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分布式电源需要安全可靠的控制

Frank J.Bartos, CONTROL ENGINEERING责任编辑2004.02.09阅读 3905

  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。
  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。
  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、小型发电厂等等控制工程网版权所有,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。
  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 Res
earch Institute)的研究表明,到2010年将有25%的新发电设施是分布式的。

  与公共电网同步 
  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控制工程网版权所有, 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”。
“开放式过渡切换”在电…如图1

  “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。
  其他切换模式控制工程网版权所有,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CONTROL ENGINEERING China版权所有,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。
  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控制工程网版权所有,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”。
  油机发电机上的典型通信端口为M



















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