交直流微電網(wǎng)理論中儲能裝置解決病態(tài)潮流問題的研究

【摘要】分布式電源是風(fēng)能太陽能一類的清潔能源，但是介入大電網(wǎng)技術(shù)上比較困難，電網(wǎng)發(fā)生事故時必須退出運行。微電網(wǎng)由分布式能源組成，又能在電網(wǎng)發(fā)生事故時孤網(wǎng)運行。但是由于分布式電源受外界影響比較大，所以導(dǎo)致微電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，加入直流潮流對增加微電網(wǎng)的穩(wěn)定性有很大的作用。

【關(guān)鍵詞】交直流微電；儲能裝置

1、引言

配電網(wǎng)的設(shè)計為閉環(huán)，但運行為開環(huán)。微電網(wǎng)中不穩(wěn)定微電源隨著自然界條件的變化而變化，這些微電源的加入會改變配電網(wǎng)的電壓與潮流。有時甚至可能形成病態(tài)潮流而不迭代不收斂，以至于使某些繼電保護設(shè)備無法正常的動作。

若交流微電網(wǎng)的每個微電源進入微電網(wǎng)的相序必須保持一致，否則會造成功率之間的抵消，但每個發(fā)出交流電的微電源并入微電網(wǎng)離的相對較遠，遠方控制操作路徑較長，所以遠方控制線路越多，ECS和DCS畫面越多，經(jīng)濟效益越差，就地控制需要時效性，這是在微電網(wǎng)里互相矛盾的一個問題。

直流微電網(wǎng)由于有存儲設(shè)備，可以儲存功率。若其中一個微電源故障時若直流電路只牽涉功率大小問題，不會對電網(wǎng)造成太大的影響。

2、微電網(wǎng)換流器的設(shè)計

一般情況下?lián)Q流器有三部分組成：一種是DC/DC變換器，一種是DC/AC逆變器，另一種是AC/DC整流器。由于在直流微電網(wǎng)中，如微電網(wǎng)發(fā)電示意途中所示，DC/DC變換器的價值不大，而DC/AC逆變器和AC/DC整流器是重要的組成部分。

由于現(xiàn)階段已進入了PWM的整流器階段。PWM整流器比原來相控整流器有很多優(yōu)點，其中之一就是可以雙向整流?？商幱贒C/AC逆變狀態(tài)和AC/DC整流狀態(tài)。

風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的功率一般為1，只要風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出電壓頻率在電網(wǎng)的許可范圍之內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電機不承擔(dān)無功的調(diào)節(jié)，只發(fā)有功。異步雙饋風(fēng)機也只承擔(dān)電網(wǎng)能夠承受的無功。PWM整流器可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)，因此用在風(fēng)力發(fā)電機的逆變調(diào)節(jié)中有特殊的優(yōu)勢。

微電網(wǎng)換流器逆變器設(shè)計和整流器設(shè)計因直流電容的作用不同而方向不同。換流器中直流電容的主要作用是穩(wěn)壓。且在負載側(cè)需要提供無功補償?shù)臅r，及時對電源發(fā)出的無功不夠的情況，提供一定的無功補償。使得換流后的電壓穩(wěn)定，所以一般放在負載側(cè)。而橋式換流電路的主回路一般為電壓型橋式驅(qū)動電路，一般位于電源側(cè)。

逆變電源和整流電源的設(shè)計如下圖所示：

微電網(wǎng)的分布式電源一般接到饋線上，每一條饋線是一根單相電路，所以微電網(wǎng)電源逆變器和微電網(wǎng)整流器是都是單相。

在微電網(wǎng)微電網(wǎng)逆變器中三極管V1、V2不是同時導(dǎo)通，V3、V4也不是同時導(dǎo)通。電壓波形為正時，V1保持導(dǎo)通，V2保持關(guān)斷。電壓的正負情況跟V1相關(guān)，V1導(dǎo)通時，電壓波形為正，V2導(dǎo)通時，電壓波形為負。當(dāng)V1導(dǎo)通時，V3、V4不受V1的限制，可以交替導(dǎo)通。若負載為感性負載時，負載電流比電壓滯后。V1導(dǎo)通電壓為正，而電流先正后負。負載電流大于零且V4導(dǎo)通時，逆變器輸出電壓等于電容電壓。當(dāng)V3導(dǎo)通時，VD3給負載續(xù)流，電壓輸出波形為零。當(dāng)V1和V4導(dǎo)通，負載電流小于零，負載電壓依然等于電容電壓。在V4導(dǎo)通期間，V3導(dǎo)通，V4截至，同V4導(dǎo)通，V3截至?xí)r也可以得到電容電壓和兩種狀態(tài)，但V3導(dǎo)通時時間順序上跟V4導(dǎo)通正好相反。而V2導(dǎo)通，V1關(guān)斷時，電壓波形為負，則跟V1導(dǎo)通，V2關(guān)斷情況，不僅是電壓是V1導(dǎo)通時候的負值，且時間順序上也正好相反。極少說電壓為容性負載，若用等效法計算，則整個微電網(wǎng)都應(yīng)呈現(xiàn)感性。

3、微電網(wǎng)直流潮流中儲能原件的設(shè)計

電池的種類有：燃料電池、蓄電池、普通電容器和超級電容器。微電網(wǎng)直流潮流中儲能原件可以選擇：蓄電池、普通電容器和超級電容器。

普通電容器的所能承載的電荷不如超級電容器的電量充足，不適合作為有功能源的儲能原件使用。一般被用作線路的無功補償，或者小型的用電器的能量供應(yīng)。

蓄電池中是用化學(xué)反應(yīng)原理使正負電荷分在電池的兩端。一般蓄電池中的離子選擇比較容易發(fā)生可逆反應(yīng)的離子。在蓄電池中一般使用的離子有：鋰離子和鎳氫離子。

蓄電池的化學(xué)離子一般都有一定的壽命，在化學(xué)反應(yīng)中會不斷的消耗活化離子的個數(shù)，當(dāng)活化離子的個數(shù)下降到一定程度時，電池組就報廢。且現(xiàn)在所使用的鋰離子需要一次性用完，鋰離子有記憶性，所以用鋰離子充當(dāng)?shù)慕怆x離子的蓄電池非常不適合用在直流微點網(wǎng)中。鎳氫離子雖然沒有記憶性，但活化分子也會隨著使用的次數(shù)而不斷的減少。

但蓄電池有比超級電容器不具有的優(yōu)點，超級電容器的電荷完全靠儲存在電極板上。電荷量雖然比普通電容器的電荷量要容納的多，但是沒有蓄電池這種非靜電的電化學(xué)反應(yīng)。一般都是靜電化學(xué)反應(yīng)，所以能量比蓄電池還是有一定的差距。

超級電容器中也有離子的存在，也就是有電介質(zhì)存在，這種電解質(zhì)不受溫度影響，但是受離子遷移速度和其離子被氧化的電壓幅值的限制，超級電容器的電壓不能超過電解液的離子被氧化的電壓幅值。

超級電容電極板跟普通電容器有很大的差別，普通電容器的電容極板是由金屬層組成，電荷直接在極板上。超級電容器的電極板是像燃料電池一樣的碳極板，電荷在碳極板上的多微孔里。

由基礎(chǔ)電容器的容量公式：，可以看出，當(dāng)超級電容器中離子的介電常數(shù)一定的情況下，電介質(zhì)之間的距離和電極板的的面積是決定超級電容器容量大小的關(guān)鍵因素。所以超級電容器的電極板通常情況下都會非常大。

超級電容器的離子遷移的速度決定了超級電容器的電阻率，當(dāng)離子的遷移速度比較大時，電阻率就會越小。

由于每個超級電容器的電壓受離子的氧化電壓影響，每個電容的電壓不是很大，需要串聯(lián)起來使用。

基于以上的分析，超級電容器的電路等效圖如前所示：

R1、R3是超級電容器由于離子遷徙速度形成的電容器本身的等效電阻，跟溫度有一定的關(guān)系。R2是串聯(lián)的電阻防止超級電容器短路的電阻。C1、C2是等效電容的大小。

4、結(jié)果

交直流微電網(wǎng)中，超級電容器可以起到緩沖作用，可以很好的控制各種能源的波動，本文的表格可以表明，在能源波動的情況下，電壓和相角都維持在允許范圍內(nèi)，解決了微電網(wǎng)不穩(wěn)定的問題，且各種能源先升壓或降壓整流用直流微電網(wǎng)接入超級電容器，然后整體逆變，可以省去很多逆變裝置。