变流技术在分布式发电电网和微电网上的应用.docx
《变流技术在分布式发电电网和微电网上的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《变流技术在分布式发电电网和微电网上的应用.docx（12页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
变流技术在分布式发电电网和微电网上的应用
变流技术在分布式发电、电网和微电网上的应用
彭方正
（密歇根州立大学，美国， ）
摘要:
介绍了分布式发电和微电网的构成，在技术上和经济上的优势以及需解决的问题。
论述了变流技术在分布式发电和微电网上的应用
关键词：
变流技术；分布式发电；微电网
中图分类号：
文献标识码：
文章编码：
PowerConversionTechnologyforDistributedGeneration,
MicroGridandPowerGrid
PENGFang-zheng
Abstract:
Keywords:
引言
全世界发电厂总的装机容量估计超过300万MW，并且以每年大于8万MW的速度递增。
仅美国发电装机容量约为计72.22万MW。
根据美国能源部的预测：
未来10年，每年需增加1.5万MW发电容量以满足电力需求，每年有6000MW容量的发电厂面临停产，它们将由核能和生物能源所替代。
历史上，几乎所有的发电厂都受行政管制并是由电力企业建设的。
建设大型电站，集中生产电能，通过输电线路、变压器为几百公里以外的最终用户供电。
小型发电厂偶尔应用于偏远地区企事业单位的供电,极少用于保证远距离电网的供电。
美国和世界上许多地方，发电企业的行业垄断已经或即将被打，引入竞争机制。
相比于过去受管制的公共事业而言，建立新型集中发电厂正在或即将成为风险投资。
垄断运营方式的解除，导致新的公用事业和电力公司力图建设更小的发电厂，更靠近用户，以减小风险，同时增加应用的可预见性。
即便是发电厂容量萎缩，其他方面的优点也会使分布式发电（DG）继续存在，并且可以延缓建设集中的输电/配电系统，提高电网的可靠性和提供电压的支持功能等。
全球对小型发电设备有巨大的需求，包括备用发电，电力公用事业发电、电网负荷的增加、自用电、偏远地区发电，以及消峰和负载管理等。
最近分布式发电（容量小于2MW）得到显著的增长。
例如，电力研究学会（EPRI）的一个研究报告中指出，至2010年，25%的新增发电能力来源于DG。
可以确认,不久的将来，DG将占有整个电力公用事业市场20%的份额。
单就美国而言，它将占电力应用市场（3600亿美元）的20%，即720亿美元。
如同个人计算机从主机分配计算能力到各桌面使用者一样，DG在供电区内只需具备较小的发电能力，较少的电网输电和配电，就能直接满足用户的需求，而电网的输配电用于满足峰值负载要求和未来能力的扩充。
DG提供更好的服务和更低的价格，有利于改善环境，而且能提供电网的辅助服务功能。
可再生能源,燃料电池和微型涡轮的系统正在促进这些变化。
DG系统提供辅助的服务,在低的费用，再推进通讯，控制和电力电子技术，同时能给电网的每个层级带来价值。
他们可以使得系统更加可靠和稳固，提供客户更高质量的电源，减少断电的频率和次数，有更好的电源管理。
1 电网类型及特点
1.1传统电网
传统电网（图1）由三大系统构成：
发电系统、输电系统和配电系统。
传统电网的特点是：
需建设大型的发电厂；采用高压长距离输电方式；需多级的配电系统。
配电系统（图2）呈放射性，采用无源控制，潮流控制，并具有电力单方向流动特性。
1.2分布式发电及微电网
微电网由一些微小电源（或分布式发电）、储能系统和负载构成（图3），它根据电网控制中心的信号对微网内的发电、储能系统及负载进行控制和管理，能同时提供电能和热能，是单一的系统网络。
网内微源或分布式发电的功率一般小于10MW。
每个DG均由电力电子技术提供所需要的控制和接口。
微源（如微型涡轮发电机，燃料电池，及可再生能源）与用户直接挂钩，安装在用户区域。
微电网一般设在配电站以下，可以包括一个配电站，微电网内有多个配电线和负载群；配电电压通常在480V或以下；每个配电线有多个断路器，网内潮流控制器和电压控制器给电源提供控制信号，调节配电线潮流和母线电压，使其处在能量管理器要求的水平；隔离装置实现电网和微电网间的连接和隔离；微电源（或DG）均通过电力电子装置与系统相连接；在正常工作模式下，微电网与公共系统（STS）在公共连接点通过固态转换开关相连；DG为当地负载提供电力及电压支撑。
电力系统出现问题时，通过固态转换开关进行高速隔离。
此后，分布式发电系统成为唯一的电源。
因此DG必须能调节负载电压和提供不间断电源，并按预先确定的DG功率进行分配，在微电网内分担负载；当故障清除后,微电网需要与公用电网重新同步，同步后由STS重新接通，并平滑返回系统,实现正常的并网运行。
1.3 分布式发电和微电网的独特功能
分布式发电和微电网具有三个独特功能：
分布式发电控制、能源管理及电网保护。
分布式发电和微电网利用分布式发电控制器进行有功和无功的控制。
当网压出现不平衡或负载变化时，与DG耦合的功率和电压控制器能提供自治的快速响应，无需与上级系统通信。
能源管理器给每个分布式发电控制器设定工作点（功率和电压工作点），提供运行控制功能，实现该功能的响应时间以分钟计量。
微电网内的保护通过电力电子技术实现与电网接口，因此它的保护需要单独的解决方案，以提供所需要的功能。
2 分布式发电和微电网的技术和经济优势
分布式发电和微电网非集中化和本地化地供应电能，能提高系统的稳定性，减少停电次数，达到更佳的供求关系，能减少输电系统及大型发电厂的影响，降低发电储运消耗。
通过电力电子技术可实现更佳的谐波和无功功率控制。
市场方面，广泛采用分布式发电和微电网可降低电价，优化分布式发电可进一步降低电价，例如在价格高昂的负载高峰期局部发电，以缓解电力紧张，在电网电力过剩时直接从电网低价采购电能。
环境方面，与传统的大型集中发电厂相比，分布式发电对环境的影响小。
由于技术创新及可再生能源的利用，提高在低电压DG的连接，能减少温室气体排放，缓解气候变化。
在局部和微电网层级，众多电源与储能装置协同工作，实现高效运营。
运行和投资方面，缩短发电厂与负载间的距离，能提高系统的无功供应能力，从而增强电压分布特征（profile），消除配电和输电瓶颈，降低在上层高压网络中的损耗，减少或至少延迟新的输电和大规模电厂系统的投资。
3 分布式发电和微电网应考虑的问题
3．1安全
人身安全及设备保护。
反孤岛运行是DG逆变器的功能，应能根据不同需求进行编程和设定。
人为的孤岛运行应在保证人身安全及设备的正常工作条件下进行。
3．2成本及技术
优化运行成本。
技术上亟待解决的问题是，如何控制众多的DG，以及积累经验。
DG的模型、动态模型、仿真工具、实时运行和控制以及设计和保护等均是研究的对象。
3．3电力质量
任何DG在联网后都会对电网质量产生或多或少的影响。
如果没有控制好，它们会对电网电压波形（畸变、直流偏移）和频率以及功率因数产生负面影响。
这些影响在传统的电网系统上是前所未有的。
很多DG都是闪变式能源（如太阳能、风能等），无疑它们会产生电压闪变（flicker），因此必须考虑对电网的影响及其对策。
3．4短路电流的增大及其限制
DG或微电源联网后，都会增大短路电流，传统的继电保护设备可能不再起到应有的保护作用，甚至可能导致这些保护设备损坏、二次保护电路饱和及误动作。
3．5解决问题的方案
应用变流技术，DG通过逆变器与电网联接。
逆变器应具备以下功能。
（1） 调制功率因数，达到系统要求；
（2） 无直流偏移，调节及控制直流分量；
（3） 有较强的EMI能力；
（4） DG间以及与控制中心实现通信；
（5） 可以应对不平衡电压、不平衡负载；
（6） 能限流及有效抑制短路电流；
（7） 能量及电力的平衡及均载；
（8） 能对能源供给、要求及储存进行必要的响应和调节；
（9） 能有效地存储和管理能源（电能）的，并根据昼夜要求而变化；
（10）允许微电网运营者选择并网或孤立运行；
（11）需求端的有效管理（Demand-sidemanagement），即DG可以对需求方有效管理和调节，以解决供电及负载间的临时性的不平衡；
（12）按需求对电网提供辅助性服务，如：
——5%下垂特性（Droopcharacteristic），
——按照频率进行轮转式储备，
——当地电压的调节计量，
——功率因数校正及无功的供给，
——电压瞬时跌落的补偿，
——局部保护（过流、接地、过压等），
——孤岛及反孤岛运行，应急电源，
——排除局部系统不稳定工况，
——电力质量管理（谐波的补偿，不平衡电压的校正，瞬态变化的抑制）。
4 DG及微电网的研发课题
4．1 提高电力质量及可靠性
在整个电力系统上，配电系统的问题最多。
利用DG及微电网技术（变流技术）可以有效地提高电力质量，特别是电压质量：
如稳定性，闪变，畸变以及瞬时低落等；以及利用DG在微电网内产生、控制及消耗无功功率；提供附加功能来解决大系统的问题，如按照频率进行DG储备等。
4．2电力系统技术的革新
无疑，DG和微电网是对传统电网的一大冲击。
传统的电力系统应在结构上进行改造，来适应DG在联网系统集成的要求，以构成微电网等。
这些新的技术及概念应及时纳入电力系统中，进行统筹规划，实现正常的通信、控制和监视。
应用新技术，大力发展以变流技术为基础的DG、D-FACTS以及DG-FACTS，电力储能技术及电网通信技术。
4．3建立新的电力系统工具、标准及管制制度
由于DG的渗透以及微电网的不断建立，电力系统的运行及仿真、评估工具以及概念上需要作相应的改进，以推动DG及微电网的最大利用和发展。
在运行及联网标准上，也应有相应的变化和新内容。
政府管制条例需修改和完善。
5 微电网概念的个案研究
综上所述，微电网由多个DG组成。
如何控制、运行微电网及DG是新技术的关键。
控制主要包括：
（1）在正常联网运行下，如何响应及为系统提供附加服务功能；
（2）有功及无功功率的分担（均载）及能源利用的优化；
（3）电力质量的确保及控制；
（4）保护及限流
（5）通信及协调
（6）自检及主/从控制。
以图4所示的微电网为例，重点讨论分布式发电逆变器的主回路结构，控制运算法则以及功能要求。
图4的微电网内有2个DG和3个负载群。
这是一个最简单的个案。
5.1三相联网DG逆变器主电路及控制
在主电路中，按负载要求选用三相三线制或三相四线制。
在有大量三相及单相负载情况下，常用三相四线制。
在控制上，应具有的环节是：
内环电流/电压控制回路、外环有功功率和无功功率控制回路、DG和电网的同步控制、保护功能及故障短路电流抑制功能。
图5是如何实现电流/电压内环控制的原理图。
电压环是用来控制DG的输出电压。
电压环提供电流指令，而电流环提供PWM调制信号。
电压的前馈是用来提高稳定性和降低内环反馈增益Ki和Kv的。
详细的理论分析从略。
图6是DG1和DG2的有功功率－频率的下垂（Droop）特性，以此来保证有功功率的平衡和均载。
此下垂特性应由DG1和DG2的功率分配及额定功率的大小而定。
无功功率也应有类似的下垂特性，以保证无功的分配和均衡。
这种下垂特性的实现分别是由频率及电压来控制的（图7和图8）。
在正常联网运行中，特别是在电网弱的情况下，与系统同步是一关键技术。
这种同步控制功能可以附加在有功和无功控制环里（图9，图10）。
也可以由专门的同步电路完成。
图11是三相矢量同步原理图。
这种矢量同步方式特别在弱电网系统或DG容量比例大的情况下非常有效。
这种三相电压相位检测的矢量PLL回路具有稳固、有效、易执行等特点，也广泛应用于无功补偿和谐波补偿。
综合以上控制环节，图12给出了微电网DG的统一控制器的框图
图13示出利用逆变器限制故障短路电流的原理框图。
故障时由一个串联逆变器提供反相电压，以抑制线路电流。
这里可采用直接电流限制算法、RL前馈电流限制算法（最理想的R/L比）、磁通充磁（Flux—Charge）反馈电流限制算法。
5.2 应用于D-FACTS或DG-FACTS方面的功能及结构的要求
将FACTS电力电子的概念扩展到配电系统（D-FACTS），由DG同时承担必要的D-FACTS来保证和提高电网的稳定性、电力质量和系统可靠性。
DG及其逆变器可实施微电网内的潮流控制（UPFC）、线间潮流控制（ILPFC）、瞬时电压低落补偿（DVR）以及动态无功补偿（STATCOM）。
图14示出瞬时电压低落（在故障短路时）的原理。
利用图13的限流原理（串联逆变器）同样可以对需保护的敏感负荷（SensitiveLoads）进行电压低落补偿，达到DVR的功能。
在必要时DG可以通过断路开关对结构进行重新配置（Reconfigurable），提供系统所需的FACTS功能。
6 结语
电力系统面临新的变革，电力电子变流技术将扮演一个“使能够（Enabling）”的角色，使FACTS、DG、DG-FACTS、可再生能源的利用、微电网以及电力系统现代化成为“可能”。
DG及微电网作为现代电网的组成部分起着变革性的作用。
收稿日期：
2006-03-01
作者简介：
彭方正（1963-），男，博士，教授，教育部"长江计划"特聘教授，IEEE电力电子学刊的编委，IEEE工业应用学会工业变换器委员会委员。
研究方向：
电力系统电力电子技术（包括：
无功补偿、有源电力滤波、电力调节器，灵活交流输电等）；高性能特大功率变换技术（包括：
特大功率高电压交流调速系统等）
升级会员 