隨著分布式及備用電源應(yīng)用的不斷增長，控制硬件及軟件需要滿足更為嚴(yán)格的系統(tǒng)要求。

最近在美國東北部地區(qū)出現(xiàn)的大面積停電事故，重新警示我們?nèi)绾蝸肀ＷC為公眾提供不間斷的電力供應(yīng)，對電力供應(yīng)的保護(hù)以及使其更為可靠似乎又成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。在通往可靠性的征途中，有一趨勢是采用小規(guī)模、模塊化分布的電源系統(tǒng)。

分布式電源（Distributed Power， DP）指靠近用戶及其設(shè)施的小型發(fā)電系統(tǒng)，與此形成鮮明對比的是大型集中式發(fā)電廠。DP的典型容量介于1千瓦至10MW（或更大）很寬的范圍之間，可以如下幾種模式來實現(xiàn)：本地產(chǎn)生、與公共電網(wǎng)并行或者完全并入電網(wǎng)中。分布式電源對于遠(yuǎn)程用戶具有特殊的吸引力。

因為當(dāng)前較高的成本以及對各種新技術(shù)的采用速度比較緩慢，分布式電源的發(fā)展才剛剛開始；但實際

上已開發(fā)出一些項目，如微型渦輪發(fā)電機(jī)、燃料電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、電池儲存系統(tǒng)、小型發(fā)電廠等等，而且DP系統(tǒng)中還包含有后備發(fā)電機(jī)，它們可在用電高峰時被利用。

而且這種趨勢還在不斷增長，業(yè)內(nèi)專家估計到2010年將有10“30%的新電力來自分布式發(fā)電機(jī)。一項來自EPRI（Electric Power Research Institute）的研究表明，到2010年將有25%的新發(fā)電設(shè)施是分布式的。

與公共電網(wǎng)同步

控制硬件及軟件將在分布式電源實施中扮演重要角色。控制系統(tǒng)必須能適應(yīng)單機(jī)以及嚴(yán)格的電網(wǎng)連接要求，而且必須確保能安全并入或從公共電網(wǎng)上斷開。

在與電網(wǎng)并行工作期間、以及分布式資源（DR）與本地負(fù)載處于負(fù)載匹配的情況下，抗孤島供應(yīng)被需要以在電網(wǎng)斷電時將DR從電網(wǎng)上斷開（電路斷路器CB2打開），否則，在區(qū)域EPS中會形成一個“孤島”，這將給維修工人及設(shè)備帶來安全危險。

施耐德電氣公司電力管理運(yùn)營部高級產(chǎn)品專家Karl Kersey， P.E.指出，在同步DP系統(tǒng)與公共電網(wǎng)時，必須考慮到它們之間的相互轉(zhuǎn)換。他提到了幾種常見的電網(wǎng)至發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)換方案，這些方案“可為發(fā)電廠提供各種能消除故障的控制系統(tǒng)”。

“開放式過渡切換”，在電網(wǎng)斷電時可用作一種標(biāo)準(zhǔn)的緊急切換模式。“［它］在電網(wǎng)連接斷開后，允許有5秒鐘的時間從電網(wǎng)切換到發(fā)電機(jī)電源”，Kersey 說。“開放式過渡同步切換”與之類似，但提供小于150毫秒的時間用來在公共電網(wǎng)及發(fā)電機(jī)電源之間進(jìn)行快速切換。例如，工廠中的機(jī)械負(fù)載可利用這150毫秒的時間來使電機(jī)保持同步。

其他切換模式，例如“封閉式過渡同步（CTS）”及“軟負(fù)載”等，則能提供更有力的控制以更平滑地與公共電網(wǎng)同步。“CTS切換具有150毫秒的斷電時間，當(dāng)重新連回到公共電網(wǎng)上時，電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)之間存在瞬間的并行工作”，Kersey解釋說。軟負(fù)載切換對于分布式發(fā)電（DG）而言具有最高級的控制及選項，它能提供25至90秒的并行工作時間，以用于發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)同步，同時也用于負(fù)載的上升及下降。它同時還具有高峰調(diào)節(jié)及負(fù)載跟隨的靈活性，以及將富余電力賣給供電局的潛力。

后兩種切換方法要求供電局及政府制定相關(guān)的規(guī)定，其中包括測試及安全特性等，以表明不會給公共電網(wǎng)帶來不良影響，Kersey補(bǔ)充說。

安全性及可靠性

Eaton Electrical 同樣強(qiáng)調(diào)了分布式電源控制中的可靠性及安全性問題。該公司Performance Power Solutions 部經(jīng)理 David Loucks注意到DP與電網(wǎng)并行工作的重要性，并指出本地發(fā)電機(jī)可輸出超過本地負(fù)載需求的那部分電力，但需提供適當(dāng)?shù)目刂啤Ｋ忉屨f，必須用定期進(jìn)行的大量采樣來對電壓及電流反饋進(jìn)行監(jiān)控，以與電網(wǎng)及發(fā)電機(jī)兩邊的情況相匹配，這其中包括功率因素（PF）及無功功率（VAR）監(jiān)視等。

控制邏輯必須能同時保護(hù)公共電網(wǎng)連接以及油機(jī)和發(fā)電機(jī)。根據(jù)Loucks的說法，在電網(wǎng)這一側(cè)，電網(wǎng)保護(hù)包括欠/過電壓、欠/過頻率、過電流以及非均衡電流與電壓等。除現(xiàn)場沒有以外，都應(yīng)將以上所有保護(hù)措施應(yīng)用到發(fā)電機(jī)上。

Loucks 還注意到了基本控制系統(tǒng)與 DP控制之間的類似之處，例如在燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組中，油機(jī)/發(fā)電機(jī)油門的作用就如同一個PI控制器，它在同步模式中用來調(diào)節(jié)公共電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)的速度（Hz）及相角之間的差別，而發(fā)電機(jī)速度則成為“過程變量”及所需的預(yù)置頻率（50 或60 Hz）--亦即設(shè)置點(diǎn)。在控制器的同步模式中，油門用來調(diào)節(jié)輸出（實際功率，kW），而過程變量則為計算出的實際功率。

“無功功率將作為一種 PI 回路來單獨(dú)管理”，Loucks 繼續(xù)說，“它是用來調(diào)節(jié)流往發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直流電流的電壓PI控制器的一部分。有兩種工作模式：一種是‘恒定功率因素模式’，其中PF為過程變量，且要求將PF預(yù)置為設(shè)置點(diǎn)；另一種是‘恒定無功功率模式’，設(shè)置點(diǎn)則為內(nèi)部預(yù)置VAR幅度”。

油機(jī)發(fā)電機(jī)上的典型通信端口為Modbus、DeviceNet及Lonworks（廣泛用于樓宇自動控制）。轉(zhuǎn)換開關(guān)及發(fā)電機(jī)開關(guān)裝置上一般帶有與主PLC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的接口，Loucks補(bǔ)充說。

ABB Automation在分布式發(fā)電及控制的各個領(lǐng)域都很活躍，它的其中一種產(chǎn)品是Power Electric Building Block （電源電子建造模塊，PEBB），由目標(biāo)瞄準(zhǔn)微型渦輪發(fā)電機(jī)、牽引系統(tǒng)、電源質(zhì)量及其他應(yīng)用的模塊化電能轉(zhuǎn)換器組成，尤其是基于低電壓（LV）絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的PowerPak3變換器，可提供高達(dá)2500 kW的輸出。PowerPak3集成了用于監(jiān)控電流、電壓及溫度的多個傳感器，并含有與柵極驅(qū)動板相連的控制接口及24伏直流電源，同時還具有額定功率高達(dá)15MW的中壓（MV）PEBB單元。

“更高速的應(yīng)用要求有更有效的電源電子控制器（如PEC 800）”，ABB集團(tuán)電源電子部業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理Tor-Eivind Moen指出。PEC 800具有可編程的高水平軟件，包括Mathworks公司提供的Simulink及Matlab等。這些控制器以LV單元（基于IGBT）及MV單元提供，并采用了集成柵極換流晶閘管（IGCT）電源開關(guān)器件。

ABB公司的電能轉(zhuǎn)換及控制技術(shù)同時還擴(kuò)展到能量存儲應(yīng)用領(lǐng)域。Moen引用了該公司所參與的“世界最大的電池能量存儲系統(tǒng)（BESS）”的例子，該系統(tǒng)目前正在阿拉斯加費(fèi)爾班克斯進(jìn)行在線調(diào)試。BESS由多家電力企業(yè)組成的Golden Valley Electric Association（GVEA）運(yùn)作，設(shè)計用來穩(wěn)定費(fèi)爾班克斯地區(qū)的電力網(wǎng)絡(luò)。ABB提供了其中的電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、計量、保護(hù)、控制裝置；以及用于BESS安裝的由13760塊特殊、密封鎳鎘電池組成的設(shè)備（見圖 2）。BESS可提供持續(xù) 15分鐘 27MW的電力供應(yīng)，使 GVEA 有足夠的時間來啟用本地后備發(fā)電設(shè)備。BESS也能在更短的時間內(nèi)提供更高功率的電力輸出。

ABB公司的 Moen 對由實際應(yīng)用中的“早期使用問題”及成本因素所沖淡的分布式發(fā)電及新能源持有積極的看法。“分布式發(fā)電正在忍受銷售量小及人們對所有新技術(shù)接受緩慢等方面的痛苦”，他說。

Ballard電能系統(tǒng)公司制造的分布式電能轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，是基于其自1992年以來在電力車輛電能轉(zhuǎn)換器設(shè)計及生產(chǎn)方面的成熟經(jīng)驗。但一些關(guān)鍵控制技術(shù)已經(jīng)被修改，以適應(yīng)DG的要求。其名為Ecostar的產(chǎn)品系列，由于具有隔離電壓感測、信號處理以及基于軟件鎖相環(huán)頻率測量的其他特性，而能實現(xiàn)精確的電網(wǎng)電壓與頻率感測。Ballard公司主管市場營銷的副總裁Ross Witschonke解釋說。

為滿足互連標(biāo)準(zhǔn)，在連接點(diǎn)上監(jiān)視電網(wǎng)電壓、電流及功率因素，要優(yōu)于在逆變器輸出終端上監(jiān)視。“避免在公共耦合點(diǎn)上監(jiān)視，可簡化電網(wǎng)互連”，Witschonke說，“這可由將抗孤島功能集成到控制中以及滿足互連保護(hù)要求（欠/過頻率、電壓解扣設(shè)置以及解扣時間等）來實現(xiàn)”

Ballard公司的Ecostar電能轉(zhuǎn)換器（如UL 1741），利用電流模式控制以及在故障條件下為轉(zhuǎn)換器及公共電網(wǎng)所提供的保護(hù)，來提供可靠的電網(wǎng)并行工作。PF在連接點(diǎn)上被控制成與公共電網(wǎng)充分接近，以確保穩(wěn)定的工作。轉(zhuǎn)換器設(shè)計及制造結(jié)合了汽車方面的技術(shù)以提高產(chǎn)品質(zhì)量。“通過利用電網(wǎng)仿真器來檢驗保護(hù)功能而完成了最后測試”，他說。

用于電網(wǎng)連接的光電（PV）電能轉(zhuǎn)換器引起了Ballard公司的關(guān)注，其75千瓦的Ecostar PV電能轉(zhuǎn)換器在市場上已能買到。對于這些控制的進(jìn)一步目標(biāo)是帶有多個并聯(lián)單元以及用

于大型PV應(yīng)用的多個逆變換器的UPS系統(tǒng)。“已設(shè)計出用于微型渦輪發(fā)電機(jī)應(yīng)用的Ecostar電能轉(zhuǎn)換器，并準(zhǔn)備進(jìn)行定制”，Witschonke補(bǔ)充說。

避免成為“孤島”

對這篇文章的所有回應(yīng)都強(qiáng)調(diào)了對DP電源及電網(wǎng)的安全、可靠互連的需求。圖（“對抗孤島的需求”）顯示對于帶有與公共電網(wǎng)相連的本地負(fù)載的分布式電源（DR）而言，如何會產(chǎn)生不理想的電源“孤島”。當(dāng)DR的功率輸出等于本地負(fù)載時，電網(wǎng)僅提供參考電壓及頻率（電路斷路器CB1及CB2閉合）。在此負(fù)載匹配條件下，如果CB2打開，則形成功率平衡，且電壓和頻率保持不受干擾。但這種情況隨DR從電網(wǎng)上隔離而可在“區(qū)域電源系統(tǒng)”（EPS）中形成一個“孤島”，并且不經(jīng)意地繼續(xù)向本地負(fù)載供電--除非做出斷開連接的特殊規(guī)定。安裝用來檢測互連點(diǎn)上欠/過電壓及欠/過頻率的保護(hù)繼電器，將不會對脫離電網(wǎng)做出響應(yīng)。Ballard電源公司說。

形成孤島是非常危險的，因為它會給并不了解 DR仍在為本地負(fù)載供電的供電局維修人員帶來安全危險。如果是由于上游“自動繼電器”而造成脫離電網(wǎng)（比如），則孤島也可能會給DR造成損壞。按照Ballard公司W(wǎng)itschonke的說法，自動繼電器在經(jīng)過幾個循環(huán)后會自動閉合，但互連電壓并非必然會與區(qū)域EPS電壓同步。

公共電網(wǎng)要求對DP發(fā)電采取“抗孤島”措施，這種安全特性確保在失去電網(wǎng)功率時能將DR從電網(wǎng)上斷開。抗孤島具體要求由一系列標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)定，如UL 1741、IEEE 1547 及929等（更多標(biāo)準(zhǔn)可在www.controleng.com/issues上查到）。

除進(jìn)行統(tǒng)一控制外，分布式電源還要求有全部的計量及監(jiān)控設(shè)備、互連部件及軟件工具等。總之，需要有適當(dāng)?shù)目刂萍夹g(shù)才能與分布式及在線電源的迅速膨脹保持同步。

標(biāo)準(zhǔn)

工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的可用性將有助于新型發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步。一項最新的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 1547--“用于分布式發(fā)電資源與電力系統(tǒng)進(jìn)行互連的標(biāo)準(zhǔn)”，其重點(diǎn)是在將燃料電池、光電發(fā)電設(shè)備、微型渦輪發(fā)電機(jī)及其他本地發(fā)電設(shè)備連入國家電網(wǎng)中的技術(shù)要求上。由Institute of Electrical and Electronics Engineers， Standards Association （電子與電氣工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)分會）出版的IEEE 1547，給出了性能、運(yùn)行及測試方面的軟硬件技術(shù)要求，以及用于DP控制及通信的互連產(chǎn)品及維修方面的安全要求。該標(biāo)準(zhǔn)將進(jìn)一步擴(kuò)展到產(chǎn)品質(zhì)量、互用性、設(shè)計、工程、安裝及認(rèn)證等要求上。

由超過350名“來自電力行業(yè)各方面”的專家參與了該標(biāo)準(zhǔn)的起草工作，據(jù)IEEE 1547工作組主席Richard DeBlaso說，其中包括電氣部件/設(shè)備及替代電源設(shè)備制造商、公用事業(yè)及能源服務(wù)企業(yè)、大學(xué)、政府實驗室及州和聯(lián)邦政府機(jī)構(gòu)等。IEEE 1547實際上是在分布式資源（DR）方面的一系列互連標(biāo)準(zhǔn)的第一項標(biāo)準(zhǔn)。

更進(jìn)一步的標(biāo)準(zhǔn)正在制定之中：● IEEE P1547.1- 將為證明/驗證互連規(guī)范及設(shè)備是否符合IEEE 1547的功能及測試要求提供具體測試步驟；● IEEE P1547.2- 將為簡化IEEE 1547的使用提供技術(shù)背景及應(yīng)用細(xì)節(jié)，包括各種DR技術(shù)及其互連問題；● IEEE P1547.3- 將通過用于與公共電網(wǎng)系統(tǒng)互連的分布式發(fā)電機(jī)的監(jiān)控、信息交換及控制的指導(dǎo)方針來幫助提高互操作性。

其他兩個文件也將用于分布式發(fā)電及控制技術(shù)：Underwriters Laboratories Inc.‘s （Underwriters Laboratories公司）（用于獨(dú)立電源系統(tǒng)中逆變換器、變換器及控制器的標(biāo)準(zhǔn)）（UL 1741），以及IEEE標(biāo)準(zhǔn)929（對光電發(fā)電（PV）系統(tǒng)公共電網(wǎng)接口的推薦實行）。

Underwriters Laboratories公司說，UL 1741將產(chǎn)品安全要求與IEEE 1547的電網(wǎng)互連要求合并在一起，以為分布式發(fā)電產(chǎn)品的評估和認(rèn)證提供測試標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計（型）測試及生產(chǎn)（型）測試包含在UL 1741中。IEEE 929為確保與公共電網(wǎng)并聯(lián)的PV系統(tǒng)的兼容運(yùn)行提供了所需的設(shè)備及功能指導(dǎo)方針，并對人員安全、設(shè)備保護(hù)、電源質(zhì)量及公共電網(wǎng)運(yùn)行等因素進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定。這份文件同時也討論了在脫離公共電網(wǎng)時，PV系統(tǒng)在電壓及頻率控制上所形成的孤島問題，以及避免分布式資源孤島化的相應(yīng)途徑。

向分布式電源（DP）發(fā)展的趨勢，正逐步開始增長，而且大多數(shù)專家也認(rèn)同這一增長；但增長速度未知且受到如下幾種發(fā)展因素的影響，即：傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)施的可用性、各種電力資源成本的變化、政府規(guī)定及公眾觀點(diǎn)等，其中用于DP的控制裝置及系統(tǒng)是實現(xiàn)這一增長的關(guān)鍵。

以下是一些替代電力資源的相關(guān)背景，它們在提供分布式電源的過程中扮演主要角色。

微型渦輪發(fā)電機(jī)是由小型燃?xì)鉁u輪機(jī)以及由其直接驅(qū)動的高速發(fā)電機(jī)所組成的小型發(fā)電系統(tǒng)，通常還包括有用來提高系統(tǒng)效率的排氣同流換熱器。系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換器（控制系統(tǒng)的一部分）將所發(fā)電力轉(zhuǎn)換成為有用的電壓及頻率。一般地講，微型渦輪發(fā)電機(jī)的容量介于30至80千瓦之間，而小型渦輪發(fā)電機(jī)的容量則介于100至350千瓦之間。其工作原理與噴氣發(fā)動機(jī)相同，但微型渦輪發(fā)電機(jī)可提供范圍更廣、更為經(jīng)濟(jì)的燃料選擇，如天然氣、柴油、乙醇及沼氣等。

微型渦輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可以多種模式使用：用于連續(xù)發(fā)電；提高虛弱電網(wǎng)的容量、質(zhì)量或可靠性；以及用作待機(jī)電源等。后一種模式也用來降低高峰電力負(fù)荷（峰值調(diào)節(jié)），從而減少電力成本。微型渦輪發(fā)電機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)油機(jī)發(fā)電機(jī)組相比可減少有害輻射。

燃料電池是一種利用燃料與氧化劑（通常為氫或氧）的直接化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電能（以及熱能）的電化學(xué)裝置。這種電池的電能輸出為直流（dc）電壓。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換過程中所使用電解液的種類，分別有幾種不同類型的燃料電池。質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池是其中一種最簡單及最常用的技術(shù)，它由4個基本元件組成：正極（或負(fù)元件）用于傳導(dǎo)氫分子釋放出的電子并將氧氣分散在催化劑的表面上；陰極（或正元件）用來將氧氣分散給催化劑，同時將電子從外電路上傳導(dǎo)回催化劑以與氫或氧再結(jié)合來形成水；電解液（質(zhì)子交換膜），一種經(jīng)過特殊處理的材料，用來只傳導(dǎo)正電荷同時屏蔽電子；催化劑，另一種特殊材料，用來在汽車及機(jī)動應(yīng)用中加速氫和氧PEM燃料電池的化學(xué)反應(yīng)。其他類型的燃料電池如固體氧化劑及熔解碳酸鹽電池等，則能在更高的溫度下工作，并能用來發(fā)電。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用帶有巨大空氣動力學(xué)槳葉及齒輪傳動轉(zhuǎn)子驅(qū)動鏈的可變速度風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，其中齒輪傳動系統(tǒng)（變速系統(tǒng)）用來使發(fā)電機(jī)能高速旋轉(zhuǎn)以有效地將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能。目前正在開發(fā)一種無需變速箱的直接驅(qū)動風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)。風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的控制包括在適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速極限內(nèi)啟動和停止槳葉、槳葉間距控制、緊急制動及其他功能。

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