分布式电源需要安全可靠的控制
美国东北部最近发生的停电事件再次提醒我们，我们是如何把不间断的电力供应视为理所当然的。保护和提高供电可靠性的需求也同样成为首要问题。在提高可靠性的道路上，一个因素是向小规模、模块化分布式电力系统发展的新趋势。
这篇文章包含一个在线额外
|
美国东北部最近发生的停电事件再次提醒我们，我们是如何把不间断的电力供应视为理所当然的。保护和提高供电可靠性的需求也同样成为首要问题。在提高可靠性的道路上，一个因素是向小规模、模块化分布式电力系统发展的新趋势。
分布式发电(DP)将小型发电系统安置在靠近用户及其设施的地方，与大型中央发电厂形成对比。DP源的典型尺寸范围从1千瓦到10兆瓦(或更多)。DP以几种方式实现:现场发电，与公用事业电网并联，或完全并入电网。分布式电力对偏远地区的用户特别有吸引力。
由于目前分布式电力成本较高，所有新技术采用缓慢，DP趋势才刚刚开始出现。然而，大量的发电项目已经到位，包括微型涡轮机、燃料电池、风力发电机、电池存储系统、小型发电厂等。(欲了解更多关于替代能源的信息，请访问www.globalelove.com。)DP还包括备用发电机，可以在需求高峰期间使用，以支付某些地点的公用事业费用。
而且这一趋势还在增长。行业专家表示，到2010年，10-30%的新增电力将来自分布式发电。电力研究所(EPRI)的一项研究表明，到那时，25%的新一代设施将被分配。
与网格同步
控制硬件和软件在实现分布式电源中起着核心作用。控制必须适应独立和严格的并网要求，以及确保安全切换到和从电网。
| 在并网运行过程中，分布式资源(DR)在电网丢失(断路器CB2断开)和分布式资源(DR)与本地负载匹配的情况下，需要提供防孤岛保护。否则，会在EPS区形成一个“孤岛”，对维修工人和设备造成危险。 |
施耐德电气电力管理运营高级产品专家Karl Kersey指出，在将DP系统与公用事业电网同步时，需要考虑过渡问题。他提到了几种常见的公用事业到发电机的传输方案，这些方案“为设施提供了各种控制方案”，旨在消除故障。
开放过渡转移在失去公用设施时作为标准的紧急操作。克尔西说:“(它)允许五秒钟的停电时间，在此期间，公用事业连接中断，然后再过渡到发电机供电。”开放转换同步转移类似，但提供&150毫秒的停机时间，以便在公用事业和发电机电力之间更快地转移。例如，机械负载可以通过150毫秒的停机，使工厂中的电机保持同步。
其他转移方式:closed-transition同步(CTS)和软加载-提供越来越强大的控制功能，以实现与电网的平滑同步。Kersey解释说，CTS传输有150毫秒的中断，当连接回公用事业电源时，公用事业和发电机瞬间并联运行。软负载传输具有分布式发电(DG)最先进的控制和选项。它提供25-90秒的并联电力，用于同步发电机到公用事业和负载的上下倾斜。它还允许灵活的调峰，负荷跟踪，并有可能出售多余的发电给公用事业公司。
Kersey补充说，后两种方法需要公用事业/政府的监管，包括测试和安全功能，以证明没有有害影响被发送到电网。
安全、可靠性
伊顿电气同样强调分布式电源控制的可靠性和安全性。伊顿高性能电力解决方案部门的解决方案经理David Loucks指出了并网运行对DP的重要性，即本地发电机可以向电网输出超过现场负荷需求的电力。但是，需要提供适当的控制。他解释说，电压和电流反馈必须通过每个周期采集的大量样本来监测，以匹配公用事业和发电机方面的事件。这包括功率因数(PF)和无功功率(VAR)监测。
控制逻辑必须保护公用事业连接和发动机/发电机。根据Loucks的说法，在公用事业方面，保护包括欠压/过压，欠频/过频，过流，不平衡电流和电压等。除失磁保护外，上述所有保护都适用于发电机。
洛克斯看到了基本控制系统和DP控制之间的相似之处。例如，在燃气内燃发电装置中，发动机/发电机的节流阀就像PI控制器一样。在同步模式下，调节公用事业与发电机之间的转速(Hz)和相位角差，而发电机的转速变为流程变量和所需的预设频率(50或60hz)定位点．在控制器的同步模式下，油门调节输出(实际功率，kW)，过程变量为计算得到的实际功率(Vrms x Irms x =3 x cosU)。
“无功功率作为PI回路单独管理，”洛克斯继续说道。它是电压PI控制器的一部分，用于调节进入发电机转子的直流电。有两种工作模式:恒功率因数模式式中PF =(实际输出功率/Vrms x Irms x =3) = cosU为过程变量，期望预置PF为设定值。恒无功模式以Vrms x Irms x =3 x (1-PF)为过程变量，内部预置VAR值为设定值。
在发动机发电机上发现的典型通信端口包括Modbus、DeviceNet和Lonworks(广泛用于楼宇自动化)。转换开关和发电机开关设备通常具有与主要PLC网络的接口，Loucks补充说。
ABB自动化活跃于分布式发电和控制的各个领域。其中一个产品领域是Power Electric Building Block (PEBB)技术，该技术由模块化电源转换器组成，针对微型涡轮机、牵引、电能质量和其他应用。具体来说，PowerPak3转换器基于低压(LV)绝缘栅双极晶体管(igbt)提供高达2,500 kW的输出。用于电流、电压和温度监测的传感器集成到PowerPak3中。包括一个控制接口和一个24 V直流电源连接的栅极驱动板。标称功率高达15兆瓦的中压(MV) PEBB装置也可用。
更高速度的应用需要更高效的电力电子控制器(如PEC 800)， ABB电力电子业务开发经理Tor-Eivind Moen提到，PEC 800具有可编程性，可使用高级软件，包括Mathworks的Simulink和Matlab。这些控制器有低压单元(基于igbt)，也有使用集成栅极整流晶闸管(IGCT)功率开关器件的中压单元。
ABB的电力转换和控制技术也扩展到储能应用。莫恩提到了该公司迄今为止参与的“世界上最大的电池储能系统”(BESS)，该系统最近在阿拉斯加的费尔班克斯上线测试。由发电合作社金谷电力协会(GVEA)运营的BESS旨在稳定费尔班克斯地区的电网。ABB提供了一套电力转换系统;计量、保护和控制装置;该BESS装置将包括13760个特殊的密封镍镉电池(第一张照片)。BESS将在15分钟内提供27兆瓦的电力，使GVEA有足够的时间启动本地备用发电。另外，BESS可以在更短的时间内提供更高的产量。
ABB的Moen对分布式发电和新能源有着积极的看法，但考虑到实际的“早期使用问题”和成本考虑。他表示:“分布式发电面临着销量和所有新技术预期的总体接受度问题。”
巴拉德电力系统公司生产的分布式电源转换产品源于该公司自1992年以来为电动汽车应用设计的转换器的经验。然而，关键的控制技术已经被修改以适应DG的要求。市场营销副总裁Ross Witschonke解释说，该产品线名为Ecostar，通过增加隔离电压传感、信号处理和基于软件锁相环的频率测量等功能，实现了精确的电网电压和频率传感。
为了满足互连标准，电网电压、电流和功率因数在连接点监测，而不是在逆变器输出端监测。Witschonke说:“通过避免在公共耦合点进行监控，电网互连得到了简化。”这是通过在控制装置中加入防孤岛功能，并满足互连保护要求(频率过/过低、电压脱扣设定值和脱扣时间)实现的。”
巴拉德的Ecostar电源转换器(UL 1741上市)使用电流模式控制提供可靠的并网运行，并在故障条件下为逆变器和公用事业电网提供保护。PF在连接点“紧密统一控制”，确保稳定运行。转换器设计和制造纳入汽车学科，以提高产品质量。他说:“在所有装置上都要用网格模拟器进行尾线测试，以验证保护功能。”
并网应用的光伏(PV)电源转换器引起了巴拉德目前的关注。其75千瓦Ecostar光伏电源转换器已上市。这些控制的未来目标是在具有多个并联单元的UPS系统和用于大型光伏应用的多个逆变器中。Witschonke补充说:“Ecostar用于微型涡轮机应用的功率转换器已经设计好并准备好进行定制。
避免“孤岛效应”
本文的所有回复者都强调了DP电源与电网安全、可靠互联的必要性。该图(“需要反孤岛”)显示了一个不受欢迎的电力“孤岛”如何导致分布式资源(DR)与本地负载连接到公用事业电网。当灾备输出功率等于本地负载时，电网只提供参考电压和参考频率(断路器CB1和CB2合闸)。在这种匹配负载条件下，如果CB2打开，则产生功率平衡，电压和频率保持不变。然而，这种情况可能会在区域电力系统(EPS)内形成一个“孤岛”，因为DR现在与电网隔离，除非特别规定断开连接，否则无意中继续为本地负载供电。巴拉德电力公司表示，安装在互连点检测欠/过电压和欠/过频率的保护继电器不会对电网的损失做出反应。
孤岛是危险的。它对不知道DR仍在为当地供电的公用事业维修人员构成安全隐患。孤岛也可能损坏DR，例如，如果电网的损失是由于上游的“重合闸”。根据巴拉德的Witschonke，重合闸在几个周期后自动关闭，但互连电压(由岛控制)不一定与区域EPS电压同步。
公用事业公司要求对DP发电采取“反孤岛”措施。当电网断电时，该安全功能将DR与电网断开连接。防孤岛要求由UL 1741、IEEE 1547、IEEE 929等标准规定(详见www.globalelove.com/issues)。
除了整体控制外，分布式电源还需要一系列计量/监控设备、互连组件和软件工具。适当的控制将需要跟上即将到来的分布式、现场电源的扩张。
更多产品，请访问www.globalelove.com/buyersguide。对于积分器，请访问www.globalelove.com/integrators。
ABB自动化
巴拉德电力系统
伊顿电气
www.eatonelectrical.com
EPRI
施耐德电气
在线额外2003年11月控制工程文章“分布式电源控制”
Frank J.Bartos，控制工程
分布式发电(DP)的趋势——由靠近用户及其设施的小型模块化发电系统组成——才刚刚开始增长。大多数专家都同意这种增长;然而，这种增长的速度是未知的，并将受到几个发展的影响:传统发电的可用性，各种能源成本的变化，政府法规和公众舆论等。DP的控制设备和系统是实现这一增长的关键。
以下是一些备用电源的背景资料，这些备用电源预计将在提供分布式电源方面发挥重要作用。
微型燃气轮机是由小型燃气轮机和直接驱动的高速发电机组成的发电系统。通常还包括废气回收器以提高系统效率。系统的电源转换器(控制器的一部分)将产生的电能转换成有用的电压和频率。通常，微型涡轮机的尺寸在30-80千瓦范围内，在100-350千瓦范围内的单位有时被称为微型涡轮机。它们的工作原理与喷气发动机相同，但微型涡轮机提供了更广泛、更经济的燃料选择，如天然气、柴油、乙醇和沼气。
微型涡轮系统可以应用于各种模式:用于连续发电;改善薄弱电网的容量、质量或可靠性;还有备用电源。后一种模式也用于减少高需求的电力负荷(调峰)，从而降低电力成本。与标准的电动发电机组相比，这些涡轮机减少了有害排放物。
燃料电池是一种由燃料和氧化剂(通常是氢和氧)直接反应而产生电(和热)的电化学装置。电池的输出电流为直流电压。存在几种类型的燃料电池，其特点是在功率转换过程中使用的电解质的种类。质子交换膜(PEM)燃料电池是最简单、最常用的技术之一。它由四个基本元素组成:阳极(或负极元素)引导从氢分子中释放出来的电子，并将氢气分散到催化剂表面;阴极(或正极元件)，将氧气分配给催化剂，并将电子从外电路引导回催化剂，与氢、氧重新结合形成水;电解质(质子交换膜)，一种经过特殊处理的材料，只传导带正电的离子并阻挡电子;催化剂是另一种加速氧和氢反应的特殊材料，pem燃料电池用于汽车和移动设备。其他类型的燃料电池，如固体氧化物和熔融碳酸盐，在更高的温度下工作，并在发电中得到应用。
风力发电系统使用带有巨大气动叶片和齿轮传动转子传动系统的变速风力涡轮机，使发电机以更高的速度旋转，从而有效地将原始风能转化为电能。不需要齿轮箱的直接驱动风力涡轮机正在开发中。风力涡轮机的控制包括叶片在适当的风速限制下的启动和停止;叶片间距控制;紧急制动;和其他函数。
标准的观点
工业标准的可用性将有助于新发电技术的发展。最近的例子是IEEE 1547，“分布式资源与电力系统互连标准”，重点关注将燃料电池、光伏、微型涡轮机和其他本地发电技术连接到国家电网的技术要求。由电气和电子工程师协会，标准协会(IEEE- sa, Piscataway, NJ)发布，IEEE 1547解决了DP控制和通信互连产品和服务的性能，操作，测试和安全的硬件/软件方面的问题。进一步的覆盖范围扩展到产品质量、互操作性、设计、工程、安装和认证问题。
工作组主席理查德·德布拉索(Richard DeBlaso)表示，“来自电力行业各个方面”的350多人参与了该标准的制定，其中包括电气元件/设备和替代电力设备制造商、公用事业/能源服务公司、大学、政府实验室以及州和联邦政府机构。IEEE 1547实际上是分布式资源(dr)互连标准家族中的第一个。
进一步的标准正在制定中:
IEEE p1547.1将提供详细的测试程序，以证明/验证互连规范和设备符合IEEE 1547的功能和测试要求;
IEEE p1547.2将提供技术背景和应用细节，以简化IEEE 1547的使用，描述各种DR技术及其互连问题;和
IEEE p1547.3将通过与电力系统互联的分布式发电机(燃料电池、光伏、风力涡轮机等)之间的监控、信息交换和控制指南来帮助互操作性。
另外两个文件也适用于分布式发电和控制领域:保险商实验室公司“用于独立电力系统的逆变器、转换器和控制器标准”(UL 1741)和IEEE标准929“光伏(PV)系统的实用程序接口推荐实践”。
UL 1741将产品安全要求与IEEE 1547的公用事业互连要求相结合，为评估和认证分布式发电产品提供了测试标准，Underwriters Laboratories表示。设计(型式)测试和生产测试都包含在UL 1741中。IEEE 929提供了确保与电力公司并联的光伏系统兼容运行所需的设备和功能的指导。涉及人员安全、设备保护、电能质量和公用事业系统运行等因素。本文件还讨论了光伏系统在没有连接到公用事业公司进行电压和频率控制时的孤岛，以及避免分布式资源孤岛的方法。
然而，即使有了自愿标准电力研究所(EPRI)警告说，不能保证性能“如预期的那样，没有不可预见的兼容性问题”。进一步的问题需要在“分布式资源变得更广泛之前”得到解决。作为一个例子，EPRI引用了三种效应之间的基本不相容:故障清除、重合闸和孤岛。
为了完善对分布式电源及其相关控件的概述，下面是关于“公司和产品”和“应用程序”的侧栏。
分布式发电公司，产品取样器
凯普斯通涡轮机公司制造和供应微型涡轮机技术，用于固定式分布式电源和其他应用。典型的机组有30kw的型号(C30)和更大的型号(C60)，其物理尺寸与大型冰箱相当。风冷式数字电源控制器或逆变器基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)技术和先进的软件，提供可靠，准确的调节和远程操作/监控。微型涡轮机配件包括模式控制器，用于处理独立和并网操作之间的自动切换，带有数字控制的电池，以及用于互联网连接的协议转换器。
瑞典Turbec公司由沃尔沃航空和ABB于1998年成立，致力于开发用于小型发电的微型涡轮机技术。第一个商业产品，T100热电联产微型涡轮机，声称“长寿命和高效率是低成本，低维护发电所必需的。”T100最初以天然气为燃料，目标是热电联产(CHP)应用。较新的型号包括沼气作为废物管理应用的可选燃料以及扩展的功能。
2002年10月，SatCon技术公司宣布其电源逆变器是“符合UL 1741标准的最高额定功率现场发电逆变器”。额定电压为462 kVA，三相公用事业交互式多模式逆变器设计(型号AE-462-60-F-A)成功完成了Underwriters Laboratories Inc.的“用于独立电力系统的逆变器，变流器和控制器标准”(UL 1741)的合规测试。根据SatCon的说法，这是将这些产品应用于现场发电的重要一步，特别是在加利福尼亚州获得安装批准，因为这是一项合规要求。SatCon总裁兼首席执行官David Eisenhaure表示:“除了燃料电池应用之外，这些符合ul标准的逆变器还将适用于光伏、微型涡轮机和其他现场发电系统。”用于分布式发电、电能质量和工厂自动化的电力系统的制造和营销——包括从5kw到5mw的逆变电子设备——属于SatCon power systems (SatCon Technology三个业务单位之一)。
EGCP-2是一个完整的发电机控制和发动机管理包的例子，由Woodward Governor Co.设计，用于自动电压调节器和速度控制，以自动/保护发动机发电机组(柴油发动机或燃气发动机类型)。基于微处理器的EGCP-2可以配置为独立运行或公用事业并联发电。Woodward表示，一个由EGCP-2单元组成的网络可以控制多达8个自主的中小型发电机组，用于基本负荷、调峰或备用发电。该公司工业控制部门的业务包括传统发电机、微型涡轮机和燃料电池的控制。
日益增长的分布式电源应用
分布式电源应用的数量和种类以及随之而来的控制都在不断增长。
卡特彼勒公司和燃料电池能源公司．最近宣布“首次在加州联合出售一家超低排放燃料电池发电厂”。客户洛杉矶县环卫区希望使用新的250千瓦直接燃料电池(DFC)发电厂，与洛杉矶地区目前的公用事业费率相比，可以降低能源成本。每天处理约5.3亿加仑的废水，而回收的沼气和生物质则成为发电的燃料。“地区”计划于2004年第四季度在其位于洛杉矶县西北部的Palmdale水回收厂安装DFC300A装置。
该项目是2002年4月卡特彼勒和燃料电池能源公司联盟的一部分，双方同意结合燃料电池能源公司的技术，共同开发250千瓦至3兆瓦范围内的燃料电池发电厂。DFC发电厂在内部产生氢，而不需要外部过程从碳氢化合物燃料中获得氢。
卡特彼勒最近参与的另一个项目是位于密歇根州迪尔伯姆的福特Rouge工厂的一个发电农场，该发电厂包括26台柴油发电机组。这些Cat型3516发动机发电机组提供了近38兆瓦的总负荷削峰能力。无线遥控有助于减少启动和电网同步的时间。(更多细节，见《CE》2003年3月第18页“无线控制系统缩短发电机组启动时间”)。
在电网上
据报道，燃料电池系统在美国公用电网上的首次应用是2000年8月在AK州安克雷奇的邮政服务邮件处理中心的1兆瓦应用。五个燃料电池，由联合技术公司(United Technology Corp.联合技术公司燃料电池单元与阿拉斯加最大的电力公司楚加奇电力协会电网并行运行。例如，每个UTC PC25燃料电池产生200千瓦的电力和超过700,000 BTU/小时的可用热量，用于空间供暖。
燃料电池产生的多余电力流入电网。在电网中断的情况下，燃料电池转换为设施的独立电源。传统的不间断电源或备用发电机被淘汰。该处理中心是往返阿拉斯加的邮件的主要分发点。
世界上最大的燃料电池装置是由联合技术燃料电池公司在2001年4月宣布的，该公司为康涅狄格州米德尔敦的康涅狄格州少年培训学校安装了6台PC25发电厂，作为主要电源。PC25燃料电池总共产生1.2兆瓦的电力，构成了由发电机和当地电网组成的电力装置的核心。在康涅狄格州公共工程部的这个项目中，联合技术燃料电池公司与东北公用事业公司的三家子公司合作。
电池存储
电池储能系统(BESS)用于稳定阿拉斯加费尔班克斯地区的电网(在主要文章中提到)，还有其他值得注意的细节。ABB自动化是迄今为止同类最大的BESS设施的主要设计和控制工程提供商。该设施的13760个液态电解镍镉电池大约有一台大型电脑大小，重156磅。据设施运营商费尔班克斯金谷电气协会称，这些电池的预期寿命为20至30年。
您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?您应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得您和您的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。
