燃料电池并网孤岛检测及微网控制策略

燃料电池并网孤岛检测及微网控制策略

Summary：随着电网规模不断扩大，远距离输送电量不断增加，受端对电力系统的依赖性越来越强，通过调节错综复杂的潮流等控制器来实现需求，将对外界的干扰形成较强的鲁棒性。世界上接连发生的几次大面积停电事故表明，传统电网存在一定的弊端和脆弱性。所以在能源保障和环境保护的双重制约下，寻求高效、环保、灵活的发电方式已迫在眉睫。为此，本文就针对燃料电池并网孤岛检测及微网控制策略展开分析。Keys：燃料电池；并网孤岛检测；微网控制策略导言：微电源是微网的主要电源，通常是小型机组，一般小于100kW，包括光伏电池、燃料电池、风力发电机、微型燃气轮机等。另外，微网还包含各种储能装置，包括蓄电池储能、超导储能和飞轮储能等，实现能量的储存和释放；一般地，微电源是直流电源，由微网内部的电力电子装置负责将直流电转换为交流电，并进行必要的控制；为了保证整个系统的高效、可靠运行，微网还需配备能量管理器、保护协调器等特殊的控制装置。1微网的特点微网是一个综合分布式发电技术、电力电子技术、储能技术为一体的复杂系统，特点如下：①微网是一个综合各DG单元的集成系统，具有所有单一DG具有的优点；②微网通过公共连接点与大电网相连，相对独立，不会对大电网的运行策略等产生影响；③微网可用即插即用和对等的运行方式将单一DG接入或断开，灵活地实现平滑切换；④单一DG单元并网时因其速度慢、惯性小易出现许多问题，多DG并网增加了系统容量，惯性增大，且具有一定的储存能力，可使电压振动减小，闪变减弱，所以改善了电能质量。此外，孤岛检测能力是微网最大的特点，微网既是一个独立的供电系统，可满足特定用户的要求，同时也是一个大电网的负载。2微网孤岛检测原理当电网因停电检修、误操作、故障事故，以及自然因素等原因跳闸时，分布式发电系统未能及时检测出跳闸停电状态而仍向负载供电，此时将形成一个无法自控的由分布式发电系统与本地负载组成的自己供给的孤岛。孤岛的产生，如未及时发现并采取有效措施，将对分布式发电系统、电网以及检修人员等带来危害，具体有以下几点：2.1孤岛的产生会带来频率和电压的剧烈波动，若分布式电源不具备自我调节的功能，孤岛现象将对周围的设备和配电网造成不良影响；2.2当分布式电源与电网重新连接时，由于电源和电网为实现同步运行，产生的冲击电流将会对装置造成损害甚至再次出现跳闸现象；2.3由于用户或工作人员未发现孤岛现象的存在而继续用电或作业，将造成人生伤害。孤岛检测以公共连接点处的电压值和频率值为检测指标，检测电压值和频率值是否查出正常范围。孤岛发生示意图如图1所示，分布式发电系统经过并网开关、逆变器和母线与电网、负载相连。假设开关S3因故障而断开，此时分布式发电系统与本地负载将可能形成一个独立的供给网络，形成孤岛，因此应及时断开开关S2或者开关S1。图1孤岛发生示意图图2孤岛检测原理图孤岛检测原理图如图2所示，其中负载以RLC并联电路为例，PCC为分布式发电系统与电网的连接点。当电网正常运行时，可得如下算式:其中，P、Q分别为分布式发电系统提供的有功功率为、无功功率；△P、△Q分别为电网提供的有功功率、无功功率为；Pload、Qload分别为负载所需的有功功率、无功功率为。假设当正常并网时，逆变器为单位功率因素并网，则有:Q=0,△Q=Qload。负载所需的有功功率Pload和无功功率Qload、可表示为:其中，Upcc、为公共连接点处的电压。当并网运行时，由于电网的钳制作用，Upcc.的幅值和频率保持基本不变。当孤岛运行时，有可能会产生分布式发电系统输出功率和本地负载所需功率不匹配的现象，将发生突变，当PCC点处的频率或者电压超出正常范围时，即可判断孤岛现象。3燃料电池并网孤岛的微网控制策略3.1微网控制结构由于光伏发电系统受区域、环境等因素的影响有较强的间歇性，为了改善光伏发电系统的可靠性，减小因不稳定对大电网造成的影响，需加入可控微电源构成混合微网。相比于其他微电源，燃料电池具有效率高、无污染以及便于控制等优点，因此，研究基于燃料电池和直流源组成的混合微网的运行方式、控制策略具有重要意义。混合微网结构中分布式发电系统通过公共连接点与电网相连。其中，直流电源恒定输出，燃料电池发电系统采用双环控制，维持电池直流侧电压的稳定，网侧通过PQ解祸控制输出所需的有功功率和无功功率，最终满足负载和大电网的要求。当多个微电源处于一个系统时，由于各微电源本身的差异，各微电源之间需协调控制，使合理利用各微电源。混合微网系统由公共连接点处的静态开关来实现并网和孤岛之间的切换，当静态开关闭合时，混合微网为并网状态，微电源在满足本地负载需求的基础上，将多余的输出功率注入大电网；当静态开关断开时，混合微网为脱网状态，即孤岛状态，由各微电源满足本地负载的需求。4.2微网并网要求微网运行模式的平滑切换是微网并网研究中的关键技术之一。运行模式切换过程中，若电压幅值、频率发生突变将生成冲击电流，一旦冲击电流大量流入将对设备造成损坏，因此研究平滑切换具有重要意义，电能质量是微网并网是否对大电网造成影响的重要指标，而电能质量又可以通过以下指标来体现:谐波含量和波形畸变、电压不平衡度、电压偏差、频率偏差等，且同总谐波畸变率应小于5%，统一区段的偶次谐波应小于低奇次谐波值的25%。3.3微电源控制策略当微电源并网时，微网的运行方式不同，对燃料电池发电系统的控制也不同。当微网并网运行时，由大电网支撑电压和频率，此时应采用PQ控制方式来减少微网对大电网的冲击，此时微网通过并网静态开关接入电网，可为本地负荷提供功率；当脱网运行时，并网静态开关断开，微网进入孤岛运行状态，为了维持微网的电压和频率，应采用V/F控制。由于燃料电池发电装置通过逆变器接入电网，所以对微电源并网发电系统的拧制相当于是逆变器的控制。对丁逆变型发电系统，一般有三种控制方式:PQ控制、V/F控制和Droop控制。4结语总之，微网运行方式灵活、可控性强，一经提出，受到了国内外学者的广泛关注。微网是一门涉及多学科的交叉技术，尚有待于解决的关键性问题，包括微电源模型、微网运行与控制策略、电能质量、能量分配、故障检测以及对传统电力系统的影响等问题。所以对微电源的选择、微网运行与控制、孤岛检测以及平滑切换等一些关键性问题的研究，提出可靠实用的