新能源电网中微电源并网控制方法

随着国民经济的高速发展,电能需求量呈现逐年稳步增加的发展态势,传统能源难以满足实际需求。在这一背景下,基于分布式发电方式的微电网应运而生,逐渐取代了火力发电、水力发电等方式,这对发展低碳经济、优化能源结构体系有着重要的现实意义。

微电网有着并网时易产生较大瞬时电流、电压与频率等参数控制难度高、微电源出力波动的特性,如果不加控制,将会对微电网自身性能与所并入大电网性能造成明显影响,产生安全隐患。基于此,对微电源并网采取控制措施,是确保电网稳定运行的关键,本文就此开展研究。

1 新能源电网中的微电源种类及性质

1.1 光伏电池

现阶段,在多数光伏(PV)发电系统中,普遍使用到半导体光伏电池,其基于 PV 光生伏特效应,将电池板所吸收太阳能持续转变为光电流并形成电流通路,于负载电阻两端部位形成负载电压,在三极管两端部位形成偏置电压,最终形成直流电能。同时,根据系统实际运行情况来看,单块光伏电池所转换电能的功率以及电压相对较低,难以满足微电网负荷需求,以电压为例,在使用硅电池以及锗电池的情况下,平均电压分别为0.7V 和0.3V。针对这一问题,为提高电压与功率输出值,需要在光伏发电系统中安装多块光伏电池,保持各块电池的串联状态,以此来形成光伏阵列。

此外,光伏电池输出电流等参数的稳定性较差,由于受到光照强度、环境温度等多项因素影响,存在不确定性,会导致光伏电池在并网期间会对微电网与大电网运行状况造成一定程度的影响,在选择并网控制方法时,必须高度关注这一问题。

1.2 微型燃气轮机

在微电网中,相比于其他种类微电源,微型燃气轮机有着输出功率稳定、系统自身具备差值调节功能的优势,不易在并网时对电网性能造成负面影响,这有利于电网实际使用寿命的延长。微型燃气轮机虽然仍旧以柴油、汽油等不可再生的化石能源作为燃料,发电成本相对较高,但相比于常规的火电机组,其有着运行噪声小、污染物排放量小的优势。因而在新能源电网中得到广泛应用,属于一种过渡式的微电源。

微型燃气轮机系统由滤波电路、整流器、负荷以及永磁发电机等部分组成,多数型号微型燃气轮机的平均输出功率保持在25kW 上下,在运行期间重复开展活塞运动,以此来带动汽轮机运行,在回热室产生热量,操纵电控设备来实现电能传输。与此同时,虽然机组在运行期间的各项参数会产生一定程度的偏差,如额定转速和实际转速偏差、预期和实际运转时间偏差等,但由于微型燃气轮机控制信号由参数差值组成,可采取有差调节方式,根据参数偏差情况进行纠偏调整,将各项参数的偏差值控制在允许范围内,这将起到维持机组稳定运行工况、减小并网时造成冲击影响、降低叶片老化磨损速率等多重作用。

1.3 蓄电池

在微电网中,储能系统可分为分轮储能、超级电容器储能、超导磁储能以及蓄电池储能4种。

综合考量储能效果、建设成本、大电流放电条件、后期维护保养等因素,以蓄电池储能系统的应用最为常见。蓄电池储能有着材料可回收、性能稳定、成本低廉以及易于维护保养等优势,并且蓄电池可用于充当功率源、电压源或是电流源等多种用途。相比于其他种类电池,蓄电池在结构和能源转换层面上与化学电池较为相似,依赖于化学物质在接触期间产生的一系列反应来完成能源转换任务,并将所转换的多余电力能源临时存储在化学物质当中,凭借这一特性,使得蓄电池在微电网中起到储存多余电能、维持电网平稳运行状态、控制电压与电流频率等运行参数的作用,可以有效避免电网波动等故障问题的出现。同时,蓄电池由辅助控制器和直流转换器两部分组成,在运行期间,辅助控制器起到调节储存状态的作用,在储电量达到额定值时切换状态,预防电能储存过多现象的出现,而直流转换器则起到转换电能的作用,将直流电源转换为交流电源。在使用蓄电池秦为微电源时,需要额外加装双向变流器,用于连接蓄电池和电网。

2 新能源电网中的微电源并网控制方法

2.1 最大功率跟踪控制

在使用光伏电池作为微电源时,主要面临输出电流等参数稳定性差的并网控制难题,如果外部环境温度或是光照强度等条件发生明显变化,总输出功率、开路电压等参数也将随之改变。光伏电池输出功率与输出电压自身也存在波动特性,尽管外部环境温度和光照强度始终保持固定不变状态,光伏电池自身输出电压等参数也将随着时间的推移而持续波动变化,在缺乏人工干预的前提下,无法长时间保持在最大功率点,因而在并网时会对电网造成冲击,且发电效率存在提升空间。针对这一问题,需要应用到最大功率点跟踪(MPPT)控制方法,具体方法包括扰动观察、电导增量、模糊控制、二次差值以及固定电压5种。

(1)扰动观察法。提前由工作人员根据光伏电池情况来设定预定周期,系统基于程序运行准则,在各预定周期内自动向光伏电池施加扰动电压,准确计算扰动电压施加前后的输出功率,根据差值来预测下个周期的变化情况,并对扰动电压进行设定或调整。

(2)电导增量法。提前对光伏电池的 P-V 曲线特性加以分析,在运行期间持续对比瞬时电导值以及电导变化量,根据对比结果针对性地采取纠偏措施,如果光伏电池保持最大输出功率,则瞬时电导值将保持为0。根据实际控制情况来看,相比于其他控制方法,电导增量法有着跟踪准确度高、在外部环境条件改变时可以短时间内锁定最大功率点的优势,但技术层面的实现难度较大,对硬件设备性能也提出了严格要求,实际应用范围有限。

(3)模糊控制法。应用到全新的模糊逻辑推理算法,在算法模型中导入参考值,依托知识库,对参考值依次进行模糊化、模糊推理、反模糊化处理,最终按照控制对象输出计算值,下达控制指令,始终将光伏电池的实时输出功率保持在最大功率点左右。

(4)二次差值法。以光伏电池 P-V 曲线特性为参照,建立与之高度相似的二次函数,在二次函数中导入实时运行数据来计算最大输出功率对应的电压值,下达控制指令来调节电压,实现最大功率跟踪控制目的,确保光伏电池运行期间不会出现明显的振荡现象,并将功率损失控制在合理范围内。

(5)固定电压法。通过仿真计算结果来掌握不同光照强度下最大功率点对应的输出电压值,通过保持电压值固定不变,使光伏电池的实际输出功率控制在最大功率点附近。

2.2 主从控制

在微电网中,主从控制是选择1个及以上数量的微电源,将其设定为主控电源,负责在并网运行期间持续监测所接入电网的运行状况,在其基础上选择恰当的调节手段,经由通信系统向电网内接入的剩余微电源下达协调控制指令,调节频率以及电压等参数,强调体现不同微电源间的主从关系,以此来起到改善电能质量、始终维持产生消耗功率平衡状态的控制作用,分别对主控电源和剩余电源采取 V/f、PQ 控制方式。

此外,微电源并网主从控制的流程可分为以下3个阶段。

在第一阶段,当配电网以及微电网处于断开连接状态时,出现微电网孤岛运行现象,在微电网内采取主从控制方式,将电网接入的全部微电源调整至适当的功率,维持功率平衡状态。

在第二阶段,如果微电网在孤岛运行期间出现承载负荷功率明显波动情况时,主控电源向全部微电源按顺序下达输出功率调整指令,且主电源以及从属电源的输出功率呈现反比调节状态,在减少主控电源输出功率时,增加从属电源功率。

在第三阶段,如果微电网可调用无功容量以及有功容量不足,甚至无法满足实际需求时,则由主控电源根据电网运行状况,向全部微电源下达无功调节或是有功调节指令,并在电网负荷功率骤然增加时通过调节电压方式来压低负荷功率。

2.3 对等控制

相比于主从控制方法,对等控制的区别点在于,对新能源电网中接入的全部微电源采取完全一致的控制措施,保持微电源间的对等状态,根据电网运行情况来下达功率调节指令,确保在电网运 行 期 间 始 终 维 持 频 率 以 及 电 压 参 数 的 稳 定状态。

在对等控制过程中,由于电网中接入的各个微电源均处于独立调节状态,不会出现相互干扰的问题,做到对微电源故障影响范围的控制,并在电网功率失衡时自动把不平衡功率合理分配至微电源,再采取独立调节方式,从而在短时间内恢复电网功率平衡状态。此外,根据新能源电网的实际运行情况来看,对等控制、主从控制方法互有优势,适用场景有所不同,必须根据实际情况加以选择。

2.4 协调控制

根据新能源电网的微电源并网控制情况来看,在微电网自孤岛状态切换至并网状态,或是自并网状态切换到孤岛状态时,存在切换过程不平滑、馈线潮流调控效果不理想等问题。针对于此,可选择采取协调控制方法,根据实际情况来采取相应的并网控制方法。

在电网中接入蓄电池以及光伏电池作为微电源时,将蓄电池设定为主控电源,根据电网运行状态来制定协调控制措施,如在电网并网运行期间,按照 PQ 方式来控制蓄电池,获取光伏电池输出功率值并加以滤波处理,运算处理后输出后滤波、电网承载负荷所消耗功率值二者的差值,在其基础上下达功率控制指令,避免因光伏电池输出功率持续波动而影响电网运行状态,实现光伏电池以及蓄电池的功率互补目的。同时,在电网处于孤岛运行状态时,优先采取 V/f方式来控制蓄电池,持续监测电网交流母线的频率以及电压参数,对比实时监测数值和预设额定值,根据参数差值情况,向蓄电池下达充电或是放电的控制指令,这将起到改善电网运行稳定性以及提升响应速率的效果。

2.5 并离网控制

配电网中并入或脱离微电网时,都会对电网造成一定程度的冲击,对电能质量产生影响。因此,为改善控制效果,实现对微电网运行模式的平滑切换,保持微电网、配电网二者的同步运行状态,需要应用到并离网控制方法。

首先,并网控制方法以自对准同期并网为主,工作人员或是系统基于程序准则对配电网以及微电网的实时电压加以检测,检测内容包括相角、幅值与频率等,对检测结果进行差值处理,直至各项参数均达到同步并网条件后,再执行并网操作,避免并网效果受到两侧电压相角差、电压频率差等因素影响。

其次,离网控制方法由孤岛检测、离网逻辑控制组成。其中,孤岛检测是采取被动检测、电压谐波检测、过/欠电压检测等方法手段,对微电网实时运行状态进行检测,判断其是否处于孤岛状态。

3 结语

为切实满足日益提高的微电网并网控制需求,预防和减少电网故障问题出现,使电网在运行期间取得理想的使用效益,电力企业必须对新能源电网中的微电源并网控制问题予以高度重视。可根据微电网的实际情况,灵活采取最大功率跟踪控制、主从控制、对等控制、协调控制、并离网控制等方法,从而解决微电源大规模接入问题。