新能源電網(wǎng)中微電源并網(wǎng)的控制方法

陳萌

摘 要：本文對(duì)微電源的種類及其特性進(jìn)行探究，然后給出微電源并網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)新能源電網(wǎng)中微電源并網(wǎng)的控制方法進(jìn)行分析與探討，根據(jù)實(shí)際情況選出幾種比較合理的微電源并網(wǎng)控制方式，希望能為相關(guān)電力部門提供參考。

關(guān)鍵詞：新能源電網(wǎng);微電源;并網(wǎng);控制方法

中圖分類號(hào)：TM727文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2019）29-0147-03

Control Method of Micro Power Grid Connection in New Energy Grid

CHEN Meng

（Power China Henan Electric Power Survey & Design Institute Corporation Limited，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： In this paper， the types and characteristics of micro power supply were discussed， and then the basic structure of micro power supply grid connection was given. On this basis， the control method of micro power supply grid connection in new energy grid was analyzed and discussed， and several reasonable micro power supply grid connection control methods were selected according to the actual situation， hoping to provide reference for relevant power departments.

Keywords： new energy grid;micro power supply;grid connection;control method

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們的日常工作與生活消耗的能源越來越多，對(duì)電力資源的使用更是無法估計(jì)的，電力資源逐漸發(fā)展成為社會(huì)進(jìn)步的重要推動(dòng)力。但是，從目前發(fā)展情況來看，電力資源的使用逐漸呈現(xiàn)出供不應(yīng)求的趨勢(shì)，人們對(duì)微電源的開發(fā)和利用并不能有效緩解這種現(xiàn)狀。造成這種情況的原因主要有兩方面：一方面是電力資源部門在應(yīng)用微電源時(shí)并不能有效控制供應(yīng)的電壓和頻率等參數(shù)，為電力資源的供應(yīng)埋下安全隱患;另一方面是微電源自身的供應(yīng)特點(diǎn)，導(dǎo)致電網(wǎng)在供電時(shí)很容易受到微電源的影響。由此可見，相關(guān)電網(wǎng)管理人員應(yīng)注重做好微電源并網(wǎng)的控制工作，爭(zhēng)取將微電源的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到最大，為社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展提供穩(wěn)定的資源支持。

1 新能源電網(wǎng)中微電源的種類與性質(zhì)

1.1 微電源的概念及分類

微電源并不是指體積或者質(zhì)量很小的電源，其是指存在于電網(wǎng)中的逆變器、用于儲(chǔ)存電能的儲(chǔ)能裝置以及分布式電源共同組成的供電系統(tǒng)[1]。由于其規(guī)模并沒有傳統(tǒng)的電源大，卻能帶動(dòng)整個(gè)供電系統(tǒng)運(yùn)行，因此被稱為微電源。按照特性，微電源大致可以分為兩類，其中一類是與傳統(tǒng)電機(jī)相關(guān)的微電源，如水力發(fā)電機(jī)、生物能發(fā)電機(jī)以及小型柴油發(fā)電機(jī)等;另一類是可以直接連接電網(wǎng)的微電源，如燃料電池、微型燃?xì)鈾C(jī)等。與第一類微電源相比，第二類微電源更適合應(yīng)用在現(xiàn)代電網(wǎng)中，不僅是因?yàn)榈诙愇㈦娫茨軐?shí)現(xiàn)電流的整合、變向等目標(biāo)，而且還因?yàn)槠淠苡行Ы档碗娋W(wǎng)的安裝和維修成本，減少電力資源對(duì)周邊環(huán)境的影響和污染。但是，因?yàn)榈诙愇㈦娫吹目刂品绞奖容^特殊，在控制電網(wǎng)時(shí)需要采取特殊的控制方式，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的全面有效控制，為電力資源的正常運(yùn)輸提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。

1.2 光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型及其性質(zhì)

光伏電池主要依靠將光能轉(zhuǎn)化為電能放電，即太陽能收集板將直射到板上的光能收集起來，然后通過轉(zhuǎn)化設(shè)備將其轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)利用太陽能發(fā)電的目標(biāo)。現(xiàn)階段的光伏電池主要依靠其內(nèi)部的并聯(lián)型電阻實(shí)現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)換，因?yàn)槠渚珳?zhǔn)性和高效性，光伏電池在電網(wǎng)中的應(yīng)用比較廣泛[2]。光伏電池的模型參數(shù)如表1所示。

該光伏電池的工作原理為：太陽光直射到太陽板上，太陽板收集照射能量并將其轉(zhuǎn)化為光電流，這個(gè)過程中會(huì)形成電流通路，然后在負(fù)載電阻的兩端產(chǎn)生負(fù)載電壓，而三極管的兩端在同一時(shí)間會(huì)產(chǎn)生偏置電壓，最終實(shí)現(xiàn)光能與電能的轉(zhuǎn)化。在這個(gè)過程中，光伏電池的電流變化能通過電流檢測(cè)設(shè)備觀察到，其功率變化也能通過觀察串聯(lián)電阻兩端電壓的變化得到。除此之外，還可以通過光伏電池內(nèi)部的并聯(lián)電阻了解電路的破損甚至是短路情況，為相關(guān)電網(wǎng)管理人員時(shí)刻了解供電情況提供幫助。

1.3 微型燃?xì)鈾C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的模型及其性質(zhì)

微型燃?xì)鈾C(jī)作為新型小發(fā)動(dòng)機(jī)能有效延長(zhǎng)電網(wǎng)的使用壽命，為電網(wǎng)的正常運(yùn)行提供幫助。微型燃?xì)鈾C(jī)的輸出功率一般需要控制在25kW左右，其主要依靠活塞運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)汽輪機(jī)工作來增加回?zé)崾业臒崃?，然后借助電控設(shè)備完成電力資源的傳送。與傳統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備相比，微型燃?xì)鈾C(jī)能降低對(duì)一種燃料的依賴，達(dá)到減少資源使用和浪費(fèi)、降低污染氣體排放量的目標(biāo)。微型燃?xì)鈾C(jī)的主要部件有負(fù)荷、燃料室、永磁發(fā)電機(jī)及整流器。在微型燃?xì)鈾C(jī)工作過程中會(huì)產(chǎn)生一些差值，如實(shí)際轉(zhuǎn)速與參考轉(zhuǎn)速之間的差值、實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間與參考運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間之間的差值等。這些差值的存在有助于微型燃?xì)鈾C(jī)發(fā)電系統(tǒng)形成差值調(diào)節(jié)[3]。在實(shí)際運(yùn)行過程中，該差值調(diào)節(jié)的本質(zhì)為比例調(diào)節(jié)，其目的是確保加速控制模塊的運(yùn)行環(huán)境比較穩(wěn)定，從而將轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度控制在合理范圍內(nèi)，進(jìn)一步將電機(jī)的運(yùn)行溫度調(diào)節(jié)在機(jī)器可承受范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)降低葉子磨損、提高供電水平的目的。

1.4 蓄電池模型及其性質(zhì)

蓄電池與其他電池在結(jié)構(gòu)上存在一定的差異，一方面是因?yàn)樾铍姵馗蛴诨瘜W(xué)電池，其能源轉(zhuǎn)換主要依靠化學(xué)物質(zhì)之間的反應(yīng)進(jìn)行;另一方面，蓄電池能避免能量的消耗和浪費(fèi)，因?yàn)槠淠軐⒍嘤嗟哪芰績(jī)?chǔ)存在化學(xué)物質(zhì)中[4-5]。蓄電池的工作原理主要為：將化學(xué)能通過氧化還原反應(yīng)轉(zhuǎn)換為電能，在這個(gè)過程中，會(huì)涉及一些化學(xué)物質(zhì)的反應(yīng)以及能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存問題。因?yàn)樵陔娋W(wǎng)實(shí)際工作過程中，微電源的運(yùn)行功率和負(fù)荷最好不發(fā)生變化，所以在控制系統(tǒng)波動(dòng)方面，需要借助儲(chǔ)能系統(tǒng)來完成，即借助儲(chǔ)能系統(tǒng)將電壓和電流頻率控制在固定范圍內(nèi)，確保電網(wǎng)在工作時(shí)不會(huì)受到這些波動(dòng)的影響，從而避免頻率或者電壓波動(dòng)造成電網(wǎng)故障。

接下來主要探究蓄電池模型的構(gòu)成情況。蓄電池模型由電流直流轉(zhuǎn)換器以及輔助控制器組成，電路直流轉(zhuǎn)換器在控制電荷容量及電荷狀態(tài)中發(fā)揮重要作用，輔助控制器則主要用于確定蓄電池的儲(chǔ)存狀態(tài)，避免出現(xiàn)蓄電池由于儲(chǔ)存電能過多而造成損害的問題。

2 微電源并網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)

微電源并網(wǎng)主要由儲(chǔ)存能量的設(shè)備和裝置、發(fā)揮控制作用的控制系統(tǒng)、電力負(fù)荷系統(tǒng)三部分構(gòu)成。微電源需要借助電力電子才能順利接入電網(wǎng)中，從而為電網(wǎng)的正常使用和高速運(yùn)行提供幫助。由于電力負(fù)荷的限制，電網(wǎng)只能采取單獨(dú)運(yùn)行或者并網(wǎng)運(yùn)行兩種方式，一旦采取其他方式，就可能導(dǎo)致電能的不穩(wěn)定傳輸，阻礙電力資源的順利運(yùn)輸。在電網(wǎng)正常工作時(shí)，一般都采用并網(wǎng)運(yùn)行方式，一方面是因?yàn)椴⒕W(wǎng)運(yùn)行能隨時(shí)穩(wěn)定電壓和頻率等參數(shù);另一方面，并網(wǎng)運(yùn)行能增加電網(wǎng)的承受能力，提高電網(wǎng)的使用效率。而單獨(dú)運(yùn)行的情況比較少見，一般出現(xiàn)在供應(yīng)的電力資源不符合國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)。微電源并網(wǎng)以放射狀的方式將外部電網(wǎng)與靜態(tài)開關(guān)聯(lián)系在一起，靜態(tài)開關(guān)作為劃分界限，將微電網(wǎng)劃分為兩部分，一部分是連接微電源的饋線，另一部分是確保電網(wǎng)不會(huì)立即停止工作的獨(dú)立運(yùn)行部分，即與饋線連接在一起的非敏感負(fù)荷部分。因?yàn)槲㈦娋W(wǎng)的配置問題，在改進(jìn)微電網(wǎng)的控制方式時(shí)，需要注意潮流控制器的管理和使用，從而確保微電網(wǎng)能擁有一個(gè)穩(wěn)定且安全的運(yùn)行環(huán)境。

3 微電源并網(wǎng)的控制方法

3.1 V/F控制

在微電網(wǎng)中，電源功率主要依靠下垂特性完成傳輸工作。微電網(wǎng)的本質(zhì)為以微電源為主要構(gòu)成要素的逆變并聯(lián)電力供應(yīng)系統(tǒng)。研究人員可以借助上述特點(diǎn)和本質(zhì)對(duì)微電網(wǎng)的控制方法進(jìn)行研究，以期通過控制電功率的方式實(shí)現(xiàn)控制無線并聯(lián)系統(tǒng)的目標(biāo)。該控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程如下：首先按照下垂特性將逆變器輸出的功率指令值分配到相應(yīng)部分，然后經(jīng)過對(duì)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)和反向等操作實(shí)現(xiàn)對(duì)功率有效性的區(qū)分。具體情況為：當(dāng)在逆變器中輸出的阻抗具備感性特征時(shí)，其中的有效功率將會(huì)隨著輸出頻率的改變而呈現(xiàn)反向改變的情況，例如，當(dāng)輸出頻率逐漸增加時(shí)，有效功率將逐漸減少?？偟膩碚f，V/F方式主要依靠控制輸出頻率的方式實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的控制，當(dāng)微電網(wǎng)的電壓或者頻率發(fā)生改變時(shí)，微電網(wǎng)能通過V/F的方式進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，達(dá)到電力資源的穩(wěn)定傳輸和共享目標(biāo)。

3.2 PQ控制

PQ控制與V/F控制存在一定的相似之處，其也是通過控制有效功率實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)的控制的。在PQ控制過程中，相關(guān)研究人員應(yīng)將預(yù)定數(shù)值提前設(shè)置好，避免微電網(wǎng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)有效數(shù)值報(bào)錯(cuò)問題，在微電網(wǎng)內(nèi)部系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，還要時(shí)刻關(guān)注微電網(wǎng)外部的控制系統(tǒng)狀態(tài)，確保微電網(wǎng)的外部系統(tǒng)與實(shí)際情況偏差不大，為設(shè)計(jì)人員在運(yùn)用電流調(diào)節(jié)器控制微電網(wǎng)時(shí)提供幫助，同時(shí)，有助于軸的分量配備工作順利完成。值得注意的是，PQ控制方式并不支持獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)語

隨著微電源技術(shù)的不斷改進(jìn)與發(fā)展，微電源并網(wǎng)的安全性和可靠性得到很大提升。將微電源應(yīng)用到電網(wǎng)中不僅能減少電力部門在電網(wǎng)管理和維修方面投入的成本，還能有效降低電力資源供應(yīng)帶來的環(huán)境污染，為我國生態(tài)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供支持和動(dòng)力。希望相關(guān)技術(shù)人員能重視儲(chǔ)能裝置、微電源逆變器的優(yōu)化和改進(jìn)問題，爭(zhēng)取為微電源的普及和廣泛應(yīng)用提供幫助。

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