微電網(wǎng)及其孤島利用的研究

微電網(wǎng)及其孤島利用的研究1.1微電網(wǎng)為了提高分布式發(fā)電系統(tǒng)供配電的可靠程度，以及解決分布式發(fā)電系統(tǒng)的各種并網(wǎng)問題，提出了微電網(wǎng)（micro-grid）的概念，由于使用的能源為可再生能源具有綠色環(huán)保的特點，所以成為各國的重點研究方向[10]。1.1.1微電網(wǎng)的概念微電網(wǎng)是由小型分布式發(fā)電裝置與其連接的負荷和低壓配電網(wǎng)組成的一個發(fā)配電系統(tǒng)，同樣能看成一個控制局部能量需求關(guān)系的基于分布式發(fā)電裝置的小電網(wǎng)[5]。微電網(wǎng)是一個可以實現(xiàn)自我控制、保護和管理的自治系統(tǒng)，它作為完整的電力系統(tǒng)，依靠自身的控制及管理供能實現(xiàn)功率平衡控制、系統(tǒng)運行優(yōu)化、故障檢測與保護、電能質(zhì)量治理等方面的功能。微電網(wǎng)的主要有點有以下幾點：微電網(wǎng)和其他熱電站或水電站相比，微電網(wǎng)的規(guī)模很小，且消耗的是清潔能源，從而減少了環(huán)境污染，有效改善能源結(jié)構(gòu)，提高對新能源的開發(fā)利用。微電網(wǎng)中負載和發(fā)電裝置之間的距離很短，和傳統(tǒng)電網(wǎng)相比不需要建立各種變電站，電能運輸距離短減少了損耗，提高了能量利用率，免去了很多對傳統(tǒng)電站的大量投資。微電網(wǎng)因為有著獨立控制的供配電體系，一般不會突然造成用戶停電，保證了供電的可靠，而且電網(wǎng)發(fā)生故障時便于維修。微電網(wǎng)的發(fā)展促進了分布式發(fā)電系統(tǒng)的大力發(fā)展，使電力市場化進度加快，又由于建設(shè)成本的降低會使得市場電價更便宜。1.1.2微電網(wǎng)的運行模式微電網(wǎng)和分布式并網(wǎng)系統(tǒng)類似，有兩種不同的運行狀況，并網(wǎng)運行和孤島運行。微電網(wǎng)的并網(wǎng)運行模式：在這種運行狀況下，微電網(wǎng)視為傳統(tǒng)電網(wǎng)中的一部分參與運行。微電網(wǎng)的電壓和頻率等參數(shù)遠小于電網(wǎng)的這些特征參數(shù)，所以微電網(wǎng)會受到大電網(wǎng)的鉗制而保持電壓，頻率趨于穩(wěn)定，并且處在正常范圍內(nèi)，根據(jù)微電網(wǎng)中發(fā)電裝置的輸出功率和負載需求功率的滿足情況來決定是向電網(wǎng)輸出或者吸收功率。微電網(wǎng)的孤島運行模式：在電網(wǎng)跳閘后，微電網(wǎng)會與電網(wǎng)斷開從而單獨向負載供電，但是由于失去大電網(wǎng)的鉗制會是頻率和電壓發(fā)生跳動，導致不滿足微電網(wǎng)中各電力設(shè)備正常運行是的額定頻率和電壓。所以就需要微電網(wǎng)中的發(fā)電裝置經(jīng)過一定的配合和控制，將微電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定在正常范圍內(nèi)。微電網(wǎng)的孤島運行也存在非計劃孤島和計劃孤島兩種情況，而前文提到過無論是分布式發(fā)電系統(tǒng)還是微電網(wǎng)中的非計劃孤島都是百害無一利，需要避免。所以本章節(jié)對于微電網(wǎng)的反孤島策略就不一一介紹了，主要研究微電網(wǎng)中對于計劃孤島的利用。1.2微電網(wǎng)的孤島利用1.2.1微電網(wǎng)孤島利用的基本問題按照一般的反孤島策略，在分布式發(fā)電系統(tǒng)中當孤島產(chǎn)生后，會要求系統(tǒng)迅速檢測到孤島效應，并及時將分布發(fā)電裝置從電網(wǎng)中斷開，來保證電力系統(tǒng)安全。這樣做雖然降低了孤島發(fā)生后分布式發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的危害，但是卻同樣不能保證供電的可靠性，使得分布式發(fā)電系統(tǒng)并不能得到充分有效的利用。而為了克服這些缺點，各國專家都開始研究關(guān)于孤島效應的利用問題，來最大程度的利用分布式發(fā)電系統(tǒng)。孤島效應的利用就是要按照提起設(shè)定的控制手段，使微電網(wǎng)的并網(wǎng)運行模式?jīng)]有波動的進入孤島模式，即有計劃的進行孤島效應。這需要在為配電網(wǎng)因為故障或檢修而停電斷網(wǎng)時，微電網(wǎng)及時檢測到并與電網(wǎng)斷開連接，裝換運行模式，進入微電網(wǎng)單獨向負載供電的狀態(tài)，并且由提前設(shè)定好的控制手段來保證微電網(wǎng)的頻率和電壓不能波動太大，要保持在正常范圍內(nèi)。從而保證微電網(wǎng)的持續(xù)供電，提高微電網(wǎng)和DG的利用率，優(yōu)化電能質(zhì)量和供電可靠程度。目前對于微電網(wǎng)中孤島效應的利用還處于研究階段，下面是利用孤島效應的一些主要難點：由于電網(wǎng)斷網(wǎng)前后功率流的改變，會使得公共耦合點電壓和頻率產(chǎn)生較大變化，這就要求微電網(wǎng)的發(fā)電裝置充分具備調(diào)壓調(diào)頻能力，能使電壓和頻率波動維持在允許范圍內(nèi)，但一般微電網(wǎng)中的小型發(fā)電裝置調(diào)節(jié)能力非常有限。由于微電網(wǎng)的容量較小，在并網(wǎng)運行時，負載會向電網(wǎng)吸收能量。那么在與電網(wǎng)斷開連接后，單獨有微電網(wǎng)中的發(fā)電裝置沒法滿足負載的需求功率，所以這要求微電網(wǎng)孤島運行時識別負載的重要程度，把無關(guān)緊要的附和切斷，只保留重要部分的供電。如何讓微電網(wǎng)具備這種識別負載重要性的能力也是有待研究的。一般孤島效應功率匹配特別接近甚至完全匹配時很難檢測到孤島的產(chǎn)生，然而這種狀況下，微電網(wǎng)反到時很容易實現(xiàn)兩種模式的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。相反如果功率失配嚴重時，雖然容易檢測到電網(wǎng)斷開，但是跳閘后系統(tǒng)中電壓和頻率的波動會很嚴重，給微電網(wǎng)并網(wǎng)模式向孤島運行模式增添了很大難度。微電網(wǎng)在孤島運行時，雖然能保證供電可靠性，但其自身仍然是一個不穩(wěn)定系統(tǒng)。當主電網(wǎng)恢復正常供電后，還要將微電網(wǎng)短時間內(nèi)并網(wǎng)，需要竟可能減少對主電網(wǎng)的沖擊。1.2.2微電網(wǎng)利用的相關(guān)技術(shù)為了完成微電網(wǎng)中的孤島利用，就得讓微電網(wǎng)從并網(wǎng)模式平穩(wěn)的過渡到孤島運行狀態(tài)，而在其中最關(guān)鍵的技術(shù)就是對于能量的平衡控制方面。孤島運行時既需要保證負載的安全工作還要保證微電網(wǎng)中能量的平衡，與此同時，對于電網(wǎng)頻率，電壓幅度和電能質(zhì)量等都需要加以改善和控制。能量平衡在電力系統(tǒng)中當負載不變時，如果負載所需的有功功率小于發(fā)電設(shè)備所提供的有功功率，頻率會升高；相反，負載所需有功要大于發(fā)電設(shè)備提供的有功時，頻率會下降。因此在微電網(wǎng)的兩種運行狀態(tài)進行平穩(wěn)轉(zhuǎn)換時，頻率是不能發(fā)生改變的，所以這時必須保證微電網(wǎng)的能量平衡。保證能量平衡的技術(shù)有很多，但是因為微電網(wǎng)的系統(tǒng)較小，相應的技術(shù)實施也提高了難度，例如減少負載負荷，提高系統(tǒng)的發(fā)電量和設(shè)置儲能裝置等。與傳統(tǒng)電網(wǎng)不同的是，諸如微電網(wǎng)這樣的小型并網(wǎng)系統(tǒng)，本身就是一個不穩(wěn)定的系統(tǒng)，因為這樣的小型發(fā)電裝置即不具備儲能能力，也不能及時響應負載的變化。所以在微電網(wǎng)中加入短期的儲能裝置可以讓微電網(wǎng)能有著及時響應的能力，能保證發(fā)電裝置如逆變器來跟隨負載的變化，同時也能調(diào)節(jié)負荷的波動。除此之外也能使用減負荷的方式來保證能量平衡，在微電網(wǎng)中的非重要負載更容易確定和控制，所以減負荷的方式更適合微電網(wǎng)。綜上所述，保證能量平衡主要是為了保證微電網(wǎng)在并網(wǎng)運行向孤島運行切換時的頻率穩(wěn)定，而且采用短期儲能設(shè)備的方法還能調(diào)節(jié)微電網(wǎng)的響應負載能力。頻率控制由上文中的能量平衡可以知道，能量平衡可以控制頻率的穩(wěn)定。而微電網(wǎng)中的頻率穩(wěn)定是及其重要的，所以這是利用孤島效應中的一個主要問題。尤其是在中國，電網(wǎng)頻率標準為50Hz，其界限是非常嚴格的為，一般情況下電網(wǎng)的頻率波動是不能超過這個界限的。頻率控制主要是控制同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，然而在大電網(wǎng)中同步發(fā)電機的數(shù)量一般比較多，單獨控制個別發(fā)動機的轉(zhuǎn)速并不能起到控制頻率的作用，只有當系統(tǒng)中的不平衡能量達到一定程度才能改變頻率。而微電網(wǎng)系統(tǒng)中的發(fā)電裝置數(shù)量很少，作為小型的發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電設(shè)備和負載的能量不平衡很容易讓頻率就產(chǎn)生改變，這也是為什么在微電網(wǎng)中，極細微的不平衡能量就足以產(chǎn)生較大的頻率改變的原因。所以在微電網(wǎng)中想要保證頻率的穩(wěn)定，就要保證發(fā)電裝置能及時響應負載的動態(tài)變化。這就意味著微電網(wǎng)需要具備及時測量頻率和快速調(diào)節(jié)發(fā)電裝置發(fā)電量的能力。電壓控制在發(fā)電裝置比較多的電網(wǎng)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的電壓主要是由發(fā)電設(shè)備的輸出電壓和系統(tǒng)的無功功率來控制的。而一般的小系統(tǒng)中無功功率的匹配更為重要，例如單個發(fā)電裝置的小系統(tǒng)中的所有無功需求都由發(fā)電裝置來提供。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中的輸電網(wǎng)路通常是饋電線，很少有互相連接的，而且電壓會隨著饋電線路的阻抗和距離而改變，因此必須考慮電壓損耗的問題。但是微電網(wǎng)系統(tǒng)一般距離比較小，或者通常設(shè)計成互連系統(tǒng)，所以對于電壓的控制還是比較容易實現(xiàn)的。電能質(zhì)量的控制微電網(wǎng)中的發(fā)電裝置數(shù)量較少，對于電能質(zhì)量的控制比較難以把控，電壓降落，諧波，供電中斷等都會影響微電網(wǎng)中的電能質(zhì)量。微電網(wǎng)中帶儲能裝置的發(fā)電裝置對于電能質(zhì)量的控制和不間斷電源類似，例如帶有蓄電池的逆變器不僅能提供基頻時的有功功率，還能產(chǎn)生無功功率以滿足無功負載的需求，此外還可以實現(xiàn)減負載方案以取得能量平衡以及產(chǎn)生非線性負載需要的諧波電流等。1.3本章小結(jié)在分布式發(fā)電系統(tǒng)中的孤島效應分為計劃孤島和非計劃孤島兩部分，對于非計劃孤島我們需要制定相應的反孤島