微电网紧急工况下的运行与控制

快速跟进和掌握微电网新技术，提升国有技术和产品的市场竞争力 

《微电网紧急工况下的运行与控制》介绍了微电网的概念及微电网运行的必要条件，强调了基于高速通信网络的先进管理系统是协调分布式电源、储能设备及可控负荷统一运行的重要工具。微电网突出的特点就是既可以并网工作，也可以孤网运行。为应对微电网孤网运行状态，需事先设想一整套的紧急处理方案。本书提供了可以确保微电网在孤网条件下稳定运行的可行方案。推荐措施综合考虑了不同电压、频率类型的逆变器控制模型在紧急情况下的控制方式，以获得可靠的运行模式，避免孤网条件下运行情况的恶化。这些控制方式在制定过程中综合考虑了微电网的各类特性，尤其是不同类型微型电源的反应特性。为充分挖掘微电网的发电能力，本书就如何在低压电网中快速进行黑启动进行了探讨和研究。本书提供的一些快速黑启动方法，也有利于提高配电网的可靠性，减少用户的停电时间。黑启动过程中，微电网的恢复措施包括对一些环境条件的检查和应对行动的次序的识别。电压和频率的控制方法，及对储能设备的必要储备，是确保恢复过程顺利实现的必要因素。

蒋雷海,高工，南京南瑞集团公司（国网电力科学研究院），有近10年的继电保护研发经历，参与过南瑞集团稳定控制系统和高压继电保护装置的研发工作，开发产品广泛应用于中国电力系统。在国内核心期刊上发表过多篇论文，获授权发明专利7项。曾获省部级三等奖一项、国网公司创新班组成员。主要作品有：《常用电工电气设备知识读本》《国家电网公司物资采购标准：继电保护及自动装置卷》。

译者序插图清单表格清单名词缩写1 简介1 1.1 背景和目的1 1.2 主要内容3 1.3 本书的章节结构4 2 分布式发电模式6 2.1 简介6 2.2 分布式发电概念8 2.2.1 电力系统发电模式的变革10 2.2.2 分布式发电和自治及非自治微电网形态11 2.3 分布式发电增长的主要动力12 2.3.1 环境问题12 2.3.2 商业经济因素12 2.3.3 国家/调控政策因素14 2.4 不同类型的分布式发电技术15 2.4.1 燃料电池15 2.4.1.1 燃料电池系统16 2.4.1.2 燃料电池种类17 2.4.2 微型燃气轮机18 2.4.2.1 微型燃气轮机技术现状及应用19 2.4.3 光伏电池20 2.4.3.1 基本工作原理20 2.4.3.2 光伏电池模块和阵列21 2.4.3.3 光伏系统结构22 2.4.4 微小型风力发电机23 2.4.4.1 水平轴风力发电机23 2.4.5 储能设备24 2.4.5.1 电池组25 2.4.5.2 超级电容器26 2.4.5.3 飞轮储能系统27 2.5 分布式发电接入配电网的技术挑战29 2.5.1 电压分布29 2.5.2 稳态和短路电流32 2.5.3 配电网保护体系32 2.5.4 电能质量33 2.5.5 分布式电源稳定性34 2.5.6 电网运行34 2.5.7 孤岛和孤岛运行35 2.6 小结42 3 微型发电和微型电网的概念及模型43 3.1 简介43 3.2 微电网概念的建立44 3.2.1 CERTS微电网概念45 3.2.1.1 CERTS微电网构架45 3.3 微电网的运行和控制结构47 3.3.1 微电网通信系统50 3.4 微型电源动态模型51 3.4.1 固体氧化物燃料电池(SOFC) 52 3.4.2 单轴微型燃气轮机(SSMT) 55 3.4.2.1 单轴微型燃气轮机有功控制57 3.4.2.2 单轴微型燃气轮机引擎58 3.4.2.3 永磁同步发电机(PMSG) 58 3.4.2.4 机组侧逆变器59 3.4.3 光伏电池板60 3.4.3.1 配置功率点跟踪系统的光伏阵列61 3.4.4 微型风力发电机63 3.4.4.1 风力透平机63 3.4.4.2 鼠笼式感应发电机64 3.4.5 储能设备模型65 3.4.6 并网逆变器65 3.4.6.1 PQ逆变器控制67 3.4.6.2 电压源逆变器控制68 3.4.6.3 暂态过载或短路状态下的逆变器建模70 3.4.7 电网和负载模型71 3.5 小结71 4 微电网紧急控制策略72 4.1 简介72 4.2 基于控制分类的微型电源73 4.3 孤岛运行状态下的微电网控制75 4.3.1 单主运行76 4.3.2 多主运行76 4.4 紧急策略78 4.4.1 频率控制78 4.4.1.1 一次调频控制78 4.4.1.2 二次调频控制80 4.4.2 负荷减载81 4.4.3 电压控制81 4.5 低压微电网故障恢复服务84 4.5.1 传统电力系统的黑启动86 4.5.1.1 传统电力系统故障恢复策略87 4.5.1.2 电力系统故障恢复方案88 4.5.1.3 电力系统故障恢复过程中的特殊问题89 4.5.1.4 传统电力系统和微电网故障恢复比较92 4.5.2 微电网黑启动93 4.5.2.1 一般性假设94 4.5.2.2 微电网黑启动顺序95 4.6 小结96 5 孤岛和黑启动状态下的微电网紧急控制策略评估97 5.1 简介97 5.2 微电网测试系统97 5.3 计划形成的孤岛运行微电网99 5.4 非计划形成的孤岛运行微电网101 5.4.1 微电网运行场景1025.4.2 单主控制策略103 5.4.2.1 微电网从中压系统吸收功率情况103 5.4.2.2 微电网向中压电网输送功率情况109 5.4.2.3 孤岛运行后的负荷状态111 5.4.3 多主控制策略113 5.4.3.1 微电网从中压电网吸收功率情况113 5.4.3.2 微电网向中压电网输送功率情况118 5.4.3.3 孤岛运行时的负荷状态120 5.5 微电网黑启动121 5.5.1 故障恢复初始步骤123 5.5.2 微电网黑启动程序长期过程仿真125 5.6 小结129 6 孤岛微电网稳定性评估131 6.1 简介131 6.2 微电网能量平衡问题131 6.3 微电网稳定性评估工具135 6.3.1 人工神经网络135 6.3.1.1 人工神经网络的训练137 6.3.2 数据集生成138 6.3.3 生成数据集数字平台建设140 6.3.4 人工神经网络结构训练140 6.3.5 防御控制措施的制定141 6.4 结果和讨论143 6.5 小结148 7 结论149 7.1 本书主要贡献149 7.2 未来工作建议151 附录A 测试系统仿真参数153 附录B 动态仿真平台160 参考文献165译者序插图清单表格清单名词缩写1 简介1 1.1 背景和目的1 1.2 主要内容3 1.3 本书的章节结构4 2 分布式发电模式6 2.1 简介6 2.2 分布式发电概念8 2.2.1 电力系统发电模式的变革10 2.2.2 分布式发电和自治及非自治微电网形态11 2.3 分布式发电增长的主要动力12 2.3.1 环境问题12 2.3.2 商业经济因素12 2.3.3 国家/调控政策因素14 2.4 不同类型的分布式发电技术15 2.4.1 燃料电池15 2.4.1.1 燃料电池系统16 2.4.1.2 燃料电池种类17 2.4.2 微型燃气轮机18 2.4.2.1 微型燃气轮机技术现状及应用19 2.4.3 光伏电池20 2.4.3.1 基本工作原理20 2.4.3.2 光伏电池模块和阵列21 2.4.3.3 光伏系统结构22 2.4.4 微小型风力发电机23 2.4.4.1 水平轴风力发电机23 2.4.5 储能设备24 2.4.5.1 电池组25 2.4.5.2 超级电容器26 2.4.5.3 飞轮储能系统27 2.5 分布式发电接入配电网的技术挑战29 2.5.1 电压分布29 2.5.2 稳态和短路电流32 2.5.3 配电网保护体系32 2.5.4 电能质量33 2.5.5 分布式电源稳定性34 2.5.6 电网运行34 2.5.7 孤岛和孤岛运行35 2.6 小结42 3 微型发电和微型电网的概念及模型43 3.1 简介43 3.2 微电网概念的建立44 3.2.1 CERTS微电网概念45 3.2.1.1 CERTS微电网构架45 3.3 微电网的运行和控制结构47 3.3.1 微电网通信系统50 3.4 微型电源动态模型51 3.4.1 固体氧化物燃料电池(SOFC) 52 3.4.2 单轴微型燃气轮机(SSMT) 55 3.4.2.1 单轴微型燃气轮机有功控制57 3.4.2.2 单轴微型燃气轮机引擎58 3.4.2.3 永磁同步发电机(PMSG) 58 3.4.2.4 机组侧逆变器59 3.4.3 光伏电池板60 3.4.3.1 配置功率点跟踪系统的光伏阵列61 3.4.4 微型风力发电机63 3.4.4.1 风力透平机63 3.4.4.2 鼠笼式感应发电机64 3.4.5 储能设备模型65 3.4.6 并网逆变器65 3.4.6.1 PQ逆变器控制67 3.4.6.2 电压源逆变器控制68 3.4.6.3 暂态过载或短路状态下的逆变器建模70 3.4.7 电网和负载模型71 3.5 小结71 4 微电网紧急控制策略72 4.1 简介72 4.2 基于控制分类的微型电源73 4.3 孤岛运行状态下的微电网控制75 4.3.1 单主运行76 4.3.2 多主运行76 4.4 紧急策略78 4.4.1 频率控制78 4.4.1.1 一次调频控制78 4.4.1.2 二次调频控制80 4.4.2 负荷减载81 4.4.3 电压控制81 4.5 低压微电网故障恢复服务84 4.5.1 传统电力系统的黑启动86 4.5.1.1 传统电力系统故障恢复策略87 4.5.1.2 电力系统故障恢复方案88 4.5.1.3 电力系统故障恢复过程中的特殊问题89 4.5.1.4 传统电力系统和微电网故障恢复比较92 4.5.2 微电网黑启动93 4.5.2.1 一般性假设94 4.5.2.2 微电网黑启动顺序95 4.6 小结96 5 孤岛和黑启动状态下的微电网紧急控制策略评估97 5.1 简介97 5.2 微电网测试系统97 5.3 计划形成的孤岛运行微电网99 5.4 非计划形成的孤岛运行微电网101 5.4.1 微电网运行场景1025.4.2 单主控制策略103 5.4.2.1 微电网从中压系统吸收功率情况103 5.4.2.2 微电网向中压电网输送功率情况109 5.4.2.3 孤岛运行后的负荷状态111 5.4.3 多主控制策略113 5.4.3.1 微电网从中压电网吸收功率情况113 5.4.3.2 微电网向中压电网输送功率情况118 5.4.3.3 孤岛运行时的负荷状态120 5.5 微电网黑启动121 5.5.1 故障恢复初始步骤123 5.5.2 微电网黑启动程序长期过程仿真125 5.6 小结129 6 孤岛微电网稳定性评估131 6.1 简介131 6.2 微电网能量平衡问题131 6.3 微电网稳定性评估工具135 6.3.1 人工神经网络135 6.3.1.1 人工神经网络的训练137 6.3.2 数据集生成138 6.3.3 生成数据集数字平台建设140 6.3.4 人工神经网络结构训练140 6.3.5 防御控制措施的制定141 6.4 结果和讨论143 6.5 小结148 7 结论149 7.1 本书主要贡献149 7.2 未来工作建议151 附录A 测试系统仿真参数153 附录B 动态仿真平台160 参考文献165

微电网技术很好的解决了分布式中小型电源的应用问题，为风、太阳能等可再生能源发电的大规模应用找到了出路，适应了新能源的发展方向，是未来电网发展的重点之一。其概念自1999年问世以来，经过十多年的发展，在欧美日等地区获得了大量的应用验证，技术逐步成熟，已具备商业化应用的条件。2012年以前，中国因缺乏市场发展的内在动力，技术沉淀较少，整体上处于技术跟随状态。为快速跟进和掌握该领域技术，提升国有技术和产品的市场竞争力，计划引进该领域科技著作。Microgrids: Operation and Control Under Emergency一书是2011年之前欧洲微电网运行和控制技术阶段性发展成果的总结。该书对微电网的概念及可靠运行的必要条件进行了归纳和总结，并在如何建模和分析微电网系统方面进行了探索。该书提出的分布式电源接入方法、微电网并网和离网运行控制、微电网在配电网黑启动中的潜在能力等，都获得了仿真验证支持，具有良好的运用前景。希望该书的引进可以对国内相关领域的发展起到促进作用。译 者2015年于南京