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微电网运行与控制,2014-2015学年 第一学期,11/12/2019,1,微电网运行与控制,第一章 微电网概述 第二章 微电网组成元件 第三章 微电网基本控制方法 第四章 微电网多代理优化控制方法 第五章 微电网保护,11/12/2019,2,11/12/2019,3,第二章、微电网组成元件,2.1 开关器件 2.2 分布式电源 2.3 储能单元 2.4 电力电子接口电路,11/12/2019,4,2.1 开关器件,1、开关 分成两类：断路器，静态开关 断路器：切除线路或微电源（过流/欠压 保护） 静态开关：PCC节点开关,11/12/2019,5,11/12/2019,6,低压断路器：低压断路器又称自动空气开关或自动空气断路器，简称断路器。它是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载、和短路保护的电器。,2.1 开关器件,PCC : (point of common coupling) 作用： 在故障或扰动时，有能力自动把微电网隔离出来，故障清除后，在自动地重新与主网相连。PCC安装在用户低压母线上。其规划设计非常重要，应确保有能力测量静态开关两侧的电压和频率以及通过开关的电流，通过测量，静态开关可以检测到电能质量问题，以及内部和外部故障。当同步性标准可以接受时，使微电网和主网联接。 通常采用固态继电器（Solid State Relay ，SSR） 固态电子组件组成的新型无触点开关，利用电子组件（如开关三极管、双向可控硅等半导体组件）的开关特性，达到无触点、无火花、而能接通和断开电路的目的,11/12/2019,7,2.1 开关器件,11/12/2019,8,2.1 开关器件,固态开关,第二章、微电网组成元件,2.1 开关器件 2.2 分布式电源 2.3 储能单元 2.4 电力电子接口电路,11/12/2019,9,2.2 分布式电源,定义： 通常是指发电功率在几千瓦至数百兆瓦（也有的建议限制在3050兆瓦以下）的小型模块化、分散式、布置在用户附近的高效、可靠的发电单元。 种类：光伏发电；风力发电；微型燃气轮机；燃料电池；生物质发电；海洋能发电；地热发电；小型柴油发电机；微型水利发电机,11/12/2019,10,风力发电系统,11/12/2019,11,风力发电系统组成框图,2.2 分布式电源,11/12/2019,12,风力发电剖面图,2.2 分布式电源,风力发电,风力发电种类： 根据风轮机分类: (1)水平轴风力发电机组 (2)垂直轴风力发电机组 根据发电机分类: (1)异步型 鼠笼异步发电机(逐步淘汰) 双馈异步发电机 (2)同步型 电励磁同步发电机(逐步淘汰) 永磁同步发电机 根据传动机构分类: (1)齿轮箱升速型（连接低速风轮机和高速发动机） (2) 直驱型,11/12/2019,13,2.2 分布式电源,11/12/2019,14,11/12/2019,15,双馈异步风力发电系统(Doubly Fed Induction Generator,DFIG),11/12/2019,16,双馈异步风力发电系统,双馈异步发电机是一种绕线转子异步发电机 功率等级通常在几百千瓦至几兆瓦之间 定子只能将风力机功率传输给电网，流动是单向的 转子回路中，功率流动是双向的 转子传送的最大功率大约为定子额定功率的30%,11/12/2019,17,双馈异步风力发电系统,11/12/2019,18,双馈异步风力发电系统,运行状态： 亚同步运行：nn1,转差频率2 为正，转子电流产生的旋转 磁场与转子旋转方向同向,11/12/2019,19,同步运行：n=n1, 2 =0，转子绕组的电流为直流电,超同步运行：nn1,转差频率f2为负，转子电流产生的旋转磁场与转子旋转方向相反,11/12/2019,20,双馈异步风力发电系统,双馈异步风力发电系统,11/12/2019,21,11/12/2019,22,双馈异步风力发电系统,风力机输出功率特性,11/12/2019,23,通过调节转差评率来控制双馈异步发电机转速，采用最大功率点跟踪控制算法来获得最大风能,11/12/2019,24,VSCF风力发电 系统运行区域,11/12/2019,25,DFIG的磁场定向控制策略,永磁同步风力发电系统 permanent magnet synchronous generator,11/12/2019,26,永磁直驱风力发电系统,11/12/2019,27,永磁直驱风力发电控制系统,永磁发电机具有最高的运行效率； 永磁发电机的励磁不可调，导致其感应电动势随转速和负载变化。采用可控PWM整流或不控整流后接DC/DC变换，可维持直流母线电压基本恒定，同时可控制发电机电磁转矩以调节风轮转速； 在电网侧采用PWM逆变器输出恒定频率和电压的三相交流电，对电网波动的适应性好； 永磁发电机和全容量全控变流器成本高； 永磁发电机存在定位转矩，给机组起动造成困难,11/12/2019,28,永磁同步风力发电系统,光伏发电系统,11/12/2019,29,2.2 分布式电源,太阳电池,方阵接线箱,直流配电,逆变器,交流配电,数据采集、显示和通信,太阳能电池,11/12/2019,31,光生伏打效应,太阳能电池,11/12/2019,32,光生伏打效应,太阳能电池模型,11/12/2019,33,11/12/2019,34,34,太阳电池的I-V特性及功率曲线,I: 电流 Isc: 短路电流 Im: 最大工作电流 V: 电压 Voc: 开路电压 Vm: 最大工作电压,标准条件： AM=1.5 Q=1000W/m2 T=25C 光强 I 温度 V (-2.5mV/ C),11/12/2019,35,35,太阳电池受温度影响,随着太阳电池温度的增加，开路电压减少，在20-100C范围，大约每升高1C每片电池的电压减少2mV；而光电流随温度的增加略有上升。总的来说，温度升高太阳电池的功率下降，典型功率温度系数为0.35%/C。也就是说，如果太阳电池温度每升高1C，则功率减少0.35%。,11/12/2019,36,36,光强的影响,光强与太阳电池组件的光电流成正比，在光强由100W/m2 - 1000W/m2范围内，光电流始终随光强的增长而线性增长；而光强对光电压的影响很小，在温度固定的条件下，当光强在400W/m2 - 1000W/m2范围内变化，太阳电池组件的开路电压基本保持恒定。,11/12/2019,37,光伏发电系统结构,分成两大类： 1 交流母线汇流组网 1.1 集中式 1.2 串式 1.3 微型逆变式 2 直流汇流组网 2.1级联 2.2并联,37,11/12/2019,38,集中式,38,通常：光伏阵列串联电压为600-1000V,容量：几千瓦到几百千瓦,优点：单位发电成本低，主要大容量光伏电站 缺点：局部阴影，维护困难,11/12/2019,39,串式,39,容量：1.5kw-50kw,优点：分散安装； 缺点：局部阴影，维护困难,11/12/2019,40,微型逆变式,40,光伏阵列与微型逆变器组合,优点：每个光伏阵列都具备MPPT； 易于扩展；易于维护（电力载波通讯）；效率高 缺点：单位发电成本高,11/12/2019,41,SMA公司提出sunny team,41,优点：灵活组网，提高逆变器工作效率（大型光伏电站） 缺点：局部阴影问题,11/12/2019,42,直流母线结构,42,优点：MPPT 缺点：成本高，组网复杂 级联效率高于并联模式 但是可靠性低于并联模式,太阳电池的热斑现象,11/12/2019,43,定义： 在一定条件下，一串联支路中被遮蔽的太阳电池组件，将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能量。被遮蔽的太阳电池组件此时将会发热，这就是热斑效应,“热斑效应”的危害： 有光照的太阳电池组件所产生的部分能量或所有能量，都可能被遮蔽的电池所消耗 热斑效应造成光伏阵列局部温度过高，导致焊点融化，破坏封装材，甚至会使整个方阵失效。,造成热斑效应的原因： 个别坏电池的混入、电极焊片虚焊、电池由裂纹演变为破碎、个别电池特性变坏、电池局部受到阴影遮挡等。； 由于局部阴影的存在，太阳电池组件中某些电池单片的电流、电压发生了变化。其结果使太阳电池组件局部电流与电压之积增大，从而在这些电池组件上产生了局部温升。,11/12/2019,44,11/12/2019,45,45,串联回路太阳电池的热斑现象,d点，此时工作电流为零，组开路电压VGd等于电池1和电池2的开路电压之和； c点，电池1和电池2都有正的功率输出； b点，此时电池1仍然工作在正功率输出，而受遮挡的电池2已经工作在短路状态，没有功率输出，但也还没有成为电池1的负载； a点，此时电池1仍然有正的功率输出，而电池2上的电压已经反向，电池2成为电池1的负载； 应当注意到，并不是仅在电池组处于短路状态才会发生“热斑效应”，从b点到a点的工作区间，电池2都处于接收功率的状态，如旁路型控制器在蓄电池充满时将通过旁路开关将太阳电池短路，此时就很容易形成热斑。,11/12/2019,46,46,并联回路太阳电池的热斑现象,a点，此时电池组的工作电压为零，短路电流Isc等于电池1和电池2的短路电流之和； b点，电池1和电池2都有正的功率输出； c点，此时电池1仍然工作在正功率输出，而受遮挡的电池2已经工作在开路状态，没有功率输出，但也还没有成为电池1的负载； d点，此时电池1仍然有正的功率输出，而电池2上的电流已经反向，电池2成为电池1的负载，此时电池1的功率全部加到了电池2上，如果这种状态持续时间很长或电池1的功率很大，也会在被遮挡的电池2上造成热斑损伤。 应当注意到，从c点到d点的工作区间，电池2都处于接收功率的状态。,11/12/2019,47,47,防止热斑现象发生,防止热斑现象的办法就是加装旁路二极管和阻断二极管。 旁路二极管的作用是在被遮挡组件一侧提供电流通路； 阻断二极管的作用是阻断被遮挡组件上的反向电流。,微型燃气轮机,11/12/2019,48,功率范围：30kW1,000kW 燃气轮机优势： 极高的可靠性，微型燃气轮机是为持续运行的常规发电而设计开发的，整套系统只有一个运动部件，并采用空气轴承技术，因此其连续运行可靠率高达99.996%，平均每年的停机检修时间不超过2小时，其停机率远低于备用电源发电机组。 超长使用寿命： 微型燃气轮机的使用寿命为20年。 保养间隔长，维护成本低 结构简单，采用空气轴承和冷却，不需润滑系统，散热系统，冷却剂等，因此保养周期约为8,000小时，维护成本只有往复式内燃机的5。 发电效率高 采用回热技术，发电效率约为30 采用冷热电联产，能源利用效率可以达到70%-%90,2.2 分布式电源,微型燃气轮机,11/12/2019,49,适用多种能源 气体燃料：天然气，垃圾填埋气，油田伴生气，污水发酵气，煤层气，生物质气等液体燃料：柴油，煤油 超低噪声，无振动 系统结构简单，采用空气轴承技术，旋转速度高达96,000rpm，运行非常平稳，无振动，而且主要产生高频噪音，但很容易被隔音材料吸收，因此噪声水 平很低，距燃机10米处测量为65dB。 超低排放 微型燃气轮机采用富氧燃烧，因此颗粒和烟度排放几乎为零， NOx排放 9ppm,2.2 分布式电源,11/12/2019,50,11/12/2019,51,微型燃气轮机结构示意图,11/12/2019,52,11/12/2019,53,微型燃气轮机发电机系统,11/12/2019,54,微型燃气轮机结构示意图,燃料电池,燃料电池的特点 燃料电池的能量转换效率高，不受卡诺效率限制。 清洁、环保。燃料电池不需要锅炉、汽轮机等大型设备、没有SO x、NO x气体和固体粉尘的排放。 可靠性和操作性良好，噪声低。 所用燃料广泛，占地面积小，建厂具有很大灵活性,11/12/2019,55,2.2 分布式电源,燃料电池,一、燃料电池的分类 1、按燃料电池的运行机理分。 1.1 分为酸性燃料电池和碱性燃料电池 2. 按电解质的种类不同，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质 2.1碱性燃料电池（AFC）、 2.2质子交换膜燃料电池（PEMFC） 2.3磷酸燃料电池（PAFC）、 2.4熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、 2.5固体氧化物燃料电池（SOFC）、 3. 按燃料类型分类 3.1 氢燃料电池 3.2 甲烷燃料电池 3.3 甲醇燃料电池 3.4 乙醇燃料电池,11/12/2019,56,2.2 分布式电源,11/12/2019,57,57,燃料电池的组成和工作原理 燃料电池的基本组成：阳极、阴极、电解质和外电路。燃料电池中的电解质有不同的种类。,图103 燃料电池的基本单元,11/12/2019,58,58,燃料电池的工作原理（以氢氧磷酸型电池为例） （1）氢气在阳极催化剂的作用下，发生下列阳极反应： （2）氢离子穿过电解质到达阴极。电子则通过外电路及负 载也达到阴极。在阴极催化剂的作用下，生成水反应式为： （3）综合起来，氢氧燃料电池中总的电池反应为： 伴随着电池反应，电池向外输出电能。只要保持氢气和氧气的供给，该燃料电池就会连续不断地产生电能。,11/12/2019,59,第二章、微电网组成元件,2.1 开关器件 2.2 分布式电源 2.3 储能单元 2.4 电力电子接口电路,11/12/2019,60,2.3 储能单元,种类： 1、机械能 抽水储能，压缩空气储能，飞轮储能 2、化学能储能 固态电池：铅酸蓄电池、锂电池 、镍镉蓄电池 、钠硫电池 液流电池：锌溴液流电池、钒流电池、铁铬液流电池 3、电磁能 超级电容，超导储能,11/12/2019,61,抽水储能,抽水储能是世界上最古老的储能，电网低谷时，电动机将水抽到上游水库，以势能方式储存，而当电网高峰负荷时，上游水库向下游水库放水带动发电机旋转。,11/12/2019,62,11/12/2019,63,压缩空气储能,指在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封在报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井中，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动汽轮机发电的储能方式。,11/12/2019,64,11/12/2019,65,飞轮储能,11/12/2019,66,飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化成动能储存起来，在需要的