动态UPS对频率和电压的稳定

1 局部电网的频率和电压稳定局部电网的频率和电压稳定 Piller 中国中国 1 引言引言 可再生能源使用量的增加对电源供应稳定性的影响也越来越大 在大型互联网络 电网 中 很大程度 上可以通过大量的常规能源供应得到补偿 在规模较小的电源供应系统中 其供应主要通过可再生能源 提供或小规模的电厂提供 需要采取稳定措施 使所需的电压质量获得持续性保障 不间断电源 UPS 系统是一种专门设计用来连续地为负载提供高品质电压的系统 由于集成了储能设备 这些系统能够独立于互联网络 形成一个高品质的局部电源供应网络 并为连接 的负载以恒定电压提供不间断电源 因此 UPS 装置也适用于为主要由其他能源供电的电网提供电源并维持电源稳定 实现这一功能所必须 满足的条件以及如何纳入这样一个网络在下文中进行了解释 2 稳定的独立网络的基本要求稳定的独立网络的基本要求 当评估供电网络时 一个关键的标准是将电压的幅值和频率维持在预定的范围内 这两个参数受不同变 量的影响 因此在很大程度上可以被认为是彼此分开的 频率稳定 2 维持一个恒定的频率直接取决于电网内有功功率的平衡 如果输入电网的有功功率大于负载消耗的有功 功率 多余的有功功率就必须流至其他地方以维持功率的平衡 如果没有其他的稳定措施 这种多余的 有功功率将自动导致旋转体加速 例如连接到电网的发电机和电动机 因为在大多数情况下 只有这些 装置能够吸收多余的电力 并将其转换成旋转能量 相反 如果供给的功率少于消耗的功率 不足部分的能量将从旋转体上获取 从而导致频率的降低 因 此在电网中的频率波动可以直接归因于负载方面和电源方面的有功功率的波动 一方面 发电机或变频器等的故障会导致电源的功率波动 另一方面 使用再生能源的情况下 太阳能 发电机受光照变化影响 或在风电场的情况下 风速或风向的发生变化 都会导致电源的功率波动 在 一个大的互联网络中 这些影响通常只会轻微地破坏功率的平衡 因此无需采取快速自动控制措施来保 持频率恒定在规定范围内 这不同于小型的 孤立的网络 即所谓的孤岛网络 这种网络没有连接一个 大的阻尼互联系统 在这种情况下 发电的波动对网络有功功率的平衡有相当大的影响 并会经常导致 大的频率波动 能源 包括其控制系统 通常不能在几秒钟内调整其输出功率以适应新情况 所以需要 采用快速作用的稳定系统来及时恢复功率平衡和频率稳定 在理想情况下 稳定系统应配备储能装置 如图 1 所示 使吸收的能量与交付的能量相等 从而对电源 不足及电源过量作出及时反应 图 1带双向储能装置的稳定系统在独立网络负载波动下的运行模式 这项要求使得传统的电池系统不适合用于这个工作 因为其功率消耗受到高内阻和电池电压上限值的双 重限制 另一方面 只有在为大负载通电或电源系统故障造成功率不足需要补偿时 使用电池才有意义 如果卸载造成电量过多需要补偿时 飞轮为首选设备 3 配合双向变频器 飞轮储能设备可在功率不足以及功率过多的情况下提供稳定 该设备的反应时间低于 20 毫秒 使电源频率在几乎所有的情况下都可以保持在恒定状态下 电压稳定 无功功率和电压之间的相互依赖关系与有功功率和频率之间的依赖关系相类似 如果电源对无功功率的 需求增加 这种额外的功率会导致整个网络阻抗和横向进给阻抗的压降增加 从而导致负载上的电压下 降 相反 对无功功率需求的减少会导致电源电压上升 因为在这种情况下 整个阻抗上没有电压下降 一般来说 无功功率平衡受到干扰比有功功率平衡受到干扰更容易控制 原因是如果不采取对抗措施 有功功率平衡受到干扰会导致频率偏差不断增加 而无功功率平衡受到干扰只会造成静态电压偏差 3 独立网络中稳定系统的要求独立网络中稳定系统的要求 稳定系统的基本要求是 迅速对有功功率波动做出反应并纠正这些波动 使频率保持在一个恒定值 按需提供短期的无功功率 从而将负载电压保持在一个恒定值 由于系统的运作模式 UPS 系统基本上能够满足这些要求 因为 至少在主电源故障时 UPS 系统能够 通过自己创建的独立网络为负载提供高质量的电源 电电网网 UPS 网网络络 负负载载 备备用用柴柴油油发发电电机机 图2正常的UPS应用领域 此处用外部柴油发电机组作为应急发电机以桥接长时间的电源故障 为了适合作为一个稳定的系统 除标准功能外 UPS 系统还应具有以下特性 应能从负载端启动 应为通常 UPS 系统的电源馈电在独立网络中不可用 在这种情况下 UPS 系统 的输入电路可以省略 4 应能够用于双向功率流动 以便在功率不足及功率过多时提供稳定性 储能装置应能够维持在一个平均充电状态 以便在任何时候都能够吸收和发送能量 这需要主动调 控并了解充电状态 储能装置必须进行额定以便为首此发电机启动所需的桥接时间提供足够的能量 在故障后恢复网络 的功率平衡 实现稳定的运行条件 必须能够与其他电源并联运行 例如风力发电场 太阳能发电机 小型水力发电机 燃气涡轮机 柴油发电机等 其额定功率必须在预期功率不足和功率过多的同一范围内 以便有足够的补偿 UPS 系统应该强大到足以承受短期负载完好 同时不断调整功率平衡 甚至接受电压和 或频率偏差 4 实现实现 Piller 公司的 UNIBLOCK UBT 和 UBTD 动态 UPS 系统利用同步发电机从而能够满足上述所有要求 作为储能装置 可以使用电池以及 POWERBRIDGE 一种双向运转的飞轮储能装置 对比图 3 和图 4 举例说明了双向频率稳定对柴油机供电网络的影响 图3在50 负载断开和再连接期间柴油发电机的频率响应 此处没有其他的频率稳定 5 图4在50 负载断开和再连接期间柴油发电机的频率响应 通过Piller公司的UNIBLOCK UBT并配 备POWERBRIDGE飞轮储能装置提供双向频率稳定 为了补偿主要能源供应的故障 系统也可设计成具有柴油发动机的集成系统 例如 参考图 5 这一组 合也可弥补主要能源发电机在电网负载高峰期产生的电源不足 在这种情况下 当动能存储装置即将完 全放电时 柴油机将自动启动 因此电网能得到稳定系统的支持而不会中断 如果需要 柴油机也可以 随时手动启动 Piller 系统的同步交流发电机始终能够提供足够的无功功率 用于电压备用并为电网提供 额外的可用短路电源 Piller 公司的 UNIBLOCK UBT 和 UBTD 适用于所有的标准电压和频率 除了完整的低电压范围包括 380 V 到 600 V 外 也可用于中压 单一模块的输出功率高达 3000kVA 天然气发动机 负载 图5由天然气发动机及Piller公司的UNIBLOCK UBTD供应的独立电网的稳定与备份 如果带自主能源供应的网络需要有一个额外的与电网系统的连接 Piller 公司的 UBT 系统也可以被用作 电源耦合 如图 6 所示 除了防止电网发生故障 该系统使负载网络可从电网吸取能量并将多余的能量 6 导出到电网 如果发生停电 稳定系统将负载网络与电网隔离 并可以根据电源先前是导出还是导入 使用或提供有功功率 直至在已经隔离的网络中对发电进行了相应的调整 电网 风电厂 负载 天然气 柴油发动机 涡轮机等 图6使用拥有自身发电装置的UPS系统作为负载的稳定电源耦合 将 Piller 的 UBT 或 UBTD 稳定系统集成成一个独立网络有两种基本的方法 1 作为一个简单的能源来源 当能量值超过或低于限制值时只占用或提供能量 2 作为频率和电压调节的确定元件 与其他发电机合作提供具有 UPS 质量的网络 这两种方式中的一种 或两者的组合 是电源稳定的最佳解决方案 最终由质量要求和供电网络的复杂 性来确定 5 总结总结 电力供应网络的稳定性日益受到可再生能源扩展使用的影响 UPS 系统中使用的技术和方法也可以被用 来稳定主要受到当地