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直流微電網(wǎng)中的電力變換與智能終端關(guān)鍵技術(shù)淺析

一、政策與技術(shù)背景

    近年來(lái),我國國務(wù)院及科技部等部委陸續制定了系列能源發(fā)展戰略,頂層設計了新能源微電網(wǎng)規?;瘧玫陌l(fā)展目標和路線(xiàn)圖。2015年7月,國家能源局發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)新能源微電網(wǎng)示范項目建設的指導意見(jiàn)》;2016年11月,國家能源委員會(huì )會(huì )議提出要集中力量在可再生能源開(kāi)發(fā)利用特別是新能源并網(wǎng)技術(shù)和儲能、微電網(wǎng)技術(shù)上取得突破;2017年7月,能源局印發(fā)《推進(jìn)并網(wǎng)型微電網(wǎng)建設試行辦法》;2018年2月,國家能源局印發(fā)《2018年能源工作指導意見(jiàn)》明確指出扎實(shí)推進(jìn)多能互補集成優(yōu)化、新能源微電網(wǎng)、并網(wǎng)型微電網(wǎng)等示范項目建設,在試點(diǎn)基礎上積極推廣應用。由此可見(jiàn),微電網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為我國能源發(fā)展戰略的重要布局之一。

    直流微電網(wǎng)作為微電網(wǎng)的另一種構網(wǎng)方式,如圖1示例,近年受到更多關(guān)注。直流微電網(wǎng)技術(shù)與直流微源、儲能介質(zhì)、用電負荷具有內在相容性,可實(shí)現直發(fā)、直儲、直用一體化,相較于交流微電網(wǎng)更為結構簡(jiǎn)潔、變換高效,為智能直流配電網(wǎng)的基礎應用研究提供了一種新契機。

    直流微電網(wǎng)作為新興的供電形式,其前瞻性基礎技術(shù)的研究和應用仍處于起步階段。在低壓大電流場(chǎng)合,為了減小儲能單元輸入輸出電流紋波,延長(cháng)其使用壽命,會(huì )結合使用交錯并聯(lián)技術(shù)和同步整流技術(shù);在高壓大功率場(chǎng)合多電平技術(shù)和鏈式變流技術(shù)將會(huì )扮演著(zhù)重要的角色;軟開(kāi)關(guān)技術(shù)作為提高轉換效率的有效手段,尤其是在多數雙向功率變換拓撲中較容易實(shí)現控制型軟開(kāi)關(guān)技術(shù);模塊化和磁集成技術(shù)會(huì )伴隨著(zhù)交錯并聯(lián)技術(shù)和鏈式結構的應用而發(fā)揮重要的作用。因此,直流微電網(wǎng)將作為另外一種組網(wǎng)形式與交流微電網(wǎng)并存,同樣存在類(lèi)似交流微電網(wǎng)中的能量管理、變換器交互、系統穩定性問(wèn)題,需要研究基于直流變換器的分布式改善與抑制方法。

                                       圖1 直流微電網(wǎng)結構示意

二 、直流微電網(wǎng)的電力變換關(guān)鍵技術(shù)

面向直流微電網(wǎng)的電能變換關(guān)鍵技術(shù),主要圍繞三個(gè)方向開(kāi)展,

1)核心基礎部件–高可靠功率變換器;

2)集群致穩控制–多變換器集群穩定性;

3)**運行保障–微電網(wǎng)系統運行控制,從而形成“自下而上”的三層次技術(shù)體系,具體如下:


                                            圖2 微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

1)底層的并網(wǎng)接口變換器基本控制,包括變換器拓撲及其控制、多變電網(wǎng)條件的適應性、長(cháng)壽命與可靠性研究。

主要針對各類(lèi)應用場(chǎng)合下,考慮分布式源或用電負載的特性,聚焦功率變換器的電路拓撲結構及其控制,提高能效、功率密度,豐富多樣性功能;面對電能質(zhì)量多變的接入公共電網(wǎng),研究例如電網(wǎng)電壓波動(dòng)、跌落等條件下的并網(wǎng)魯棒性與應對控制策略;在底層設備級功能研發(fā)逐漸走向成熟的同時(shí),實(shí)現電能變換器的全壽命周期狀態(tài)監測、故障診斷、健康管理等,延長(cháng)運行壽命,提高系統可靠性。

2)交互層的網(wǎng)側支撐、交互影響與應對控制,包括分布式電能質(zhì)量補償、網(wǎng)側支撐、故障穿越、集群諧振抑制與穩定性改善。

考慮微電網(wǎng)中的各類(lèi)分布式并網(wǎng)變換器大多時(shí)間里并未工作在額定容量,因此在原有的分布式發(fā)電功能基礎上,通過(guò)設計分布式電能質(zhì)量補償功能,例如瞬態(tài)有功支撐、電壓波動(dòng)補償等不同控制策略,可實(shí)現對直流微電網(wǎng)的網(wǎng)側支撐。

同時(shí),分布式發(fā)電的規?;瘧煤途W(wǎng)側滲透容易在微電網(wǎng)中引發(fā)電力電子變換器的高頻諧波交互,甚至集群振蕩的系統失穩問(wèn)題。因此,微電網(wǎng)面臨著(zhù)如何識別該類(lèi)問(wèn)題的挑戰。只有探明交互影響的本質(zhì)機理與激勵原因,才能從破壞諧振條件的本質(zhì)出發(fā),即消除激勵源、改變失穩條件等方面提出穩定性改善方案。

3)上層微電網(wǎng)接入與互聯(lián)、系統層面的運行管理,包括微網(wǎng)互聯(lián)接口變換器(潮流控制器、故障隔離控制器等)、基于發(fā)電預測、儲能、負荷控制、網(wǎng)側需求的能量/功率管理。

微電網(wǎng)并網(wǎng)接入與微電網(wǎng)互聯(lián)中需要重點(diǎn)研究的是微電網(wǎng)互聯(lián)接口變換系統。在系統層面的另一個(gè)重要方向是微電網(wǎng)系統的運行管理,其中運行優(yōu)化研究的關(guān)鍵在于基于優(yōu)化模型與算法尋找到微網(wǎng)內可控設備的*優(yōu)運行計劃和與外網(wǎng)的功率交互,實(shí)現分布式能源發(fā)電成本*低、供電可靠性*高等。其研究手段將越來(lái)越多的依賴(lài)實(shí)時(shí)仿真設備,以便快速靈活地開(kāi)展多模態(tài)微電網(wǎng)架構、多目標控制策略、多運行工況的研究,而后將研究成果應用于可編程的“源-網(wǎng)-荷-儲”實(shí)驗平臺或實(shí)際微電網(wǎng)系統進(jìn)行原理性驗證。

三、直流微電網(wǎng)的智能終端關(guān)鍵技術(shù)

    在低壓配電的終端用戶(hù)層面,其為面向泛在電力聯(lián)網(wǎng)的終端供電智能化提供了全新的應用平臺。

    主要在低壓直流漏電檢測保護技術(shù)方面,考慮到直流微電網(wǎng)將與交流微電網(wǎng)并存,對于低壓交直流復雜條件下的漏電保護將成為新的挑戰。在交直流混合電網(wǎng)中,普通的AC型漏電保護裝置無(wú)法對包含大量直流成分的漏電電流做出有效反映。針對剩余電流成分復雜的剩余電流保護器,需要使用B型剩余電流保護器。B型剩余電流保護器不僅能夠對交流剩余電流、脈動(dòng)直流剩余電流進(jìn)行保護,此外,還能對1000Hz及以下的正弦交流剩余電流、交流剩余電流疊加平滑直流剩余電流、脈動(dòng)直流剩余電流疊加平滑剩余電流、兩相或多相整流電路產(chǎn)生的脈動(dòng)直流剩余電流、平滑直流剩余電流確保脫扣,能夠非常好的應用在交直流混合微電網(wǎng)中。


    基于這種實(shí)際應用環(huán)境,目前有兩種測量方案。

             

                                     圖3. 開(kāi)口式小電流

                      

                                       圖4: 100mA小電流測量


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