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微网和分布式发电
微网和分布式发电
摘要
个别的分布式发电机的应用能够造成与它能解决的一样多的问题。
一个实现分布式发电的新兴的潜能的更好的方式是将包含发电机和与之关联的负载的系统当做子系统或微网。
输入源可以平行于电网运行或者以孤岛的方式运行,提供ups服务。
在发生大事件如故障,电压崩溃时系统会与公网分离,但是当来自电网的功率因数跌落到某一标准时也会主动的离网。
来自输入源的余热的利用会提高整体的效率,使得项目具有更好的经济吸引力。
威斯康辛大学实验室微网控制的概念的验证也被包含在本文中。
关键词热力联合分布式发电计划孤岛变流器微网功率对频率下降电压对无功下降
一、介绍
经济,技术和环境激励正改变着发电和输电的面貌。
集中式发电设备正在给更小的更加分散式的发电让路,部分归功与传统经济规模的减小。
分布式发电包含广泛的原动机技术,例如内燃机,汽轮机,燃气涡轮发电机,光伏,燃料电池和风能。
大多数的新兴技术如燃气涡轮发电机,光伏,燃料电池和带着永磁发电机的气体内燃机有变流器电力分布式系统的界面。
这些新型技术有更低的排放,有着与传统规模经济对立的更低的成本的可能。
这些应用包括变电站的功率支持,输配电的延期更新以及就地发电。
横穿美国的分布式发电的渗透还没有达到显著水平。
然而这种情形正在高速改变,需要对分布式系统中的高渗透的分布式发电的问题的注意。
试验性的个别的分布式发电机的应用能够造成与它能解决的一样多的问题。
一个实现分布式发电的新兴的潜能的更好的方式是将包含发电机和与之关联的负载的系统当做子系统或微网。
这种方法考虑到分布式发电的就地控制从而减少或消除中心调度的需求。
在干扰过程中,发电机和相应的负载能够从分布式系统中分离使微网的负载同干扰隔离(从而维持高等级的服务)而不损害输电网的完整。
发电和负载的计划孤岛有提供更高的局部可靠性的可能性,比由作为整体的功率系统提供的。
新型发电技术的大小允许发电机与考虑到废热的热负载有关最佳放置。
这种应用能使系统的总效率翻倍。
目前大多数的微网实现负载与输入源的结合,考虑到计划孤岛以及设法利用有效的废热。
这些解决方案依靠复杂的通信和控制以及关键部件和大量的现场工程。
这个工作的目标是提供这些产品特点不需要复杂的控制系统,控制系统需要每个应用的详细设计。
我们的方法是提供以发电机为基础的控制,使得即插即用的模式成为可能,这种模式不需要通信或为每个地点定制工程。
每一个体现在微网概念的创新(如智能电力电子界面以及单独的智能为实现离网和在同步的开关)被创造特别是为了降低成本,改善规模更小的分布式发电系统的可靠性(如装机容量10~100KW的系统)。
这个工作的目标是加速实现由规模更小的分布式发电系统提供的许多利益,例如他们在需求方面能够提供废热的能力(避免广泛的热分布网络)或在一定设备下为一些而非全部负载提供更好的功率质量。
在电网的观点下,微网的概念是吸引人的因为它认出国家的分布式系统是广泛的,老的,会很慢的改变的事实。
微网的概念使得不需要重新设计或重新建造的分布式系统本身的分布式发电的高渗透成为可能。
二、新兴发电技术
分布式电源技术应用有利于天然气技术是由于潜在的低空气排放。
在备用状态和短期运行的应用里,以柴油为燃料的系统仍占主导地位。
但目前的天然气更好的结合可用性,价格,环境要求。
由于经济和环境的压力,活塞式发动机技术得到发展,向着改善能量密度,增加燃料利用率,减少排放。
通过更好的设计和控制燃烧过程,天然气发动机的排放可以得到显著的改良。
先进的稀燃天然气发动机氮化物排放量可达到50ppmv(百万分之一)标准,这是一个巨大的改善,但是在绝大多数的应用里,仍然要求使用催化剂。
效率约为35%,目标是50%。
不幸的是高效率和低排放目前尚未实现同步。
微型燃汽轮机是一种重要的新型技术。
它们机械结构简单,单轴设备,空气轴承和无润滑油。
它们的设计结合了商业飞行器辅助电源的可靠性和汽车增压涡轮器的低花费。
发电机通常是一个永磁机器,工作在可变转速(50000-100000rpm)。
这种变速操作要求电力电子接口连接到电气系统。
例子包括:
Capstone的30kw和60kw产品,它们是由欧洲制造商Bowman和Turbec制造的。
复杂的燃烧系统,低涡轮机温度,低燃料空气比导致氮化物的排放量少于10ppmv和固有的低碳化物排放。
更大的气涡轮机,活塞式发动机,以及改良型都牵涉到更高的温度,这导致高得多得氮化物排放。
微型燃气轮机能使用许多不同的燃料工作,这些燃料包括天然气和一些液体燃料比如汽油,效率大概在28-30%。
燃料电池,通过氢气和氧气产生电能,只排放水蒸气。
氮化物和二氧化碳是由生产天然气或其他燃料生产燃料电池的氢气过程中排放的。
燃料电池比微型燃气轮机提供更高的效率和更低的排放,但目前很贵。
磷酸电池已应用在200kw商业应用。
高温固体氧化物和熔融碳酸盐电池已被证明在分布式应用中特别有前途。
汽车公司的一个主要努力是集中在汽车上使用改进的汽油或其他普通燃料产生氢气的可能性,用于低温质子交换膜电池。
如果每千瓦100美元的目标能实现,汽车燃料电池将对固定电源产生重大的影响。
三、新发电技术的问题和利益
控制
分布式发电一个基本的问题是,技术上很难控制大量的微电源。
例如,为了满足加州的国防目标,这可能导致系统有多达120000个100kw的发电机。
这问题是复杂的,需要昂贵的快速传感器和复杂的控制从一个中心点,这可能导致更多潜在的问题(Thisissueiscomplexbutthecallforextensivedevelopmentinfastsensorsandcomplexcontrolfromacentralpointprovidesapotentialforgreaterproblems)。
与复杂的控制系统有关的一个基本问题是以原件的故障或软件错误就会导致系统崩溃。
国防需要能自主的使用本地信息相应事件。
对于电压降落,故障,灯火管制等。
下一代技术需要使用本地信息转换成离网运行。
这将要求控制微型发电机马上改变输出功率当他们从分布式电源模式转变为随着离网负载频率变化的控制模式。
(thegenerationneedstoswitchtoislandoperationusinglocalinformation.Thiswillrequireanimmediatechangeintheoutputpowercontrolofthemicro-generatorsastheychangefromadispatchedpowermodetoonecontrollingfrequencyoftheislandedsectionofnetworkalongwithloadfollowing)
注:
标英文的为翻译不懂的
尽管一些新兴的控制技术非常有效,传统的电力系统也提供了重要的参考(insights参考?
解决办法?
)。
关键电力系统的概念同样适用于DG运行(DG:
distributedgeneration分布式发电)。
例如,应用在大型公用发电机的功率、频率和电压的控制也可以对小型的DG系统提供同样的稳定性控制。
(droop?
)从信息交流的角度来看,只有稳态的功率和电压需要被调度去优化功率潮流。
(刘书阁)
和公用发电主要的不同是:
由于缺乏大型的转子,基于DG的逆变器不能提供瞬时的功率需求。
在独立运行中,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,负载追踪的问题就出现了。
由一系列微源组成的系统被设计为在孤岛模式下运行,该系统就需要一些形式的储能来保证最初的能量平衡。
这些必须的储能有多种形式;每个微源直流母线上的电池或超级电容器;直接连接的交流储能装置(交流电池;飞轮等;包括逆变器)。
CERTS(consortiumforelectricreliabilitytechnologysolutions电力可靠性技术解决方案)微网用位于每个电源直流母线上的直流储能来保证最高级别的可靠性。
在这种情况下,即使丢失了一些零件,一个附加的源(N+1)就可以保证全部的功能。
但是,如果微网中有一个单独的交流储能装置的话,情况就不一样了。
运行和投资
相对于微源来说,规模经济更偏向于更大的DG单元。
对于一个微源来说,互联保护的费用可以比系统的费用增加幅度多达50%。
由于保护的费用是基本确定的,等级是微源3-5倍的DG单元每千瓦的连接成本大大减少。
通过在公网的第一接口后面放置多个微源,微网就有了和大型DG单元同样的费用优势。
UsingDGtoreducethephysicalandelectricaldistance...
使用DG来减少发电和负载之间的地理距离和电气距离能够有助于改善无功供应和增强电压分布特性,移除分布和传输的瓶颈,减少损耗,增强利用废热的可能性,推迟建立新传输线和大规模发电系统的投资。
Contributionforthereductionofthelossesinthe...
欧洲电力分布系统中减少损耗的贡献是微源的一个主要的优势。
以葡萄牙为例,传输级别的损耗大约为1.8%到2%,而高压和中压配电网的损耗为4%。
包含低压配电网后,总体损耗大约为6%。
1999年葡萄牙在低压级别的耗电量大约为18TWh。
这就意味着:
通过微源的大规模集合,假设20%的低压负载,至少可以实现减少损耗216GWh。
这些减少的与二氧化碳污染相关费用,葡萄牙法律计算的结果为每千瓦可再生能源产生的370g二氧化碳。
采用同样的数据,通过这种方法每年可以减少8万吨二氧化碳的排放。
这样,微网发电可以减少欧洲输电网和配电网大约2-4%的损耗,这有助于欧洲每年2千瓦吨二氧化碳的减排。
Optimallocationforheating/coolingcogeneration...
加热或冷却热电联产的最佳位置
热电联产或者是CCHP(combinedcoolingheatandpower冷、热、电三联产系统)中废热的利用意味着一个整合的能量系统,该系统从诸如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,通常产热靠近热负载比发电靠近电负载显得更有意义。
Mostexistingpowerplants……
大部分现存的或是集中或是分布的发电厂给用户输电,整体上从燃料转换为电能的效率范围是28-32%。
这就表示供给给发电机的一次能源中有大约70%的损耗。
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或者利用废热就十分必要了。
Combinedpowercyclestechnologycan……
联合发电技术能够使在百兆瓦特级别的效率接近60%。
另一方面,如果发电机中低效率(指28-32%)的废热能够通过热交换器、吸收式冷水机和去湿(desiccant:
adj.去湿的;dehumidification:
n.除去湿气;不知道这个怎么翻译。
。
。
见后面图片:
)三者中的一者或者几者而被利用,那么整体上从燃料到有效能的效率可以超过80%。
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为90%。
(李泽荣)
新兴发电技术的规模允许发电机在热负荷中放置在最佳的位置。
单个单元产生的热量规模小,因此在匹配热量要求方面提供了更大的灵活性。
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,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本地负载提供电力。
电能质量/电源管理/可靠性
由于分散控制,DG(分布式发电)有提高系统的可靠性和电能质量的潜力。
如果分布式发电机允许在瞬态条件下运行,可靠性水平就可以得到提高,即当配电系统在网络上游运行不稳定时。
此外,黑启动功能可以最大限度地减少停机时间并且有助于的分布式系统的重新通电过程。
采用冗余并联运行,如果一个网格出现故障,微网可以继续无缝地运行在环岛模式。
敏感且执行关键任务的电量或进程可以通过中断得到保障。
二次现场备用电源的开支可以减少或者消除,实际上,微电网和主电网已经做到这一点。
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。
在所有的可能性中,伴随着全方位的能源资源优化,DG(分布式发电)输出的能量将在更高的成本效益下运行,如调节峰值,电力和余热管理,集中负荷管理,价格敏感燃料的选择,符合接口的合同条款,排放监测/控制以及建设系统的优化控制。
微网范例提供了解决电源管理问题的一个通用平台。
人们已经发现,从能源的安全性方面考虑,多个小型发电机比依靠一个大电机来降低电费更有效。
小型发电机自动加载功能更好,并且有助于避免使用单一发电机被站点收取的大型待机费用。
一个微网拥有多重的分布式发电机不太可能出故障,尤其当备用发电机是可用的时候。
四、微电网概念
CERTS微电网有两个关键组件,静态开关和微源。
静态开关有能力自动形成一个安全岛保护微网免受故障的干扰,例如IEEE1547故障或电能质量故障。
形成安全岛后,微电网后跳闸之后实现自动重连的现象现在已经不存在了。
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下垂控制器无缝的平衡孤岛微电网的功率。
这个频率下垂也保证了微电网的频率与电网不同,为设备重连提供方便。
微网的基本架构如图1所示。
由一组径向反馈线器组成,这可能是分布式系统的一部分或者大楼的电力系统。
有一个连接设备的单点称为公共耦合点。
有些反馈线(反馈线A-C)有需要本地发电机的敏感负载。
非关键负载反馈线没有任何本地发电机。
反馈线A-C可以运用静态开关在不到一个周期的时间里隔离电网。
这个例子中,在8,11,16和22有4个微电源,运用本地电压和电流测量值控制运行。
当设备供应有问题时,静态开关将打开,从电网隔离敏感负载。
非敏感负载(馈线D)将架在馈线A、B、C上来满足这些线上的负载。
当微网从本地发电的电网连接电源,可连接非敏感负载。
(李猛)
为了达到这个目的,对于微网的某一个部件,我们推广使用点对点和即插即用的运行模式。
点对点的概念确保没有一个部件是不可或缺的,例如主控器或者中央存储单元。
这就是说,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。
通过多采用一个电源(N+1),缺少任何一个电源仍能确保完整的功能。
即插即用意味着一个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,从而提高了对废热的处理效率,减少了复杂的热力分散系统,例如蒸汽机和冷水回流管。
单元功率控制结构
在这种结构下,在每一个连接点和电源注入功率的地方,各分散发电系统(DG)调节电压的幅值。
这些功率是从如图一所示的微电源中流出的。
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恒定,额外的功率是由公用电网提供的。
这种结构很适合热电联产,因为功率输出是根据热力需求而确定的。
只有在高频的时候,发出的电才有用,这只有在废热利用最大化才得以实现。
当系统将频率下降函数与当地功率隔开时,可以确保功率在隔离单元内是平衡的。
支线流向控制结构
在这种结构下,在每一个连接点和功率支线流向如图一中的8、11、16、22处,各分散发电系统调节电压的幅值。
在这种结果下,额外的负载需求由分布式电网提供,从公用网来看,负载就像是恒定的。
这样,从公用网侧看,微网就像是一个可调度的负载,这就需要需求侧的管理安排。
与此同时,当系统将当地支线流向与频率下降函数分开时,确保了功率的平衡。
混合控制模式
在这种结构下,一些分布式发电系统调节输出功率,另一些则调节功率的流向;同一个单元根据需要不同,既可以控制功率也可以控制流向。
这种结构可以兼顾两者的优点:
一些单元在频率最高时运行以恢复废热;另一些单元则使当微网的负载条件变化时,公用网的潮流保持恒定。
五、微电源的控制
微电源控制需要注意的是:
新的电源投入系统使用时,不修改已有设备,设置点可以独立选取,微网可以迅速地、无缝地连接或退出大电网,有功和无功可以独立控制,且可以满足负荷的动态波动。
每个微电源控制器必须在不了解负载、静态开关或其他电源的数据时,自动有效地相应系统变化。
对静态开关来说,要求一样。
基本控制器采用了功率和电压反馈。
控制器实时采集有功P、无功Q、频率以及交流电压,利用下降的概念使逆变器端发出给定幅值和相位的电压。
将逆变器看做一个电压源串联一个阻抗的话,有功与逆变器输出电压的相位成正比,无功则与电压的幅值成正比。
电压-无功(Q)下降
微网中集成大量的微电源,对整体基本的功率因素控制来说是不可能的。
电压的稳定对系统的可靠性和稳定性来说是必须的。
没有当地的电压控制,植入过量的微电源可能会造成电压和/或无功的振荡。
电压控制必须确保在电源之间没有大量的环流。
电压设置点稍有误差,环流就可能超出微电源等级。
这样的情况下,需要一个电压—无功下降控制器,确保微电源发出更多的容性无功,这样设置点数目就可减少;相反,如果发出更多的感性无功,则需要增加设置点。
有功-频率下降
当微网和大电网相连时,根据用户的不同情况,负载从大电网和微网同时获取功率。
如果大电网因为IEEE1547事件、电压下降、故障、停电等等而中断,微网能自动的从大电网独立出来。
(徐硕)
当调节输出功率时,每个源在P,ω平面上都有一个恒定的斜率为负的下降,其中P是输出功率,ω是每秒以弧度为单位的频率。
图2显示的是曲线的斜率必须可以使频率下降一个给定值Δω,同时输出功率的范围从零变化到Pmax,如虚线所示。
图2还显示了功率的两个设定值PO1和PO2作为两个单元。
这是每个源以系统频率连接到电网时注入的发电量。
如果当从电网输入功率时系统转移到离网运行,则发电机部分需要增加功率来平衡离网孤立运行部分的功率。
这个新的运行点将以一个低于额定值的频率运行。
在这种情况下,两个源都增加其输出功率直到单元2达到其功率最大值点。
如果当输出功率到电网时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,单元1达到其功率零点。
图4威斯康星大学测试的稳定状态特性
图2所示的特性是稳定状态的特性。
他们运行在各自功率范围内时拥有固定的斜率。
只要一达到极限值,该斜率就变成垂直。
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。
六、威斯康星大学的微网
CERTS微电网概念在威斯康星大学麦迪逊分校的概念证明型硬件设置中已经被实行使用。
此微网包括两个源,五套三相负载和一个静态开关来进行和电网的连接。
图3所示是元件布局。
需要注意的是源之间总共100码的电缆的设计,以便更好地采集通常存在于馈线(Venakataramanan2002)上的电压降。
非定制逆变器的控制卡已被一个允许连接数字信号处理器(DSP)接口的自定义板所取代。
该控制是在DSP中通过数字化方式实施的,以驱动逆变器的动作。
本地馈线上的电流测量在馈线流控制选项中使用。
我们需要注意,由于要用来计算无功功率Q,有功功率P,因此单元注入电流的测量在馈线流量控制中是必要的,以便执行其限制功能。
七、实例研究
本节将展示一些在威斯康星大学微电网试验台获得的硬件结果。
图3显示的是两个测试中都使用的元件布局。
每个负载为0.3PU,负载L2一直保持断开。
总负载是1.2PU。
所有的单元功率范围从0(空闲)到0.8PU(功率最大值=15千瓦)。
这些结果直接脱离只能用-1,+1之间的值来代表各个数值的DSP内存。
为了确保少部分的超调量可以测量,相应的最大功率值应设置为0.8PU。
测试:
转移到离网运行状态时P1和P2的控制
在实验中,如图4所示,当两个单元在调节输出功率时系统转换为离网运行。
当连接到电网(稳定状态A点)时,系统在输入功率。
在离网运行的稳定状态下,两个单元都向总负载提供补偿,即B点。
2单元处在输出功率最大的状态,而1单元提供所需的负载功率。
图5显示了两个单元在这个测试中的实际轨迹。
2单元的有功功率超调达到最大,但随后退出对发电机的控制;1单元增加功率输出来满足负载要求。
馈线流量也可以显示出来但在控制中不使用。
电压的大小不变,两台机器的频率会随之下降。
图4威斯康星测试的稳定状态特性。
八、结论
关于微网的研究工作取得了顺利的进展。
在威斯康星州的工作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)。
发电机和负载的蓄意离网提供了比整个电力系统更高的可靠性。
新兴的发电技术考虑到了热负载可以对余热进行利用,因此允许发电机被最优放置。
这样的应用可以增加一倍以上的整体系统效率。
目前,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2006春季成立的美国电气和电力站进行建造和测试。
这个测试站将包括三个来自Tecogen拥有逆变器接口的60KW微电源。
九、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。
注:
电力可靠性技术解决方案联盟(CERTS)成立于1999年的研究,开发和传播新方法,工具和技术,以保护和提高了美国电力系统和竞争性的电力市场的效率的可靠性。
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