 1, 2001, Columbus, OH, USA: 146-149. 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Measur ement and C on t rol T echnology, 2002, 21(8) : 47- 48. 邹三红 ( 1981) ) , 女, 通信作者 ,硕士研究生,主要研究 方向: 微型电网通信管理结构与策略。E-mail: zousanhong @ mail. iee. ac. cn 裴 玮( 1982 ) ) ,男 ,博士,助理研究员,主要研究方向: 含分布式能源的电力系统分析和微网运行控制。 齐智平( 1958 ) ) ,女 ,研究员, 博士生导师,所长助理, 分 布式电力与储能技术研究组主任, 主要研究方向:分布式储 能与控制。 Common Interface for Interconnection Between Distributed Generation and Microgrid ZOU Sanhong , P EI Wei , QI Zhip ing ( Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China) Abstract: T his paper st udies and designs a common inter connection interface betw een dist ributed generation and micro gr id. The interface is divided into tw o parts: info rmation inter face and pow er interface. T he functions and design methods of the two par ts are analyzed. The plug and play int erconnection interface between distributed generation and micr og rid is presented. Based on the r equirements for micr og rid oper ation, fiv e operational modes of the interconnect ion models a re studied. The designed interconnect ion unit is used to test the differ ent operat ional modes and switching fr om one mode to ano ther. These tests also show that the modular design o f the inter connection interface model is scalable, techno lo gy independent and flexible to meet t he needs of inter connection betw een different distributed generation units and micr og rid. This w ork is suppo rted by Nat ional Natural Science Foundation o f China ( No . 50777059 ) and the Nat ional H igh Technolog y Research and Development Prog ram of China ( 863 Prog ram) ( No. 2007AA05Z242) . Key words: distr ibut ed generat ion; microg rid; modular; information inter face; power interface; plug and play )95) # 绿色电力自动化# 邹三红,等 分布式电源与微网互联通用接口单元