交直流微电网理论中储能装置解决病态潮流问题的研究

交直流微电网理论中储能装置解决病态潮流问题的研究

【摘要】分布式电源是风能太阳能一类的清洁能源，但是介入大电网技术上比较困难，电网发生事故时必须退出运行。微电网由分布式能源组成，又能在电网发生事故时孤网运行。但是由于分布式电源受外界影响比较大，所以导致微电网电压不稳定，加入直流潮流对增加微电网的稳定性有很大的作用。

【关键词】交直流微电；储能装置

1、引言

配电网的设计为闭环，但运行为开环。微电网中不稳定微电源随着自然界条件的变化而变化，这些微电源的加入会改变配电网的电压与潮流。有时甚至可能形成病态潮流而不迭代不收敛，以至于使某些继电保护设备无法正常的动作。

若交流微电网的每个微电源进入微电网的相序必须保持一致，否则会造成功率之间的抵消，但每个发出交流电的微电源并入微电网离的相对较远，远方控制操作路径较长，所以远方控制线路越多，ECS和DCS画面越多，经济效益越差，就地控制需要时效性，这是在微电网里互相矛盾的一个问题。

直流微电网由于有存储设备，可以储存功率。若其中一个微电源故障时若直流电路只牵涉功率大小问题，不会对电网造成太大的影响。

2、微电网换流器的设计

一般情况下换流器有三部分组成：一种是DC/DC变换器，一种是DC/AC逆变器，另一种是AC/DC整流器。由于在直流微电网中，如微电网发电示意途中所示，DC/DC变换器的价值不大，而DC/AC逆变器和AC/DC整流器是重要的组成部分。

由于现阶段已进入了PWM的整流器阶段。PWM整流器比原来相控整流器有很多优点，其中之一就是可以双向整流。可处于DC/AC逆变状态和AC/DC整流状态。

风力发电机发出的功率一般为1，只要风力发电机发出电压频率在电网的许可范围之内，风力发电机不承担无功的调节，只发有功。异步双馈风机也只承担电网能够承受的无功。PWM整流器可以调节功率因数，因此用在风力发电机的逆变调节中有特殊的优势。

微电网换流器逆变器设计和整流器设计因直流电容的作用不同而方向不同。换流器中直流电容的主要作用是稳压。且在负载侧需要提供无功补偿的时，及时对电源发出的无功不够的情况，提供一定的无功补偿。使得换流后的电压稳定，所以一般放在负载侧。而桥式换流电路的主回路一般为电压型桥式驱动电路，一

般位于电源侧。

逆变电源和整流电源的设计如下图所示：

微电网的分布式电源一般接到馈线上，每一条馈线是一根单相电路，所以微电网电源逆变器和微电网整流器是都是单相。

在微电网微电网逆变器中三极管V1、V2不是同时导通，V3、V4也不是同时导通。电压波形为正时，V1保持导通，V2保持关断。电压的正负情况跟V1相关，V1导通时，电压波形为正，V2导通时，电压波形为负。当V1导通时，V3、V4不受V1的，可以交替导通。若负载为感性负载时，负载电流比电压滞后。V1导通电压为正，而电流先正后负。负载电流大于零且V4导通时，逆变器输出电压等于电容电压。当V3导通时，VD3给负载续流，电压输出波形为零。当V1和V4导通，负载电流小于零，负载电压依然等于电容电压。在V4导通期间，V3导通，V4截至，同V4导通，V3截至时也可以得到电容电压和两种状态，但V3导通时时间顺序上跟V4导通正好相反。而V2导通，V1关断时，电压波形为负，则跟V1导通，V2关断情况，不仅是电压是V1导通时候的负值，且时间顺序上也正好相反。极少说电压为容性负载，若用等效法计算，则整个微电网都应呈现感性。

3、微电网直流潮流中储能原件的设计

电池的种类有：燃料电池、蓄电池、普通电容器和超级电容器。微电网直流潮流中储能原件可以选择：蓄电池、普通电容器和超级电容器。

普通电容器的所能承载的电荷不如超级电容器的电量充足，不适合作为有功能源的储能原件使用。一般被用作线路的无功补偿，或者小型的用电器的能量供应。

蓄电池中是用化学反应原理使正负电荷分在电池的两端。一般蓄电池中的离子选择比较容易发生可逆反应的离子。在蓄电池中一般使用的离子有：锂离子和镍氢离子。

蓄电池的化学离子一般都有一定的寿命，在化学反应中会不断的消耗活化离子的个数，当活化离子的个数下降到一定程度时，电池组就报废。且现在所使用的锂离子需要一次性用完，锂离子有记忆性，所以用锂离子充当的解离离子的蓄电池非常不适合用在直流微点网中。镍氢离子虽然没有记忆性，但活化分子也会随着使用的次数而不断的减少。

但蓄电池有比超级电容器不具有的优点，超级电容器的电荷完全靠储存在电极板上。电荷量虽然比普通电容器的电荷量要容纳的多，但是没有蓄电池这种非静电的电化学反应。一般都是静电化学反应，所以能量比蓄电池还是有一定的差距。

超级电容器中也有离子的存在，也就是有电介质存在，这种电解质不受温度影响，但是受离子迁移速度和其离子被氧化的电压幅值的，超级电容器的电压不能超过电解液的离子被氧化的电压幅值。

超级电容电极板跟普通电容器有很大的差别，普通电容器的电容极板是由金属层组成，电荷直接在极板上。超级电容器的电极板是像燃料电池一样的碳极板，电荷在碳极板上的多微孔里。

由基础电容器的容量公式：，可以看出，当超级电容器中离子的介电常数一定的情况下，电介质之间的距离和电极板的的面积是决定超级电容器容量大小的关键因素。所以超级电容器的电极板通常情况下都会非常大。

超级电容器的离子迁移的速度决定了超级电容器的电阻率，当离子的迁移速度比较大时，电阻率就会越小。

由于每个超级电容器的电压受离子的氧化电压影响，每个电容的电压不是很大，需要串联起来使用。

基于以上的分析，超级电容器的电路等效图如前所示：

R1、R3是超级电容器由于离子迁徙速度形成的电容器本身的等效电阻，跟温度有一定的关系。R2是串联的电阻防止超级电容器短路的电阻。C1、C2是等效电容的大小。

4、结果

交直流微电网中，超级电容器可以起到缓冲作用，可以很好的控制各种能源的波动，本文的表格可以表明，在能源波动的情况下，电压和相角都维持在允许范围内，解决了微电网不稳定的问题，且各种能源先升压或降压整流用直流微电网接入超级电容器，然后整体逆变，可以省去很多逆变装置。