隨著國民經濟的高速發展,電能需求量呈現逐年穩步增加的發展態勢,傳統能源難以滿足實際需求。在這一背景下,基于分布式發電方式的微電網應運而生,逐漸取代了火力發電、水力發電等方式,這對發展低碳經濟、優化能源結構體系有著重要的現實意義。

微電網有著并網時易產生較大瞬時電流、電壓與頻率等參數控制難度高、微電源出力波動的特性,如果不加控制,將會對微電網自身性能與所并入大電網性能造成明顯影響,產生安全隱患。基于此,對微電源并網采取控制措施,是確保電網穩定運行的關鍵,本文就此開展研究。

1 新能源電網中的微電源種類及性質

1.1 光伏電池

現階段,在多數光伏(PV)發電系統中,普遍使用到半導體光伏電池,其基于 PV 光生伏特效應,將電池板所吸收太陽能持續轉變為光電流并形成電流通路,于負載電阻兩端部位形成負載電壓,在三極管兩端部位形成偏置電壓,最終形成直流電能。同時,根據系統實際運行情況來看,單塊光伏電池所轉換電能的功率以及電壓相對較低,難以滿足微電網負荷需求,以電壓為例,在使用硅電池以及鍺電池的情況下,平均電壓分別為0.7V 和0.3V。針對這一問題,為提高電壓與功率輸出值,需要在光伏發電系統中安裝多塊光伏電池,保持各塊電池的串聯狀態,以此來形成光伏陣列。

此外,光伏電池輸出電流等參數的穩定性較差,由于受到光照強度、環境溫度等多項因素影響,存在不確定性,會導致光伏電池在并網期間會對微電網與大電網運行狀況造成一定程度的影響,在選擇并網控制方法時,必須高度關注這一問題。

1.2 微型燃氣輪機

在微電網中,相比于其他種類微電源,微型燃氣輪機有著輸出功率穩定、系統自身具備差值調節功能的優勢,不易在并網時對電網性能造成負面影響,這有利于電網實際使用壽命的延長。微型燃氣輪機雖然仍舊以柴油、汽油等不可再生的化石能源作為燃料,發電成本相對較高,但相比于常規的火電機組,其有著運行噪聲小、污染物排放量小的優勢。因而在新能源電網中得到廣泛應用,屬于一種過渡式的微電源。

微型燃氣輪機系統由濾波電路、整流器、負荷以及永磁發電機等部分組成,多數型號微型燃氣輪機的平均輸出功率保持在25kW 上下,在運行期間重復開展活塞運動,以此來帶動汽輪機運行,在回熱室產生熱量,操縱電控設備來實現電能傳輸。與此同時,雖然機組在運行期間的各項參數會產生一定程度的偏差,如額定轉速和實際轉速偏差、預期和實際運轉時間偏差等,但由于微型燃氣輪機控制信號由參數差值組成,可采取有差調節方式,根據參數偏差情況進行糾偏調整,將各項參數的偏差值控制在允許范圍內,這將起到維持機組穩定運行工況、減小并網時造成沖擊影響、降低葉片老化磨損速率等多重作用。

1.3 蓄電池

在微電網中,儲能系統可分為分輪儲能、超級電容器儲能、超導磁儲能以及蓄電池儲能4種。

綜合考量儲能效果、建設成本、大電流放電條件、后期維護保養等因素,以蓄電池儲能系統的應用最為常見。蓄電池儲能有著材料可回收、性能穩定、成本低廉以及易于維護保養等優勢,并且蓄電池可用于充當功率源、電壓源或是電流源等多種用途。相比于其他種類電池,蓄電池在結構和能源轉換層面上與化學電池較為相似,依賴于化學物質在接觸期間產生的一系列反應來完成能源轉換任務,并將所轉換的多余電力能源臨時存儲在化學物質當中,憑借這一特性,使得蓄電池在微電網中起到儲存多余電能、維持電網平穩運行狀態、控制電壓與電流頻率等運行參數的作用,可以有效避免電網波動等故障問題的出現。同時,蓄電池由輔助控制器和直流轉換器兩部分組成,在運行期間,輔助控制器起到調節儲存狀態的作用,在儲電量達到額定值時切換狀態,預防電能儲存過多現象的出現,而直流轉換器則起到轉換電能的作用,將直流電源轉換為交流電源。在使用蓄電池秦為微電源時,需要額外加裝雙向變流器,用于連接蓄電池和電網。

2 新能源電網中的微電源并網控制方法

2.1 最大功率跟蹤控制

在使用光伏電池作為微電源時,主要面臨輸出電流等參數穩定性差的并網控制難題,如果外部環境溫度或是光照強度等條件發生明顯變化,總輸出功率、開路電壓等參數也將隨之改變。光伏電池輸出功率與輸出電壓自身也存在波動特性,盡管外部環境溫度和光照強度始終保持固定不變狀態,光伏電池自身輸出電壓等參數也將隨著時間的推移而持續波動變化,在缺乏人工干預的前提下,無法長時間保持在最大功率點,因而在并網時會對電網造成沖擊,且發電效率存在提升空間。針對這一問題,需要應用到最大功率點跟蹤(MPPT)控制方法,具體方法包括擾動觀察、電導增量、模糊控制、二次差值以及固定電壓5種。

(1)擾動觀察法。提前由工作人員根據光伏電池情況來設定預定周期,系統基于程序運行準則,在各預定周期內自動向光伏電池施加擾動電壓,準確計算擾動電壓施加前后的輸出功率,根據差值來預測下個周期的變化情況,并對擾動電壓進行設定或調整。

(2)電導增量法。提前對光伏電池的 P-V 曲線特性加以分析,在運行期間持續對比瞬時電導值以及電導變化量,根據對比結果針對性地采取糾偏措施,如果光伏電池保持最大輸出功率,則瞬時電導值將保持為0。根據實際控制情況來看,相比于其他控制方法,電導增量法有著跟蹤準確度高、在外部環境條件改變時可以短時間內鎖定最大功率點的優勢,但技術層面的實現難度較大,對硬件設備性能也提出了嚴格要求,實際應用范圍有限。

(3)模糊控制法。應用到全新的模糊邏輯推理算法,在算法模型中導入參考值,依托知識庫,對參考值依次進行模糊化、模糊推理、反模糊化處理,最終按照控制對象輸出計算值,下達控制指令,始終將光伏電池的實時輸出功率保持在最大功率點左右。

(4)二次差值法。以光伏電池 P-V 曲線特性為參照,建立與之高度相似的二次函數,在二次函數中導入實時運行數據來計算最大輸出功率對應的電壓值,下達控制指令來調節電壓,實現最大功率跟蹤控制目的,確保光伏電池運行期間不會出現明顯的振蕩現象,并將功率損失控制在合理范圍內。

(5)固定電壓法。通過仿真計算結果來掌握不同光照強度下最大功率點對應的輸出電壓值,通過保持電壓值固定不變,使光伏電池的實際輸出功率控制在最大功率點附近。

2.2 主從控制

在微電網中,主從控制是選擇1個及以上數量的微電源,將其設定為主控電源,負責在并網運行期間持續監測所接入電網的運行狀況,在其基礎上選擇恰當的調節手段,經由通信系統向電網內接入的剩余微電源下達協調控制指令,調節頻率以及電壓等參數,強調體現不同微電源間的主從關系,以此來起到改善電能質量、始終維持產生消耗功率平衡狀態的控制作用,分別對主控電源和剩余電源采取 V/f、PQ 控制方式。

此外,微電源并網主從控制的流程可分為以下3個階段。

在第一階段,當配電網以及微電網處于斷開連接狀態時,出現微電網孤島運行現象,在微電網內采取主從控制方式,將電網接入的全部微電源調整至適當的功率,維持功率平衡狀態。

在第二階段,如果微電網在孤島運行期間出現承載負荷功率明顯波動情況時,主控電源向全部微電源按順序下達輸出功率調整指令,且主電源以及從屬電源的輸出功率呈現反比調節狀態,在減少主控電源輸出功率時,增加從屬電源功率。

在第三階段,如果微電網可調用無功容量以及有功容量不足,甚至無法滿足實際需求時,則由主控電源根據電網運行狀況,向全部微電源下達無功調節或是有功調節指令,并在電網負荷功率驟然增加時通過調節電壓方式來壓低負荷功率。

2.3 對等控制

相比于主從控制方法,對等控制的區別點在于,對新能源電網中接入的全部微電源采取完全一致的控制措施,保持微電源間的對等狀態,根據電網運行情況來下達功率調節指令,確保在電網運 行 期 間 始 終 維 持 頻 率 以 及 電 壓 參 數 的 穩 定狀態。

在對等控制過程中,由于電網中接入的各個微電源均處于獨立調節狀態,不會出現相互干擾的問題,做到對微電源故障影響范圍的控制,并在電網功率失衡時自動把不平衡功率合理分配至微電源,再采取獨立調節方式,從而在短時間內恢復電網功率平衡狀態。此外,根據新能源電網的實際運行情況來看,對等控制、主從控制方法互有優勢,適用場景有所不同,必須根據實際情況加以選擇。

2.4 協調控制

根據新能源電網的微電源并網控制情況來看,在微電網自孤島狀態切換至并網狀態,或是自并網狀態切換到孤島狀態時,存在切換過程不平滑、饋線潮流調控效果不理想等問題。針對于此,可選擇采取協調控制方法,根據實際情況來采取相應的并網控制方法。

在電網中接入蓄電池以及光伏電池作為微電源時,將蓄電池設定為主控電源,根據電網運行狀態來制定協調控制措施,如在電網并網運行期間,按照 PQ 方式來控制蓄電池,獲取光伏電池輸出功率值并加以濾波處理,運算處理后輸出后濾波、電網承載負荷所消耗功率值二者的差值,在其基礎上下達功率控制指令,避免因光伏電池輸出功率持續波動而影響電網運行狀態,實現光伏電池以及蓄電池的功率互補目的。同時,在電網處于孤島運行狀態時,優先采取 V/f方式來控制蓄電池,持續監測電網交流母線的頻率以及電壓參數,對比實時監測數值和預設額定值,根據參數差值情況,向蓄電池下達充電或是放電的控制指令,這將起到改善電網運行穩定性以及提升響應速率的效果。

2.5 并離網控制

配電網中并入或脫離微電網時,都會對電網造成一定程度的沖擊,對電能質量產生影響。因此,為改善控制效果,實現對微電網運行模式的平滑切換,保持微電網、配電網二者的同步運行狀態,需要應用到并離網控制方法。

首先,并網控制方法以自對準同期并網為主,工作人員或是系統基于程序準則對配電網以及微電網的實時電壓加以檢測,檢測內容包括相角、幅值與頻率等,對檢測結果進行差值處理,直至各項參數均達到同步并網條件后,再執行并網操作,避免并網效果受到兩側電壓相角差、電壓頻率差等因素影響。

其次,離網控制方法由孤島檢測、離網邏輯控制組成。其中,孤島檢測是采取被動檢測、電壓諧波檢測、過/欠電壓檢測等方法手段,對微電網實時運行狀態進行檢測,判斷其是否處于孤島狀態。

3 結語

為切實滿足日益提高的微電網并網控制需求,預防和減少電網故障問題出現,使電網在運行期間取得理想的使用效益,電力企業必須對新能源電網中的微電源并網控制問題予以高度重視。可根據微電網的實際情況,靈活采取最大功率跟蹤控制、主從控制、對等控制、協調控制、并離網控制等方法,從而解決微電源大規模接入問題。