分布式能源提供未來輔助服務(wù)的技術(shù)能力

寧玉琳，趙 峰，徐勁松

（1.蘭州交通大學(xué)自動化與電氣學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中鐵七局電務(wù)公司，甘肅 蘭州 730070）

1 引言

近年來，分布式能源系統(tǒng)在我國有了較大的發(fā)展，以可再生能源為主的分布式發(fā)電技術(shù)也得到了快速發(fā)展。分布式能源系統(tǒng)與集中發(fā)電、遠(yuǎn)距離輸電和大電網(wǎng)供電的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)的一些弱點，成為傳統(tǒng)電力系統(tǒng)不可缺少的有益補(bǔ)充，二者的有機(jī)結(jié)合，是新世紀(jì)電力工業(yè)和能源產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。電力供應(yīng)越來越多的基于來自可再生能源（RES）的分布式發(fā)電機(jī)（DGs）。目前，它們僅僅只是把可得到能源注入到相互關(guān)聯(lián)電力網(wǎng)絡(luò)中。如果沒有一個一體化的網(wǎng)絡(luò)管理，基于間歇性能源基礎(chǔ)上的DGs（如：風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)（WTGS）和光伏太陽能系統(tǒng)）可能危害更高，突破水平的電力網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。在更精密的方法中，它們必須參與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營，以保證可持續(xù)的和安全的電力供應(yīng)。目前，大型中央傳統(tǒng)發(fā)電廠操縱著這種電力網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營。DGs通常沒有集成在網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營中，如果僅僅把它們當(dāng)作個體來對待，它們比較小，且是不可靠的和昂貴的。隨著虛擬發(fā)電廠概念（VPPS）的提出，DER系統(tǒng)的集成創(chuàng)造了許多小實體之外的大市場份額，且利用綜合風(fēng)險管理增加系統(tǒng)的聯(lián)合可靠性。因此，集成在VPPS的分布式能源資源（DER）希望能為未來可持續(xù)的電力供應(yīng)和未來電力網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作建立一個平臺。

2 分布式能源（DER）

2.1 分布式能源（DER）簡介

分布式能源系統(tǒng)，是相對于能源集中生產(chǎn)（主要代表形式是大電廠加大電網(wǎng)）而言的。分布式能源系統(tǒng)直接安裝在用戶端，通過在現(xiàn)場對能源實現(xiàn)梯級利用，減少中間輸送環(huán)節(jié)損耗，實現(xiàn)資源利用最大化。分布式能源系統(tǒng)的一次能源以氣體燃料為主，可再生能源為輔，利用一切可以利用的資源。其二次能源以分布在用戶端的熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)為主，其它能源供應(yīng)系統(tǒng)為輔，將電力、熱力、制冷與蓄能技術(shù)結(jié)合，以直接滿足用戶多種需求，實現(xiàn)能源梯級利用，并通過公用能源供應(yīng)系統(tǒng)提供支持和補(bǔ)充。各系統(tǒng)在低壓電網(wǎng)和冷、熱水管道上進(jìn)行就近支援，互保能源供應(yīng)的可靠性。分布式能源系統(tǒng)將能源利用效率發(fā)揮到最大狀態(tài)，從而節(jié)約了能源、保護(hù)了環(huán)境。

根據(jù)燃料類型不同，分布式能源系統(tǒng)可分為燃用化石能源、燃用可再生能源和燃用二次能源及垃圾燃料等幾種形式。燃用化石能源的動力裝置有：微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、常規(guī)的柴油發(fā)電機(jī)、燃料電池；利用可再生能源發(fā)電技術(shù)有太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、小水力發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等；利用二次能源的有氫能發(fā)電技術(shù)。根據(jù)用戶需求不同，分布式能源系統(tǒng)又可分為電力單供、熱電聯(lián)產(chǎn)方式（CHP）和熱電冷三聯(lián)產(chǎn)（CCHP）等方式。

根據(jù)燃料類型不同，主要分為以下幾種：

①利用常規(guī)礦物燃料的系統(tǒng)。燃煤鍋爐/氣輪機(jī)系統(tǒng)、活塞式內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)、微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)、各種燃料電池系統(tǒng)、燃料電池與燃?xì)廨啓C(jī)的混合系統(tǒng)等。

②利用太陽能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能發(fā)電等可再生能源的系統(tǒng)。

③利用二次能源氫能的系統(tǒng)。相對于可再生能源能流密度低，分散性強(qiáng)，且受氣候、地理條件及當(dāng)前技術(shù)水平等因素限制和燃煤、燃油系統(tǒng)污染嚴(yán)重，燃用天然氣的分布式能源系統(tǒng)更具優(yōu)勢。

對分布式能源系統(tǒng)而言，其關(guān)鍵技術(shù)是小型動力裝置、新型制冷方法和系統(tǒng)的集成。正是由于近年來小型動力裝置性能的大幅度提高，才使得分布式能源系統(tǒng)有比分產(chǎn)系統(tǒng)更高的能源利用率和更好的經(jīng)濟(jì)效益，才能在節(jié)能和科學(xué)用能中發(fā)揮日益重要的作用。

2.2 分布式能源（DER）的優(yōu)勢

雖然分布式能源在國內(nèi)的發(fā)展應(yīng)用還只是剛開始，但和傳統(tǒng)的集中式能源相比，其獨特的優(yōu)勢將是傳統(tǒng)能源不可比擬的。

能效高。實現(xiàn)了能源梯級合理利用，分布式能源系統(tǒng)能效可達(dá)80%以上。

損耗小。安裝在用電側(cè)，分布式能源系統(tǒng)供應(yīng)與需求在最短的距離內(nèi)平衡，輸配電損耗很小。

污染少。多采用清潔、高效的天然氣和可再生能源發(fā)電，分布式能源系統(tǒng)污染排放量很低。同時，由于分布式能源系統(tǒng)發(fā)電的電壓等級比較低，電磁污染比傳統(tǒng)的集中式發(fā)電要小得多。

運(yùn)行靈活，安全性好。分布式能源系統(tǒng)發(fā)電方式靈活，在公用電網(wǎng)故障時，可自動與公用電網(wǎng)斷開，獨立向用戶供電，提高了用戶自身的用電可靠性；當(dāng)所在地的用戶出現(xiàn)故障時，可主動與公用電網(wǎng)斷開，減小了對其他用戶的影響。

電能質(zhì)量高。由于分布式能源系統(tǒng)發(fā)電設(shè)施通?？梢跃偷卣{(diào)整電壓和電流波形，保證了較高的電能質(zhì)量。

系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性好。由于高效、低損耗和低污染排放，分布式能源系統(tǒng)具有明顯的經(jīng)濟(jì)性。

將分布式能源系統(tǒng)接入傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)，既可以滿足電力系統(tǒng)和用戶的特定要求，又可以提高系統(tǒng)的靈活性、可靠性和安全性。

3 DER提供的輔助服務(wù)的技術(shù)能力

3.1 DER提供的輔助服務(wù)

3.1.1 輔助服務(wù)（AS）的定義和描述

輔助服務(wù)是指從生產(chǎn)者到購買者，支持電能傳輸必要的發(fā)電、輸電和控制設(shè)備提供的那些服務(wù)。這些服務(wù)需要確保系統(tǒng)操作員的職責(zé)，其職責(zé)就是滿足相互連接的電力系統(tǒng)和安全、可靠的操作。這些服務(wù)包括強(qiáng)制性服務(wù)和服從競爭的服務(wù)。

輔助服務(wù)（AS）可分為兩大類：

①當(dāng)?shù)貓?zhí)行且必須被當(dāng)?shù)兀ɑ虻胤叫缘模┨峁┑腁S，它們是必須的（如電壓控制）；

②在電力系統(tǒng)到處都可提供的廣泛的系統(tǒng)AS（如頻率控制和有功功率儲量）。

另一個區(qū)別在于它們供應(yīng)的方式：

①快速，地方和一般自動控制（如初級電壓或初級頻率控制）；

②遠(yuǎn)程，集中（例如在一個地區(qū)級）和協(xié)調(diào)（例如地區(qū)之間）控制（例如二級電壓控制或三級頻率控制）。

3.1.2 輔助服務(wù)的構(gòu)造

本文設(shè)計的總體目標(biāo)是：設(shè)計與展示一個技術(shù)架構(gòu)和商業(yè)框架，這將使基于電力系統(tǒng)的DER成為未來電力供應(yīng)系統(tǒng)節(jié)約成本、安全、可持續(xù)的解決方案。通過對電力系統(tǒng)的貢獻(xiàn)最大化而改進(jìn)DER，使其集中到大型虛擬電廠（LSVPP）并進(jìn)行分散管理。其重點集中在DER參與系統(tǒng)運(yùn)行的能力。集中提供以下輔助服務(wù)：

（1）頻率控制

最初控制的目標(biāo)就是在同時發(fā)生的地區(qū)內(nèi)，保持使用渦輪機(jī)或者渦輪調(diào)速機(jī)的生產(chǎn)和消費之間的平衡。通過所有相互連接任務(wù)的共同作用，初級控制是以同區(qū)域的電力系統(tǒng)的使用可靠性為目標(biāo)的，同時在幾秒鐘的時間范圍內(nèi)發(fā)生干擾或者事故后穩(wěn)定平穩(wěn)值的系統(tǒng)頻率，但是不能修復(fù)系統(tǒng)頻率和功率交換的參考值。

次級控制就是維持在每個控制區(qū)域的生產(chǎn)和消費之間，以及在同時發(fā)生的區(qū)域內(nèi)的系統(tǒng)頻率的平衡，考慮控制程序，而不削弱在同時發(fā)生的地區(qū)和在幾秒鐘的時間內(nèi)平行的初級控制。包括：①頻率響應(yīng)（初級頻率控制）；②熱備用（二級和三級的頻率控制）；③負(fù)荷跟蹤。

（2）電壓控制

在任何交流電力系統(tǒng)中電壓和電流，在正常情況下，是不同相的。因此，將有無功功率流動。無功被認(rèn)為是被感應(yīng)元件吸收（例如變壓器，架空電纜，感應(yīng)電機(jī)）和電容元件所產(chǎn)生的（例如過勵磁的同步電機(jī)和電容器）。

在高壓電網(wǎng)，其阻抗超出其電阻，無功功率流動主要取決于電壓程度。它從高電壓側(cè)向低電壓側(cè)進(jìn)行傳遞。無功功率不能長距離傳輸，因為它這樣做需要較大的電壓梯度。因此，電壓控制必須被當(dāng)?shù)胤峙洹?/p>

無功功率流可以用無功功率源和無功功率設(shè)備得到賠償，如同步發(fā)電機(jī)、并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器、同步電容器 、和靜止無功補(bǔ)償器（SVCs）、以及線性電抗補(bǔ)償?shù)热绱?lián)電容器。這種無功功率的補(bǔ)償降低了壓降。此外，由有功功率流動引起的電壓下降能通過接負(fù)電的無功功率流（通過變化的系統(tǒng)電抗）得到補(bǔ)償，因為當(dāng)感性電流導(dǎo)致電壓下降時，容性電流能引起電壓升高。因此，雙向控制是可能的。

電壓控制履行兩個基本的原理：由發(fā)電單元和抽分接頭轉(zhuǎn)換的變壓器預(yù)留的直接電壓控制；通過改變功率吸收/注入引起的間接電壓控制。

（3）擁塞管理

如果輸電網(wǎng)元件的電流極限在某一時間段內(nèi)被超越的話，供電的安全性將處于危險中。擁塞管理試圖找到這些處于觀測中電網(wǎng)的關(guān)鍵元器件，并且尋求系統(tǒng)重構(gòu)防止這些關(guān)鍵元件的損耗。

（4）電能質(zhì)量的改進(jìn)

電力供應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量有3個主要尺度：①商業(yè)特性（供應(yīng)者和使用者之間的商業(yè)關(guān)系）；②供電的連續(xù)性；③電壓質(zhì)量。

供電的連續(xù)性是以中斷的次數(shù)和持續(xù)時間為特點的。不同的記錄器被用來評估供電的連續(xù)性，如中斷頻率［1/year］，中斷時間［min］和供電的無效期［min/year］。

由于終端用戶設(shè)備的敏感性，電壓質(zhì)量是一個重要的問題。工業(yè)設(shè)備被認(rèn)為已使電能質(zhì)量變得更加脆弱，同時家用的和小企業(yè)電子設(shè)備的使用也增加了更多用戶產(chǎn)品的敏感度。電壓質(zhì)量的主要參數(shù)是頻率、電壓大小及其變化、電壓突降、暫時或瞬態(tài)過電壓和諧波失真。

（5）電網(wǎng)修復(fù)（黑起動）

黑起動就是從全國各地的國家傳輸系統(tǒng)或供應(yīng)配電網(wǎng)的全部或部分關(guān)閉的電器用品中修復(fù)的一種程序。許多發(fā)電站開始起動都需要供應(yīng)電力。為了能夠黑起動，當(dāng)主發(fā)電機(jī)準(zhǔn)備運(yùn)行的時候，這樣的發(fā)電站必須有足夠的能力供應(yīng)輔助單元的獨立輔助電源的某種形式。這種額外的電源通常由一個較小的周邊黑起動的發(fā)電設(shè)備提供的，這最初是以電池或其他能源儲存裝置開始的。一旦投入使用，發(fā)電廠可以給它當(dāng)?shù)氐牟糠志W(wǎng)絡(luò)供電，為在此區(qū)域的使用它們起動的其他發(fā)電廠提供電源。

黑起動能力就是發(fā)電單元從關(guān)閉狀態(tài)到運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，且在沒有援助的情況下從系統(tǒng)開始傳輸能量的一種能力。

目前，能提供黑起動服務(wù)的DER的突破能力能給電力網(wǎng)供電還不是很可靠。然而，他們也許能給在孤島模式下運(yùn)作的分布式電網(wǎng)供電。在將來，隨著這種孤島電網(wǎng)越來越多的架設(shè)，那么相互連接這些孤島的電網(wǎng)并且給越來越多的配電網(wǎng)供電將是可能的。隨著DER滲透能力的增加，在長遠(yuǎn)的未來對電網(wǎng)來講此功能可能被增強(qiáng)。

黑起動程序需要一個協(xié)調(diào)發(fā)電機(jī)起動和在穩(wěn)定程序下連接負(fù)載的監(jiān)督者。這種監(jiān)督可以集成在 large-scale virtual power plants（LSVPP）。

（6）孤島操作

當(dāng)發(fā)出的電力需量只在本地執(zhí)行和在沒有功率注入的情況下（主電網(wǎng)）能運(yùn)行的部分輸電網(wǎng)被確定的時候，如果有相當(dāng)多的DER的突破，那么孤島操作將是最具有吸引力的。

這種情況顯著地增加了本輸電網(wǎng)區(qū)域的供電連續(xù)性，同時其它輸電網(wǎng)區(qū)域的停電對考慮的輸電網(wǎng)部分的供電連續(xù)性沒有任何影響。

電網(wǎng)必須能被改裝而允許孤島操作：保護(hù)系統(tǒng)都必須能適應(yīng)當(dāng)?shù)匕l(fā)電，當(dāng)?shù)氐陌l(fā)電機(jī)必須能控制一個孤立電網(wǎng)，且必須在主電網(wǎng)連接點安裝同步和切斷設(shè)備。

這些孤立電網(wǎng)可以被定義為微電網(wǎng)。微電網(wǎng)包括具有分布式能源的低壓配電系統(tǒng)，如微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、PVs等，以及存儲設(shè)備、調(diào)速機(jī)，能源電容器和電池，和在電網(wǎng)運(yùn)行中提供了相當(dāng)大的控制能力的可控負(fù)載。這些系統(tǒng)被相互連接成中壓配電分布式網(wǎng)絡(luò)，但它們也可以分離主電網(wǎng)而孤立運(yùn)轉(zhuǎn)，如果故障在上游的電網(wǎng)中。從客戶的角度來看，微電網(wǎng)提供了熱能和電能，另外增強(qiáng)了本地的供電可靠性，減少廢氣排放，通過支撐電壓和減少電壓突降提高了電能質(zhì)量，并有可能降低供電成本。

微電網(wǎng)的概念僅需要減少電網(wǎng)的修復(fù)能力，因為許多運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)的微電網(wǎng)并不受停電的影響。

（7）電網(wǎng)損耗的優(yōu)化

電網(wǎng)損耗的優(yōu)化，即降到最小的主要的目標(biāo)就是減少電能運(yùn)送和分配的費用。按以下公式（1）計算電網(wǎng)損耗是可能的：

該方程包括以長度為單位由線路的特點決定的電阻，和在此電阻上流動的電流。最后，這個電流由在長度單位的線性元素上的有源功率流和無功功率流表示。

提出的公式表明線路損耗基本上依賴于：①線路電阻；②線路長度；③線路的有功功率；④線路的無功功率；⑤線路的電壓。

3.2 DER技術(shù)提供輔助服務(wù)的技術(shù)能力

在過去的十年里，歐盟為應(yīng)對氣候變化的挑戰(zhàn)和增加燃料的多樣性的需求已部署了各種技術(shù)的大量DER，但迄今為止的重點仍是DER與電網(wǎng)的連接而不是將他們?nèi)谌胝麄€的系統(tǒng)操作中。本文在沒有考慮可能會在單個的系統(tǒng)配置和系統(tǒng)環(huán)境中發(fā)生的多方面限制的情況下，對DER提供輔助服務(wù)的技術(shù)能力給出了全面概述。此外，此技術(shù)能力首先關(guān)注通常是可交換的且被本身決定的具有很多能力的DER系統(tǒng)的電網(wǎng)連接技術(shù)（感應(yīng)發(fā)電機(jī)、雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)、同步發(fā)電機(jī)和逆變器）；其次關(guān)注的是能受到電網(wǎng)連接技術(shù)的限制的整個DER系統(tǒng)（風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)、光伏系統(tǒng)、水力發(fā)電廠和聯(lián)合冷卻、熱電廠）。

DGs提供AS的技術(shù)能力的評估分為兩個步驟執(zhí)行：

首先，電網(wǎng)連接技術(shù)被核定為提供AS的技術(shù)能力，AS能給電網(wǎng)提供電能作為DG系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換器的鏈末單元。這些電網(wǎng)連接技術(shù)包括：①直接耦合感應(yīng)發(fā)電機(jī)（IGs）；②直接耦合同步發(fā)電機(jī)（SGs）；③雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIGs）；④逆變器。

其次，具有代表性的DG被當(dāng)作進(jìn)行分析和評估DER提供AS的能力的系統(tǒng)。

在第二個步驟中的能力直接取決于第一步中的能力。僅僅如果連接能支持這個服務(wù)，整個系統(tǒng)或許能夠提供這種服務(wù)。然而，對整個DG系統(tǒng)的考慮通常會導(dǎo)致額外的一些限制。在第二步驟被核定的具有代表性的DG系統(tǒng)包括：①風(fēng)能系統(tǒng)；②光伏系統(tǒng)；③冷熱電聯(lián)系統(tǒng)；④蒸汽輪機(jī)（燃?xì)鉁u輪機(jī)、微型渦輪機(jī)、活塞內(nèi)燃機(jī)、斯特林發(fā)動機(jī)、燃料電池）；⑤水利發(fā)電系統(tǒng)。

3.2.1 輸電網(wǎng)連接技術(shù)的技術(shù)能力

本文主要討論的是輸電網(wǎng)連接技術(shù)的技術(shù)能力。如前所述的電網(wǎng)連接技術(shù)，由于這些能源轉(zhuǎn)換器僅僅把有效功率輸入轉(zhuǎn)換成具有不同特點的功率輸出，有功功率是由DG系統(tǒng)提供的。因此，電網(wǎng)連接技術(shù)可相應(yīng)地改變被控的有功功率。

因此，只有無功功率控制、直接電壓控制、黑起動和電能質(zhì)量的改善被分析。除了有功功率，無功功率的控制對擁塞管理和電網(wǎng)損耗的優(yōu)化都是非常重要的。電壓可被有功功率、無功功率，或直接電壓控制所執(zhí)行。最后，孤島操作需要有功、無功功率，電壓和頻率的可控性。定性結(jié)果在表1中進(jìn)行了概括。

表1 電網(wǎng)連接技術(shù)的技術(shù)能力

3.2.2 分布式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)能力

上一小節(jié)給出了電網(wǎng)連接技術(shù)提供無功功率控制、直接電壓控制、電能質(zhì)量的改進(jìn)和黑起動的技術(shù)能力。如果DG系統(tǒng)也使用這些電網(wǎng)連接技術(shù)中的一種進(jìn)行分析的話，由于其它系統(tǒng)的原理，可能會有好多限制發(fā)生。特別是，在最后的變化之前，通過輸電網(wǎng)連接技術(shù)的有功功率控制能力主要依賴于能量的可用性和轉(zhuǎn)換。主要是，在實用性和可靠性結(jié)構(gòu)中的功率斜率、部分負(fù)載運(yùn)行能力和有功功率的限制（最大和最小）將在提供各種各樣時間尺度的有功功率控制的系統(tǒng)能力的評估方面發(fā)揮關(guān)鍵的作用。

本小節(jié)簡單介紹了DG系統(tǒng)的理論分析和它們提供有功功率控制的技術(shù)能力。而且，有以下幾種的技術(shù)能力：①風(fēng)力渦輪機(jī)（WTGs）；②PV系統(tǒng)；③水電廠；④冷熱電聯(lián)廠（CCHP）。

在表2中介紹了依賴于不同的電網(wǎng)連接技術(shù)提供未來輔助服務(wù)的能力。

表2 DG系統(tǒng)的技術(shù)能力

3.3 DER提供輔助服務(wù)技術(shù)能力的簡化模型

為了輸電網(wǎng)連接技術(shù)而開發(fā)了簡化模型，這種輸電網(wǎng)耦合技術(shù)包括來自于DG系統(tǒng)的限制和動力學(xué)的單元。

對于發(fā)電機(jī)來講，有不同的控制原則：PQ控制、PV控制和VF控制。

PQ控制對于控制裝置輸出的有功和無功功率是合適的。如果是IGS，這種控制就降低到P控制，因為他們無法控制無功功率。

如果是SGs，主要應(yīng)用PV控制，SGs控制勵磁電壓跟蹤目標(biāo)電壓，而不是跟蹤目標(biāo)無功功率。然而，也許對DFIGs和逆變器也是適用的?？偠灾?，電壓是由無功功率電源控制的。電壓由有功功率輸出控制這也可以理解，但這種可能性不能被視為一個必然的本地控制功能，而是被VPP視為是中心控制的可能性，因VPP能改變目標(biāo)有功功率值。

對于SGs和逆變器來講，主要應(yīng)用的是VF控制來直接控制輸電網(wǎng)相應(yīng)的電壓和頻率。如果是黑起動、微型電網(wǎng)和孤立電網(wǎng)，這種控制必須得考慮。由于在控制領(lǐng)域里固定偏差的應(yīng)用，不同的VF控制的發(fā)電機(jī)在沒有額外的通信要求的情況下能使它們自己同步運(yùn)行。

（1）感應(yīng)發(fā)電機(jī)（IGs）

擁有測量單元和DER系統(tǒng)特征的IG系統(tǒng)在圖1中展示出來。這個IG模型的有功功率被已描述的控制系統(tǒng)所定義。

圖1 與IG連接的簡化DER系統(tǒng)的PQ控制模型

（2）雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIGs）

擁有測量單元和DER系統(tǒng)特征的DFIG系統(tǒng)在圖2中展示出來。這個DFIG模型的有功功率和無功功率被已描述的控制系統(tǒng)所定義。

圖2 與DFIG連接的簡化DER系統(tǒng)的PQ控制模型

除了PQ控制，PV控制被用來進(jìn)行電壓控制，代替了在輸電網(wǎng)連接點的無功功率控制，如圖3所示。同樣，VF控制也是可能的，但必須在此模型描述的更寬的范圍內(nèi)進(jìn)行更加細(xì)節(jié)的分析。

圖3 與DFIG連接的簡化DER系統(tǒng)的PV控制模型

（3）同步發(fā)電機(jī)（SGs）

擁有測量單元和DER系統(tǒng)特征的SG系統(tǒng)在圖4中展示出來。這個SG模型的有功功率和無功功率被已描述的控制系統(tǒng)所定義。從機(jī)械軸節(jié)開始的DER系統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)，被用它的控制動力學(xué)和限制所描述。兩個主要的限制必須被考慮：一方面，有功功率被驅(qū)動元件所限制；另一方面，無功功率被勵磁系統(tǒng)所限制。萬一過勵磁，系統(tǒng)會產(chǎn)生無功功率，而欠勵磁，系統(tǒng)會吸收無功功率。這種動態(tài)特性在第一段時間間隔內(nèi)被描述。

圖4 與SG連接的簡化DER系統(tǒng)的PQ控制模型

除了PQ控制，PV控制被用來進(jìn)行電壓控制，代替了在輸電網(wǎng)連接點的無功功率控制，如圖5所示。

圖5 與SG連接的簡化DER系統(tǒng)的PV控制模型

最后，一個SG能被VF控制來控制輸電網(wǎng)的電壓和頻率量。頻率是由主動件的轉(zhuǎn)子速度控制的，電壓是由勵磁電壓控制的，如圖6所示。這種控制對于控制在頻率和電壓界限穩(wěn)定的孤島輸電網(wǎng)是必要的。在輸電網(wǎng)的連接上，這種控制能得到提供基頻和電壓控制的中心發(fā)電廠的保證。

（4）逆變器

如果是逆變器連接的DER系統(tǒng)，一個基本的假定就是三相耦合。目前，許多微型DER裝置也有用單相耦合（如光電系統(tǒng)）到的0.4kV低電壓網(wǎng)絡(luò)運(yùn)轉(zhuǎn)的。

圖6 與SG連接的簡化DER系統(tǒng)的VF控制模型

通過一個逆變器的連接可以由以下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來描述。直流源被定義為能量來源的系統(tǒng)。它以直流產(chǎn)生原始來源的方式通過一個轉(zhuǎn)換器使適應(yīng)直流電壓（如光電、燃料電池或電池組）直接反饋，或者通過整流器反饋，這個整流器把被驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)（如風(fēng)力發(fā)電機(jī)或柴油發(fā)動機(jī)）的交流電流轉(zhuǎn)換成直流電。直流源給逆變器提供電源，逆變器把直流電轉(zhuǎn)換成交流電。輸電網(wǎng)的系統(tǒng)由耦合感應(yīng)系統(tǒng)給定。為輸電網(wǎng)連接的過濾器和變壓器在簡化系統(tǒng)中通常被忽視由于沒有考慮諧波。

在本文中，逆變器假定為是一個三相逆變器。該逆變器必須能夠起到一個電流源（PQ或PV控制）的作用，同時逆變器電壓需與電網(wǎng)電壓同步，并能作為一個電壓源（VF控制）。如果是電壓源模式，電壓只能直接設(shè)置。這對黑起動，備份操作和孤島操作是必要的，也可能對電壓控制是有必要的。

兩個控制系統(tǒng)可根據(jù)逆變器的控制等級加以區(qū)分：開關(guān)控制和逆變器的行為控制。該開關(guān)控制逆變器的開關(guān)產(chǎn)生逆變器輸出相應(yīng)的電流（PQ控制和PV控制）或者電壓（VF控制），被作為逆變器行為控制的參考?？梢约俣ㄔ撻_關(guān)控制產(chǎn)生合適的參考信號，因為諧波已被濾除了。轉(zhuǎn)換器的動態(tài)性被認(rèn)為比主要電源控制和行為控制的動態(tài)性要快很多。因此，只有緩慢的動態(tài)性必須考慮其仿真，因為轉(zhuǎn)換器控制能正常工作而且能足夠快地跟蹤目標(biāo)值，并沒有很大的延遲。這種假設(shè)也是基于這樣一個有足夠的直流電鏈接存儲的假設(shè)。因此，逆變器可被視為一個理想的電流源（PQ和PV控制）或者是一個理想的電壓源（VF控制），這種電壓源被逆變器的行為控制器控制。

基于這些假設(shè)，一個連接DER系統(tǒng)的逆變器的動態(tài)性能以取極限時間間隔的方式進(jìn)行模擬，并在圖7中顯示出來。

除了PQ控制，在輸電網(wǎng)的連接點，PV控制也可以被用來進(jìn)行電壓控制代替無功功率的控制，如圖8所示。

最后，一個逆變器連接的DER系統(tǒng)能使用VF控制來直接控制輸電網(wǎng)的電壓和頻率的大小。這個控制在圖9中顯示出來。對于電壓源來講，輸電網(wǎng)的相角被有功功率/頻率變化和額外的關(guān)于穩(wěn)定性問題的相控設(shè)備所定義。

4 結(jié)束語

在此論文中通過對分布式能源技術(shù)的介紹，分析了DER提供輔助服務(wù)（頻率控制、電壓控制、擁塞管理、提高電能質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)、孤島操作和電網(wǎng)損耗的優(yōu)化）的技術(shù)能力。此外，主要通過對DER系統(tǒng)與電網(wǎng)連接技術(shù)的技術(shù)能力進(jìn)行了詳細(xì)的分析，表明為了確保電力系統(tǒng)的安全和可持續(xù)供電，基于分布式能源把DER系統(tǒng)融入電網(wǎng)提供未來輔助性服務(wù)是可能的，并給出了DER系統(tǒng)與電網(wǎng)連接的簡化模型，將在以后的研究中對此技術(shù)進(jìn)行仿真研究。

［1］梁有偉，胡志堅，陳允平.分布式發(fā)電及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù),2003,27（12）：71-75.

［2］Jones T，Petrie E.Distributed Power Generation and Creating a‘Virtual Utility’to Manage It［J］.ABB Review，2000，（3）：13-21.

［3］韓曉平.未來20年中國能源技術(shù)發(fā)展方向為分布式能源及相關(guān)技術(shù).

［4］王 建，李興源，邱小燕.含有分布式發(fā)電裝置的電力系統(tǒng)研究綜述［J］.電力系統(tǒng)自動化，2005，29（24）：90-97.

［5］Flexible Electricity Networks to Integrate the Expected‘Energy Evolution’，F(xiàn)ENIX，SES6-518272，6th Framework Program of the European Commission 2005 ［R／OL］.http：//www.Fenix-Project.org.2008-11-01.

［6］Micro Grids，BETA SESSION 4b：Integration of Renewable Energy Sources and Distributed Generation ［J］.Greece：Nikos HATZIARGYRIOU，2003.

［7］Technology Platform for the Electricity Networks of the Future.［EB/OL］.http：//ec.europa.eu/research/energy/nn/nn_rt/Nn_rt_dg/article-2262-en.htm.2008-11-01.

［8］Vision and Strategy for Europe's Electricity Networks of the Future.［EB/OL］.2008-11-01.