微电网及其孤岛利用的研究

微电网及其孤岛利用的研究1.1微电网为了提高分布式发电系统供配电的可靠程度，以及解决分布式发电系统的各种并网问题，提出了微电网（micro-grid）的概念，由于使用的能源为可再生能源具有绿色环保的特点，所以成为各国的重点研究方向[10]。1.1.1微电网的概念微电网是由小型分布式发电装置与其连接的负荷和低压配电网组成的一个发配电系统，同样能看成一个控制局部能量需求关系的基于分布式发电装置的小电网[5]。微电网是一个可以实现自我控制、保护和管理的自治系统，它作为完整的电力系统，依靠自身的控制及管理供能实现功率平衡控制、系统运行优化、故障检测与保护、电能质量治理等方面的功能。微电网的主要有点有以下几点：微电网和其他热电站或水电站相比，微电网的规模很小，且消耗的是清洁能源，从而减少了环境污染，有效改善能源结构，提高对新能源的开发利用。微电网中负载和发电装置之间的距离很短，和传统电网相比不需要建立各种变电站，电能运输距离短减少了损耗，提高了能量利用率，免去了很多对传统电站的大量投资。微电网因为有着独立控制的供配电体系，一般不会突然造成用户停电，保证了供电的可靠，而且电网发生故障时便于维修。微电网的发展促进了分布式发电系统的大力发展，使电力市场化进度加快，又由于建设成本的降低会使得市场电价更便宜。1.1.2微电网的运行模式微电网和分布式并网系统类似，有两种不同的运行状况，并网运行和孤岛运行。微电网的并网运行模式：在这种运行状况下，微电网视为传统电网中的一部分参与运行。微电网的电压和频率等参数远小于电网的这些特征参数，所以微电网会受到大电网的钳制而保持电压，频率趋于稳定，并且处在正常范围内，根据微电网中发电装置的输出功率和负载需求功率的满足情况来决定是向电网输出或者吸收功率。微电网的孤岛运行模式：在电网跳闸后，微电网会与电网断开从而单独向负载供电，但是由于失去大电网的钳制会是频率和电压发生跳动，导致不满足微电网中各电力设备正常运行是的额定频率和电压。所以就需要微电网中的发电装置经过一定的配合和控制，将微电网的电压和频率稳定在正常范围内。微电网的孤岛运行也存在非计划孤岛和计划孤岛两种情况，而前文提到过无论是分布式发电系统还是微电网中的非计划孤岛都是百害无一利，需要避免。所以本章节对于微电网的反孤岛策略就不一一介绍了，主要研究微电网中对于计划孤岛的利用。1.2微电网的孤岛利用1.2.1微电网孤岛利用的基本问题按照一般的反孤岛策略，在分布式发电系统中当孤岛产生后，会要求系统迅速检测到孤岛效应，并及时将分布发电装置从电网中断开，来保证电力系统安全。这样做虽然降低了孤岛发生后分布式发电系统对电网的危害，但是却同样不能保证供电的可靠性，使得分布式发电系统并不能得到充分有效的利用。而为了克服这些缺点，各国专家都开始研究关于孤岛效应的利用问题，来最大程度的利用分布式发电系统。孤岛效应的利用就是要按照提起设定的控制手段，使微电网的并网运行模式没有波动的进入孤岛模式，即有计划的进行孤岛效应。这需要在为配电网因为故障或检修而停电断网时，微电网及时检测到并与电网断开连接，装换运行模式，进入微电网单独向负载供电的状态，并且由提前设定好的控制手段来保证微电网的频率和电压不能波动太大，要保持在正常范围内。从而保证微电网的持续供电，提高微电网和DG的利用率，优化电能质量和供电可靠程度。目前对于微电网中孤岛效应的利用还处于研究阶段，下面是利用孤岛效应的一些主要难点：由于电网断网前后功率流的改变，会使得公共耦合点电压和频率产生较大变化，这就要求微电网的发电装置充分具备调压调频能力，能使电压和频率波动维持在允许范围内，但一般微电网中的小型发电装置调节能力非常有限。由于微电网的容量较小，在并网运行时，负载会向电网吸收能量。那么在与电网断开连接后，单独有微电网中的发电装置没法满足负载的需求功率，所以这要求微电网孤岛运行时识别负载的重要程度，把无关紧要的附和切断，只保留重要部分的供电。如何让微电网具备这种识别负载重要性的能力也是有待研究的。一般孤岛效应功率匹配特别接近甚至完全匹配时很难检测到孤岛的产生，然而这种状况下，微电网反到时很容易实现两种模式的平稳转换。相反如果功率失配严重时，虽然容易检测到电网断开，但是跳闸后系统中电压和频率的波动会很严重，给微电网并网模式向孤岛运行模式增添了很大难度。微电网在孤岛运行时，虽然能保证供电可靠性，但其自身仍然是一个不稳定系统。当主电网恢复正常供电后，还要将微电网短时间内并网，需要竟可能减少对主电网的冲击。1.2.2微电网利用的相关技术为了完成微电网中的孤岛利用，就得让微电网从并网模式平稳的过渡到孤岛运行状态，而在其中最关键的技术就是对于能量的平衡控制方面。孤岛运行时既需要保证负载的安全工作还要保证微电网中能量的平衡，与此同时，对于电网频率，电压幅度和电能质量等都需要加以改善和控制。能量平衡在电力系统中当负载不变时，如果负载所需的有功功率小于发电设备所提供的有功功率，频率会升高；相反，负载所需有功要大于发电设备提供的有功时，频率会下降。因此在微电网的两种运行状态进行平稳转换时，频率是不能发生改变的，所以这时必须保证微电网的能量平衡。保证能量平衡的技术有很多，但是因为微电网的系统较小，相应的技术实施也提高了难度，例如减少负载负荷，提高系统的发电量和设置储能装置等。与传统电网不同的是，诸如微电网这样的小型并网系统，本身就是一个不稳定的系统，因为这样的小型发电装置即不具备储能能力，也不能及时响应负载的变化。所以在微电网中加入短期的储能装置可以让微电网能有着及时响应的能力，能保证发电装置如逆变器来跟随负载的变化，同时也能调节负荷的波动。除此之外也能使用减负荷的方式来保证能量平衡，在微电网中的非重要负载更容易确定和控制，所以减负荷的方式更适合微电网。综上所述，保证能量平衡主要是为了保证微电网在并网运行向孤岛运行切换时的频率稳定，而且采用短期储能设备的方法还能调节微电网的响应负载能力。频率控制由上文中的能量平衡可以知道，能量平衡可以控制频率的稳定。而微电网中的频率稳定是及其重要的，所以这是利用孤岛效应中的一个主要问题。尤其是在中国，电网频率标准为50Hz，其界限是非常严格的为，一般情况下电网的频率波动是不能超过这个界限的。频率控制主要是控制同步发电机的转速，然而在大电网中同步发电机的数量一般比较多，单独控制个别发动机的转速并不能起到控制频率的作用，只有当系统中的不平衡能量达到一定程度才能改变频率。而微电网系统中的发电装置数量很少，作为小型的发电系统，发电设备和负载的能量不平衡很容易让频率就产生改变，这也是为什么在微电网中，极细微的不平衡能量就足以产生较大的频率改变的原因。所以在微电网中想要保证频率的稳定，就要保证发电装置能及时响应负载的动态变化。这就意味着微电网需要具备及时测量频率和快速调节发电装置发电量的能力。电压控制在发电装置比较多的电网系统中，系统的电压主要是由发电设备的输出电压和系统的无功功率来控制的。而一般的小系统中无功功率的匹配更为重要，例如单个发电装置的小系统中的所有无功需求都由发电装置来提供。传统的电力系统中的输电网路通常是馈电线，很少有互相连接的，而且电压会随着馈电线路的阻抗和距离而改变，因此必须考虑电压损耗的问题。但是微电网系统一般距离比较小，或者通常设计成互连系统，所以对于电压的控制还是比较容易实现的。电能质量的控制微电网中的发电装置数量较少，对于电能质量的控制比较难以把控，电压降落，谐波，供电中断等都会影响微电网中的电能质量。微电网中带储能装置的发电装置对于电能质量的控制和不间断电源类似，例如带有蓄电池的逆变器不仅能提供基频时的有功功率，还能产生无功功率以满足无功负载的需求，此外还可以实现减负载方案以取得能量平衡以及产生非线性负载需要的谐波电流等。1.3本章小结在分布式发电系统中的孤岛效应分为计划孤岛和非计划孤岛两部分，对于非计划孤岛我们需要制定相应的反孤岛