淺談微電網的相關問題和技術

陳紅(中國農業大學,北京 100010)

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淺談微電網的相關問題和技術

陳紅
(中國農業大學,北京 100010)

【摘 要】作為傳統電網的延伸性產業,微電網展現出了巨大的發展潛力。雖然目前微電網的發展剛剛起步,但是在一系列新技術的支撐下,其必將實現快速進步。本文詳細闡述了微電網的內涵、結構以及運作特點,仔細分析了微電網相關方面存在的弊端,如電壓、頻率等各種問題,探討論述了微電網技術改進的一些控制措施,以期對微電網的發展起到較好的促進作用。

【關鍵詞】微電網 相關問題 技術措施

隨著時代的發展,各行各業都在努力革新,而微電網作為傳統電網行業的突出力量,其自身也需要得到提升。在傳統電網行業已漸漸不能負擔社會的飛速發展的情況下,微電網的出現大大緩解電網行業的壓力。但由于微電網的特性,使其運作時存在一些弊端,導致微電網的發展嚴重受到影響。故此,針對微電網的實際情況,采取具體措施,解決所遇到的問題,是尤為重要的。

1 微電網的特性

1.1 微電網的內涵

到目前為止,微電網還沒有在全世界得到統一的定義,不同國家地區對于微電網都有著不同的見解。在所有國家地區中,美國是全世界研究微電網最早的國家,這使得美國的微電網技術領先于全世界。美國CERTS已論證說明,微電網的基本內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荷。在一個系統當中,微電源同時向負載體供應熱力與電力需求,微電源基本大多數都是電力電子類型的,所以可提供各種靈活性,如此可保證運行使用的是一個集成系統的方式。同時,這種靈活的控制使微電網可以成為大電力系統中的一個受控單元,從而結合實地解決掉電力負荷的安全性以及可靠性。

1.2 微電網的構造

一般來說,微電網整體相關的結構示意圖,如以下圖1所示。

由圖1可看得出,主要組成微電網的設備系統都有分布式電源、儲能裝置、控制系統、負荷和其他電力電子設備,為維持微電網能正常穩定運行,各部分設備必須互相協調合作。分布式電源是由微型燃氣輪機、風力發電機、燃料電池及太陽能電池等材料組成,它需要通過運用電力電子裝置和大電網相連。為了滿足并網要求,必須經由電力電子設備把微型燃氣輪機和風力發電機所發出的交流電轉變成直流電,然后直流電再逆變成交流電,從而進行并網。而燃料電池與太陽能電池可直接輸送出直流電,所以并網只需直接將直流電進行逆變,成為相應的交流電即可。儲能設備對應的是雙向的電能轉換裝置,其核心意義就是當微電網電能過多的時候進行儲能工作。反過來,當微電網電能不充足時放出儲存的能量。微電網的負荷是有等級的,正如大電網一般,若遇到特殊情況,可自行切斷一般負荷,從而保障重要負荷的供電正常。微電網中最重要的部分就是控制系統,它是協調微電網整個運行過程的關鍵所在。

1.3 微電網的運作特點

和傳統大電網有所不同,微電網是屬于一種低壓系統,它遵循著低壓系統的功率運作特點。這種特點主要分為兩個方面: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,由于微電網是一種低壓系統,所以其傳輸線損耗相當大,這點不容忽視。微電源是應用再生資源發電的,因此微電網運行很大部受自然條件影響,功率輸出極不穩定,考慮到這些情況,微電網運行時,微電源輸出需要調至最大功率。

2 微電網相關問題

2.1 電壓問題

一般配電系統中,輻射性潮流是電壓調節的基本原理。把DG一接入,就促成了網絡格式化的功率潮流,這會致使常規電壓的調節受到影響,故此,系統的電壓會出現問題。一方面是高電壓,在DG接入饋線后,負載電流會被進入系統的功率所抵消,誘發系統電壓下降減少,當負荷在減少時,DG接入地方的電壓容易出現波峰情況。另一方面是低電壓,當DG的接入點位于電壓調節器的偏下端地方時,由于調節器負載中的關鍵部分是DG的輸出電壓,所以,多半會導致電壓調節器在輸出時,出現電壓快速降低。因此,若系統無法得到DG輸入充分的無功功率,調節器偏下游的部分將處在低電壓的水平。

2.2 頻率問題

在傳統的電力系統當中,因由慣量存在于系統之中,為滿足負荷在其變動時,初始功率得以平衡,可實施輕微變換頻率的方式,然后讓功率調節器把系統頻率逐漸調整到額定值。電力電子中接口的DG是屬于小慣量的電源系統,其不能快速響應負荷階越變化的原因在于,此類原動機不僅響應速度過慢,且電力電子器件的本身并沒有能量儲存。當主電網連上微電網時,主電網還可以平衡負荷變化,但當微電網進行孤島運行時,就容易出現響應速度過慢和電壓波動過多。

2.3 諧波問題

圖1 微電網結構示意圖

當DG要進行并網時,因為會過多量使用電力電子類的器件,所以難以避免會給系統造成巨大量的諧波。發電的方式還有轉換器的工作模式這兩項,是會直接影響諧波的階次及幅度,進而影響電壓的波形還有電壓的相對穩定性。

2.4 電壓閃變問題

當大型DG在啟動的時候,輸出的短暫性劇變情形,以及與系統中電壓各種反饋控制設備的互相作用,都極易對微電網和配電網造成強烈的沖擊,致使電壓閃變。電壓閃變雖由波動而起,但不同于一般的波動,其更具不穩定的特性。

3 微電網的技術措施

3.1 并網運行模式的控制措施

并網的時候,大電網經由PCC與微電網實施連接,微電網依據具體負荷的情況同大電網進行功率交換。大電網將完成頻率的調整任務,但也需要控制局部的電壓,讓各個電源間不會存在大量無功電流在流動,從而使電壓產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。在運行并網模式的情況下,DG單元提供相關輔助的服務,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,充分運用DG的本地信息,計算局部的無功需求。

3.2 孤島運行模式的控制措施

所謂孤島運行,就是微電網在主網發生故障或電能質量出現問題以至于不能滿足使用需求時,自行與主網斷開,形成獨立運行。孤島運行模式由DG供電于微電網內的負荷,一般可分為計劃型孤島運行和無計劃型孤島運行兩種模式。微電網中,孤島運行模式的啟用,為系統提供更有效且更高的可靠性,并讓供電可不間斷。微電網孤島運行系統的控制主要分為以下幾類。

微電網的系統中,單主控制方法和多主控制的方法。使用單個或多個DG的VSIV來提供參考的電壓和頻率。在孤島運行的情況下,微電網所控制的各個參考單元的實際功率實現電力供需平衡,并且電壓與頻率的質量得到高效保障。此外,當微電網再一次進行并網時,其系統的電壓還有頻率可以維持在孤島運行之前的標準,采用鎖相環節方式的控制方法,保證微電網的頻率電壓與主網能夠相同,從而減少暫態過程的波動,有效完成平順、柔滑并網的目的。值得注意的是,運用單主控制法實施孤島運行模式時,DG是否可以正常運行,決定著微電網能否具有較強穩定性,而多主控制法就基本不存在會有這個問題。另外一點,因為單主控制法和多主控制法都會對提供參考電壓、頻率的DG旋轉備用容量有較高的要求,所以孤島運行應該可以承受并網時,主網所提供的所有功率。

在微電網的系統當中的對等式控制方法。選擇和傳統的發電機所類似的DC系統作為DG的控制方法,就是下垂控制,其運用頻率有功的下垂曲線讓各個機組來承擔電網系統當中不平衡的一些功率的動態。此行省去了機組之間通信的協調,實現了DG隨時插上就能使用以及對等控制的目的,因而使孤島運行下微電網內部電力供需的平衡與頻率能夠統一得到保證,方法簡單可靠,不過,此法對系統電壓和頻率的恢復的問題缺乏考慮。所以,如果微電網受到了嚴重干擾或致命破壞時,系統將難以確保頻率的質量,且由于并網時,微電網未同步到主網,會導致其對主網的電壓、頻率出現較重的沖擊。此外,這種控制法針對的是電力電子接口類的微電源系統,很少顧及到傳統的發電機與逆變的微電源之間的協調控制。設置具逆變器式DG的有功參考和無功參考值進行分別調試微電網的電壓及頻率,能夠完成并聯運行下逆變DG的聯合,故而調試好微電網的電壓和頻率。最后,改進交叉下垂,運用同步機將DG接入,使其與逆變器式DG共攤負荷,這種辦法有效彌補之前控制方式會局限于逆變器式DG的不足。

在微電網中,多代理技術的控制方法。此種方法就是讓微電網的控制系統借鑒傳統電力系統,運用多代理的技術。在多代理這種控制技術中,具有高效的自發性和自治性,再加上較強的響應能力,這些都恰好可以滿足微電網系統所需要的分散控制法,構建了一個可以融入各式控制系統,且不需要管理者時常參與管理的系統。不過,由于當前多代理技術作用于微電網中的地方還比較匱乏,需做更多研究,使其發揮出更大的作用。

3.3 微電網的保護

具有儲能設備裝置與多個分布式電源的結合接入,將配電系統中故障的特征完全改變。微電網在實施并網或孤島運行兩種的不同運行模式下,短路電流的大小會有很大不同,其中的差異非常大。因此,需要在孤島運行或并網情況下,都能對微電網的內部故障做出及時的反應,且要快速感知到大電網所出現的問題,必須嚴格確保其可靠、準確、靈敏等等的關鍵特性。以上這些都是屬于保護好微電網的重要核心所在。

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,以進行的拓展,對應每一個不同策略的缺陷加以改進,或是結合兩個或多個策略方法的優點,構建新的綜合性的控制策略。例如,運用下垂控制法與倒下垂進行結合,實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,完成了微電網的并網操作,并從大電網中解列,進行無縫切換,最終實現微電網系統實施過程中穩定性與可靠性的提升。

4 結語

現如今,電網發展已到需要突破的階段,微電網的技術革新十分重要。由于微電網系統中存在著一些弊端,如電壓問題、頻率問題、諧波問題等,因此,要結合微電網系統的各種技術特性,采取相應合理的措施,對其進行完善。而想要解決這些問題,光是文章中幾個相關控制技術的策略并不夠,且每個單獨的方式都有一定的缺陷。只有在已有基礎上,創新、成熟并完善各項技術,才能使微電網在外面日常生活中發揮其最大價值。

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