直流微电网在直流配电网中的应用研究

2022-09-10

引言

随着社会经济的快速发展和城市化进程的不断加快, 人们生产生活中对于配电网的需求量也有了更高的要求, 比如对于其使用过程的安全性、可靠性已经环保性等各个方面都有了更加严格的要求。现有的以交流配电网为基础的城市供电系统越来越不适应城市发展的需求。随着电力电子技术和新能源技术的长足发展, 直流配电网相较交流配电网在供电容量、电能质量、供电可靠性等诸多方面具有优势[1]。国内外许多文献已经进行了论证, 此处不再赘述。直流配电网结构下, 分布式电源接入, 用户与电网双向互动等需求能够得到较好的支撑, 而微电网作为配电网和用户分布式电源两者之间的一个纽带就必须取得长久的发展。

按照配电方式可以将微电网分为直流微电网、交流微电网以及两者混合型的微电网。和传统的交流微电网相比较而言, 直流微电网具有相对比较独特的输电线路, 从而便不太容易造成一些大型故障的发生。在具体的使用过程中具有非常明显的优势, 特别是在经济方面、微电网的协调控制方面以及能量的管理方面体现得尤为明显[2]。

以下将对直流配电网中对于直流微电网的具体应用进行了一定的阐述。

0.直流微电网构造

微电网其实就是将储能装置、分布式电源、变流器、负荷以及相关的监控设备充分融合使用的一个小型发配电系统[3]。其具有相对比较独立的运行功能, 不仅可以并网运行, 同时还可以实现孤岛运行模式[4]。

直流微电网的系统组成模式如图1所示。

1. 直流微电网配置

直流微电网通常情况下包括储能装置、分布式电源、变流器、负荷以及一些的监控设备[3]。而分布式电源又包含了微型燃气轮机、柴油发电机、风力发电机、电源以及光伏电池等一些不太容易控制并具有间歇性的电源。

储能装置一般包括飞轮储能、蓄电池储能、超导磁储能、超级电容储能和压力容器储能等。不同储能装置在功率密度、能量密度、使用寿命、响应速度、使用成本等方面各有优缺点, 选用的容量需要根据微电网系统负荷需求以及经济性合理优化配置。

负荷设备可以是直接使用直流电源的变频空调、电动汽车、直流电动机等设备, 也可以是使用交流电源的的设备。

变流器包含DC/AC逆变器、AC/DC整流器、DC/DC调压器等, 通过电流电压变换, 将交流、直流电源和交流、直流负载结合到一起, 保持直流母线电压稳定, 为负载提供合适的电压等级。

监控保护装置分为监控和保护两部分。其中保护装置受到监控装置的监控管理和调节。保护装置一般包含过欠压保护器、过电流保护器、雷击浪涌保护器、漏电流保护器, 执行机构一般为断路器、熔断器、继电器、避雷器等组成。监控装置通过四遥功能监视、控制整个微电网系统的运行, 并且包含微电网与微电网、微电网与配电网的并列、解列控制等功能。

2. 直流微电网的故障类型

在直流微电网系统当中, 分布式电源是其最为主要的供电电源, 其采用了分散式接入方式, 从而也就使得其更加容易对配电网的短路电流和结构造成一定的影响。以往配电网的传送方式主要采用的都是辐射状的单向流动模式, 当然对其的保护措施也就是在此基础之上而进行设计的。但是当分布式电源接入之后会对部分区段的配电网结构带来一定的影响, 从而使其发生了一定的改变。即使发生些许故障也有邻近分布式电源的协助和支持, 这也就实现了配电网节点短路电流的分布。另外, 接入分布式电源的容量、类型以及安装位置等各个方面也都会造成一定的影响。

直流微电网的故障类型基本可分为极地短路和极间短路两种。直流网络部分, 正负两极均为不接地系统, 单极接地不会影响系统的正常运行。其主要故障类型为极间短路故障。

3. 直流微电网的保护分析

微电网在孤岛运行的模式, 主要面对的是孤岛检测和防反送电等安全机制问题。

孤岛运行的微电网中的分布式电源由于接入电压等级低, 而且不存在交流并列过程中的同期问题, 其保护相对简单。微电网不仅强调有效利用分布式能源, 提供高质量的供电服务, 而且强调分布式电源不对接入的配电网带来不利的影响, 从而解决了分布式电源的大规模接入带来的保护问题, 充分发挥分布式电源的各项优势, 同时为用户带来经济效益。

微电网处于由联网运行向非计划转孤岛运行的切换过程中, 伴随电压参考标准的变化和交换功率的陡降, 负载功率将全部由微电网电源承担, 考虑到微电网功率就地平衡的设计原则, 可能会在初期对微电网内设备的正常运行和电能质量产生一定影响, 对分布式电源和储能设备造成一定的冲击, 但功率平衡后, 直流微电网将不会产生重大影响。同时, 由于直流并网的简便性, 也不会造成类似交流并网出现的孤岛效应等负面影响。

直流微电网并网运行, 由于直流配电网容量远远大于微电网, 配电网内故障时, 微电网对其短路电流等影响微乎其微。主要需要考虑是微电网内部故障时, 配电网可以提供较大的短路容量, 是否会超过微电网内部能够承受的范围。因此配电网和微电网之间接口处的保护需要具有明确的方向性, 同时具有足够的灵敏度。

4. 结语

总而言之, 多年来电网建设以交流电为核心, 以交流配电网络为基础, 形成了现有的庞大交流配电网络。直流配电网和直流微电网的发展受其制约, 发展缓慢。近年来, 随着国家能源转型、社会行业发展和电网企业发展, 微电网技术都将面临发展机遇。而直流微电网以其诸多优势, 必将在未来电网中发挥重要的作用。

摘要：国家能源结构的调整, 对新能源和分布式电源的提倡和促进, 微电网技术得到了越来越多的重视。而随着电力电子技术的发展, 直流配电网和直流微电网以其独特的优点, 受到了更多的关注。本文对直流微电网的结构和特点进行了阐述。对直流微电网在直流配电网中的应用进行了研究和探讨, 分析了直流微电网的主要故障类型和直流微电网在并网运行、孤岛运行下的保护特点。

关键词：微电网,直流,配电网,孤岛运行