1、NORTH CHINA ELECTRIC POWER UNIVERSITYSCHOOL OF ELECTRICAL&ELECTRONIC ENGINEERING直流微直流微电网设计与实电网设计与实现现报告的基本内容(Content of the Presentation)1、直流微电网的提出和、直流微电网的提出和发发展展2、直流微电网的拓扑与、直流微电网的拓扑与构构成成3、直直流流微电网控微电网控制制策略策略设设计计4、直直流流配电网配电网运行特运行特性性分分析析5、直、直流微流微电电网网运行示例运行示例6、结语、结语直流与交流(DC or AC)19世纪世纪最后最后10年，电气领域开始了一场
2、年，电气领域开始了一场 独独特的特的对垒对垒 电流之电流之 战。战。在过去的一百多年里，交流电因易于变压、可以远送、便在过去的一百多年里，交流电因易于变压、可以远送、便 于通于通过旋转电机实现转换而处于主导地位。但直流发展的脚步过旋转电机实现转换而处于主导地位。但直流发展的脚步 也从也从未停止。直流输电已在远距离电能输送、异步联网等场合未停止。直流输电已在远距离电能输送、异步联网等场合发挥重要作用。近年来，直流配电与直流供电也得到快速发展。发挥重要作用。近年来，直流配电与直流供电也得到快速发展。直流微（电）网定义(Defination of DC-Micro Grid)直流微（电）网可定义为以
3、直流电的方式，将分布式电源、储能与负荷、交流系统互联，配备监控系统所形成的发供用电系统网络。直流微网 可看成是配电网的一种形式。直流配电网与直流微电网均属于供用电系统，无严格区别；直流微电网电压典型值最高不超过1.5kV;直流配电网电压可达100kV;直流微电网范围通常较小：DC-house,DC-workshop,DC-building直流微网区域较大：DC-community,DC-factory,DC-commercial直流微电网强调系统性和独立性。采用直流配电的动因（1）Driving Force for DC-GRID(1)直流电网本身不存在相位和谐波问题，所以直 流网络可以提供的
4、电能的质量相比于交流网络 更好。直流电网通常包括储能和分布式电源，比通常 依靠大电网供电具有更高的可靠性。直流系统不存在无功电流分量，在提供同样的 有功功率情况下，与交流系统相比，直流系统 电流幅值较小，相应地损耗较少。电力电子技术与交直流变换技术的发展与进步 推动了直流微网的快速发展。采用直流配电的动因（2）Driving Force for DC-GRID(2)城市电网不断发展，电能替代的不断推进，用 电负荷迅猛增长，用户负荷中电力电子设备数 量不断增加，电力负荷的电力电子化使负荷供 电具有直流环节：变频调速电子镇流器照明、LED照明开关电源电动汽车的发展采用直流配电的动因（3）Drivi
5、ng Force for DC-GRID(3)新能源发电与储能装置多以直流形式产生电能，采用直流电网更适合于分布式电源和储能装 置的接入：风力发电：直驱光伏发电微型燃气轮机典型储能设备：电池，飞轮，超导 直流微电网具备的基本功能具有孤网及并网两种运行模式，并可实现两种模式的 无缝切换。电源及负荷的通用性。以往直流供电系统通常是针对 专用负荷的。作为直流网微，供电负荷可能各式各样，且在不断发展。电源及负荷即插即用。作为通用电网，直流微网必须 支持直流电源及负荷设备的即插即用功能。微网整体优化与协调控制。具备针对全网的监控系统，全网设备信息可用，从而实现面向全网的能量优化 及协调控制。DC GRI
6、D 微网应用示例(DC MG)仙台市含直流供电的定制电力供电系统爱知工业大学校园AC/DC微网台湾国立中正大学实验室用直流微网企业（社区）、家庭直流网络典型拓扑(DC Micro-Grid)多电压等级直流系统中的直流微电网直流微直流微电电网电网电压压确定的依确定的依据据 直流微网电压水平的确定是微电网设计的首 要任务。在目前还未实现标准化的情景下，电压的确定重点考虑以下因素：供电能力：对应电压水平的负荷距电源连接：光伏、风电单元电压水平负荷连接：对直流负荷及逆变交流负荷的供电交流衔接：易于实现与交流主网的连接典型应用：考虑国内外典型微电网系统电压水平标准参考：IEC标准、国家标准、中电联标准直
7、流微直流微电电网的网的电电压水压水平平直流微电网电压水平通常不超过1500V(750V)直流微电网主网电压建议采用750V(375V)其他便于电源与负荷接入的电压包括：380V300V220V110V48V直流微网的拓扑形式（分段式）直流微网的拓扑形式（分层式）DC/DCDC/DC配 电 1 次 变 换 器直 流 负 荷直 流 负 荷直 流 发 电 装 置交 流 系 统变 压 器AC/DCAC/DCDC/DC交 流 电 源 或 负 荷380VDCDC/DC100VDC直流微网的拓扑形式（环形）PFCPFC+DCDCDCACPFCDCDCDCACDCDCDCACDCDCDCAC+DCDC+MT+
8、常规电能质量环网22kV/1.2kV22kV/1.2kV22kV/1.2kV高电能质量环网光伏单元超导储能G风机微燃机FC 燃料电池乏锂电池组负荷负荷负荷光伏单元直流微电网接线方式DCGrid+-Vdc 单极接线DCGrid+-Vdc伪双极接线真双极接线（大地回流）DCGrid+-+-DCGrid+-+-真双极接线（金属回流）直流微网的关键设备(1)DC/DC变换器实现直流微网中不同电压等级 直流设备间的互联和控制。DC/DC变换器的关键技术包括：(1)合理的拓扑形式：多重化Buck-Boost方式;中 频变压器耦合方式；三点平方式(2)合适的控制策略以提高变换器的连续性和灵 活性；(3)采用
9、软开关技术以减少变换器的开关损耗，提高换流效率，抑制电磁干扰。DC/DC 换流器的拓扑形式LfC 1C 2C 3C 4T 1T 3T 5T 4T 6T 2id c 1d c 1uuaub ucaiib icCfH F TLf 1Q F 2uL uL uH Q F 1uH T 7T 8T 1 2T 1 1T 1 0T 9T 1T 2T 3T 5T 4T 6C 5Lf 2T 1T 2T 3T 5T 4T 6k uak ubk ucia 1b 1iic 1ia 2ib 2ic 2id c 2ud c 2直流微网的关键设备(2)直流断路器是直流系统中一种重要的开关电器设备，它具 有通断直流回路的开关功
10、能和可靠切断故障电流的保护功 能，已广泛应用于直流输电、地铁牵引、船电系统等领域。在交流系统中，电流每周波有两次自然过零点，交流断路 器就是充分利用此时机熄灭电弧，完成介质恢复，而直流 系统不存在自然过零点。因此，开断直流电路就要困难许 多。直流电弧熄灭的主要方式：直接开断方式混合开断方式振荡开断方式直流微网的关键设备(3)直流电缆特点：与交流电缆相比，直流电缆在传输过程中电能损耗较 小。低压交流电缆的交流电阻比直流电阻稍大，高压 电缆则更加明显。原因主要是因为邻近效应和集肤效 应的存在，导致绝缘电阻的损耗占较大比例。直流电缆为正负两极或加回线，结构简单；交流电缆 为三相四线或五线制，绝缘安全
11、要求高，结构较复杂，电缆成本是直流电缆的三倍多。直流电缆使用安全系数高。直流电缆的安装、维护简 单，而且费用较低。直流微网的关键设备(4)为了区分直流电与交流电，直流插座可以有专门的设计，如插孔的形状不同于交流插座的插孔，以方便用户使用。不同的插孔形状可以区分交流与直流供电。为了提高用电 安全性，直流插座的绝缘性能应该予以特别考虑。直流负荷是直流微网的主要组成部分，构建直流微网的主 要目的就是为各式各样的直流负荷供电。直流微网中的负 荷特性对直流微网的控制至关重要。直流负荷通常通过 DC/DC或DC/AC与直流电网连接。通常可以依据负荷的构 成及特性描述为定电阻、定电流及定功率负荷。直流微网稳
12、定控制器（SC）及其作用直流微网的稳定运行需要基于储能的DC/DC换流器的支撑作用，实现直流微网的并网与孤网运行及其平滑切换，称为稳定控制器（SC）；SC在与交流电网并网状态下，DC/DC 控制目标为实现储能状态管理，参与网络整体能量优化。换流器工作在定电流控制模式；SC在孤网状态下，储能电池应能起到支撑和稳定直流母线电压的作用。SC换流器需采用双闭环控制策略，如图所示，其中内环为电流控制环，采用PI控制；外环为电压控制环，直流电压通常采用下垂控制。PIP W MIdc-+Uref*o 1LsRUdc-U+Iref Nonlinear PartSC下垂控制 下垂特性设计中通常要考虑调 节特性、
13、设备容量、与DC/AC 换流器的配合及电流限值。DC/DC换流器可以通过检测本 地电压调节输出电流，从而实 现并网及孤网状态下的控制功 能。由于换流器之间不需要相 互通信，因此控制灵活、可靠，并且降低了系统成本。该控 制方法可使直流微网储能单元 具备“即插即用”的特性。Iref/A最大放电 电流区域最大充电 电流区域放电区域Udc/V充电区域定电流充电区域下垂区域下垂区域SC装置及波形示意图并网转孤网电流电压SC下垂控制波形孤网转并网电流电压SC下垂控制波形基于V-I下垂的自适应PI控制irefk-+dkPWM-+Converter kUrateuDCbusLkCUink+Current PI
14、 controller+Falling edge triggeringCompensatorek(t)kpke1ke2k0kpokErrorHysteresis loop|Error|Changing kpHysteresiskpk1/rkikek(t)提出自适应P控制，在动态过程前期利用较大的 P参数快速缩小误差，在后期减小P参数快速消除误 差并保证输出电流的稳态特性。基于V-I下垂的自适应PI控制Converter 4Converter 3Converter 2Converter 1Bus voltage(V)Average inductor current(A)98.6 03.01 sC
15、onverter 4Converter 3Converter 2Converter 10.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.21.4 1.6 1.8Time(s)2.02.2 2.42.6 2.899.898.699.499.299.098.83.00.2 0.4 0.6 0.8 1.01.2 1.4 1.6 1.8Time(s)2.02.2 2.42.6 2.80 00.51.0 1.52.52.0Converter 4Converter 3Converter 2Converter 1Bus voltage(V)A (t ncurre ructo indAverage)99.099.2
16、99.898.699.40.51.01.52.52.00 00.51.01.52.02.5Time(s)3.03.54.04.55.098.8 00.51.01.52.02.5Time(s)3.03.54.04.55.0Bus voltageConverter 4Converter 3Converter 2Converter 1Converter 4Converter 3Converter 2Converter 1FluctuationFluctuationBus voltage(V)Average inductor current(A)98.6 03.00.2 0.40.6 0.81.0 1
17、.21.4 1.6 1.8 2.02.2 2.42.6 2.8Time(s)99.898.699.499.299.098.80 00.53.02.52.01.51.00.2 0.40.6 0.81.0 1.21.4 1.6 1.8 2.02.2 2.42.6 2.8 3.0Time(s)自律分散控制的基本思想集中系统存在的问题系统构建困难系统扩展困难主机故障导致整个系统停运现代工程系统的需求在线可扩展性在线维护性容错性生物系统与分子生物学细胞的均质性、局部性和平等性自律分散思想的形成自律分散的实现自律分散的实现多代理控多代理控制制策略与策略与一一致致性性算法算法 当系统中有多台SC设备时，各换
18、流器能够根据本地信息 调节输出电流，使直流微网 在孤网和并网状态下都能稳 定运行。但是换流器的效率 和输出电流的大小有关，而 单一的下垂控制无法合理分 配各换流器输出电流。为了 实现全局优化，各储能设备 需要获得全局的电流信息并 进行重新分配，从而提高储 能设备的运行效率。多代理 控制策略是有效解决方案基于自律分散控制的上层控制系统irefi-+PWM Urateui(k)LiCi电流内环 diPI控制器iLixi(k)直流母线+-+yi(k)ui(k)电压修复PI 控制器平均SOCwi+Nyi(k 1)yi(k)aij y j(k)yi(k)u i(k 1)u i(k)i 1nvi(k 1)
19、vi(k)aij v j(k)vi(k)j 1i(k 1)nj 1,j ii(k)ij iiop-wteriop-(w i+p)iwi 1 iop-qq 0wi 1 p iop-(w i+p 1)teriq 0y(k)ri:u rq 1 y(k)ri ri op-q q 1:u r irefi rutoi yi(k)riopwi :yi(k)riopwi :0Nxi(k 1)xi(k)aij x j(k)xi(k)ui(k 1)ui(k)i 1iy(k)u变换器i的 SOCteriutoi定时触发自律分散通信系统变换器i的SOC自律分散控制应用示例The converter losses wi
20、ll be increased when the load is light under the condition of island operation while multi SCs are parallel operating.0.84 0EfficiencyiexDischarging current/(A)0.96max0.940.920.90.880.86损耗优化仿真示例00.010.020.030.040.050.060.070.081086420Load power/104WTime/sGlobe efficiency00.010.020.060.070.080.80.850
21、.90.95After optimizationBefore optimizaiton0.030.040.05Time/s00.010.020.030.040.050.060.070.08206040Three SCs current after optimization/A0.010.020.030.040.050.060.070.080204006000.010.020.030.04Time/s0.050.060.070.082004060 0直流微网监控与能量管理智能直流电网测量、控制、保护一体化集成提供多输入多输出的电气 系统支路，可接入多路发、用、储电设备。每个接口均配置全面的数 据
22、采集装置；各支路配置过流、速断保护开关，提供多功能保护功能，并配置电动 操作机构，以实现支路的本地以及远程通/断控制，配合完成拓扑结构 变换；在此基础上，完成可再生能源、多类型储能、直流微电网以及与公共 电网接口以及其它系统的可靠接入与集成，实现整体联合运行。直流微网监控系统即插即用信息模型即插即用信息模型IEC 61850采用面向对象的建模技术，具备良好的设备特性自描述能力，有效降低智能直 流微电网通信与控制接口标准化工作的难度及成本；基于IEC 61850标准对DC/DC直流变换器、直流开关、AC/DC整流器、储能直流侧能量转换系统、光伏直流侧能量转换系统、直流量测等进行了信息建模，实现设
23、备的即插即用；信息体系设计为分层分布式系统结构，分为三层：管理层，单元层，过程层。信息体系分层结构信息体系分层结构智能直流微电网监控系统构成过过程程（现（现场场）设备设备过过程程管理管理应用应用 监控中心监控中心过程层过程层单元层单元层管理层管理层IEC 61850过过程程管理管理应用应用过过程（程（现现场场）设备设备.监控系统平台结构监控系统平台结构采用面向服务体系结构，基于一体化系统支撑平台设计，充分利用成熟的网络技术、数据库中间件等，实现实时数据通信、数据处理、数据交互，实时和历史数据存储等功能；层次化的功能设计，能有效对硬件资源、数据及软件功能模块进行良好的组织，能为智能直流微电网各类
24、应用系统运行管理及与其他系统的接口提供全面的支持。智能直流微电网监控系统集成直流电压偏差的定义与特点直流电压偏差的定义U%U UN100%UN 电压偏电压偏差主要与电能传输的导线线径、供电距离、潮流分布差主要与电能传输的导线线径、供电距离、潮流分布、负荷、负荷用电特用电特性性等因素等因素有有关。线关。线路路电压偏差产生的实质是电电压偏差产生的实质是电 流流经流流经传输网传输网在在其内电其内电阻阻上产生上产生的的压降所压降所致致。与交。与交流流供电产供电产 生的电生的电压降不同，直压降不同，直流流线线路路压降仅与导线电阻相关。压降仅与导线电阻相关。直流电压偏差特性研究 维持系统正常运行的电磁兼容
25、特性要求 系统正常运行的时候电压太高对器件耐压、线路绝缘水平都是一 个考验，而电压太小又会导致稳态时电流过大，同时带来损耗、发热、效率等问题。维持电力负荷正常工作特性的要求 通过DC/AC为交流负荷供电：满足交流负荷电压偏差要求 通过DC/DC为直流负荷供电：满足直流负荷供电需求 维持与交流电网并网能力的要求 直流配电网通常与交流电网联合运行，直流配电网通过DC/AC换 流器与交流电网连接。这种DC/AC换流器能在直流配电网运行时 提供电压支撑，并且与DC/DC换流器协调控制。保证直流系统较高供电能力的要求：直流配电网的供电能力与电压允许偏差密切相关直流配电网的供电能力与电压允许偏差（1）中压
26、配电网供电能力负荷距计算直流配电网的供电能力与电压允许偏差（2）低压配电网供电能力负荷距计算单单位为千位为千瓦瓦千米千米直流电压偏差限值的选择研究直流配电系统几乎毫无例外地通过各种换 流器与电源、负荷、储能或交流系统连接。这些换流器具有很强的调节能力，能够保证设备在较大的电压偏差范围内正常工 作。与交流配电电压偏差限值类似，直流配电 网电压偏差的限值与电压等级相关。总体 而言，电压等级越高，允许的偏差幅度越 小。直流电压偏差标准研究直流电压偏差建议值电压水平电压水平电压范围电压范围偏差限偏差限值建议值值建议值低压低压0.4kV1.5kV0.4kV1.5kV+10%+10%，-15%较低中压较低
27、中压1.5kV15kV1.5kV15kV+7%+7%，-12%较高中压较高中压15kV50kV15kV50kV+5%+5%，-10%双极不平衡的定义（真双极）电压不平衡的定义电流不平衡的定义导致不平衡的原因：换流器极电压不一致；极参数不一致；极间电源/负荷分布不均衡双极不平衡的危害 大地回流方式在电流不 平衡情况下，可能造成 中性点接地的变压器直 流偏磁，由此造成谐波、发热、振动等问题。Vaci2R2Edci1双极不平衡控制接入单极的电源与负荷尽可能平衡真双极采用金属回流方式通过电压的不对称调节实现电流的 对称直流纹波的定义与危害直流配电网连接大量基于电力电子开关过程实现 的换流器。这些换流器
28、可能回将一些谐波、脉冲、波动等理想直流成分以外的量注入电网，形成 直流电压纹波。两种定义：纹波系数与纹波率：直流纹波的危害：主要危害与谐波相同：噪音、发 热、振动、谐振脉冲危害可能造成控制器误动纹波均方根值直流纹波的分析 纹波系数可通过测量输出电压的最大值、最小值 和平均值获得 直流纹波本质上是谐波，可采用傅立叶分解研究 纹波的构成。基波频率可采用所连接的交流系统 的基波频率。傅立叶分解过程中得到的直流分量即为输出电压 的直流均值。谐波上限取值应较传统交流电网谐 波分析为高。纹波系数限值典型值取0.5,纹波率限值尚不明 确。直流纹波的改善措施DC/AC采用电压源型换流器：避免将低 频脉动引入直
29、流侧；开关频率提高：适当提高换流器开关频 率，提高纹波频率，便于滤除；采用合适的滤波电容：电解电容高频 滤波（陶瓷）电容；电路参数调整：避免谐振的发生。电压暂降与短时中断（交流系统）电压在短时间内（0.01-60s）降落到额定值的10%-90%电压暂降与停电电压暂降与短时中断发生的状况双路供电能否解决暂降问题？机械开关切换：1s电力电子开关：10ms,结构复杂，控制困难，造价高直流微电网大幅解决暂降问题直流微电网短路故障保护直流微电网极间短路故障特点：DC/DC 对短路电流的贡献DC/AC 对短路电流的贡献保护配置：设备自身保护：过压与欠压保护 过流保护系统保护：差动保护：依据电流变化率启动
30、依据电压跌落水平启动直流微电网故障保护示例保护策略如下：1）当F1处故障时，P1与P2处的差动保护会检测到故障并跳开相应断路器，而其他部分不会误动。此时微网中的DG以及另一直流微网仍可为负荷提供支撑。2）当F2故障时，情景同1。3）当F3故障时，P5和P6处断路器跳开，从而隔离故障，DG退出，系统其它部分正常运行。4）若F4故障，则跳P7、P8处断路器。5）仅当F5故障时，P9处才会产生过电流，因此负荷支路仅配置过电流保护即可，跳开P9，将故障负荷支路退出。6）若母线故障，则跳开P4、P5、P7、P9，将母线退出运行。DGLoad Voltage balancerP1P2P3P4P5P6P7F
31、1F2F3F4F5P8P9Battary直流微电网的孤岛检测与控制并网状态下，直流微网与交流主网的三种功率交流情况：1）潮流从直流微网到交流主网；2）潮流从交流主网到直流微网；3）无潮流交换致使并网断路器跳开，此时I 消失，1主检测装置将率先检测到电流量I 的1突变，从而判断进入孤岛状态。当主检测装置由于故障失效时，立即启动12电压检测。由于I 消失，I 也将瞬间 减小，附加阻抗上的检测电压也瞬间减小，相比于跳闸前的U0产生很大的 变化，以此为依据也可以判断孤岛效应。微网等效当交流电网因为故障或者检修等原因 电 压 源 主网等效 电压源ZloadZsPCCI2I1U0并网逆变器并网断路器I3有
32、效负荷 Z03I2 I1 I实证直流微电网提供发、储、用电设备及其测量、控制、保护一体化集成。直流微电网工业实证可再生能源、多类型储能、直流微电网、与公共电网接口以及其它系统可靠接入与集成，实现实证直流微电网的整体联合运行。直流微电网工业实证 直流微网监控系统基于层次化的功能设计，开放性良好，能较好地 满足系统集成需要，为实证直流微电网运行管理提供全面支持。运 行状态模块实现了对实证直流微电网动态潮流的实时监控直流微电网工业实证直流微电网工业实证并网电流交流测电压直流微电网的发展趋势Prospective for DC Micro Grid直流微电网的提出和应用为新型电源与负荷状况 下的高质量供电提供了可行的解决方案。近年来得到快速发展的电力电子技术、信息与控制技术、储能技术为直流微电网的实施提供了有 力的保证。换流器效率的提升、暂态特性的改善、多换流器协调控制、系统可靠性的提高等都需要进一步研 究与发展。标准化及运行管理模式也是未来重要工作内容。直流微电网已具备一定的经济优势，将得到广泛 应用。联系方式:Email: Tel:13911778637
