分布式发电和微网(外文翻译一)Word文档下载推荐.doc

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关键词：

热电联产，分布式，孤岛模式，逆变器，微网，功率与频率衰减特性，电压与无功功率的衰减特性

1.引言

随着社会经济的发展以及技术的不断改进，人们对电能的需求提出了更高的要求。

由于传统的发电模式存在效率低、能耗大以及经济效益低等诸多的问题，而新兴的技术具有低排放、低经济成本、搞经济效益等优势，分布式发电在逐渐取代原来的传统模式。

与此同时，分布式发电涵盖的范围非常广，这其中包括内燃机，微型燃气轮机，燃气涡轮发电机，光伏，燃料电池和风能发电。

这些新技术的应用，为电网输送更加可靠、高质量的电能提供了保障。

虽然分布式发电在美国的普及程度还没有达到显着水平，然而，这种情况正在发生迅速的改变，这让我们更加要注意这种发电方式带来的与原来的配电系统不匹配的问题。

滥用分布式发电造成的问题与它当初解决的问题是一样多的。

一种更好开发分布式发电潜能的方式就是将包含分布式发电机和与之关联的负载的系统当做子系统或微网来处理控制。

这种方法考虑到通过当地的调度中心调度分布式发电，从而减少或消除中心调度带来的诸多不便。

在大电网受到干扰时，分布式发电机以及相应的负载能够从大电网系统中分离出来独立运行，从而保证输电网的稳定运行。

分布式发电以及相应的负载以孤岛模式运行与大电网统一运行具有更高的供电可靠性。

正因为单个分布式发电的模式较小，这有利于利用热负荷产生的预热，可以把这一部分的热量用来发电，这样一来，分布式发电的系统的总效率又翻了一倍。

目前，大多数的微电网是以负载与分布式电源组合的形式出现的，正是因为这种形式，微电网可以以孤岛模式运行，也可以很方便地利用热负荷的余热。

解决上述问题的方案都要依靠复杂的通信和控制，通过大量的现场采集工作来实现。

这篇文章的目标就是阐述一种新的、不需要复杂的控制的应用控制方式——以发电机为基础，使用得“即插即用”模式的控制方式，这种模式不需要过于复杂的通信控制方式。

随着智能电力电子接口、智能的电网断开和重新同步合闸开关等技术的发展应用，在一定程度上，降低微电网的运行成本，提高小规模的分布式发电系统（装机容量10~100KW的系统）的可靠性。

我们研究工作的目标是如何更好的利用由小规模分布式发电系统带来的诸多好处，比如说利用热负荷的余热、提高更高功率的电源给负载等。

就目前而言，“电网”的概念是狭义的、一成不变的，微网的概念的提出吸引了那么多的人，是因为它在原来的电网的基础上发展出来的，并不是凭空捏造的，同时微电网不需要重新设计或重新建造的原来电网系统的主体框架以及它自身具有的诸多的优势得到了快速发展。

2.新兴发电技术

分布式发电技术应用有利于促进天然气技术地进一步发展。

尽管在备用状态和短期运行的方式下，仍然是以柴油为燃料的系统为主，但是就目前的形式而言，人们可以更高效率地利用天然气，同时，天然气的经济成本、环境影响更适合现在的发展趋势。

在满足经济和环境的要求的前提下，活塞式发动机技术向着改善能量密度，增加燃料利用率，减少排放的目标发展。

通过更好的设计和控制燃烧的过程，天然气发动机的废气排放量得到了显著的降低。

技术较为先进的稀燃天然气发动机氮化物排放量可达到50ppmv的标准，这是一个巨大的改变，但要在大部分的发动机中应用，需要使用催化剂。

至于效率，我们希望达到50%，但实际上，效率约为35%，就目前而言，高效率和低排放的目标尚未实现同步。

微型燃汽轮机是一项重要的新型技术。

它们机械结构简单，是一个单轴设备通过空气轴承的连接，中间连接的地方不需要任何的润滑油。

它们的设计结合了可靠性较高的商业飞行器辅助动力装置和低成本的汽车增压涡轮器。

发电机的转子根据工作的需要会工作在不同的转速下（通常在5万-10万转之间），这种变速操作必须要有可靠的、高性能的电力电子接口连接到电气系统。

世界上，许多国家成功的使用微型燃汽轮机来发电，例如：

Capstone公司发明的30kw和60kw燃气轮机产品，由欧洲制造商Bowman和Turbec两家公司制造。

先进的燃烧系统，使得该系统的氮氧化物排放量小于10ppmv，同时，也大大降低了一氧化碳的排放量。

然而更大规模的燃气涡轮机、活塞式发动机以及改良型的燃气轮机会排放更多的氮氧化物。

微型燃气轮机能使用天然气和一些液体燃料等不同的燃料工作，它们的工作效率大概在28-30%左右。

除此之外，还有一种新型技术——燃料电池，它是通过氢气和氧气的结合产生电能，同时排放出水蒸气的原理工作的。

排放出来的氮化物和二氧化碳回归大自然后，经过大自然的某种反应，可以重新生成天然气或者产生其他燃料电池需要的气体。

与微型燃气轮机相比，燃料电池具有更高的效率和更低的排放，但是目前价格比较昂贵。

200KW的磷酸电池已经在商业领域得到应用，与此同时，高温固体氧化物和熔融碳酸盐电池分布式电源中的应用也特别具有前景。

汽车公司一直在努力改进汽油或重整其他普通燃料，使其用于低温质子交换膜的燃料电池上。

如果汽车的燃料电池做到每千瓦仅花费100美元的成本，这将给汽车工业产生革命性的影响。

3.新发电技术的问题和利益

3.1控制问题

分布式发电一个很突出的问题就是，从技术层面上来看，我们很难控制大量的微电源。

比如说为了满足美国加州的国防供电需要，我们需要12万个100KW的微电源来提供电能，由此可见控制这么一个具有这么多微电源组成的系统的难度。

这个系统的控制问题是很复杂的，需要大量的高精确度的传感器将各个分布电源的信息实时快速地传送到控制中心，这其中只要有一个或者若干个传感器不能正常工作，会给系统带来很大的误差影响甚至会造成系统的崩溃。

控制分布式电源最好的方式就是当某个区域发生事故时，我们希望只动作该区域的分布式电源，通过降压电压、降频等措施实现这个区域的分布式电源的孤岛运行，这样不会影响到整个系统的稳定性，同时也大大解决了复杂的控制方式。

下一代的技术会运用本区域的电信息，一旦该区域发生事故时，就将其从大电网中切除出来，同时通过控制该区域的分布式电源的频率、电压等来实现事故的消除。

虽然一些新兴的控制技术非常的有效，但是传统的电力系统长期摸索过程中得出的参考资料也是不可忽视的。

一些电力系统的关键性概念也同样适用分布式发电。

例如，应用在大型公用发电机的功率、频率调节特性和电压的控制特性也可以应用在小型的分布式发电系统。

从信息通讯的角度来看，只有稳定的功率和电压才能被调用去优化功率潮流。

与不同的发电方式相比，该地区的分布式发电方式可以让燃料汽油的使用效率保持在28-30%范围。

由于缺乏大型的转子，DG可能无法满足较大的瞬时的功率需求。

在控制燃料电池时,我们要对燃料电池中的氢气进行隔离操作，同时，产生的水蒸也会影响到这个笑系统对负载的跟踪。

氮氧化物和二氧化碳排放。

由于微型燃气轮机和燃料电池对控制信号的响应很慢并且惯性很小，因此它们在孤岛模式下运行时，要有一些储能设备来提供它们最初所需要的能量。

储能形式多种多样：

有超级电容器、飞轮储能、蓄电池等。

CERTS（电力可靠性技术解决方案）通过装设在每个电源直流母线上的直流储能来保证最高的可靠性。

在这种情况下，即使其中一个子电源发生故障从电网中分离出来，也能保证它所带的负载的正常工作。

但是，如果微网中存在一个单独的交流储能装置的话，情况就不一样了。

3.2运行和投资

从经济效益问题上来说，我们更加愿意投资较大规模的分布式电源。

对于一个微电源来说，它们之间的互联保护的费用比整个系统所花费的费用的50%还要多。

由于保护的费用是基本确定的，规模是微电源的3-5倍的DG单元的连接成本相对于微电源是大大减少了。

微网的概念就是在公网的接口后面连接多个微电源，这样微网就有了和大型DG单元同样的费用优势。

使用DG可以减少发电机与负载之间的连接的距离，这有助于改善无功功率的供应、增强电压分布特性、减少损耗以及增强利用废热的效率，同时还降低了建立新传输线和大规模发电系统的大笔投资。

使用分布式发电可以大大降低电力系统在输配电过程中产生的损耗，这个是微电源的一个很重要的优势。

以葡萄牙为例，在传输过程中，产生损耗大约占总的传输的电能的1.8%到2%，就1999年这一年的时间内，葡萄牙在低压传输过程中产生的损耗大约为18TWh。

如果通过分布式发电，至少可以实现在原来的基础上每年减少损耗216GWh，同时发达国家还会征收产生的大量的二氧化碳的费用，损耗的减少也降低了排放二氧化碳的费用。

这样，使用微网发电可以减少欧洲电力系统在输电和配电过程中产生的总损耗的2-4%的损耗，这也有助于减少欧洲每年2千万吨的二氧化碳排放量。

3.3热电联产方式

冷热电联产是一个综合的能量利用系统，这个系统会从天然气这样的能源中释放出电能和有用的热能。

由于电能比热能更容易传输，因此靠近热负载侧产生的热能比靠近负载侧产生的热能更容易被回收利用。

大部分现有的集中式或分布式的发电厂，从燃料转换为电能的效率范围大致是28-32%，这就意味着提供给发电机的的一次能源大约占70%。

为了减少能量的损耗，提高发电厂把能源转换为电能的效率，这就要求我们利用废热发电。

联合发电技术能够使在百兆瓦级别的发电机的发电效率接近60%。

另一方面，如果将中低效率（28-32%）的发电机产生的废热收集并通过热交换器、吸收式冷水机和除湿器，从整体上，可以使燃料到有效能的效率提高到80%以上。

目前，Capstone公司出售一种利用废热来加热水的60kW的微型涡轮机，这个系统从燃料到有效能的效率就高达90%。

新兴的发电技术可以将发电机安置在靠近热负荷附近。

尽管单个产热单元的规模较小，但是它在匹配热量要求方面却提供了极大的灵活性。

通过最经济的结合余热生产发电机和非余热生产发电机，可以构建一个理想的系统，使电能和热能得到优化利用。

举一个极端的例子来说，燃料电池可以放在医院的每个楼层，来满足每个楼层的热水需求并为楼层的负载提供电力。

3.4电源管理的可靠性

由于是分布式管理控制，分布式发电（简称DG）有利于提高电能质量和系统的可靠性。

如果分布式发电机能够在瞬态条件下运行，即使配电系统运行不稳定时，电网的可靠性也是可以得到保证的。

此外，自启动功能可以最大限度地减少停机时间并且有助于缩短分布式系统的重新投入运行过程。

采用冗余并联运行，如果一个网格出现故障，微网可以继续运行在孤岛模式。

执行关键任务的电气设备可以通过中断得到保障，同时，二次侧的备用电源也可以降低或消除事故带来的影响。

在大多数情况下，小型发电机是构造能源管理系统的一部分。

采用资源全球优化方式，DG（分布式发电）输出的能量将更符合成本效益。

通过调节峰值、合理的余热管理，集中负荷管理，对燃料合适的选择，系统可以得到最大程度的优化。

微网的成功范例提供了解决电源管理问题的一个通用平台。

从发电的安全性方面考虑，多个小型发电机比起一个大电机更加的安全可靠，而且小型发电机自动负载性能更好，同时还有助于避免使用单一发电机带来的待机能源消耗的费用。

一个微网拥有多重的分布式发电机不太可能会出现故障，尤其在具备备用发电机的情况下，出现故障的可能就更加的小了。

4.微电网概念

CERTS微电网有两个关键组件，静态开关和微源。

静态开关能够自动形成一个安全网保护微网免受故障的干扰，包括IEEE1547故障或者电能质量下降的故障。

形成安全网后，微电网不需要在跳闸之后重新同步连接。

这种同步是通过利用孤岛微网和电网之间的频率差，保证一个短暂的自由运作，而无需匹配连接点的频率和相位角。

每个微电源可以使用功率与频率特性控制器来平衡微电网的功率。

降频的特性为设备在微电网的频率与电网不同时重连连接提供了方便。

微网的基本架构如图1所示，由一组径向的反馈线组成，这可能是分布式系统或者建筑物的电气系统的一部分，其中，有多个设备连接的节点称为公共耦合点。

有些反馈线（反馈线A-C）上面带有感性负载，这就需要该区域发电机给这些感性负载提供无功功率。

然而，不是很重要的负载不会通过反馈线直接连接到该区域的发电机。

如果反馈线A-C安置了静态开关，可以在不到一个周期的时间里隔离电网。

在图1中，在8，11，16和22处的四个微电源，仅仅用了它们所在区域的电压和电流测量值来控制运行。

图1.微电网结构图

当供电设备出现问题时，静态开关将自动打开，将其从电网侧隔离出来。

非感性负载将从反馈线D上获得功率。

当微网并网运行时，也可以直接给这部分非感性负载提供功率。

为了达到自知的目的，对微网的某一个部件操作，我们推荐使用“点对点”和“即插即用”的运行模式。

“点对点”模式可以确保在缺少一个或者几个部件（如主控器或者中央存储单元等）时仍然能够正常工作。

这也就是说，微网在缺少了任何一个部件或发电机时，仍能继续正常运行，这是因为具有N+1个电源的系统，尽管缺失一个或几个电源，仍能确保系统正常的工作。

而“即插即用”模式意味着一个发电单元可以放置在电力系统的任何位置，而不用重新设计控制。

“即插即用”的模型可以将发电机放置在需要热力的负载处，从而提高对废热的处理效率，减少了复杂的热力分散系统的余热利用问题。

4.1单元功率控制结构

在这个结构图中，每个DG调节每个连接点处的电压幅值以及控制从微电源（如图1）流出的功率。

在这种结构下，如果任意点的负载增加，由于每一个单元输出的功率是恒定，所以额外的功率是由公用电网提供。

这种结构很适合热电联产，因为功率的输出是根据热力需求而确定的。

只有在高频的时候，进行热电联产，这才能实现废热利用的最大化。

当系统的频率特性是向下的趋势，才能确保功率在这个单元内是可以控制平衡的。

4.2反馈控制

在结构图1中，每个DG分别调节控制着点8、11、16、22处的电压幅值和功率流。

在这种结构下，负载需要的额外的功率需求由公用电网提供。

从侧面来看，微电网就像是一个可调度的负载，会根据负载侧的功率需求进行合理的管理分配。

与此同时，系统的电流与频率是向下特性时，才能确保了系统功率的平衡。

4.3混合控制方式

在这种结构下，有的分布式发电系统会根据系统负载需要调节输出功率，有的则会调节功率的流向。

每一个DG单元都可以根据需要不同，既可以控制功率的输出也可以控制功率的流向。

这种结构可以兼顾两者的优点：

一些DG单元在频率最高时运行利用废热；

另一些DG单元则使当微网的负载条件变化时，通过调节控制来保持公用网的潮流恒定。

5.微电源的控制

对微电源的控制，我们需要注意：

新的电源投入系统时，不能改变已有设备，但是设置点可以独立选取，这样微网可以迅速地连接或退出大电网，同时，有功和无功功率也可以独立控制以满足负荷的动态波动。

每个微电源控制器并不需要负载、静态开关或其他电源的电量信息时，就可以自动有效根据系统的变化发生相应的变化。

基本控制器采用功率和电压反馈控制，并实时采集有功功率、无功功率、频率以及交流电压等信息，根据电压、相角和频率特性，给逆变器端发出给定幅值和相位的电压信号进行控制。

如果将逆变器看做一个电压源串联一个阻抗的话，则有功功率与逆变器输出电压的相位成正比，而无功功率与电压的幅值成正比。

5.1电压-无功功率下垂控制

微网中的微电源并不能控制整个系统的功率因数，以及调节电压可以保证系统的可靠性和稳定性。

没有当地的电压的调节控制，加入过多的微电源可能会造成电压的振荡、产生过多的穿越功率。

此外，电压控制必须确保在电源之间没有大量的环流。

如果电压的设置点稍有误差，环流就可能超出微电源的正常的等级。

在这样的情况下，需要一个电压—无功功率下垂控制器，如果微电源发出过多的容性无功，我们需要减少电压控制的设置点数目；

相反的，如果发出过多的感性无功，则需要增加设置点。

5.2有功功率-频率下垂控制

当微网与大电网相连时，根据用户的不同情况，负载可以从大电网和微网同时获取功率。

如果大电网发生电压下降、停电等故障中断时，根据IEEE1547协议，微网将自动从大电网脱离出来。

当调节输出功率时，每个电源输出的功率在P，ω平面上都呈现斜率为负的线性下降的趋势，其中P是输出功率，ω是每秒以弧度为单位的频率。

图2显示的是当频率下降一个给某个给定值时P，ω特性曲线，此外，图上的虚线还呈现了当输出功率从零变化到最大值的特性曲线。

图2还表示出了把PO1和PO2作为功率设定值时的特性曲线。

图2.功率、频率下垂特性

这就是每个源在系统频率下连接到电网时注入系统的发电量。

如果由电网输入功率时的系统转移到离网运行，则发电机需要增加功率来平衡离网运行部分减少的功率，此时，这个新的运行点将以低于额定频率运行。

在这种情况下，两个源都会增加其输出功率直到单元2达到其功率最大值点时才会停止继续增加功率。

如果由输出功率到电网时的系统转移到离网运行，那么新的频率值将更高，相应两个源的输出功率更低，直单元1达到其功率零点。

图2所示的特性是系统稳定状态时的特性。

他们运行在各自的功率范围内时其斜率基本是保持不变的。

只要一达到极限值事，该斜线就变成垂直了。

下降值就是稳态点被限制停止的点，但在动态运行时轨迹将偏离该特性曲线。

6.威斯康星大学建立的微网

威斯康星大学的试验性微网验证了微电网在现实生活中应用的可行性。

微网的布局如图3所示:

图3.威斯康星大学微电网电路

他们建立的微网包括两个电源，五套三相负载，以及一个静态开关来实现与电网的连接。

在源之间架设将近100码的电缆，是为了更好地采集反馈线上的电压降，而逆变器的控制端口连接上了一个数字信号处理器（DSP）。

该控制是在DSP中通过数字化方式实现控制的，然后驱动逆变器的动作。

本地反馈线上的电流测量值主要用来计算无功功率Q、有功功率P，因此测量单元注入电流值是很重要的。

7.实例研究

本节将展示一些在威斯康星大学微电网试验获得的成果。

图3所示的是两个测试中都使用的元件布局。

负载L2一直保持断开的情况下，每个负载获得为0.3PU，总负载为1.2PU，所有的单元的功率变化的范围从0（空闲）到0.8PU（功率最大值=15千瓦）。

这些结果直接在DSP的内存中只能用-1，+1。

了确保可以测量少部分的超调量，相应的最大功率值应设置在0.8PU。

图4表示两个单元在调节输出功率时系统转换为离网运行时功频特性曲线。

图4.对威斯康星大学设计的微电网的稳定性测试

当连接到电网（稳定状态A点）时，系统为输入功率状态。

B点表示在离网运行的稳定状态下，两个单元都向总负载提供补偿。

当单元1提供负荷所需的功率时，单元2则处在输出功率最大的状态。

图5显示了两个单元在这个测试中的实际功率变化曲线。

当单元2的有功功率超调量达到最大时，就会退出对发电机的控制，然后单元1会增加功率输出来满足负载的需求。

在控制时我们一般不使用反馈线上的电流值。

在电压的大小保持不变的情况下，当发生事故时，两台机器的频率会随之下降。

8.结论

关于微网的研究工作进展得很顺利。

威斯康星州的示范性分布式发电表明了分布式发电的局部控制的有效性，从而减少或消除了中心调度的需要。

在出现扰动时，发电机和相应的负载可以从分布式系统中分离出来，以便在不伤害输电网的完整性的情况下使微网的负载不受扰动（从而保持高水准的服务）。

在故障状态下，发电机和负载的离网运行比整个电力系统运行具有更高的可靠性。

新兴的发电技术考虑到了对热负载余热的利用，所以要求发电机被放置在最优的位置。

这样的应用可以增加整个系统一倍以上的效率。

在加州能源委员会的支持下，完整规模微网的设计和建造取得了进步。

微电网将会在美国电气和电力站进行建造和测试，这个测试站包括三个逆变器的60KW的微电源。

图5.在2500ms/div的转速下，发电机一、二的无功、有功功率、频率以及电压的幅值变化

9.鸣谢

这项工作由加州能源委员会（150-99-003），电力系统工程师研究中心和美国能源部支持。

10.参考文献

[1]Lasseter,R.H.,AAkhil,C.Marnay,JStephens,JDagle,RGuttromson,A.Meliopoulous,RYinger,andJ.Eto（2002a）.“TheCERTSMicrogridConcept,”WhitepaperforTransmissionReliabilityProgram,OfficeofPowerTechnologies,U.S.DepartmentofEnergy,April2002.

[2]Lasseter,R.（2002b）.”Microgrids,”IEEEPESWinterMeeting,January2002.

[3]Lopes,J.A.Pecas,J.Tomé

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