交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析與研究

摘 要：微電網(wǎng)通過運(yùn)用各種分布式可再生能源，已成為現(xiàn)代電網(wǎng)重要組成部分。而交直流混合微電網(wǎng)，有效解決分布式電源容量瓶頸以及間歇性接入問題，并具有一定的錯(cuò)峰填谷功能，使其供電可靠性及其電能質(zhì)量進(jìn)一步提高，符合電力發(fā)展需求。

關(guān)鍵詞：交直流混合；微電網(wǎng)；分布式電源；儲能系統(tǒng)

1 概述

隨著電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，與大電網(wǎng)相比，交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加靈活方便，可控性強(qiáng)，并且更加穩(wěn)定和安全，已成為現(xiàn)代大電網(wǎng)的重要組成部分。對于近端或者重要用戶，微電網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)自行完成供電服務(wù)，從而滿足用戶多樣化需求；而對于重要負(fù)荷，交直流混合微電網(wǎng)供電更加可靠和安全，可有效減少大電網(wǎng)供電的不穩(wěn)定性，確保電能質(zhì)量，可有效降低由大電網(wǎng)供電故障引起的經(jīng)濟(jì)損失，從而降低大電網(wǎng)的建設(shè)成本投入，故具有良好經(jīng)濟(jì)和社會效益。同時(shí)，微電網(wǎng)能夠有效地調(diào)節(jié)大電網(wǎng)峰值，并且可以避免增加發(fā)電裝機(jī)容量所引起的高額成本，可以有效改善峰谷差值。

2 交直流混合微電網(wǎng)電源

2.1 燃料電池

燃料電池作為一種常見的分布式電源，其能量轉(zhuǎn)換方式和普通電池相似，結(jié)構(gòu)主要包括電解質(zhì)、電極和聯(lián)接電池正負(fù)極的端部設(shè)備，反應(yīng)過程能量遵循從化學(xué)能到電能的轉(zhuǎn)化。在燃料電池反應(yīng)過程中，內(nèi)部物質(zhì)并不是靜止不動的，正式由于燃料不間斷的流向負(fù)電極，而空氣不斷的流向正電極，從而形成一個(gè)循環(huán)，需要在電極表面添加催化劑，經(jīng)過催化劑的作用，燃料和水將會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在其反應(yīng)過程中主要是氫氣和氧氣在催化劑的作用下從而生成水，由于電子是可以在水中運(yùn)動的，電子的定向移動會形成一定的軌跡，而大量電子的移動便形成封閉電路，從而形成電流。不會對環(huán)境產(chǎn)生污染，推廣應(yīng)用前景廣闊。

2.2 光伏電池

太陽能是地球上最基本、最常見的可再生能源，相對于當(dāng)前的人類社會發(fā)展，太陽可看作是人類永恒的能量來源，其實(shí)質(zhì)就是傳遞到地球上的電磁能能夠被人類儲存和使用。在當(dāng)前，太陽能發(fā)電主要分為并網(wǎng)運(yùn)行和離網(wǎng)運(yùn)行兩種工作方式，其中并網(wǎng)運(yùn)行方式是當(dāng)前主要的研究方向。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏陣列模塊（又稱太陽能電池板）、控制器與逆變器等三部分。

2.3 風(fēng)能電池

與太陽能相似，風(fēng)能也是世界上存儲量最多的能源之一，同時(shí)也是目前世界上開發(fā)利用最為廣泛、發(fā)展最為迅速的可再生能源。通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，其轉(zhuǎn)化過程為風(fēng)力發(fā)電裝置主要是通過風(fēng)機(jī)的葉片直接接收風(fēng)能，隨后并將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成可拖動輪機(jī)葉片轉(zhuǎn)動的動能，從而實(shí)現(xiàn)帶動原動機(jī)進(jìn)而并帶動發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此其整個(gè)過程可看作機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能并輸出的過程。在實(shí)際運(yùn)行過程中，風(fēng)力發(fā)電運(yùn)轉(zhuǎn)需要非常小的風(fēng)速即可。風(fēng)力發(fā)電研究應(yīng)用相對較早，當(dāng)前其技術(shù)比光伏發(fā)電更為系統(tǒng)完善。

2.4 柴油發(fā)電機(jī)電池

燃?xì)廨啓C(jī)主要分為兩種，一種是采用高速單軸設(shè)計(jì)，并將壓縮機(jī)和渦輪連接在相同軸上，因而相當(dāng)于交流發(fā)電機(jī)；另外一種則采用分軸設(shè)計(jì)，通過一個(gè)動力渦輪將變速箱連接到普通的發(fā)電機(jī)上，通常采用感應(yīng)發(fā)電機(jī)。

3 儲能系統(tǒng)

作為交直流混合微電網(wǎng)，其儲能技術(shù)主要包括抽水蓄能、壓縮氣體儲能、旋轉(zhuǎn)飛輪儲能、高溫超導(dǎo)儲能、超級電容儲能以及鉛酸電池儲能等。與其他儲能技術(shù)相比，蓄電池能量密度相對較大，適宜為交直流混合微電網(wǎng)提供短時(shí)供電。一般采用鉛酸蓄電池，其正負(fù)極分別由二氧化鉛和鉛組成，通常在硫酸溶液中電解。其反應(yīng)過程可看作是生成氧氣不斷漂浮并反復(fù)循環(huán)。盡管鉛酸電池存在一些的缺點(diǎn)，譬如環(huán)境的溫度變化影響電解反應(yīng)的效率，同時(shí)鉛酸電池存放需要單獨(dú)比較大的空間，鉛影響環(huán)境，會在一定種程度上引起環(huán)境污染，然而由于其價(jià)格較低，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，生產(chǎn)技術(shù)相對完善，以及后期銷售便捷等其他儲能方式無法比擬的優(yōu)勢，因此具有得到廣泛的應(yīng)用和普及。而鉛酸電池組的結(jié)構(gòu)能夠有效吸收附加電解質(zhì)，并在工作時(shí)生成可以發(fā)生氧化反應(yīng)的氧氣，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)漂浮充電和深度循環(huán)運(yùn)行。

4 交直流混合微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要分為交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)、交直流混合微電網(wǎng)。其中，交直流混合微電網(wǎng)是指同時(shí)含有交流與直流母線，并可以同時(shí)向兩種負(fù)荷輸出電能。因而，交直流混合微網(wǎng)系統(tǒng)有效集成交流和直流微網(wǎng)的優(yōu)勢，應(yīng)用場合更為廣泛，對于現(xiàn)有工程改造和新建項(xiàng)目均可采用，優(yōu)勢更為突出明顯，即使有較多的直流負(fù)荷，以及分布式發(fā)電為主要電源時(shí)均可以考慮應(yīng)用這種方式。交直流混合微網(wǎng)的主要優(yōu)點(diǎn)包括：（1）交直流混合微電網(wǎng)輸出電能形式可采用交流和直流兩種形式，均可以實(shí)現(xiàn)兩種電源分別接入兩種母線，因此AC/DC或DC/AC的轉(zhuǎn)換效率較高，并且更加方便；（2）交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式則更加靈活實(shí)用，應(yīng)用范圍廣闊，可以有效減少用戶的變頻裝置，從而降低設(shè)備的制造成本。因此，交直流混合微電網(wǎng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)更大的經(jīng)濟(jì)效益，減低建設(shè)成本，減少變換環(huán)節(jié)及其裝置，操作更為靈活方便，并降低耗能，提高整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟(jì)型和可靠性。

在交流微電網(wǎng)系統(tǒng)中，分布式電源和儲能裝置均是通過電力電子裝置連接至交直流母線，并通過控制公共聯(lián)結(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤網(wǎng)運(yùn)行模式的切換。而直流微電網(wǎng)的電源、儲能裝置以及負(fù)荷的所有組件均是通過電力電子轉(zhuǎn)換裝置連接，然后直流母線通過逆變裝置再連接到外部大電網(wǎng)。交直流混合微電網(wǎng)通過綜合交流和直流微電網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，而其概念便是指同時(shí)含有交流和直流母線，既可以實(shí)現(xiàn)直接向直流負(fù)荷輸電，又可以實(shí)現(xiàn)直接向交流負(fù)荷輸電的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)分布式電源以及用戶負(fù)荷特點(diǎn)，通過采用交、直流混合的靈活供電運(yùn)行方式可以有效降低投入成本，從而充分利用分布式能源。交直流混合微電網(wǎng)的負(fù)荷主要分為阻性負(fù)荷、感性負(fù)荷、容性負(fù)荷以及混合負(fù)荷等；其中阻性負(fù)荷可直接連接至直流母線上，感性、容性等負(fù)荷需連接至交流母線。

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)闡述了交直流混合微電網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其常用分布式電源，并對系統(tǒng)常用儲能系統(tǒng)進(jìn)行介紹，最后分析交直流混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?？梢姡恢绷骰旌衔㈦娋W(wǎng)通過使用可再能源，符合電力戰(zhàn)略發(fā)展要求，并可以有效解決分布式電源容量的問題，具有廣闊的應(yīng)用前景，進(jìn)一步推動現(xiàn)代電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。

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作者簡介：鄧志輝（1987-），江西崇仁人，畢業(yè)于南昌大學(xué)電力電子與電力傳動專業(yè)，主要研究方向：電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與規(guī)劃。