陳紅(中國農(nóng)業(yè)大學(xué),北京 100010)

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淺談微電網(wǎng)的相關(guān)問題和技術(shù)

陳紅
(中國農(nóng)業(yè)大學(xué),北京 100010)

【摘 要】作為傳統(tǒng)電網(wǎng)的延伸性產(chǎn)業(yè),微電網(wǎng)展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿?。雖然目前微電網(wǎng)的發(fā)展剛剛起步,但是在一系列新技術(shù)的支撐下,其必將實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)步。本文詳細(xì)闡述了微電網(wǎng)的內(nèi)涵、結(jié)構(gòu)以及運(yùn)作特點(diǎn),仔細(xì)分析了微電網(wǎng)相關(guān)方面存在的弊端,如電壓、頻率等各種問題,探討論述了微電網(wǎng)技術(shù)改進(jìn)的一些控制措施,以期對(duì)微電網(wǎng)的發(fā)展起到較好的促進(jìn)作用。

【關(guān)鍵詞】微電網(wǎng) 相關(guān)問題 技術(shù)措施

隨著時(shí)代的發(fā)展,各行各業(yè)都在努力革新,而微電網(wǎng)作為傳統(tǒng)電網(wǎng)行業(yè)的突出力量,其自身也需要得到提升。在傳統(tǒng)電網(wǎng)行業(yè)已漸漸不能負(fù)擔(dān)社會(huì)的飛速發(fā)展的情況下,微電網(wǎng)的出現(xiàn)大大緩解電網(wǎng)行業(yè)的壓力。但由于微電網(wǎng)的特性,使其運(yùn)作時(shí)存在一些弊端,導(dǎo)致微電網(wǎng)的發(fā)展嚴(yán)重受到影響。故此,針對(duì)微電網(wǎng)的實(shí)際情況,采取具體措施,解決所遇到的問題,是尤為重要的。

1 微電網(wǎng)的特性

1.1 微電網(wǎng)的內(nèi)涵

到目前為止,微電網(wǎng)還沒有在全世界得到統(tǒng)一的定義,不同國家地區(qū)對(duì)于微電網(wǎng)都有著不同的見解。在所有國家地區(qū)中,美國是全世界研究微電網(wǎng)最早的國家,這使得美國的微電網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)先于全世界。美國CERTS已論證說明,微電網(wǎng)的基本內(nèi)涵概念就是集合各種大量不同的微電源以及多種各不相同的負(fù)荷。在一個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中,微電源同時(shí)向負(fù)載體供應(yīng)熱力與電力需求,微電源基本大多數(shù)都是電力電子類型的,所以可提供各種靈活性,如此可保證運(yùn)行使用的是一個(gè)集成系統(tǒng)的方式。同時(shí),這種靈活的控制使微電網(wǎng)可以成為大電力系統(tǒng)中的一個(gè)受控單元,從而結(jié)合實(shí)地解決掉電力負(fù)荷的安全性以及可靠性。

1.2 微電網(wǎng)的構(gòu)造

一般來說,微電網(wǎng)整體相關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖,如以下圖1所示。

由圖1可看得出,主要組成微電網(wǎng)的設(shè)備系統(tǒng)都有分布式電源、儲(chǔ)能裝置、控制系統(tǒng)、負(fù)荷和其他電力電子設(shè)備,為維持微電網(wǎng)能正常穩(wěn)定運(yùn)行,各部分設(shè)備必須互相協(xié)調(diào)合作。分布式電源是由微型燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、燃料電池及太陽能電池等材料組成,它需要通過運(yùn)用電力電子裝置和大電網(wǎng)相連。為了滿足并網(wǎng)要求,必須經(jīng)由電力電子設(shè)備把微型燃?xì)廨啓C(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)變成直流電,然后直流電再逆變成交流電,從而進(jìn)行并網(wǎng)。而燃料電池與太陽能電池可直接輸送出直流電,所以并網(wǎng)只需直接將直流電進(jìn)行逆變,成為相應(yīng)的交流電即可。儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)應(yīng)的是雙向的電能轉(zhuǎn)換裝置,其核心意義就是當(dāng)微電網(wǎng)電能過多的時(shí)候進(jìn)行儲(chǔ)能工作。反過來,當(dāng)微電網(wǎng)電能不充足時(shí)放出儲(chǔ)存的能量。微電網(wǎng)的負(fù)荷是有等級(jí)的,正如大電網(wǎng)一般,若遇到特殊情況,可自行切斷一般負(fù)荷,從而保障重要負(fù)荷的供電正常。微電網(wǎng)中最重要的部分就是控制系統(tǒng),它是協(xié)調(diào)微電網(wǎng)整個(gè)運(yùn)行過程的關(guān)鍵所在。

1.3 微電網(wǎng)的運(yùn)作特點(diǎn)

和傳統(tǒng)大電網(wǎng)有所不同,微電網(wǎng)是屬于一種低壓系統(tǒng),它遵循著低壓系統(tǒng)的功率運(yùn)作特點(diǎn)。這種特點(diǎn)主要分為兩個(gè)方面:一方面,任何一種微電源,其輸出特性基本都不一樣;另一方面,由于微電網(wǎng)是一種低壓系統(tǒng),所以其傳輸線損耗相當(dāng)大,這點(diǎn)不容忽視。微電源是應(yīng)用再生資源發(fā)電的,因此微電網(wǎng)運(yùn)行很大部受自然條件影響,功率輸出極不穩(wěn)定,考慮到這些情況,微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí),微電源輸出需要調(diào)至最大功率。

2 微電網(wǎng)相關(guān)問題

2.1 電壓問題

一般配電系統(tǒng)中,輻射性潮流是電壓調(diào)節(jié)的基本原理。把DG一接入,就促成了網(wǎng)絡(luò)格式化的功率潮流,這會(huì)致使常規(guī)電壓的調(diào)節(jié)受到影響,故此,系統(tǒng)的電壓會(huì)出現(xiàn)問題。一方面是高電壓,在DG接入饋線后,負(fù)載電流會(huì)被進(jìn)入系統(tǒng)的功率所抵消,誘發(fā)系統(tǒng)電壓下降減少,當(dāng)負(fù)荷在減少時(shí),DG接入地方的電壓容易出現(xiàn)波峰情況。另一方面是低電壓,當(dāng)DG的接入點(diǎn)位于電壓調(diào)節(jié)器的偏下端地方時(shí),由于調(diào)節(jié)器負(fù)載中的關(guān)鍵部分是DG的輸出電壓,所以,多半會(huì)導(dǎo)致電壓調(diào)節(jié)器在輸出時(shí),出現(xiàn)電壓快速降低。因此,若系統(tǒng)無法得到DG輸入充分的無功功率,調(diào)節(jié)器偏下游的部分將處在低電壓的水平。

2.2 頻率問題

在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)當(dāng)中,因由慣量存在于系統(tǒng)之中,為滿足負(fù)荷在其變動(dòng)時(shí),初始功率得以平衡,可實(shí)施輕微變換頻率的方式,然后讓功率調(diào)節(jié)器把系統(tǒng)頻率逐漸調(diào)整到額定值。電力電子中接口的DG是屬于小慣量的電源系統(tǒng),其不能快速響應(yīng)負(fù)荷階越變化的原因在于,此類原動(dòng)機(jī)不僅響應(yīng)速度過慢,且電力電子器件的本身并沒有能量儲(chǔ)存。當(dāng)主電網(wǎng)連上微電網(wǎng)時(shí),主電網(wǎng)還可以平衡負(fù)荷變化,但當(dāng)微電網(wǎng)進(jìn)行孤島運(yùn)行時(shí),就容易出現(xiàn)響應(yīng)速度過慢和電壓波動(dòng)過多。

2.3 諧波問題

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)DG要進(jìn)行并網(wǎng)時(shí),因?yàn)闀?huì)過多量使用電力電子類的器件,所以難以避免會(huì)給系統(tǒng)造成巨大量的諧波。發(fā)電的方式還有轉(zhuǎn)換器的工作模式這兩項(xiàng),是會(huì)直接影響諧波的階次及幅度,進(jìn)而影響電壓的波形還有電壓的相對(duì)穩(wěn)定性。

2.4 電壓閃變問題

當(dāng)大型DG在啟動(dòng)的時(shí)候,輸出的短暫性劇變情形,以及與系統(tǒng)中電壓各種反饋控制設(shè)備的互相作用,都極易對(duì)微電網(wǎng)和配電網(wǎng)造成強(qiáng)烈的沖擊,致使電壓閃變。電壓閃變雖由波動(dòng)而起,但不同于一般的波動(dòng),其更具不穩(wěn)定的特性。

3 微電網(wǎng)的技術(shù)措施

3.1 并網(wǎng)運(yùn)行模式的控制措施

并網(wǎng)的時(shí)候,大電網(wǎng)經(jīng)由PCC與微電網(wǎng)實(shí)施連接,微電網(wǎng)依據(jù)具體負(fù)荷的情況同大電網(wǎng)進(jìn)行功率交換。大電網(wǎng)將完成頻率的調(diào)整任務(wù),但也需要控制局部的電壓,讓各個(gè)電源間不會(huì)存在大量無功電流在流動(dòng),從而使電壓產(chǎn)生的無功偏移情況和振蕩情況能盡量少的作用于DG高滲透性的系統(tǒng)。在運(yùn)行并網(wǎng)模式的情況下,DG單元提供相關(guān)輔助的服務(wù),其使用的是局部電壓支撐的方式。至于電力電子接口的DG,類似于有功頻率下垂型控制器,采用的是電壓無功下垂型控制器,充分運(yùn)用DG的本地信息,計(jì)算局部的無功需求。

3.2 孤島運(yùn)行模式的控制措施

所謂孤島運(yùn)行,就是微電網(wǎng)在主網(wǎng)發(fā)生故障或電能質(zhì)量出現(xiàn)問題以至于不能滿足使用需求時(shí),自行與主網(wǎng)斷開,形成獨(dú)立運(yùn)行。孤島運(yùn)行模式由DG供電于微電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷,一般可分為計(jì)劃型孤島運(yùn)行和無計(jì)劃型孤島運(yùn)行兩種模式。微電網(wǎng)中,孤島運(yùn)行模式的啟用,為系統(tǒng)提供更有效且更高的可靠性,并讓供電可不間斷。微電網(wǎng)孤島運(yùn)行系統(tǒng)的控制主要分為以下幾類。

微電網(wǎng)的系統(tǒng)中,單主控制方法和多主控制的方法。使用單個(gè)或多個(gè)DG的VSIV來提供參考的電壓和頻率。在孤島運(yùn)行的情況下,微電網(wǎng)所控制的各個(gè)參考單元的實(shí)際功率實(shí)現(xiàn)電力供需平衡,并且電壓與頻率的質(zhì)量得到高效保障。此外,當(dāng)微電網(wǎng)再一次進(jìn)行并網(wǎng)時(shí),其系統(tǒng)的電壓還有頻率可以維持在孤島運(yùn)行之前的標(biāo)準(zhǔn),采用鎖相環(huán)節(jié)方式的控制方法,保證微電網(wǎng)的頻率電壓與主網(wǎng)能夠相同,從而減少暫態(tài)過程的波動(dòng),有效完成平順、柔滑并網(wǎng)的目的。值得注意的是,運(yùn)用單主控制法實(shí)施孤島運(yùn)行模式時(shí),DG是否可以正常運(yùn)行,決定著微電網(wǎng)能否具有較強(qiáng)穩(wěn)定性,而多主控制法就基本不存在會(huì)有這個(gè)問題。另外一點(diǎn),因?yàn)閱沃骺刂品ê投嘀骺刂品ǘ紩?huì)對(duì)提供參考電壓、頻率的DG旋轉(zhuǎn)備用容量有較高的要求,所以孤島運(yùn)行應(yīng)該可以承受并網(wǎng)時(shí),主網(wǎng)所提供的所有功率。

在微電網(wǎng)的系統(tǒng)當(dāng)中的對(duì)等式控制方法。選擇和傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)所類似的DC系統(tǒng)作為DG的控制方法,就是下垂控制,其運(yùn)用頻率有功的下垂曲線讓各個(gè)機(jī)組來承擔(dān)電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中不平衡的一些功率的動(dòng)態(tài)。此行省去了機(jī)組之間通信的協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)了DG隨時(shí)插上就能使用以及對(duì)等控制的目的,因而使孤島運(yùn)行下微電網(wǎng)內(nèi)部電力供需的平衡與頻率能夠統(tǒng)一得到保證,方法簡單可靠,不過,此法對(duì)系統(tǒng)電壓和頻率的恢復(fù)的問題缺乏考慮。所以,如果微電網(wǎng)受到了嚴(yán)重干擾或致命破壞時(shí),系統(tǒng)將難以確保頻率的質(zhì)量,且由于并網(wǎng)時(shí),微電網(wǎng)未同步到主網(wǎng),會(huì)導(dǎo)致其對(duì)主網(wǎng)的電壓、頻率出現(xiàn)較重的沖擊。此外,這種控制法針對(duì)的是電力電子接口類的微電源系統(tǒng),很少顧及到傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)與逆變的微電源之間的協(xié)調(diào)控制。設(shè)置具逆變器式DG的有功參考和無功參考值進(jìn)行分別調(diào)試微電網(wǎng)的電壓及頻率,能夠完成并聯(lián)運(yùn)行下逆變DG的聯(lián)合,故而調(diào)試好微電網(wǎng)的電壓和頻率。最后,改進(jìn)交叉下垂,運(yùn)用同步機(jī)將DG接入,使其與逆變器式DG共攤負(fù)荷,這種辦法有效彌補(bǔ)之前控制方式會(huì)局限于逆變器式DG的不足。

在微電網(wǎng)中,多代理技術(shù)的控制方法。此種方法就是讓微電網(wǎng)的控制系統(tǒng)借鑒傳統(tǒng)電力系統(tǒng),運(yùn)用多代理的技術(shù)。在多代理這種控制技術(shù)中,具有高效的自發(fā)性和自治性,再加上較強(qiáng)的響應(yīng)能力,這些都恰好可以滿足微電網(wǎng)系統(tǒng)所需要的分散控制法,構(gòu)建了一個(gè)可以融入各式控制系統(tǒng),且不需要管理者時(shí)常參與管理的系統(tǒng)。不過,由于當(dāng)前多代理技術(shù)作用于微電網(wǎng)中的地方還比較匱乏,需做更多研究,使其發(fā)揮出更大的作用。

3.3 微電網(wǎng)的保護(hù)

具有儲(chǔ)能設(shè)備裝置與多個(gè)分布式電源的結(jié)合接入,將配電系統(tǒng)中故障的特征完全改變。微電網(wǎng)在實(shí)施并網(wǎng)或孤島運(yùn)行兩種的不同運(yùn)行模式下,短路電流的大小會(huì)有很大不同,其中的差異非常大。因此,需要在孤島運(yùn)行或并網(wǎng)情況下,都能對(duì)微電網(wǎng)的內(nèi)部故障做出及時(shí)的反應(yīng),且要快速感知到大電網(wǎng)所出現(xiàn)的問題,必須嚴(yán)格確保其可靠、準(zhǔn)確、靈敏等等的關(guān)鍵特性。以上這些都是屬于保護(hù)好微電網(wǎng)的重要核心所在。

3.4 其他控制策略

其他還有一些策略,基本都是建立在以上這些方式方法之上,以進(jìn)行的拓展,對(duì)應(yīng)每一個(gè)不同策略的缺陷加以改進(jìn),或是結(jié)合兩個(gè)或多個(gè)策略方法的優(yōu)點(diǎn),構(gòu)建新的綜合性的控制策略。例如,運(yùn)用下垂控制法與倒下垂進(jìn)行結(jié)合,實(shí)施綜合控制的方法策略,在沒有通信線路這種特殊情況之下,完成了微電網(wǎng)的并網(wǎng)操作,并從大電網(wǎng)中解列,進(jìn)行無縫切換,最終實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)施過程中穩(wěn)定性與可靠性的提升。

4 結(jié)語

現(xiàn)如今,電網(wǎng)發(fā)展已到需要突破的階段,微電網(wǎng)的技術(shù)革新十分重要。由于微電網(wǎng)系統(tǒng)中存在著一些弊端,如電壓問題、頻率問題、諧波問題等,因此,要結(jié)合微電網(wǎng)系統(tǒng)的各種技術(shù)特性,采取相應(yīng)合理的措施,對(duì)其進(jìn)行完善。而想要解決這些問題,光是文章中幾個(gè)相關(guān)控制技術(shù)的策略并不夠,且每個(gè)單獨(dú)的方式都有一定的缺陷。只有在已有基礎(chǔ)上,創(chuàng)新、成熟并完善各項(xiàng)技術(shù),才能使微電網(wǎng)在外面日常生活中發(fā)揮其最大價(jià)值。

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作者簡介:陳紅(1992—),女,漢族,天津人,本科,就職于:中國農(nóng)業(yè)大學(xué),研究方向:電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)。