分布式电源需要安全可靠的控制

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，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 Research 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, 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，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，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，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Modbus、DeviceNet及Lonworks（广泛用于楼宇自动控制）。转换开关及发电机开关装置上一般带有与主PLC网络进行通信的接口，Loucks补充说。

ABB Automation在分布式发电及控制的各个领域都很活跃，它的其中一种产品是Power Electric Building Block （电源电子建造模块，PEBB），由目标瞄准微型涡轮发电机、牵引系统、电源质量及其他应用的模块化电能转换器组成，尤其是基于低电压（LV）绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的PowerPak3变换器，可提供高达2500 kW的输出。PowerPak3集成了用于监控电流、电压及温度的多个传感器，并含有与栅极驱动板相连的控制接口及24伏直流电源，同时还具有额定功率高达15MW的中压（MV）PEBB单元。

“更高速的应用要求有更有效的电源电子控制器（如PEC 800）”，ABB集团电源电子部业务拓展经理Tor-Eivind Moen指出。PEC 800具有可编程的高水平软件，包括Mathworks公司提供的Simulink及Matlab等。这些控制器以LV单元（基于IGBT）及MV单元提供，并采用了集成栅极换流晶闸管（IGCT）电源开关器件。

ABB公司的电能转换及控制技术同时还扩展到能量存储应用领域。Moen引用了该公司所参与的“世界最大的电池能量存储系统（BESS）”的例子，该系统目前正在阿拉斯加费尔班克斯进行在线调试。BESS由多家电力企业组成的Golden Valley Electric Association（GVEA）运作，设计用来稳定费尔班克斯地区的电力网络。ABB提供了其中的电能转换系统、计量、保护、控制装置；以及用于BESS安装的由13760块特殊、密封镍镉电池组成的设备（见图 2）。BESS可提供持续 15分钟 27MW的电力供应，使 GVEA 有足够的时间来启用本地后备发电设备。BESS也能在更短的时间内提供更高功率的电力输出。

ABB公司的 Moen 对由实际应用中的“早期使用问题”及成本因素所冲淡的分布式发电及新能源持有积极的看法。“分布式发电正在忍受销售量小及人们对所有新技术接受缓慢等方面的痛苦”，他说。

Ballard电能系统公司制造的分布式电能转换器产品，是基于其自1992年以来在电力车辆电能转换器设计及生产方面的成熟经验。但一些关键控制技术已经被修改，以适应DG的要求。其名为Ecostar的产品系列，由于具有隔离电压感测、信号处理以及基于软件锁相环频率测量的其他特性，而能实现精确的电网电压与频率感测。Ballard公司主管市场营销的副总裁Ross Witschonke解释说。

为满足互连标准，在连接点上监视电网电压、电流及功率因素，要优于在逆变器输出终端上监视。“避免在公共耦合点上监视，可简化电网互连”，Witschonke说，“这可由将抗孤岛功能集成到控制中以及满足互连保护要求（欠/过频率、电压解扣设置以及解扣时间等）来实现”

Ballard公司的Ecostar电能转换器（如UL 1741），利用电流模式控制以及在故障条件下为转换器及公共电网所提供的保护，来提供可靠的电网并行工作。PF在连接点上被控制成与公共电网充分接近，以确保稳定的工作。转换器设计及制造结合了汽车方面的技术以提高产品质量。“通过利用电网仿真器来检验保护功能而完成了最后测试”，他说。

用于电网连接的光电（PV）电能转换器引起了Ballard公司的关注，其75千瓦的Ecostar PV电能转换器在市场上已能买到。对于这些控制的进一步目标是带有多个并联单元以及用
于大型PV应用的多个逆变换器的UPS系统。“已设计出用于微型涡轮发电机应用的Ecostar电能转换器，并准备进行定制”，Witschonke补充说。