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1、微电网运行与控制,2014-2015学年 第一学期,6/28/2023,1,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,6/28/2023,2,6/28/2023,3,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,6/28/2023,4,2.1 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,6/28/2023,5,6/28/2023,6,低压断路器：低压断路器又称自动空气开关或自
2、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
3、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,6/28/2023,7,2.1 开关器件,6/28/2023,8,2.1 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,6/28/2023,9,2.2 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,6/28/2023,1
4、0,风力发电系统,6/28/2023,11,风力发电系统组成框图,2.2 分布式电源,6/28/2023,12,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,6/28/2023,13,2.2 分布式电源,6/28/2023,14,6/28/2023,15,双馈异步风力发电系统(Doubly Fed Inductio
5、n Generator,DFIG),6/28/2023,16,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%,6/28/2023,17,双馈异步风力发电系统,6/28/2023,18,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,6/28/2023,19,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
6、与转子旋转方向相反,6/28/2023,20,双馈异步风力发电系统,双馈异步风力发电系统,6/28/2023,21,6/28/2023,22,双馈异步风力发电系统,风力机输出功率特性,6/28/2023,23,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,6/28/2023,24,VSCF风力发电系统运行区域,6/28/2023,25,DFIG的磁场定向控制策略,永磁同步风力发电系统permanentmagnetsynchronousgenerator,6/28/2023,26,永磁直驱风力发电系统,6/28/2023,27,永磁直驱风力发电控制系统,永磁
7、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,6/28/2023,28,永磁同步风力发电系统,光伏发电系统,6/28/2023,29,2.2 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,6/28/2023,31,光生伏打效应,太阳能电池
8、,6/28/2023,32,光生伏打效应,太阳能电池模型,6/28/2023,33,6/28/2023,34,34,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),6/28/2023,35,35,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
9、，如果太阳电池温度每升高1C，则功率减少0.35%。,6/28/2023,36,36,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。,6/28/2023,37,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,37,6/28/2023,38,集中式,38,通常：光伏阵列串联电压为600-1
10、000V,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,6/28/2023,39,串式,39,容量：1.5kw-50kw,优点：分散安装；缺点：局部阴影，维护困难,6/28/2023,40,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,6/28/2023,41,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,6/28/2023,42,直流母线结构,42,优点：MPPT缺点：成本高，组网复杂级联
11、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,6/28/2023,43,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
12、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。,6/28/2023,44,6/28/2023,45,45,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
13、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。,6/28/2023,46,46,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
14、到d点的工作区间，电池2都处于接收功率的状态。,6/28/2023,47,47,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,6/28/2023,48,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
15、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,6/28/2023,49,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
16、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,6/28/2023,50,6/28/2023,51,微型燃气轮机结构示意图,6/28/2023,52,6/28/2023,53,微型燃气轮机发电机系统,6/28/2023,54,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,6/28/2023,55,2.2 分布式电源,燃料电池,一、燃料
17、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,6/28/2023,56,2.2 分布式电源,6/28/2023,57,57,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
18、种类。,图103 燃料电池的基本单元,6/28/2023,58,58,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。,6/28/2023,59,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,6/28/2023,60,2.3 储能单元,种类：1、机械能 抽水
19、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,6/28/2023,61,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。,6/28/2023,62,6/28/2023,63,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。,6/28/2
20、023,64,6/28/2023,65,飞轮储能,6/28/2023,66,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，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。,6/28/2023,67,电池储能,6/28/2023,68,固态电池,电池（Battery）指盛有电解质溶液和金属电极以产生电流的杯、槽或其他容器或复合容器的部分空间，能将化学能转化成电能的装置。,6/28/2023,69,电池储能,6/28/2023,70,液态电池,需要两个独立的电解槽两个独立环流,种类：锌溴液流电池、钒流电池、铁铬液流电池,超级电容器储能,6/28/2023,71,靠双电层和氧化还原
21、假电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的充电速度快（10-15秒可以达到额定容量的95%以上）用寿命长，深度充放电循环使用次数可达150万次功率密度高，可达300W/KG5000W/KG，相当于电池的510倍,超导储能,6/28/2023,72,利用超导体的电阻为零特性制成的储存电能的装置为了维持超导状态，需要冷却装置（通常为液氮）功率大、质量轻、体积小、损耗小、反应快,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,6/28/2023,73,电力电子接口电路,6/28/2023,74,交流分布式电源,直流分布式电源,6/28/2023,75,风力全功率直驱变流器,双馈风力发电变流器,6/28/2023,76,两级光伏并网逆变器结构,单级光伏并网逆变器结构,6/28/2023,77,储能变流器结构,6/28/2023,78,控制方法,
