分布式电源需要安全可靠的控制

北二桥头

随着分布式及备用电源应用的不断增长，控制硬件及软件需要满足更为严格的系统要求。

最近在美国东北部地区出现的大面积停电事故，重新警示我们如何来保证为公众提供不间断的电力供应，对电力供应的保护以及使其更为可靠似乎又成为人们关注的焦点。在通往可靠性的征途中，有一趋势是采用小规模、模块化分布的电源系统。
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, G! D& r6 t" l. ~% O, r+ V; n; i分布式电源（Distributed Power, DP）指靠近用户及其设施的小型发电系统，与此形成鲜明对比的是大型集中式发电厂。DP的典型容量介于1千瓦至10MW（或更大）很宽的范围之间，可以如下几种模式来实现：本地产生、与公共电网并行或者完全并入电网中。分布式电源对于远程用户具有特殊的吸引力。
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因为当前较高的成本以及对各种新技术的采用速度比较缓慢，分布式电源的发展才刚刚开始；但实际上已开发出一些项目，如微型涡轮发电机、燃料电池、风力发电机、电池储存系统、小型发电厂等等，而且DP系统中还包含有后备发电机，它们可在用电高峰时被利用。
　　
! I8 F; _& e' |% |6 U; F而且这种趋势还在不断增长，业内专家估计到2010年将有10~30%的新电力来自分布式发电机。一项来自EPRI（Electric Power Research Institute）的研究表明，到2010年将有25%的新发电设施是分布式的。
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与公共电网同步 　
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控制硬件及软件将在分布式电源实施中扮演重要角色。控制系统必须能适应单机以及严格的电网连接要求，而且必须确保能安全并入或从公共电网上断开。
　　
在与电网并行工作期间、以及分布式资源（DR）与本地负载处于负载匹配的情况下，抗孤岛供应被需要以在电网断电时将DR从电网上断开（电路断路器CB2打开），否则，在区域EPS中会形成一个“孤岛”，这将给维修工人及设备带来安全危险。
　　
施耐德电气公司电力管理运营部高级产品专家Karl Kersey, P.E.指出，在同步DP系统与公共电网时，必须考虑到它们之间的相互转换。他提到了几种常见的电网至发电机的转换方案，这些方案“可为发电厂提供各种能消除故障的控制系统”。

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' V# v6 _- z9 Y0 ~1 r3 `* K“开放式过渡切换”，在电网断电时可用作一种标准的紧急切换模式。“[它]在电网连接断开后，允许有5秒钟的时间从电网切换到发电机电源”，Kersey 说。“开放式过渡同步切换”与之类似，但提供小于150毫秒的时间用来在公共电网及发电机电源之间进行快速切换。例如，工厂中的机械负载可利用这150毫秒的时间来使电机保持同步。
　　
其他切换模式，例如“封闭式过渡同步（CTS）”及“软负载”等，则能提供更有力的控制以更平滑地与公共电网同步。“CTS切换具有150毫秒的断电时间，当重新连回到公共电网上时，电网与发电机之间存在瞬间的并行工作”，Kersey解释说。软负载切换对于分布式发电（DG）而言具有最高级的控制及选项，它能提供25至90秒的并行工作时间，以用于发电机与电网同步，同时也用于负载的上升及下降。它同时还具有高峰调节及负载跟随的灵活性，以及将富余电力卖给供电局的潜力。
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+ b3 m* p( K: N2 P后两种切换方法要求供电局及政府制定相关的规定，其中包括测试及安全特性等，以表明不会给公共电网带来不良影响，Kersey补充说。
　　
安全性及可靠性 　
　
Eaton Electrical 同样强调了分布式电源控制中的可靠性及安全性问题。该公司PeRFormance Power Solutions 部经理 David Loucks注意到DP与电网并行工作的重要性，并指出本地发电机可输出超过本地负载需求的那部分电力，但需提供适当的控制。他解释说，必须用定期进行的大量采样来对电压及电流反馈进行监控，以与电网及发电机两边的情况相匹配，这其中包括功率因素（PF）及无功功率（VAR）监视等。
　　
控制逻辑必须能同时保护公共电网连接以及油机和发电机。根据Loucks的说法，在电网这一侧，电网保护包括欠/过电压、欠/过频率、过电流以及非均衡电流与电压等。除现场没有以外，都应将以上所有保护措施应用到发电机上。
　　
Loucks 还注意到了基本控制系统与 DP控制之间的类似之处，例如在燃气内燃发电机组中，油机/发电机油门的作用就如同一个PI控制器，它在同步模式中用来调节公共电网与发电机的速度（Hz）及相角之间的差别，而发电机速度则成为“过程变量”及所需的预置频率（50 或60 Hz）--亦即设置点。在控制器的同步模式中，油门用来调节输出（实际功率，kW）,而过程变量则为计算出的实际功率。

“无功功率将作为一种 PI 回路来单独管理”，Loucks 继续说，“它是用来调节流往发电机转子直流电流的电压PI控制器的一部分。有两种工作模式：一种是‘恒定功率因素模式’，其中PF为过程变量，且要求将PF预置为设置点；另一种是‘恒定无功功率模式’，设置点则为内部预置VAR幅度”。　　

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油机发电机上的典型通信端口为Modbus、DeviceNet及Lonworks（广泛用于楼宇自动控制）。转换开关及发电机开关装置上一般带有与主PLC网络进行通信的接口，Loucks补充说。　　

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ABB Automation在分布式发电及控制的各个领域都很活跃，它的其中一种产品是Power Electric Building Block （电源电子建造模块，PEBB），由目标瞄准微型涡轮发电机、牵引系统、电源质量及其他应用的模块化电能转换器组成，尤其是基于低电压（LV）绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的PowerPak3变换器，可提供高达2500 kW的输出。PowerPak3集成了用于监控电流、电压及温度的多个传感器，并含有与栅极驱动板相连的控制接口及24伏直流电源，同时还具有额定功率高达15MW的中压（MV）PEBB单元。　　

“更高速的应用要求有更有效的电源电子控制器（如PEC 800）”，ABB集团电源电子部业务拓展经理Tor-Eivind Moen指出。PEC 800具有可编程的高水平软件，包括Mathworks公司提供的Simulink及Matlab等。这些控制器以LV单元（基于IGBT）及MV单元提供，并采用了集成栅极换流晶闸管（IGCT）电源开关器件。

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ABB公司的电能转换及控制技术同时还扩展到能量存储应用领域。Moen引用了该公司所参与的“世界最大的电池能量存储系统（BESS）”的例子，该系统目前正在阿拉斯加费尔班克斯进行在线调试。BESS由多家电力企业组成的Golden Valley Electric Association（GVEA）运作，设计用来稳定费尔班克斯地区的电力网络。ABB提供了其中的电能转换系统、计量、保护、控制装置；以及用于BESS安装的由13760块特殊、密封镍镉电池组成的设备（见图 2）。BESS可提供持续 15分钟 27MW的电力供应，使 GVEA 有足够的时间来启用本地后备发电设备。BESS也能在更短的时间内提供更高功率的电力输出。　　

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ABB公司的 Moen 对由实际应用中的“早期使用问题”及成本因素所冲淡的分布式发电及新能源持有积极的看法。“分布式发电正在忍受销售量小及人们对所有新技术接受缓慢等方面的痛苦”，他说。　　

Ballard电能系统公司制造的分布式电能转换器产品，是基于其自1992年以来在电力车辆电能转换器设计及生产方面的成熟经验。但一些关键控制技术已经被修改，以适应DG的要求。其名为Ecostar的产品系列，由于具有隔离电压感测、信号处理以及基于软件锁相环频率测量的其他特性，而能实现精确的电网电压与频率感测。Ballard公司主管市场营销的副总裁Ross Witschonke解释说。　　

为满足互连标准，在连接点上监视电网电压、电流及功率因素，要优于在逆变器输出终端上监视。“避免在公共耦合点上监视，可简化电网互连”，Witschonke说，“这可由将抗孤岛功能集成到控制中以及满足互连保护要求（欠/过频率、电压解扣设置以及解扣时间等）来实现”　　

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Ballard公司的Ecostar电能转换器（如UL 1741），利用电流模式控制以及在故障条件下为转换器及公共电网所提供的保护，来提供可靠的电网并行工作。PF在连接点上被控制成与公共电网充分接近，以确保稳定的工作。转换器设计及制造结合了汽车方面的技术以提高产品质量。“通过利用电网仿真器来检验保护功能而完成了最后测试”，他说。　　

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用于电网连接的光电（PV）电能转换器引起了Ballard公司的关注，其75千瓦的Ecostar PV电能转换器在市场上已能买到。对于这些控制的进一步目标是带有多个并联单元以及用于大型PV应用的多个逆变换器的UPS系统。“已设计出用于微型涡轮发电机应用的Ecostar电能转换器，并准备进行定制”，Witschonke补充说。　　

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避免成为“孤岛”　　

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对这篇文章的所有回应都强调了对DP电源及电网的安全、可靠互连的需求。图（“对抗孤岛的需求”）显示对于带有与公共电网相连的本地负载的分布式电源（DR）而言，如何会产生不理想的电源“孤岛”。当DR的功率输出等于本地负载时，电网仅提供参考电压及频率（电路断路器CB1及CB2闭合）。在此负载匹配条件下，如果CB2打开，则形成功率平衡，且电压和频率保持不受干扰。但这种情况随DR从电网上隔离而可在“区域电源系统”（EPS）中形成一个“孤岛”，并且不经意地继续向本地负载供电--除非做出断开连接的特殊规定。安装用来检测互连点上欠/过电压及欠/过频率的保护继电器，将不会对脱离电网做出响应。Ballard电源公司说。

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形成孤岛是非常危险的，因为它会给并不了解 DR仍在为本地负载供电的供电局维修人员带来安全危险。如果是由于上游“自动继电器”而造成脱离电网（比如），则孤岛也可能会给DR造成损坏。按照Ballard公司Witschonke的说法，自动继电器在经过几个循环后会自动闭合，但互连电压并非必然会与区域EPS电压同步。

公共电网要求对DP发电采取“抗孤岛”措施，这种安全特性确保在失去电网功率时能将DR从电网上断开。抗孤岛具体要求由一系列标准来规定，如UL 1741、IEEE 1547 及929等（更多标准可在www.controleng.com/issues上查到）。　　

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除进行统一控制外，分布式电源还要求有全部的计量及监控设备、互连部件及软件工具等。总之，需要有适当的控制技术才能与分布式及在线电源的迅速膨胀保持同步。　　

标准 　　

工业标准的可用性将有助于新型发电技术的进步。一项最新的标准是IEEE 1547--“用于分布式发电资源与电力系统进行互连的标准”，其重点是在将燃料电池、光电发电设备、微型涡轮发电机及其他本地发电设备连入国家电网中的技术要求上。由Institute of Electrical and Electronics Engineers, Standards Association （电子与电气工程师协会标准分会）出版的IEEE 1547，给出了性能、运行及测试方面的软硬件技术要求，以及用于DP控制及通信的互连产品及维修方面的安全要求。该标准将进一步扩展到产品质量、互用性、设计、工程、安装及认证等要求上。　　

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由超过350名“来自电力行业各方面”的专家参与了该标准的起草工作，据IEEE 1547工作组主席Richard DeBlaso说，其中包括电气部件/设备及替代电源设备制造商、公用事业及能源服务企业、大学、政府实验室及州和联邦政府机构等。IEEE 1547实际上是在分布式资源（DR）方面的一系列互连标准的第一项标准。　　

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更进一步的标准正在制定之中：　　● IEEE P1547.1- 将为证明/验证互连规范及设备是否符合IEEE 1547的功能及测试要求提供具体测试步骤；　　● IEEE P1547.2- 将为简化IEEE 1547的使用提供技术背景及应用细节，包括各种DR技术及其互连问题；　　●  IEEE P1547.3- 将通过用于与公共电网系统互连的分布式发电机的监控、信息交换及控制的指导方针来帮助提高互操作性。

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其他两个文件也将用于分布式发电及控制技术：Underwriters Laboratories Inc.'s （Underwriters Laboratories公司）（用于独立电源系统中逆变换器、变换器及控制器的标准）（UL 1741），以及IEEE标准929（对光电发电（PV）系统公共电网接口的推荐实行）。　　

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Underwriters Laboratories公司说，UL 1741将产品安全要求与IEEE 1547的电网互连要求合并在一起，以为分布式发电产品的评估和认证提供测试标准。设计（型）测试及生产（型）测试包含在UL 1741中。IEEE 929为确保与公共电网并联的PV系统的兼容运行提供了所需的设备及功能指导方针，并对人员安全、设备保护、电源质量及公共电网运行等因素进行了相应的规定。这份文件同时也讨论了在脱离公共电网时，PV系统在电压及频率控制上所形成的孤岛问题，以及避免分布式资源孤岛化的相应途径。

向分布式电源（DP）发展的趋势，正逐步开始增长，而且大多数专家也认同这一增长；但增长速度未知且受到如下几种发展因素的影响，即：传统发电设施的可用性、各种电力资源成本的变化、政府规定及公众观点等，其中用于DP的控制装置及系统是实现这一增长的关键。　　

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以下是一些替代电力资源的相关背景，它们在提供分布式电源的过程中扮演主要角色。　　

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微型涡轮发电机是由小型燃气涡轮机以及由其直接驱动的高速发电机所组成的小型发电系统，通常还包括有用来提高系统效率的排气同流换热器。系统的电能转换器（控制系统的一部分）将所发电力转换成为有用的电压及频率。一般地讲，微型涡轮发电机的容量介于30至80千瓦之间，而小型涡轮发电机的容量则介于100至350千瓦之间。其工作原理与喷气发动机相同，但微型涡轮发电机可提供范围更广、更为经济的燃料选择，如天然气、柴油、乙醇及沼气等。　　

微型涡轮发电机系统可以多种模式使用：用于连续发电；提高虚弱电网的容量、质量或可靠性；以及用作待机电源等。后一种模式也用来降低高峰电力负荷（峰值调节），从而减少电力成本。微型涡轮发电机与标准油机发电机组相比可减少有害辐射。　　

燃料电池是一种利用燃料与氧化剂（通常为氢或氧）的直接化学反应来产生电能（以及热能）的电化学装置。这种电池的电能输出为直流（dc）电压。根据能量转换过程中所使用电解液的种类，分别有几种不同类型的燃料电池。质子交换膜（PEM）燃料电池是其中一种最简单及最常用的技术，它由4个基本元件组成：正极（或负元件）用于传导氢分子释放出的电子并将氧气分散在催化剂的表面上；阴极（或正元件）用来将氧气分散给催化剂，同时将电子从外电路上传导回催化剂以与氢或氧再结合来形成水；电解液（质子交换膜），一种经过特殊处理的材料，用来只传导正电荷同时屏蔽电子；催化剂，另一种特殊材料，用来在汽车及机动应用中加速氢和氧PEM燃料电池的化学反应。其他类型的燃料电池如固体氧化剂及熔解碳酸盐电池等，则能在更高的温度下工作，并能用来发电。 　　

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风力发电系统采用带有巨大空气动力学桨叶及齿轮传动转子驱动链的可变速度风力涡轮发电机 ，其中齿轮传动系统（变速系统）用来使发电机能高速旋转以有效地将风能转换成电能。目前正在开发一种无需变速箱的直接驱动风力涡轮发电机。风力涡轮发电机的控制包括在适当的风速极限内启动和停止桨叶、桨叶间距控制、紧急制动及其他功能。

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该标准将进一步扩展到产品质量、互用性、设计、工程、安装及认证等要求上。