微电网可靠安全不容忽视 微网暂态稳定性技术与未来值得探究

1、微网机理特性

在传统电网中, 无论是功角稳定、频率稳定还是电压稳定, 同步发电机均在其研究中居于中心位置, 大型传统电网的稳定性问题和同步发电机的动态行为密切相关。然而, 在微网中电能的主要来源是微源。逆变器接口微源的特性导致微网暂态特性与传统电网间存在较大差异。其特性主要有以下几点: ①微电网能够运行于并网、孤岛及停运等多种运行模式下; ②微网的构成形式多样; ③控制策略对逆变器接口微源的电压、频率变化过程影响显著; ④微网的时间尺度更宽; ⑤微网惯性小; ⑥微网功率、电压以及频率调节多样化。

2、微网暂态稳定研究现状

微网暂态稳定主要指微网在正常运行情况下突然受到大扰动后, 能否经过暂态过程达到新的稳定运行状态或者恢复到原来的状态。其中, 大扰动主要指短路故障、甩负荷和断线等, 暂态时间尺度主要是电磁暂态和机电暂态过程。微网暂态稳定性研究主要集中在电网故障时不同类型微源运行特性分析、不同负荷类型时微网暂态过程研究及不同类型故障时微网暂态稳定分析等方面。微网暂态稳定性研究的手段主要包括数字仿真分析法和李雅普诺夫稳定判定法等, 其中应用最为广泛的是数字仿真分析法。

微网中的微源主要包括燃料电池、光伏发电系统、微型燃气轮机、风力发电机、蓄电池、飞轮储能、超级电容等。电网故障时不同类型的微源故障响应特性也不相同, 使得不同特性的微源对微网暂态稳定性的影响也不同。目前一般通过对不同类型微源进行建模及仿真分析, 进而研究微源的故障响应特性及微网暂态过程。现有的研究成果指出, 燃料电池的温度动态、光伏的渗透水平、微型燃气轮机的惯性常数和风力发电机发电的波动及间歇性是微源影响暂态稳定的主要因素。

不同类型的负荷运行特性差异性很大, 其对故障时微网的暂态稳定性的影响规律也不尽相同。该文通常主要针对RLC负荷、有源负荷、电动机负荷以及三相不对称负荷等负荷类型时微网的暂态稳定性问题进行讨论。通过对不同类型的负荷建模及运行特性分析, 可以总结得出不同类型负荷及负荷的投切过程对微网暂态稳定性的影响程度是不同的。其中, 电动机负荷和三相不平衡负荷等对微网暂态稳定性的影响较为复杂。

短路和断线等不同类型故障, 会给微网造成一系列暂态稳定问题。除了考虑来自微网内部的故障, 还需考虑微网所在电网的故障对微网暂态稳定的影响。故障发生时, 微网考虑自身及电网安全因素, 与电网自动断开孤岛运行, 但若微网在电网中的供电比例较高, 一遇故障就孤岛运行, 将可能造成电网的失稳甚至崩溃。不管是出于对微网自身安全运行考虑, 还是对电网的供电可靠性考虑, 微网应该具备一定故障穿越能力。

微网中不同微源、不同特性的负荷以及不同类型故障等都会对微网暂态稳定造成一定的影响, 单独研究某一因素对微网的暂态稳定影响已经取得了一定的研究成果。然而, 对同时计及多个因素的微网暂态稳定性研究还较少。此外, 目前的大多数研究主要利用数字仿真, 未能形成完善、合理的理论分析方法; 所关注的仿真过程也很少涉及到短路后不同微源逆变器的暂态过程。

3、微网暂态稳定控制措施

针对微网的优化控制策略已取得一些突破性的进展。利用无线通信技术获取系统总体有功和无功信息, 通过功率共享控制能有效提高微网暂态稳定性能; 基于虚拟电阻的有源阻尼方法可有效消除微网在甩负荷和增加恒功率负荷时的暂态不稳定现象, 但可能会增加系统能量损耗; 利用虚拟惯性的下垂修正控制可有效改善频率偏移较大时微网的频率响应, 提高微网暂态稳定。

此外, 储能、无功补偿装置等一些外设也可用于提高微网的暂态稳定性。综合考虑储能装置的使用寿命、性价比、效率、充放电速度和环境友好等因素, 飞轮储能具有相对较高的性能, 其可在四分之一周期内对系统注入兆瓦级的能量。静止无功发生器(SVG)可对微网进行无功补偿, 以控制微网电压的波动, 因此, 可在微网重要负荷旁连接SVG。SVG主要用于对线路的电压谐波进行补偿, 以提高电能质量。当微网孤岛运行时, 线路电压会出现大幅暂态跌落, SVG通过注入无功功率维持电压稳定。

随着储能装置的不断发展, 目前已可实现在短时间内注入大功率, 但也容易导致瞬间出现较大电流, 这对系统的安全运行是十分不利的。及时甩负荷能够保持功率平衡, 通过储能装置不断注入功率及逐级加载负荷, 可有效避免大电流的冲击, 从而保证微网暂态性能的稳定。但甩负荷技术可能存在动作时间较长、需要大规模数据监测等问题。