微電網(wǎng)運行與控制2

1、2014-2015學(xué)年 第一學(xué)期12/18/20211第一章第一章 微電網(wǎng)概述微電網(wǎng)概述第二章第二章 微電網(wǎng)組成元件微電網(wǎng)組成元件第三章第三章 微電網(wǎng)基本控制方法微電網(wǎng)基本控制方法第四章第四章 微電網(wǎng)多代理優(yōu)化控制方法微電網(wǎng)多代理優(yōu)化控制方法第五章第五章 微電網(wǎng)保護(hù)微電網(wǎng)保護(hù)12/18/2021212/18/202132.1 開關(guān)器件開關(guān)器件2.2 分布式電源分布式電源2.3 儲能單元儲能單元2.4 電力電子接口電路電力電子接口電路12/18/202141、開關(guān)、開關(guān) 分成兩類：斷路器，靜態(tài)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（過流斷路器：切除線路或微電源（過流/欠壓欠壓

2、保護(hù)）保護(hù)） 靜態(tài)開關(guān)：靜態(tài)開關(guān)：PCC節(jié)點開關(guān)節(jié)點開關(guān)12/18/2021512/18/20216低壓斷路器：低壓斷路器又稱自動空氣開關(guān)或自動空氣斷路器，簡稱斷路器。它是一種既有手動開關(guān)作用，又能自動進(jìn)行失壓、欠壓、過載、和短路保護(hù)的電器。 PCC : (point of common coupling) 作用：在故障或擾動時，有能力自動把微電網(wǎng)隔離出來，故障清除后，在自動地重新與主網(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，使微電網(wǎng)和

3、主網(wǎng)聯(lián)接。通常采用固態(tài)繼電器（通常采用固態(tài)繼電器（Solid State Relay ，SSR）固態(tài)電子組件組成的新型無觸點開關(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、無火花、而能接通和斷開電路的目的12/18/2021712/18/20218固態(tài)開關(guān)固態(tài)開關(guān)2.1 開關(guān)器件開關(guān)器件2.2 分布式電源分布式電源2.3 儲能單元儲能單元2.4 電力電子接口電路電力電子接口電路12/18/20219 定義：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（也有的建議限制在在3050兆瓦以下）的小型模塊化、分散式、布置在

4、用兆瓦以下）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。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)型水利發(fā)電機(jī)12/18/20211012/18/202111風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成框圖風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成框圖12/18/202112風(fēng)力發(fā)電剖面圖風(fēng)力發(fā)電剖面圖風(fēng)力發(fā)電種類：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

5、籠異步發(fā)電機(jī)(逐步淘汰) 雙饋異步發(fā)電機(jī)雙饋異步發(fā)電機(jī) (2)同步型 電勵磁同步發(fā)電機(jī)(逐步淘汰) 永磁同步發(fā)電機(jī)永磁同步發(fā)電機(jī)根據(jù)傳動機(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)動機(jī)） (2) 直驅(qū)型 12/18/20211312/18/20211412/18/20211512/18/202116n 雙饋異步發(fā)電機(jī)是一種繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)n 功率等級通常在幾百千瓦至幾兆瓦之間n 定子只能將風(fēng)力機(jī)功率傳輸給電網(wǎng)，流動是單向的n 轉(zhuǎn)子回路中，功率流動是雙向的n 轉(zhuǎn)子傳送的最大功率大約為定子額定功率的30%12/18/202117 12/18/202118運行狀態(tài)： 亞同步運行：nn1,

6、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12/18/202120 12/18/20212112/18/202122風(fēng)力機(jī)輸出功率特性12/18/202123通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差評率來控制雙饋異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，采用最大功率點跟蹤控制算法來獲得最大風(fēng)能12/18/202124并網(wǎng)控制區(qū)域風(fēng)力機(jī)變漿矩運行，控制機(jī)組轉(zhuǎn)速，同時對發(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

7、區(qū)域12/18/202125DFIG的磁場定向控制策略12/18/202126永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)12/18/202127永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)p 永磁發(fā)電機(jī)具有最高的運行效率；p 永磁發(fā)電機(jī)的勵磁不可調(diào)，導(dǎo)致其感應(yīng)電動勢隨轉(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，同時可控制發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩以調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；p 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，對電網(wǎng)波動的適應(yīng)性好；p 永磁發(fā)電機(jī)和全容量全控變流器成本高；p 永磁發(fā)電機(jī)存在定位轉(zhuǎn)矩，給機(jī)組起動造成困難12/18/20212812/18/202129控制器蓄電池DC/AC逆變

8、器AC 負(fù)載DC 負(fù)載太陽電池太陽電池太陽電池方陣接線箱方陣接線箱直流配電直流配電逆變器逆變器交流配電交流配電數(shù)據(jù)采集、顯示和通信數(shù)據(jù)采集、顯示和通信12/18/202131光生伏打效應(yīng)12/18/202132光生伏打效應(yīng)光生伏打效應(yīng)單體組件方陣12/18/20213312/18/20213434太陽電池的太陽電池的I-VI-V特性及功率曲線特性及功率曲線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：標(biāo)準(zhǔn)條件： AM=1.5 Q=1000W/m2 T=25 C光強(qiáng)光強(qiáng) I 溫度溫度 V (-2.5mV/ C)12/18/202

9、13535太陽電池受溫度影響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。總的來說，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%。 12/18/20213636光強(qiáng)的影響光強(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

10、壓基本保持恒定。 12/18/202137 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級聯(lián) 2.2并聯(lián)3712/18/20213838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：單位發(fā)電成本低，主要大容量光伏電站缺點：局部陰影，維護(hù)困難12/18/20213939容量：1.5kw-50kw優(yōu)點：分散安裝；缺點：局部陰影，維護(hù)困難12/18/20214040光伏陣列與微型逆變器組合優(yōu)點：每個光伏陣列都具備MPPT；易于擴(kuò)展；易于維護(hù)（電力載波通訊）；效率高缺點：單位發(fā)電成本高12/18/20214141

11、優(yōu)點：靈活組網(wǎng)，提高逆變器工作效率（大型光伏電站）缺點：局部陰影問題12/18/20214242優(yōu)點：MPPT缺點：成本高，組網(wǎng)復(fù)雜級聯(lián)效率高于并聯(lián)模式但是可靠性低于并聯(lián)模式12/18/202143定義定義：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將會發(fā)熱，這就是熱斑效應(yīng)“熱斑效應(yīng)熱斑效應(yīng)”的的危害：危害：p 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)致焊點融化，破壞封裝材，甚至?xí)拐麄€方陣失效。造成熱斑效應(yīng)的造成熱斑效應(yīng)的原因：原因：p 個

12、別壞電池的混入、電極焊片虛焊、電池由裂紋演變?yōu)槠扑?、個別電池特性變壞、電池局部受到陰影遮擋等。；p 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。12/18/20214412/18/20214545串聯(lián)回路太陽電池的熱斑現(xiàn)象串聯(lián)回路太陽電池的熱斑現(xiàn)象 d點，此時工作電流為零，組開路電壓VGd等于電池1和電池2的開路電壓之和；c點，電池1和電池2都有正的功率輸出；b點，此時電池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，此時電池1

13、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)才會發(fā)生“熱斑效應(yīng)”，從b點到a點的工作區(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將通過旁路開關(guān)將太陽電池短路，此時就很容易形成熱斑。12/18/20214646并聯(lián)回路太陽電池的熱斑現(xiàn)象并聯(lián)回路太陽電池的熱斑現(xiàn)象a點，此時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，電池1和電池2都有正的功率輸出；c點，此時電池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，此時電池1仍然有

14、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)時間很長或電池1的功率很大，也會在被遮擋的電池2上造成熱斑損傷。應(yīng)當(dāng)注意到，從c點到d點的工作區(qū)間，電池2都處于接收功率的狀態(tài)。12/18/20214747防止熱斑現(xiàn)象發(fā)生防止熱斑現(xiàn)象發(fā)生防止熱斑現(xiàn)象的防止熱斑現(xiàn)象的辦法就是加裝旁辦法就是加裝旁路二極管和阻斷路二極管和阻斷二極管。二極管。旁路二極管的作旁路二極管的作用是在被遮擋組用是在被遮擋組件一側(cè)提供電流件一側(cè)提供電流通路；通路；阻斷二極管的作阻斷二極管的作用是阻斷被遮擋用是阻斷被遮擋組件上的反向電組件上的反向電流。流。12/1

15、8/202148功率范圍：功率范圍：30kW1,000kWp 燃?xì)廨啓C(jī)優(yōu)勢：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)運行的常規(guī)發(fā)電而設(shè)計開發(fā)的，整套系統(tǒng)只有一個運動部件，并采用空氣軸承技術(shù)，因此其連續(xù)運行可靠率高達(dá)99.996%，平均每年的停機(jī)檢修時間不超過2小時，其停機(jī)率遠(yuǎn)低于備用電源發(fā)電機(jī)組。p 超長使用壽命：超長使用壽命：微型燃?xì)廨啓C(jī)的使用壽命為20年。p 保養(yǎng)間隔長，維護(hù)成本低保養(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，維護(hù)成本只有往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的5。p 發(fā)電效率高發(fā)電效率高采用回?zé)峒夹g(shù)，發(fā)電效率約為30

16、采用冷熱電聯(lián)產(chǎn)，能源利用效率可以達(dá)到采用冷熱電聯(lián)產(chǎn)，能源利用效率可以達(dá)到70%-%9012/18/202149p 適用多種能源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p 超低噪聲，無振動超低噪聲，無振動系統(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，運行非常平穩(wěn)，無振動，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。p 超低排放超低排放微型燃?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 9ppm12/18/20215012/18/202151微型燃?xì)廨?/p>

17、機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖12/18/20215212/18/202153微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)12/18/202154微型燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)示意圖微型燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 燃料電池的特點燃料電池的特點p 燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率高，不受卡諾效率限制。 p 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SO x、NO x氣體和固體粉塵的排放。 p 可靠性和操作性良好，噪聲低。 p 所用燃料廣泛，占地面積小，建廠具有很大靈活性12/18/202155 一、燃料電池的分類一、燃料電池的分類 1 1、按燃料電池的運行機(jī)理分。、按燃料電池的運行機(jī)理分。 1.1 分為酸性燃料電池和堿性燃料電池 2

18、. 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)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. 3. 按燃料類型分類按燃料類型分類 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 12/18/20215612/18/20215757燃料電池的組成和工作原理 n 燃料電池的基本組成：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

19、質(zhì)有不同的種類。 圖103 燃料電池的基本單元 12/18/20215858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，該燃料電池就會連續(xù)不斷地產(chǎn)生電能。eHH222OHOeH222122OHOH2222212/18/2021592.1 開關(guān)器件開關(guān)器件2.2 分布式電源分布式電源2.3 儲能單元儲能單元2.4 電力電子接口電路電力電子接口

20、電路12/18/202160 種類：種類：1、機(jī)械能、機(jī)械能 抽水儲能，壓縮空氣儲能，飛輪儲能2、化學(xué)能儲能化學(xué)能儲能 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、電磁能電磁能 超級電容，超導(dǎo)儲能12/18/202161抽水儲能是世界上最古老的儲能，電網(wǎng)低谷時，電動機(jī)將水抽到上游水庫，以勢能方式儲存，而當(dāng)電網(wǎng)高峰負(fù)荷時，上游水庫向下游水庫放水帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。12/18/20216212/18/202163 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廢礦井、沉降的海底儲氣罐、山洞、過期油氣井或新建儲氣井中，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放壓縮空氣推動汽輪機(jī)發(fā)電的儲能方式。12/18/20216412/18