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柔性直流输电技术在微电网并网中的应用及前景林杰

发表时间：2020/6/29 来源：《电力设备》2020年第5期作者：林杰

[导读] 摘要：近来，全球能源的枯竭和自然环境的恶化等问题已为人们所重视，为此新型清洁能源的开发利用越来越被人们重视。

        （国网福建省电力有限公司检修分公司福建福州 350000）
        摘要：近来，全球能源的枯竭和自然环境的恶化等问题已为人们所重视，为此新型清洁能源的开发利用越来越被人们重视。但随着分布式发电渗透率的增加，其本身存在的控制困难、单机接入成本高等问题也越来越突显。此时微电网概念的出现与技术的发展刚好解决了这个问题。因此，对微电网并网的研究意义重大。
        关键词：微电网；柔性直流并网；换流器
        1.引言
        近年来，太阳能、风能、地热能、海洋能等清洁的可再生能源得到人们的青睐，燃料电池、光伏发电机组、风力发电等清洁能源构成的分布式供电模式以其高效低污染的优异性，广受各国重视。然而随着分布式能源系统对大电网渗透率的增加，其本身存在的单机接入成本高、并网负荷限制和控制困难等问题也越来越明显，并且给电网的保护装置带来负面影响。
        为了更好地发挥分布式能源的价值和效益，减少分布式电源并网对大电网系统造成的不利影响，微网(Micro grid)概念应运而生，并且迅速得到了国内外专家学者的广泛关注。
        2.微电网
        微网由负荷、微电源、储能装置及逆变器装置共同构成的系统，是一个能自我控制、保护和管理，可以做到冷、热、电三联产的自治系统。微电网能市县乡并网或孤岛运行。在并网时，微能量在并网处可以实现双向流动，当微网内负荷需求小于微电源发出的功率时，我们能通过接口将富余的能量输送到配电网；与此相反，配网也能为微网负荷输送电能。
        微电网运行的核心是微电网并网，所谓并网运行即将由大机组供电的大电网与微电网并列运行,它们之间存在电气连接,两者的连接处我们用“公共连接点”命名(简称PCC)。
        微电网并网运行对有功功率、无功功率、电压、电能质量接地配置等都有基本要求，传统电网是一个放射状结构的无源网络，潮流是单向流动，微电网的接入改变了配电网单向潮流流向，电网的无功增加也将导致节点电压升高。而当微网突然退出时，无功补偿迅速减少，使电网电压急剧下降，给电网稳定运行带来威胁。
        未来的电网系统是一个公用大电网系统为主、本地微电网系统为辅的综合型系统。若微电网能够在孤岛运行与并网运行之间进行平滑切换，其作用更大。因此，开展微电网并网及并网保护研究是十分必要和非常迫切的。
        3.微电网并网条件
        由于微电网内的微源不仅有同步发电机，还有异步发电机，例如风机，它们的并网原理与传统并网方式相比有较大的不同。微网在并网时首先要判断微电网当前的实际运行情况，并通过正序电压提取、锁相环和低通滤波等环节对比微电网的运行监控所取得的数据来完成并网。无论是采用传统并网方式或是并网逆变器进行并网，必须使微电网与大电网在一定条件下稳定并网运行，这是并网运行的核心。
        微网与大电网实现并网需满足：两侧相序相同、电压相角和幅值相等、频率相等。以上所述均为并网的理想情况，实际中仅需在相应的允许范围内即可。
        4.微电网并网方式研究
        微型电网的并网运行有以下几种方法：通过固态断路器并网、通过电流型变流器并网、通过电压型变流器并网、通过多功能能量控制器并网、通过专用并网装置并网等方法。
        4.1直接并网
        顾名思义，即将安装于微电网与大电网公共连接点处的固态断路器在满足微网并网条件时直接闭合，此方法最经济、简单。此方法具有所需器材少、并网处只需一台固态断路器的特点，他大大减少了滤波器、变压器及无功补偿器等设备的建设资金，且对辅助装置的需求低。但此方法是刚性并网，微电网与大电网间的并联或断开均通过断路器的机械投切，对电网的冲击大，无法对一类重要负荷持续供电，且不能有效控制潮流，这不符合建设微电网的初衷。
        4.2电流源换流器或电压源换流器并网
        该方法是指微电网与大电网并网与断开由电流源换流器(Current Source Converter,CSC)或电压源换流器（Votage Source Converter,VSC）的投切来实现。使用此并网策略的显著优点在于它可实现潮流可控。且将CSC或VSC组成背靠背结构换流站的柔性输电装置，能实现两侧交流电网的柔性连接，这大大减小了微网并网时的冲击。但它的缺点在于其带有的非线性特性电力电子元件将给电力系统造成一定的谐波污染,且修建成本高。
        4.3多功能能量管理器并网
        该并网策略是采用多功能能量管理器来实现微网并网，具体是将微网内的直流微源直接接于换流站直流侧，直接为直流侧电容提供电压支持，省去了微网内直流电源所需的逆变过程。但由于它的控制非常复杂，至今还只是理论，无法进行实际应用。
        4.4专用并网装置并网
        采用专用并网装置的并网策略，是指在并网处装设一个多功能装置，它不仅具有开关功能，还能实现两侧电网的继电保护、DSP、通讯等多种功能，并以此对当前两侧电网的各种参数进行智能地判断，准确实现微电网的地并网或孤岛运行，不过这还只是部分学者提出的一种想法，当前世界上并没有相应的研究与具体的设计思路。
        相比之下，采用电流源换流器或电压源换流器并网的并网方式，实现了两个交流电网的柔性连接，改善了采用固态断路器直接并网所带来的并网冲击问题。虽然在建设费用上有所增加，但它们能实现潮流的有效控制。通过对比得知，使用电压源换流器装置并网（VSC）的优点是明显的。
        5.电压源换流器工作原理
        电力系统中各个节点的瞬时功率是平衡的，在电源出力不变时负荷的变化会引起频率和电压的波动，有功和频率之间存在一定关系，如图5-1所示。

        Figure 5-2 Voltage and reactive power feature curve
        f0为并联后频率，S1系统将输出部分有功增量到S2系统中的负荷，考虑原动机调节存在滞后性，有功不能及时得到足额补充，因而系统S1频率下降，相反，系统S2由于有功的输入频率上升。
        如图5-2所示为电压和无功功率间的特性曲线。系统的无功平衡点便是它们的交点a。由于系统无法及时进行足够的无功补偿，系统的电压将降低，稳定于a’点，随后待系统完成无功补偿，稳定在b点运行。由此可知，电压的改变取决于系统内无功功率的变化。
        综上所述，我们可知电压差的变化由无功功率的传递量决定，频率差则可通过有功功率的传递量控制。
        6.总结及展望
        当前，国际上对微电网与大电网并网的研究，还没出现统一的共识，对此，我们可研究其他更先进优秀的并网结构，例如前文中所提到的多功能能量管理器并网的研究，它本质上是对背靠背VSC系统的改进，将微网内直流微电源直接接入背靠背VSC系统的直流侧，既节约了直流微电源的并网逆变器，同时也提高了微网内能源的利用效率。随着研究的深入，微电网模型的构建必将进一步改进。
        参考文献
        [1]罗建中. 分布式微型电网并网研究[D]. 长沙, 湖南大学, 2009
        [2]胡学浩. 分布式发电技术及其并网问题[J]. 电工技术杂志, 2004, 2(10): 1-5
        [3]刘畅,袁荣湘,刘斌,等. 微电网运行与发展研究[J]. 南方电网技术, 2010, 4（5）：43-47.