微電網(wǎng)運(yùn)行與控制2

微電網(wǎng)運(yùn)行與控制2014-2015學(xué)年

第一學(xué)期2/6/20231微電網(wǎng)運(yùn)行與控制第一章微電網(wǎng)概述第二章微電網(wǎng)組成元件第三章微電網(wǎng)基本控制方法第四章微電網(wǎng)多代理優(yōu)化控制方法第五章微電網(wǎng)保護(hù)2/6/202322/6/20233第二章、微電網(wǎng)組成元件2.1開關(guān)器件2.2分布式電源2.3儲(chǔ)能單元2.4電力電子接口電路2/6/202342.1開關(guān)器件1、開關(guān)

分成兩類：斷路器，靜態(tài)開關(guān)

斷路器：切除線路或微電源（過流/欠壓保護(hù)）靜態(tài)開關(guān)：PCC節(jié)點(diǎn)開關(guān)2/6/202352/6/20236低壓斷路器：低壓斷路器又稱自動(dòng)空氣開關(guān)或自動(dòng)空氣斷路器，簡稱斷路器。它是一種既有手動(dòng)開關(guān)作用，又能自動(dòng)進(jìn)行失壓、欠壓、過載、和短路保護(hù)的電器。2.1開關(guān)器件PCC:(pointofcommoncoupling)作用：在故障或擾動(dòng)時(shí)，有能力自動(dòng)把微電網(wǎng)隔離出來，故障清除后，在自動(dòng)地重新與主網(wǎng)相連。PCC安裝在用戶低壓母線上。其規(guī)劃設(shè)計(jì)非常重要，應(yīng)確保有能力測量靜態(tài)開關(guān)兩側(cè)的電壓和頻率以及通過開關(guān)的電流，通過測量，靜態(tài)開關(guān)可以檢測到電能質(zhì)量問題，以及內(nèi)部和外部故障。當(dāng)同步性標(biāo)準(zhǔn)可以接受時(shí)，使微電網(wǎng)和主網(wǎng)聯(lián)接。通常采用固態(tài)繼電器（SolidStateRelay，SSR）固態(tài)電子組件組成的新型無觸點(diǎn)開關(guān)，利用電子組件（如開關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體組件）的開關(guān)特性，達(dá)到無觸點(diǎn)、無火花、而能接通和斷開電路的目的2/6/202372.1開關(guān)器件2/6/202382.1開關(guān)器件固態(tài)開關(guān)第二章、微電網(wǎng)組成元件2.1開關(guān)器件2.2分布式電源2.3儲(chǔ)能單元2.4電力電子接口電路2/6/202392.2分布式電源定義：

通常是指發(fā)電功率在幾千瓦至數(shù)百兆瓦（也有的建議限制在30～50兆瓦以下）的小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的高效、可靠的發(fā)電單元。種類：光伏發(fā)電；風(fēng)力發(fā)電；微型燃?xì)廨啓C(jī)；燃料電池；生物質(zhì)發(fā)電；海洋能發(fā)電；地?zé)岚l(fā)電；小型柴油發(fā)電機(jī)；微型水利發(fā)電機(jī)2/6/202310風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)2/6/202311風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成框圖2.2分布式電源2/6/202312風(fēng)力發(fā)電剖面圖2.2分布式電源風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電種類：根據(jù)風(fēng)輪機(jī)分類:(1)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(2)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組根據(jù)發(fā)電機(jī)分類:(1)異步型

鼠籠異步發(fā)電機(jī)(逐步淘汰)

雙饋異步發(fā)電機(jī)(2)同步型

電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)(逐步淘汰)

永磁同步發(fā)電機(jī)根據(jù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分類:(1)齒輪箱升速型（連接低速風(fēng)輪機(jī)和高速發(fā)動(dòng)機(jī)）(2)直驅(qū)型

2/6/2023132.2分布式電源2/6/2023142/6/202315雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)(DoublyFedInductionGenerator,DFIG)2/6/202316雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雙饋異步發(fā)電機(jī)是一種繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)功率等級(jí)通常在幾百千瓦至幾兆瓦之間定子只能將風(fēng)力機(jī)功率傳輸給電網(wǎng)，流動(dòng)是單向的轉(zhuǎn)子回路中，功率流動(dòng)是雙向的轉(zhuǎn)子傳送的最大功率大約為定子額定功率的30%2/6/202317雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

2/6/202318

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)：

亞同步運(yùn)行：n<n1,轉(zhuǎn)差頻率??2為正，轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向同向2/6/202319同步運(yùn)行：n=n1,??2=0，轉(zhuǎn)子繞組的電流為直流電超同步運(yùn)行：n>n1,轉(zhuǎn)差頻率f2為負(fù)，轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反2/6/202320雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

2/6/2023212/6/202322雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)力機(jī)輸出功率特性2/6/202323通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差評(píng)率來控制雙饋異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，采用最大功率點(diǎn)跟蹤控制算法來獲得最大風(fēng)能2/6/202324VSCF風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行區(qū)域并網(wǎng)控制區(qū)域風(fēng)力機(jī)變漿矩運(yùn)行，控制機(jī)組轉(zhuǎn)速，同時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行并網(wǎng)控制轉(zhuǎn)速控制最大風(fēng)能追蹤區(qū)域風(fēng)力機(jī)定漿矩運(yùn)行控制機(jī)組轉(zhuǎn)速以追蹤最大風(fēng)能，風(fēng)能系數(shù)保持為最佳值,恒定，轉(zhuǎn)速控制轉(zhuǎn)速限制區(qū)域轉(zhuǎn)速控制風(fēng)力機(jī)變漿矩運(yùn)行，控制機(jī)組轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速，防止轉(zhuǎn)速越限。風(fēng)力機(jī)變漿矩運(yùn)行，控制機(jī)組功率為最大功率，防止功率越限。功率控制功率限制區(qū)域2/6/202325DFIG的磁場定向控制策略永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

permanent

magnet

synchronous

generator2/6/202326永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)2/6/202327永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)永磁發(fā)電機(jī)具有最高的運(yùn)行效率；永磁發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁不可調(diào)，導(dǎo)致其感應(yīng)電動(dòng)勢隨轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化。采用可控PWM整流或不控整流后接DC/DC變換，可維持直流母線電壓基本恒定，同時(shí)可控制發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩以調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；在電網(wǎng)側(cè)采用PWM逆變器輸出恒定頻率和電壓的三相交流電，對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)的適應(yīng)性好；永磁發(fā)電機(jī)和全容量全控變流器成本高；永磁發(fā)電機(jī)存在定位轉(zhuǎn)矩，給機(jī)組起動(dòng)造成困難2/6/202328永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)2/6/2023292.2分布式電源太陽電池方陣接線箱直流配電逆變器交流配電數(shù)據(jù)采集、顯示和通信太陽能電池2/6/202331光生伏打效應(yīng)太陽能電池2/6/202332光生伏打效應(yīng)太陽能電池模型2/6/202333

2/6/20233434太陽電池的I-V特性及功率曲線I:電流Isc:短路電流Im:最大工作電流V:電壓Voc:開路電壓Vm:最大工作電壓標(biāo)準(zhǔn)條件：AM=1.5Q’=1000W/m2T=25C光強(qiáng)I溫度V(-2.5mV/C)2/6/20233535太陽電池受溫度影響隨著太陽電池溫度的增加，開路電壓減少，在20-100C范圍，大約每升高1C每片電池的電壓減少2mV；而光電流隨溫度的增加略有上升?？偟膩碚f，溫度升高太陽電池的功率下降，典型功率溫度系數(shù)為－0.35%/C。也就是說，如果太陽電池溫度每升高1C，則功率減少0.35%。

2/6/20233636光強(qiáng)的影響光強(qiáng)與太陽電池組件的光電流成正比，在光強(qiáng)由100W/m2-1000W/m2范圍內(nèi)，光電流始終隨光強(qiáng)的增長而線性增長；而光強(qiáng)對(duì)光電壓的影響很小，在溫度固定的條件下，當(dāng)光強(qiáng)在400W/m2-1000W/m2范圍內(nèi)變化，太陽電池組件的開路電壓基本保持恒定。2/6/202337光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分成兩大類：1交流母線匯流組網(wǎng)1.1集中式1.2串式1.3微型逆變式2直流匯流組網(wǎng)2.1級(jí)聯(lián)2.2并聯(lián)372/6/202338集中式38通常：光伏陣列串聯(lián)電壓為600-1000V容量：幾千瓦到幾百千瓦優(yōu)點(diǎn)：單位發(fā)電成本低，主要大容量光伏電站缺點(diǎn)：局部陰影，維護(hù)困難2/6/202339串式39容量：1.5kw-50kw優(yōu)點(diǎn)：分散安裝；缺點(diǎn)：局部陰影，維護(hù)困難2/6/202340微型逆變式40光伏陣列與微型逆變器組合優(yōu)點(diǎn)：每個(gè)光伏陣列都具備MPPT；

易于擴(kuò)展；易于維護(hù)（電力載波通訊）；效率高缺點(diǎn)：單位發(fā)電成本高2/6/202341SMA公司提出sunnyteam41優(yōu)點(diǎn)：靈活組網(wǎng)，提高逆變器工作效率（大型光伏電站）缺點(diǎn)：局部陰影問題2/6/202342直流母線結(jié)構(gòu)42優(yōu)點(diǎn)：MPPT缺點(diǎn)：成本高，組網(wǎng)復(fù)雜級(jí)聯(lián)效率高于并聯(lián)模式但是可靠性低于并聯(lián)模式太陽電池的熱斑現(xiàn)象2/6/202343定義：在一定條件下，一串聯(lián)支路中被遮蔽的太陽電池組件，將被當(dāng)作負(fù)載消耗其他有光照的太陽電池組件所產(chǎn)生的能量。被遮蔽的太陽電池組件此時(shí)將會(huì)發(fā)熱，這就是熱斑效應(yīng)“熱斑效應(yīng)”的危害：有光照的太陽電池組件所產(chǎn)生的部分能量或所有能量，都可能被遮蔽的電池所消耗熱斑效應(yīng)造成光伏陣列局部溫度過高，導(dǎo)致焊點(diǎn)融化，破壞封裝材，甚至?xí)拐麄€(gè)方陣失效。造成熱斑效應(yīng)的原因：個(gè)別壞電池的混入、電極焊片虛焊、電池由裂紋演變?yōu)槠扑?、個(gè)別電池特性變壞、電池局部受到陰影遮擋等。；由于局部陰影的存在，太陽電池組件中某些電池單片的電流、電壓發(fā)生了變化。其結(jié)果使太陽電池組件局部電流與電壓之積增大，從而在這些電池組件上產(chǎn)生了局部溫升。2/6/2023442/6/20234545串聯(lián)回路太陽電池的熱斑現(xiàn)象

d點(diǎn)，此時(shí)工作電流為零，組開路電壓VGd等于電池1和電池2的開路電壓之和；c點(diǎn)，電池1和電池2都有正的功率輸出；b點(diǎn)，此時(shí)電池1仍然工作在正功率輸出，而受遮擋的電池2已經(jīng)工作在短路狀態(tài)，沒有功率輸出，但也還沒有成為電池1的負(fù)載；a點(diǎn)，此時(shí)電池1仍然有正的功率輸出，而電池2上的電壓已經(jīng)反向，電池2成為電池1的負(fù)載；應(yīng)當(dāng)注意到，并不是僅在電池組處于短路狀態(tài)才會(huì)發(fā)生“熱斑效應(yīng)”，從b點(diǎn)到a點(diǎn)的工作區(qū)間，電池2都處于接收功率的狀態(tài)，如旁路型控制器在蓄電池充滿時(shí)將通過旁路開關(guān)將太陽電池短路，此時(shí)就很容易形成熱斑。2/6/20234646并聯(lián)回路太陽電池的熱斑現(xiàn)象a點(diǎn)，此時(shí)電池組的工作電壓為零，短路電流Isc等于電池1和電池2的短路電流之和；b點(diǎn)，電池1和電池2都有正的功率輸出；c點(diǎn)，此時(shí)電池1仍然工作在正功率輸出，而受遮擋的電池2已經(jīng)工作在開路狀態(tài)，沒有功率輸出，但也還沒有成為電池1的負(fù)載；d點(diǎn)，此時(shí)電池1仍然有正的功率輸出，而電池2上的電流已經(jīng)反向，電池2成為電池1的負(fù)載，此時(shí)電池1的功率全部加到了電池2上，如果這種狀態(tài)持續(xù)時(shí)間很長或電池1的功率很大，也會(huì)在被遮擋的電池2上造成熱斑損傷。應(yīng)當(dāng)注意到，從c點(diǎn)到d點(diǎn)的工作區(qū)間，電池2都處于接收功率的狀態(tài)。2/6/20234747防止熱斑現(xiàn)象發(fā)生防止熱斑現(xiàn)象的辦法就是加裝旁路二極管和阻斷二極管。旁路二極管的作用是在被遮擋組件一側(cè)提供電流通路；阻斷二極管的作用是阻斷被遮擋組件上的反向電流。微型燃?xì)廨啓C(jī)2/6/202348功率范圍：30kW~1,000kW燃?xì)廨啓C(jī)優(yōu)勢：

極高的可靠性，微型燃?xì)廨啓C(jī)是為持續(xù)運(yùn)行的常規(guī)發(fā)電而設(shè)計(jì)開發(fā)的，整套系統(tǒng)只有一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，并采用空氣軸承技術(shù)，因此其連續(xù)運(yùn)行可靠率高達(dá)99.996%，平均每年的停機(jī)檢修時(shí)間不超過2小時(shí)，其停機(jī)率遠(yuǎn)低于備用電源發(fā)電機(jī)組。超長使用壽命：微型燃?xì)廨啓C(jī)的使用壽命為20年。保養(yǎng)間隔長，維護(hù)成本低結(jié)構(gòu)簡單，采用空氣軸承和冷卻，不需潤滑系統(tǒng)，散熱系統(tǒng)，冷卻劑等，因此保養(yǎng)周期約為8,000小時(shí)，維護(hù)成本只有往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的5％。發(fā)電效率高采用回?zé)峒夹g(shù)，發(fā)電效率約為30％采用冷熱電聯(lián)產(chǎn)，能源利用效率可以達(dá)到70%-%902.2分布式電源微型燃?xì)廨啓C(jī)2/6/202349適用多種能源氣體燃料：天然氣，垃圾填埋氣，油田伴生氣，污水發(fā)酵氣，煤層氣，生物質(zhì)氣等液體燃料：柴油，煤油超低噪聲，無振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，采用空氣軸承技術(shù)，旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)96,000rpm，運(yùn)行非常平穩(wěn)，無振動(dòng)，而且主要產(chǎn)生高頻噪音，但很容易被隔音材料吸收，因此噪聲水平很低，距燃機(jī)10米處測量為65dB。超低排放微型燃?xì)廨啓C(jī)采用富氧燃燒，因此顆粒和煙度排放幾乎為零，NOx排放<9ppm2.2分布式電源2/6/2023502/6/202351微型燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)示意圖2/6/2023522/6/202353微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)2/6/202354微型燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)示意圖燃料電池燃料電池的特點(diǎn)燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率高，不受卡諾效率限制。清潔、環(huán)保。燃料電池不需要鍋爐、汽輪機(jī)等大型設(shè)備、沒有SOx、NOx氣體和固體粉塵的排放?？煽啃院筒僮餍粤己茫肼暤?。所用燃料廣泛，占地面積小，建廠具有很大靈活性2/6/2023552.2分布式電源燃料電池

一、燃料電池的分類

1、按燃料電池的運(yùn)行機(jī)理分。

1.1分為酸性燃料電池和堿性燃料電池

2.按電解質(zhì)的種類不同，有酸性、堿性、熔融鹽類或固體電解質(zhì)

2.1堿性燃料電池（AFC）、

2.2質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）

2.3磷酸燃料電池（PAFC）、

2.4熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、

2.5固體氧化物燃料電池（SOFC）、

3.按燃料類型分類

3.1氫燃料電池

3.2甲烷燃料電池

3.3甲醇燃料電池

3.4乙醇燃料電池

2/6/2023562.2分布式電源2/6/20235757燃料電池的組成和工作原理

燃料電池的基本組成：陽極、陰極、電解質(zhì)和外電路。燃料電池中的電解質(zhì)有不同的種類。

圖10－3燃料電池的基本單元

2/6/20235858燃料電池的工作原理（以氫氧磷酸型電池為例）（1）氫氣在陽極催化劑的作用下，發(fā)生下列陽極反應(yīng)：（2）氫離子穿過電解質(zhì)到達(dá)陰極。電子則通過外電路及負(fù)載也達(dá)到陰極。在陰極催化劑的作用下，生成水反應(yīng)式為：（3）綜合起來，氫氧燃料電池中總的電池反應(yīng)為：伴隨著電池反應(yīng)，電池向外輸出電能。只要保持氫氣和氧氣的供給，該燃料電池就會(huì)連續(xù)不斷地產(chǎn)生電能。2/6/202359第二章、微電網(wǎng)組成元件2.1開關(guān)器件2.2分布式電源2.3儲(chǔ)能單元2.4電力電子接口電路2/6/2023602.3儲(chǔ)能單元種類：1、機(jī)械能抽水儲(chǔ)能，壓縮空氣儲(chǔ)能，飛輪儲(chǔ)能2、化學(xué)能儲(chǔ)能

固態(tài)電池：鉛酸蓄電池、鋰電池

、鎳鎘蓄電池

、鈉硫電池

液流電池：鋅溴液流電池、釩流電池、鐵鉻液流電池3、電磁能

超級(jí)電容，超導(dǎo)儲(chǔ)能2/6/202361抽水儲(chǔ)能抽水儲(chǔ)能是世界上最古老的儲(chǔ)能，電網(wǎng)低谷時(shí)，電動(dòng)機(jī)將水抽到上游水庫，以勢能方式儲(chǔ)存，而當(dāng)電網(wǎng)高峰負(fù)荷時(shí)，上游水庫向下游水庫放水帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。2/6/2023622/6/202363壓縮空氣儲(chǔ)能指在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期將電能用于壓縮空氣，將空氣高壓密封在報(bào)廢礦井、沉降的海底儲(chǔ)氣罐、山洞、過期油氣井或新建儲(chǔ)氣井中，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放