microgrid research programme (chinese version)

工业和住宅微电网中的新挑战

MicroGr dRESEARCH

PROGRAMME

Josep M. Guerrero 教授 IEEE Fellow

[email protected] C. [email protected]

MicroGridResearch Programme Leaders

MicroGrid Research programme: www.microgrids.et.aau.dk

微电网研究计划和实验室建设

微电网研究活动

微电网项目

目录

2MicroGrid Research programme: www.microgrids.et.aau.dk

奥尔堡大学

奥尔堡大学建立于 1974 年。其教育特点是基于问题的项目研究（ Problem Based Project ) 形式 - 也被称为奥尔堡模式。学生人数是 15000 左右。


• 约 40 名教职员工• 约 70 名博士研究生• 约 250 名硕士研究生• 约 20 名行政人员• 约 50 ％的流动资金来自外接项目

机构——能源技术学院

电力系统

风力发电系统

风能和波浪能中的流体动力生物质能

微电网

现代电力传输系统智能电网和有源网络燃料电池和电池系统

汽车和工业驱动

热能系统电力电子电机流体动力机电一体

化系统力学与燃烧

学

多学科研究计划

光伏系统

能源技术学院

44

John K. Pedersen奥尔堡大学能源技术学院院长


5

计划目的

微电网研究计划领域

交流微电网

直流微电网

模型控制与运行储能保护电能质量标准—基于信息通信技术

(ICT)

网络控制能量管理系统与优化多机代理

微电网研究计划



微电网研究团队

实验室每台样机都可以模拟一个多变换器的低压微电网，并利用dSPACE 实时控制平台来实现本地和能量管理控制。

ET 智能微网实验室

7777


8888



以太网络通信

DC 母线AC 母线

实验室一共有 6 个平台 :• 24 个 DC-AC 变换器• 6 台 dSPACE 实时控制平台• LCL 滤波器• 电动转换开关 • 智能电表 .

AAU 智能微网实验室

9999


10 10



微电网控制中心– 能量管理系统


丹麦智能电网– Omnia 项目

12121212


Kamstrup Omnia scheme in iMGlab

EMSMGCC

丹麦智能电网– Omnia 项目

14

案例研究 DES-ET AAU

工作

站 1

Load

电网

PV

. . . 连接工作站 3-6

功率流

工作

站 2

Load

电网

PV WT

本地电力分配网络

L


15

实验测试 - dSPACE 1006

通过 Control-Desk实现实时控制和监控

把 Matlab 中simpowersystem里的电气模型直接编译成 C 代码并且下载到dSPACE


16 16

微电网课程


交流微网直流微网电能质量能量管理与优化

17

www.microgrids.et.aau.dk


17 17MicroGrid Research programme: www.microgrids.et.aau.dk



微电网项目

目录


微电网的一般问题 : “ 定义和运行”

Renewable Energy Resources

主公共电网

Compressed Air System

Electric Vehicles

PCC

Household appliances and electronics

PV

EV

Flywheel

Power Electronics

PV

WT

IBS

PV

微电网概念

Islandedmode

Smartmeters

EMS


孤岛模式

并网模式

微电网的分层控制

主控制

三次控制

二次控制

微电网相关… 孤岛和独立运行的能力节约能源成本，提高高效率故障下的系统恢复（自愈）

P/Q 功率控制电能质量改善


微电网的一般问题 : “ 定义和操作”

问题 : 微电网中的谐波可行的解决方案 :- 一个 DG 单元可以提供比另一个 DG 更多的谐波。

( 谐波电流共享 )- 电压谐波抑制 ( 谐波控制策略 )

微电网中的问题 : 电能质量

问题 : 微电网中的不平衡可行的解决方案 :- 二次控制方式 , 将控制信号送到主控制环可以补偿

PCC 点电压的不平衡。- 电压不平衡补偿（控制策略）

测试和验证所提出的解决方案是否满足欧洲电能质量标准 IEC61727和 IEC61000-3-6


如何协调谐波 / 不平衡补偿 ? 打地鼠效应

主控制谐波虚拟阻抗

二次控制谐波 / 不平衡协调控制


微电网中的问题 : 电能质量

Timbus et Al. Management of DER Using Standarized Communications and modern Technologies

通过 IEC61850 和 IEC61400-25 提供的通信模型来描述网络模型中的物理设备

• 根据 EN13757 标准研究 meter-bus （仪表总线）技术的解决方案来整合智能仪表和数据集中器• 按照 IEC61968-9 标准（抄表和控制系统接口标准）为住宅级 AMI 开发不同等级的通信体系结构。• 按照 EN13757-5 标准（无线网状仪表总线的标准）和 EN13757-4 （无线仪表总线）来整合不同等级的无线网状网络架构的智能仪表和数据集中器。


微电网中的问题 : 通信

Renewable Energy Resources

Main Utility Grid

Compressed Air System

Electric Vehicles

PCC

Batteries

Household appliances and electronics

PV

EV

Flywheel

Power Electronics

PV

WT

IBS

源保护网络保护双向保护

LOADS

超高速通信线路（第二道防线）


微电网中的问题 : 保护

传统消费者未来产销合一者 Passive 被动式 Active 主动式 Only loads – fixed by the consumer 只

提供荷 – 由消费者决定 Shiftable loads/generation 可变动的负载 / 发电

No storage 无储能 Storage systems/EV 储能系统 / 电动汽车电力 / 热力不耦合 Manual management 人工管理

EMS 以全球能源为目标

基于负荷的电能质量 Power quality system control 电能质量控制系统 Unidirectional power flow 单向功率流根据每小时电力定价控制功率双向流动 Considers only local residential energy

只考虑当地住宅能源同时考虑当地的住宅和全球社区的能源需求

25

智能电网战略Danish Ministry of Climate, Energy and Building

May 2013

50% 的消费者每小时远程读

取电表

每小时解决方案及税率变化

模型管理批发和零售市场电力消费灵活化

能源行业

转变能源模式

2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

http://energinet.dk/SiteCollectionDocuments/Engelske%20dokumenter/Forskning/Smart%20Grid%20Strategy.pdf



微电网项目

目录


能量管理系统


Setup 1Setup 2Setup 3

Setup 5

Setup 6Setup 7EMS/MGCC

• 远程通信装置• 耦合新能源系统• 直流供电住宅• 快速电动汽车充电站

直流微电网运行与控制

微电网研究

Basic control基本控制方案

系统结构


30

电压等级： 380V; 10kV 安装容量： 1MW; 1MW 5 MW‐ ;

5 MW – 50 MW;

2 MW PV Microgrid@Yushu

中国光伏微电网建设

微电网示范工程


中国的微电网建设 – 30 个微电网

“十二五计划” 期间中国将建立 30 个微电网示范工程：10 个孤岛师范工程

20 个并网微电网师范工程

= 30 Microgrid demonstration Total Power: 1.2 GW


DSO 1.42 rmb/kWh

1.00 rmb/kWh

PCC

Auto-consumption

中国微电网建设– 商业模式


33

3333

光伏发电系统结构

电池板

逆变器

电池

熔断器电表

电网

微电网研究成果

2012103

490




微电网项目

目录


微电网技术研究与示范

MicroGr dResearch

Programme

EUDP 中丹项目提案

36 36 http://www.meter.et.aau.dk

基于风 / 光 /储的 200kW 微电网

37

MicroGr dResearch

Programme

37 http://www.meter.et.aau.dk

38

光伏发电子系统安装于上海神舟新能源 B 厂的屋顶光伏阵列，装机容量 130kVA ，东西阵列配置，采用固定的角度安装。

38 38 http://www.meter.et.aau.dk


风力发电系统总装机容量 : 20kVA. (2 x 10 kW 风机 )

3939393939



电池能量存储系统，电力电子和控制。

4040404040



智能直流微电网实验室i-DClab

MicroGr dResearch

Programme

DSF 中丹合作项目 2014-2017

4141414141

41http://www.idclab.et.aau.dk

42

第一阶段 : 设计，建模和控制。第二阶段 : 微电网各部分之间的协调控制方法，包括通信系统和直流微网的

能量管理系统第三阶段 : 建立两个以用户为中心作为研究理念的实验室，测试新系统是否

满足不同应用情况下的直流微电网的标准。

• 家用直流微电网实验室，在奥尔堡大学对 1-2 个家庭的直流配电系统进行研究和测试

• 工业微网设计 • 在华北电力大学（中国）对商业建筑的能源解决方案进行研究，演示和测试。

智能直流微电网实验室

http://www.idclab.et.aau.dk

43

5 个工作站- 燃料电池模拟器- 电池模拟器- 飞轮- 超级电容- DC/DC 变换器- 恒功率负载- 实时监控系统

43

每个工作平台都利用实际的直流供电设备来模拟家庭直流微网

http://www.idclab.et.aau.dk

智能直流微电网实验室

未来住宅 LVDC 电力分配结构

MicroGr dResearch

Programme

DFF project 2014-2016

国际合作研究机构丹麦公司

44http://www.residentialvdc.et.aau.dk

http://www.ritsumei.ac.jp/se2012/re/ee/eng/faculty/

45

未来住宅 LVDC 电力分配结构项目合作单位 :

国际合作研究机构

丹麦公司


http://www.ritsumei.ac.jp/se2012/re/ee/eng/faculty/


工业直流微网实验室 , (华北电力大学 )

第一阶段 : 直流微电网拓扑设计、控制、仿真

第二阶段 : 直流微电网故障分析和保护

第三阶段 : 直流微电网通信

中国承担方面


华北电力大学直流微网样机直流电网监控系统

中国承担方面

Central

ControlC

om

munic

ati

on

netw

ork

380 Vdc

48 Vdc

Air conditioner

Ceilingfan

Refrigerators

Electric Vehicles Flywheels

Chargers

Li-on Batteries

To another DC bus

24 Vdc

48 Vdc

Washing machine

Led Lighting

第一阶段 . 设计，建模和控制第二阶段 . 连接至直流母线的电力电子单元之间的协调和控制第三阶段 . 电网整合与交互

48 48http://www.residentialvdc.et.aau.dk

相关项目 : 未来住宅 LVDC 电力分配结构

49494949


智能直流微网实验室

50505050



51515151



柔性电动汽车充电设备： Flex –ChEV

MicroGr dResearch

Programme

ERANET project 2014-2016

5252525252

52http://www.flexchev.et.aau.dk

53

市场占有率和机遇

到 2020年将有 100万辆插电式电动汽车插电式电动汽车将占总能源消耗的 3%–6%

应考虑的问题 :

1. 克服由大量插电式电动汽车运行 (包括充电 ) 可能带来的不利影响。2. 利用大规模充电站为电力系统提供配套服务。

为充电站建立专用 ESShttp://www.flexchev.et.aau.dk

54

所提出的充电站结构

http://www.flexchev.et.aau.dk

飞轮

飞轮

电网

插电式电动汽车

充电站簇

55http://www.flexchev.et.aau.dk

5656

配套服务

示例滞环控制下调整和负载跟随

充电停止充电


57

Danfoss converter

Grid transformer

DC BUS

DC Load

Flywheel

dSPACE 1006

:

实验结果

57 5757Microgrid Group 5757http://www.flexchev.et.aau.dk

dSPACE1006

丹佛斯逆变器飞轮

直流负载

直流母线

并网变压器

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595959 59

EVCS 功能

P/Q 功率调节频率恢复电压支撑不平衡补偿谐波分配



606060 60

位于日本岩手县，静冈县的电动汽车充电站

Site communication

Secondary

control

Electric VehiclesFlywheels

Batteries

WP4DSO/TSO

SCADA

Local

ControlDC bus

WP5

Local

Control

Local

Control

Utility main

Grid

….

Hybrid ESS

Supercaps

WP1

….

WP3

WP2

. . . .

Flexible Electric Vehicle Charging Infrastructure Flex-ChEV

RES PVWT

Supervisory

controller



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有源滤波器在风力发电厂功率变换器中的作用

6161 6161Microgrid Group 6161http://www.apf.et.aau.dk

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• 问题概述 : 谐波和谐振给风力发电厂带来的严重问题• 工业合作伙伴对解决这个问题高度关注：因为操作失误会增加经济损失• 如何解决这个问题 : 1. 在时域和频域对系统进行精确建模。2. 采用无源滤波器。3. 采用有源和混合滤波器（新设备）。4. 提高现有的电力电子设备的性能 : WT ， STATCOM 增强型控制方案 .5. 提高现有的电力电子设备的性能 : WT ， STATCOM 增强控制与无源滤波器

的配合 .

有源滤波器在风力发电厂功率变换器中的作用

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工业项目– kicking off

UPS 系统的模块化控制

飞轮储能系统在海上的应用 (钻机和船舶 )

64 64

Research Challenges in MicroGrid technologies

Thank you for your attention!

谢谢各位！

Josep M. [email protected] MicroGr d

RESEARCH PROGRAMME


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Environment