基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溲芯?/h1>
2015-10-16 21:53:52袁立軍
機(jī)電設(shè)備 2015年6期
袁立軍
（海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室，上海 201913）
基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溲芯?/p>
袁立軍
（海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室，上海 201913）
基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)，是大力發(fā)展新能源，提高供電可靠性，擴(kuò)大供電系統(tǒng)容量的重要途徑。分布式發(fā)電系統(tǒng)的組網(wǎng)方式多種多樣，通?；谀妇€的組網(wǎng)方式有三種：基于直流母線的組網(wǎng)方式，基于交流母線的組網(wǎng)方式，基于直流和交流混合母線的組網(wǎng)方式。本文給出了這三種組網(wǎng)方式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了其特點及適用范圍，最后給出系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則。
可再生能源；分布式發(fā)電；直流母線；交流母線；混合母線
0 引言
基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)（Distributed generating system, DGS）與環(huán)境相兼容，發(fā)電方式靈活，可廣泛應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)供電。分布式發(fā)電系統(tǒng)與集中供電系統(tǒng)結(jié)合將形成一個高效，靈活的電力系統(tǒng)，提高了可再生能源的利用率，可有效改善電力系統(tǒng)的可靠性和電能質(zhì)量。
分布式發(fā)電系統(tǒng)可工作在獨立運行模式，即向本地負(fù)載在供電，也可以運行在并網(wǎng)模式，與外部電網(wǎng)聯(lián)合給負(fù)載供電。
基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫菦Q定系統(tǒng)供電可靠性、控制協(xié)調(diào)性、擴(kuò)容方便性、能源利用率及供電成本的重要因素。美國電力可靠性技術(shù)解決方案聯(lián)合會（Consortium for electric reliabilitytechnology solution, CERTS）提出的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示[1]。該系統(tǒng)是由分布式電源（Distributed Generator,DG）、儲能元件、能量管理器、潮流控制器、負(fù)荷等組建的微網(wǎng)（Microgrid）。
圖1 CERTS提出的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
該系統(tǒng)中分布式源的能量在給負(fù)載供電的同時，經(jīng)過匯流母線送入配電網(wǎng)。敏感負(fù)荷及可調(diào)節(jié)負(fù)荷接入含有分布式源的饋線，以保證其可靠供電，普通負(fù)荷經(jīng)饋線直接與配電網(wǎng)連接。
實際上，DGS組網(wǎng)方式需要根據(jù)當(dāng)?shù)刭Y源條件，考慮負(fù)荷需求，在高效利用資源情況下保證系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性和可靠性。
DGS的組網(wǎng)方式按匯流母線的類型可以分為三類：1）基于直流母線組網(wǎng)；2）基于交流母線組網(wǎng)；3）基于直流及交流混合母線組網(wǎng)。本文將詳細(xì)介紹這三類網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)，分析其特點及適用范圍，最后提出優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則。
1 基于直流母線的組網(wǎng)方式
基于直流母線架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。各分布式發(fā)電單元及儲能單元通過變流器與直流母線相連接，再經(jīng)過逆變器將直流變電換為交流電，通過工頻變壓器與低壓配電網(wǎng)相連接。其中儲能單元與直流母線之間的能流可以雙向進(jìn)行。直流與交流負(fù)載可分別通過終端變流器接于直流母線。
從圖2所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢钥闯龌谥绷髂妇€的組網(wǎng)方式有如下特點[2]：1）系統(tǒng)只需對直流母線電壓進(jìn)行控制；2）單一工頻變壓器隔離，可靠性高，成本低；3）易于在直流母線上擴(kuò)展儲能單元或者發(fā)電單元，實現(xiàn)多種可再生能源互補(bǔ)的應(yīng)用；4）易于實現(xiàn)系統(tǒng)獨立運行，并網(wǎng)運行，及并網(wǎng)/獨立雙模式運行，應(yīng)用范圍廣。
圖2 基于直流母線的組網(wǎng)拓?fù)?/p>
但是由于系統(tǒng)母線側(cè)組建的是直流電網(wǎng)，系統(tǒng)存在以下幾個方面的問題：1）系統(tǒng)中采用公共直流母線連接各個發(fā)電單元和變換單元，需要可靠的直流母線故障保護(hù)措施；2）直流母線較危險，直流部件造價高，直流系統(tǒng)繼電保護(hù)實現(xiàn)起來很復(fù)雜。
直流組網(wǎng)系統(tǒng)以其控制協(xié)調(diào)容易實現(xiàn)，充分發(fā)揮了光伏，風(fēng)電特性而廣泛應(yīng)用于中小容量的基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)中。實際中的直流組網(wǎng)中還有雙回直流母線結(jié)構(gòu)，雙直流電壓等級結(jié)構(gòu)等[3,4]。圖3所示的系統(tǒng)采用雙回直流母線組網(wǎng)，直流母線用混合限流式斷路器進(jìn)行分段，其中，重要負(fù)載接于帶儲能單元的母線。該系統(tǒng)的特點是組網(wǎng)靈活，擴(kuò)容方便，并且雙直流母線均由斷路器分段，提高了系統(tǒng)的供電可靠性。圖4所示的系統(tǒng)采用雙直流電壓等級的母線架構(gòu)，其主要特點是組網(wǎng)靈活，分布式發(fā)電單元，負(fù)載可靈活的接入480V母線或者220V母線。
圖3 雙回直流母線組網(wǎng)拓?fù)?/p>
圖4 雙直流電壓等級母線組網(wǎng)拓?fù)?/p>
實際上，直流組網(wǎng)方式的應(yīng)用不僅經(jīng)局限在中小容量的分布式發(fā)電系統(tǒng)中，在大功率、遠(yuǎn)距離輸電中也得到廣泛應(yīng)用。尤其是海底輸電，向偏遠(yuǎn)地區(qū)供電，輕型HVDC輸電技術(shù)以其成本低、損耗小、傳送功率大、輸出距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用。
2 基于交流母線的組網(wǎng)方式
基于交流母線架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D5所示。各分布式發(fā)電單元及儲能單元經(jīng)過變流器將能量匯聚于交流母線，再經(jīng)過升壓變壓器與配電網(wǎng)連接。負(fù)載可直接接于母線，也可以經(jīng)過終端變換器與母線相連[5]。從圖5所示的拓?fù)淇梢钥闯鼋涣鹘M網(wǎng)有如下幾個特點：1）并網(wǎng)單元分布于各種發(fā)電和儲能單元中，容量相對較小，可靠性高；2）各分布源發(fā)出的電能可方便，高效的變換為交流電能，適宜于大容量的分布式電源并網(wǎng)；3）相較于直流組網(wǎng)系統(tǒng)，交流系統(tǒng)的開關(guān)設(shè)備，繼電保護(hù)等更易于實現(xiàn)。
圖5 基于交流母線的組網(wǎng)拓?fù)?/p>
但是從圖5中也可以看出，各分布式電源與儲能單元均需逆變器與交流母線相連。顯然，逆變器的并聯(lián)協(xié)調(diào)控制決定了整個系統(tǒng)可靠，穩(wěn)定的工作，也決定了交流組網(wǎng)系統(tǒng)存在以下問題：1）各并網(wǎng)單元協(xié)調(diào)控制復(fù)雜；2）系統(tǒng)孤島運行時協(xié)調(diào)控制復(fù)雜。
相較于直流組網(wǎng)中DC/DC的并聯(lián)技術(shù)，交流組網(wǎng)中逆變器的并聯(lián)控制復(fù)雜很多，具體表現(xiàn)在[6]：1）要使逆變器并聯(lián)運行時輸出有功功率相等，則逆變器的輸出電壓頻率和相位就要嚴(yán)格同步。即使頻率相同，微小的相位差也會使并聯(lián)運行的逆變器輸出有功功率嚴(yán)重不平衡；2）各逆變電源輸出電壓頻率和相位嚴(yán)格同步后，若輸出電壓幅值不相同，則輸出電流中會含有無功環(huán)流分量；3）即使并聯(lián)運行的各逆變電源輸出電壓、頻率、相位和幅值完全一致的正弦波，但各自輸出電壓所含諧波分量存在較大差異，此時各并聯(lián)單元之間就會存在諧波環(huán)流。
因此，各逆變單元并聯(lián)運行要求其電壓、幅值、相位、頻率和波形等要素保持嚴(yán)格一致，并且能合理分配負(fù)載電流。顯然嚴(yán)格滿足這些條件使得控制上相當(dāng)復(fù)雜。
交流組網(wǎng)系統(tǒng)盡管協(xié)調(diào)控制復(fù)雜，但相較于直流組網(wǎng)，其開關(guān)設(shè)備，繼電保護(hù)容易實現(xiàn)，對負(fù)載供電特性的適應(yīng)性強(qiáng)，目前仍然得到大規(guī)模應(yīng)用。
圖6給出了一個典型的實際交流組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對交流母線分段，對于接入重要負(fù)載如電梯，重要照明等的母線，通過雙回的形式，經(jīng)升壓變壓器與配電網(wǎng)相連接，對于接入普通負(fù)載如空調(diào)等的母線，直接經(jīng)過升壓變壓器與配電網(wǎng)相連。其它負(fù)載可根據(jù)要求接入相應(yīng)的分段母線段。
圖6 實際交流組網(wǎng)拓?fù)?/p>
3 基于混合母線的組網(wǎng)方式
前面分析過直流組網(wǎng)與交流組網(wǎng)的特點。實際上可以結(jié)合直流組網(wǎng)與交流組網(wǎng)的優(yōu)勢構(gòu)建基于混合母線的組網(wǎng)系統(tǒng)，其拓?fù)淙鐖D7所示。從圖7可以看出，基于混合母線的組網(wǎng)方式有如下特點：1）組網(wǎng)靈活。各分布式源，儲能單元及負(fù)載各根據(jù)自身特性有選擇的接入直流母線或者交流母線；2）擴(kuò)容方便，可靠性高。大容量風(fēng)機(jī)及儲能單元接入交流母線，中小容量的光伏及儲能單元接入直流母線，減輕了并網(wǎng)逆變器單元的容量負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)可靠性；3）系統(tǒng)充分發(fā)揮了風(fēng)光互補(bǔ)的特性，能廣泛適應(yīng)不同了類型的負(fù)荷；4）充分考慮了風(fēng)電，光伏及儲能介質(zhì)的特性，易于系統(tǒng)優(yōu)化控制。
圖7 基于混合母線的組網(wǎng)拓?fù)?/p>
基于混合母線的組網(wǎng)方式結(jié)合了直流組網(wǎng)和交流組網(wǎng)的優(yōu)勢，能廣泛適應(yīng)不同容量，不同負(fù)荷類型的系統(tǒng)。但是從圖 7所示的拓?fù)湟部梢钥闯?，基于混合母線組網(wǎng)方式存在以下幾個難點：1）交流母線側(cè)并聯(lián)逆變器的協(xié)調(diào)控制復(fù)雜；2）系統(tǒng)孤島運行時，需要提供交流電壓，頻率支撐，還需提供直流電壓支撐，導(dǎo)致整個系統(tǒng)控制很復(fù)雜。
圖8給出了一個典型的基于混合母線的組網(wǎng)拓?fù)鋄7]。該系統(tǒng)中，不同區(qū)域的大電網(wǎng)通過高壓直流輸電(HVDC)互聯(lián)，大容量的分布式發(fā)電系統(tǒng)接入交流母線，再通過變流器與電網(wǎng)相連，其中電動汽車(PHEV，Plug-in Hybrid Electric Vehicles)與母線之間的能量可雙向流動。圖中ECC(Energy Control Center)是能量控制中心，包含智能功率表，斷路器等。ECC可以采集電網(wǎng)及變換器的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)各級分布式發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的交互通信。中小容量的分布式發(fā)電單元根據(jù)自身特性及負(fù)荷需求接入相應(yīng)的母線。圖8中中小容量的分布式發(fā)電單元接入直流母線，供給家用負(fù)荷及電子負(fù)載用電，通過逆變器與上一級母線互聯(lián)。
圖8 實際基于混合母線的組網(wǎng)拓?fù)?/p>
4 優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則
前面主要介紹了基于母線架構(gòu)的三種組網(wǎng)方式，主要是從系統(tǒng)供電可靠性，控制復(fù)雜程度，擴(kuò)容方便性等角度分析各種組網(wǎng)方式的特點。實際上基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)的組網(wǎng)方式受到多方面因素的影響，如可再生能源的分布，資源儲量，本地負(fù)荷需求，系統(tǒng)的供電范圍等。本章節(jié)將簡要介紹系統(tǒng)組網(wǎng)方式的優(yōu)化設(shè)計。
對于可再生能源的利用，必須清楚可再生能源的分布，資源儲量，以便選擇合理的發(fā)電類型。例如,某地風(fēng)資源很豐富，太陽光相對較弱，可以優(yōu)先考慮建立大容量風(fēng)電，將各風(fēng)電單元的能量匯聚于交流母線，經(jīng)升壓變壓器接入電網(wǎng)，光伏可以通過直流母線方式供給辦公大樓或者家用電子負(fù)載。
對于分布式發(fā)電系統(tǒng)的組網(wǎng)，最核心的問題是系統(tǒng)供電穩(wěn)定性與可靠性。分布式發(fā)電系統(tǒng)可供在在孤島模式及并網(wǎng)模式。工作在并網(wǎng)模式下，要保證分布式發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的互聯(lián)能夠穩(wěn)定工作；在孤島運行時，要保證系統(tǒng)能夠?qū)ω?fù)載可靠、穩(wěn)定、持續(xù)地供電。
在保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠工作的前提下，還需考慮成本、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行、備用容量等。圖 9給出優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則。
圖9 優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則
5 總結(jié)
本文綜述了基于母線架構(gòu)的三種組網(wǎng)方式，分析了各種方式的特點及應(yīng)用場合，給出了各種典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
分析表明，基于直流母線的組網(wǎng)方式控制簡單，易實現(xiàn)系統(tǒng)獨立運行或并網(wǎng)運行。中、小容量的分布式發(fā)電系統(tǒng)中，直流組網(wǎng)方式是首選方案。但直流系統(tǒng)中也存在開關(guān)設(shè)備造價高，繼電保護(hù)困難等缺點?；诮涣髂妇€的組網(wǎng)方式可靠性高、與電網(wǎng)的兼容性強(qiáng)、繼電保護(hù)簡易，廣泛應(yīng)用于中、大容量的分布式發(fā)電系統(tǒng)。但是交流系統(tǒng)中，逆變器的協(xié)調(diào)控制復(fù)雜，不易實現(xiàn)系統(tǒng)獨立運行與并網(wǎng)運行的無縫切換?；谥绷髋c交流混合母線的組網(wǎng)方式充分結(jié)合了直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)的優(yōu)勢，可以廣泛應(yīng)用于不同容量，不同負(fù)荷需求的分布式發(fā)電系統(tǒng)。但是基于混合母線的組網(wǎng)方式仍然存在交流系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制復(fù)雜的缺點。
文章最后簡要分析了基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計需要考慮的因素。實際中，對于基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)，需要考慮當(dāng)?shù)刭Y源分布及儲量、負(fù)荷需求，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、持續(xù)供電的情況下，還需要考慮系統(tǒng)的成本、效率、備用容量以及未來擴(kuò)充容量的方便性等因素。
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Research on Network Topology of Distributed Power Generation System Based on Renewable Energy
YUAN Li-jun
(Naval Military Representative Office in Jiangnan Shipyard (Group) Co. Ltd., Shanghai 201913, China)
Distributed power generation system based on renewable energy is an important approach to develop the new source of energy, improve the reliability of power supply and enlarge the power supply system’s capacity. There are different grid types of distributed power generation system. Three common grid types are based respectively on direct current bus, alternating current bus and mixed bus of direct current and alternating current. The topology of the mentioned three grid types are given in this paper. Their characteristics and applications are analyzed in detail. Systems’ optimization design criterion is given.
renewable energy; distributed power generation; direct current bus; alternating current bus;mixed bus
TM61
A
10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.020
袁立軍（1972-），男，碩士研究生，高級工程師。
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袁立軍
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DGS的組網(wǎng)方式按匯流母線的類型可以分為三類：1）基于直流母線組網(wǎng)；2）基于交流母線組網(wǎng)；3）基于直流及交流混合母線組網(wǎng)。本文將詳細(xì)介紹這三類網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)，分析其特點及適用范圍，最后提出優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則。
1 基于直流母線的組網(wǎng)方式
基于直流母線架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。各分布式發(fā)電單元及儲能單元通過變流器與直流母線相連接，再經(jīng)過逆變器將直流變電換為交流電，通過工頻變壓器與低壓配電網(wǎng)相連接。其中儲能單元與直流母線之間的能流可以雙向進(jìn)行。直流與交流負(fù)載可分別通過終端變流器接于直流母線。
從圖2所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢钥闯龌谥绷髂妇€的組網(wǎng)方式有如下特點[2]：1）系統(tǒng)只需對直流母線電壓進(jìn)行控制；2）單一工頻變壓器隔離，可靠性高，成本低；3）易于在直流母線上擴(kuò)展儲能單元或者發(fā)電單元，實現(xiàn)多種可再生能源互補(bǔ)的應(yīng)用；4）易于實現(xiàn)系統(tǒng)獨立運行，并網(wǎng)運行，及并網(wǎng)/獨立雙模式運行，應(yīng)用范圍廣。
圖2 基于直流母線的組網(wǎng)拓?fù)?/p>
但是由于系統(tǒng)母線側(cè)組建的是直流電網(wǎng)，系統(tǒng)存在以下幾個方面的問題：1）系統(tǒng)中采用公共直流母線連接各個發(fā)電單元和變換單元，需要可靠的直流母線故障保護(hù)措施；2）直流母線較危險，直流部件造價高，直流系統(tǒng)繼電保護(hù)實現(xiàn)起來很復(fù)雜。
直流組網(wǎng)系統(tǒng)以其控制協(xié)調(diào)容易實現(xiàn)，充分發(fā)揮了光伏，風(fēng)電特性而廣泛應(yīng)用于中小容量的基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)中。實際中的直流組網(wǎng)中還有雙回直流母線結(jié)構(gòu)，雙直流電壓等級結(jié)構(gòu)等[3,4]。圖3所示的系統(tǒng)采用雙回直流母線組網(wǎng)，直流母線用混合限流式斷路器進(jìn)行分段，其中，重要負(fù)載接于帶儲能單元的母線。該系統(tǒng)的特點是組網(wǎng)靈活，擴(kuò)容方便，并且雙直流母線均由斷路器分段，提高了系統(tǒng)的供電可靠性。圖4所示的系統(tǒng)采用雙直流電壓等級的母線架構(gòu)，其主要特點是組網(wǎng)靈活，分布式發(fā)電單元，負(fù)載可靈活的接入480V母線或者220V母線。
圖3 雙回直流母線組網(wǎng)拓?fù)?/p>
圖4 雙直流電壓等級母線組網(wǎng)拓?fù)?/p>
實際上，直流組網(wǎng)方式的應(yīng)用不僅經(jīng)局限在中小容量的分布式發(fā)電系統(tǒng)中，在大功率、遠(yuǎn)距離輸電中也得到廣泛應(yīng)用。尤其是海底輸電，向偏遠(yuǎn)地區(qū)供電，輕型HVDC輸電技術(shù)以其成本低、損耗小、傳送功率大、輸出距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用。
2 基于交流母線的組網(wǎng)方式
基于交流母線架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D5所示。各分布式發(fā)電單元及儲能單元經(jīng)過變流器將能量匯聚于交流母線，再經(jīng)過升壓變壓器與配電網(wǎng)連接。負(fù)載可直接接于母線，也可以經(jīng)過終端變換器與母線相連[5]。從圖5所示的拓?fù)淇梢钥闯鼋涣鹘M網(wǎng)有如下幾個特點：1）并網(wǎng)單元分布于各種發(fā)電和儲能單元中，容量相對較小，可靠性高；2）各分布源發(fā)出的電能可方便，高效的變換為交流電能，適宜于大容量的分布式電源并網(wǎng)；3）相較于直流組網(wǎng)系統(tǒng)，交流系統(tǒng)的開關(guān)設(shè)備，繼電保護(hù)等更易于實現(xiàn)。
圖5 基于交流母線的組網(wǎng)拓?fù)?/p>
但是從圖5中也可以看出，各分布式電源與儲能單元均需逆變器與交流母線相連。顯然，逆變器的并聯(lián)協(xié)調(diào)控制決定了整個系統(tǒng)可靠，穩(wěn)定的工作，也決定了交流組網(wǎng)系統(tǒng)存在以下問題：1）各并網(wǎng)單元協(xié)調(diào)控制復(fù)雜；2）系統(tǒng)孤島運行時協(xié)調(diào)控制復(fù)雜。
相較于直流組網(wǎng)中DC/DC的并聯(lián)技術(shù)，交流組網(wǎng)中逆變器的并聯(lián)控制復(fù)雜很多，具體表現(xiàn)在[6]：1）要使逆變器并聯(lián)運行時輸出有功功率相等，則逆變器的輸出電壓頻率和相位就要嚴(yán)格同步。即使頻率相同，微小的相位差也會使并聯(lián)運行的逆變器輸出有功功率嚴(yán)重不平衡；2）各逆變電源輸出電壓頻率和相位嚴(yán)格同步后，若輸出電壓幅值不相同，則輸出電流中會含有無功環(huán)流分量；3）即使并聯(lián)運行的各逆變電源輸出電壓、頻率、相位和幅值完全一致的正弦波，但各自輸出電壓所含諧波分量存在較大差異，此時各并聯(lián)單元之間就會存在諧波環(huán)流。
因此，各逆變單元并聯(lián)運行要求其電壓、幅值、相位、頻率和波形等要素保持嚴(yán)格一致，并且能合理分配負(fù)載電流。顯然嚴(yán)格滿足這些條件使得控制上相當(dāng)復(fù)雜。
交流組網(wǎng)系統(tǒng)盡管協(xié)調(diào)控制復(fù)雜，但相較于直流組網(wǎng)，其開關(guān)設(shè)備，繼電保護(hù)容易實現(xiàn)，對負(fù)載供電特性的適應(yīng)性強(qiáng)，目前仍然得到大規(guī)模應(yīng)用。
圖6給出了一個典型的實際交流組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對交流母線分段，對于接入重要負(fù)載如電梯，重要照明等的母線，通過雙回的形式，經(jīng)升壓變壓器與配電網(wǎng)相連接，對于接入普通負(fù)載如空調(diào)等的母線，直接經(jīng)過升壓變壓器與配電網(wǎng)相連。其它負(fù)載可根據(jù)要求接入相應(yīng)的分段母線段。
圖6 實際交流組網(wǎng)拓?fù)?/p>
3 基于混合母線的組網(wǎng)方式
前面分析過直流組網(wǎng)與交流組網(wǎng)的特點。實際上可以結(jié)合直流組網(wǎng)與交流組網(wǎng)的優(yōu)勢構(gòu)建基于混合母線的組網(wǎng)系統(tǒng)，其拓?fù)淙鐖D7所示。從圖7可以看出，基于混合母線的組網(wǎng)方式有如下特點：1）組網(wǎng)靈活。各分布式源，儲能單元及負(fù)載各根據(jù)自身特性有選擇的接入直流母線或者交流母線；2）擴(kuò)容方便，可靠性高。大容量風(fēng)機(jī)及儲能單元接入交流母線，中小容量的光伏及儲能單元接入直流母線，減輕了并網(wǎng)逆變器單元的容量負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)可靠性；3）系統(tǒng)充分發(fā)揮了風(fēng)光互補(bǔ)的特性，能廣泛適應(yīng)不同了類型的負(fù)荷；4）充分考慮了風(fēng)電，光伏及儲能介質(zhì)的特性，易于系統(tǒng)優(yōu)化控制。
圖7 基于混合母線的組網(wǎng)拓?fù)?/p>
基于混合母線的組網(wǎng)方式結(jié)合了直流組網(wǎng)和交流組網(wǎng)的優(yōu)勢，能廣泛適應(yīng)不同容量，不同負(fù)荷類型的系統(tǒng)。但是從圖 7所示的拓?fù)湟部梢钥闯?，基于混合母線組網(wǎng)方式存在以下幾個難點：1）交流母線側(cè)并聯(lián)逆變器的協(xié)調(diào)控制復(fù)雜；2）系統(tǒng)孤島運行時，需要提供交流電壓，頻率支撐，還需提供直流電壓支撐，導(dǎo)致整個系統(tǒng)控制很復(fù)雜。
圖8給出了一個典型的基于混合母線的組網(wǎng)拓?fù)鋄7]。該系統(tǒng)中，不同區(qū)域的大電網(wǎng)通過高壓直流輸電(HVDC)互聯(lián)，大容量的分布式發(fā)電系統(tǒng)接入交流母線，再通過變流器與電網(wǎng)相連，其中電動汽車(PHEV，Plug-in Hybrid Electric Vehicles)與母線之間的能量可雙向流動。圖中ECC(Energy Control Center)是能量控制中心，包含智能功率表，斷路器等。ECC可以采集電網(wǎng)及變換器的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)各級分布式發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的交互通信。中小容量的分布式發(fā)電單元根據(jù)自身特性及負(fù)荷需求接入相應(yīng)的母線。圖8中中小容量的分布式發(fā)電單元接入直流母線，供給家用負(fù)荷及電子負(fù)載用電，通過逆變器與上一級母線互聯(lián)。
圖8 實際基于混合母線的組網(wǎng)拓?fù)?/p>
4 優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則
前面主要介紹了基于母線架構(gòu)的三種組網(wǎng)方式，主要是從系統(tǒng)供電可靠性，控制復(fù)雜程度，擴(kuò)容方便性等角度分析各種組網(wǎng)方式的特點。實際上基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)的組網(wǎng)方式受到多方面因素的影響，如可再生能源的分布，資源儲量，本地負(fù)荷需求，系統(tǒng)的供電范圍等。本章節(jié)將簡要介紹系統(tǒng)組網(wǎng)方式的優(yōu)化設(shè)計。
對于可再生能源的利用，必須清楚可再生能源的分布，資源儲量，以便選擇合理的發(fā)電類型。例如,某地風(fēng)資源很豐富，太陽光相對較弱，可以優(yōu)先考慮建立大容量風(fēng)電，將各風(fēng)電單元的能量匯聚于交流母線，經(jīng)升壓變壓器接入電網(wǎng)，光伏可以通過直流母線方式供給辦公大樓或者家用電子負(fù)載。
對于分布式發(fā)電系統(tǒng)的組網(wǎng)，最核心的問題是系統(tǒng)供電穩(wěn)定性與可靠性。分布式發(fā)電系統(tǒng)可供在在孤島模式及并網(wǎng)模式。工作在并網(wǎng)模式下，要保證分布式發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的互聯(lián)能夠穩(wěn)定工作；在孤島運行時，要保證系統(tǒng)能夠?qū)ω?fù)載可靠、穩(wěn)定、持續(xù)地供電。
在保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠工作的前提下，還需考慮成本、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行、備用容量等。圖 9給出優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則。
圖9 優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則
5 總結(jié)
本文綜述了基于母線架構(gòu)的三種組網(wǎng)方式，分析了各種方式的特點及應(yīng)用場合，給出了各種典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
分析表明，基于直流母線的組網(wǎng)方式控制簡單，易實現(xiàn)系統(tǒng)獨立運行或并網(wǎng)運行。中、小容量的分布式發(fā)電系統(tǒng)中，直流組網(wǎng)方式是首選方案。但直流系統(tǒng)中也存在開關(guān)設(shè)備造價高，繼電保護(hù)困難等缺點?；诮涣髂妇€的組網(wǎng)方式可靠性高、與電網(wǎng)的兼容性強(qiáng)、繼電保護(hù)簡易，廣泛應(yīng)用于中、大容量的分布式發(fā)電系統(tǒng)。但是交流系統(tǒng)中，逆變器的協(xié)調(diào)控制復(fù)雜，不易實現(xiàn)系統(tǒng)獨立運行與并網(wǎng)運行的無縫切換?；谥绷髋c交流混合母線的組網(wǎng)方式充分結(jié)合了直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)的優(yōu)勢，可以廣泛應(yīng)用于不同容量，不同負(fù)荷需求的分布式發(fā)電系統(tǒng)。但是基于混合母線的組網(wǎng)方式仍然存在交流系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制復(fù)雜的缺點。
文章最后簡要分析了基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計需要考慮的因素。實際中，對于基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)，需要考慮當(dāng)?shù)刭Y源分布及儲量、負(fù)荷需求，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、持續(xù)供電的情況下，還需要考慮系統(tǒng)的成本、效率、備用容量以及未來擴(kuò)充容量的方便性等因素。
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Research on Network Topology of Distributed Power Generation System Based on Renewable Energy
YUAN Li-jun
(Naval Military Representative Office in Jiangnan Shipyard (Group) Co. Ltd., Shanghai 201913, China)
Distributed power generation system based on renewable energy is an important approach to develop the new source of energy, improve the reliability of power supply and enlarge the power supply system’s capacity. There are different grid types of distributed power generation system. Three common grid types are based respectively on direct current bus, alternating current bus and mixed bus of direct current and alternating current. The topology of the mentioned three grid types are given in this paper. Their characteristics and applications are analyzed in detail. Systems’ optimization design criterion is given.
renewable energy; distributed power generation; direct current bus; alternating current bus;mixed bus
TM61
A
10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.020
袁立軍（1972-），男，碩士研究生，高級工程師。
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