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

最近在美國東北部地區出現的大面積停電事故，重新警示我們如何來保證為公眾提供不間斷的電力供應，對電力供應的保護以及使其更為可靠似乎又成為人們關注的焦點。在通往可靠性的征途中，有一趨勢是采用小規模、模塊化分布的電源系統。

分布式電源（Distributed Power， DP）指靠近用戶及其設施的小型發電系統，與此形成鮮明對比的是大型集中式發電廠。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：本地產生、與公共電網并行或者完全并入電網中。分布式電源對于遠程用戶具有特殊的吸引力。

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

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

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

與公共電網同步

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

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

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

“開放式過渡切換”，在電網斷電時可用作一種標準的緊急切換模式?！埃鬯菰陔娋W連接斷開后，允許有5秒鐘的時間從電網切換到發電機電源”，Kersey 說?！伴_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及發電機電源之間進行快速切換。例如，工廠中的機械負載可利用這150毫秒的時間來使電機保持同步。

其他切換模式，例如“封閉式過渡同步（CTS）”及“軟負載”等，則能提供更有力的控制以更平滑地與公共電網同步。“CTS切換具有150毫秒的斷電時間，當重新連回到公共電網上時，電網與發電機之間存在瞬間的并行工作”，Kersey解釋說。軟負載切換對于分布式發電（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，以用于發電機與電網同步，同時也用于負載的上升及下降。它同時還具有高峰調節及負載跟隨的靈活性，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的規定，其中包括測試及安全特性等，以表明不會給公共電網帶來不良影響，Kersey補充說。

安全性及可靠性

Eaton Electrical 同樣強調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 部經理 David Loucks注意到DP與電網并行工作的重要性，并指出本地發電機可輸出超過本地負載需求的那部分電力，但需提供適當的控制。他解釋說，必須用定期進行的大量采樣來對電壓及電流反饋進行監控，以與電網及發電機兩邊的情況相匹配，這其中包括功率因素（PF）及無功功率（VAR）監視等。

控制邏輯必須能同時保護公共電網連接以及油機和發電機。根據Loucks的說法，在電網這一側，電網保護包括欠/過電壓、欠/過頻率、過電流以及非均衡電流與電壓等。除現場沒有以外，都應將以上所有保護措施應用到發電機上。

Loucks 還注意到了基本控制系統與 DP控制之間的類似之處，例如在燃氣內燃發電機組中，油機/發電機油門的作用就如同一個PI控制器，它在同步模式中用來調節公共電網與發電機的速度（Hz）及相角之間的差別，而發電機速度則成為“過程變量”及所需的預置頻率（50 或60 Hz）--亦即設置點。在控制器的同步模式中，油門用來調節輸出（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 回路來單獨管理”，Loucks 繼續說，“它是用來調節流往發電機轉子直流電流的電壓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預置為設置點；另一種是‘恒定無功功率模式’，設置點則為內部預置VAR幅度”。

油機發電機上的典型通信端口為Modbus、DeviceNet及Lonworks（廣泛用于樓宇自動控制）。轉換開關及發電機開關裝置上一般帶有與主PLC網絡進行通信的接口，Loucks補充說。

ABB Automation在分布式發電及控制的各個領域都很活躍，它的其中一種產品是Power Electric Building Block （電源電子建造模塊，PEBB），由目標瞄準微型渦輪發電機、牽引系統、電源質量及其他應用的模塊化電能轉換器組成，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2500 kW的輸出。PowerPak3集成了用于監控電流、電壓及溫度的多個傳感器，并含有與柵極驅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15MW的中壓（MV）PEBB單元。

“更高速的應用要求有更有效的電源電子控制器（如PEC 800）”，ABB集團電源電子部業務拓展經理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）電源開關器件。

ABB公司的電能轉換及控制技術同時還擴展到能量存儲應用領域。Moen引用了該公司所參與的“世界最大的電池能量存儲系統（BESS）”的例子，該系統目前正在阿拉斯加費爾班克斯進行在線調試。BESS由多家電力企業組成的Golden Valley Electric Association（GVEA）運作，設計用來穩定費爾班克斯地區的電力網絡。ABB提供了其中的電能轉換系統、計量、保護、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備（見圖 2）。BESS可提供持續 15分鐘 27MW的電力供應，使 GVEA 有足夠的時間來啟用本地后備發電設備。BESS也能在更短的時間內提供更高功率的電力輸出。

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

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

為滿足互連標準，在連接點上監視電網電壓、電流及功率因素，要優于在逆變器輸出終端上監視?！氨苊庠诠?a href="http://www.nxhydt.com/tags/耦合/" target="_blank">耦合點上監視，可簡化電網互連”，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要求（欠/過頻率、電壓解扣設置以及解扣時間等）來實現”

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

用于電網連接的光電（PV）電能轉換器引起了Ballard公司的關注，其75千瓦的Ecostar PV電能轉換器在市場上已能買到。對于這些控制的進一步目標是帶有多個并聯單元以及用

于大型PV應用的多個逆變換器的UPS系統。“已設計出用于微型渦輪發電機應用的Ecostar電能轉換器，并準備進行定制”，Witschonke補充說。

避免成為“孤島”

對這篇文章的所有回應都強調了對DP電源及電網的安全、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相連的本地負載的分布式電源（DR）而言，如何會產生不理想的電源“孤島”。當DR的功率輸出等于本地負載時，電網僅提供參考電壓及頻率（電路斷路器CB1及CB2閉合）。在此負載匹配條件下，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從電網上隔離而可在“區域電源系統”（EPS）中形成一個“孤島”，并且不經意地繼續向本地負載供電--除非做出斷開連接的特殊規定。安裝用來檢測互連點上欠/過電壓及欠/過頻率的保護繼電器，將不會對脫離電網做出響應。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（比如），則孤島也可能會給DR造成損壞。按照Ballard公司Witschonke的說法，自動繼電器在經過幾個循環后會自動閉合，但互連電壓并非必然會與區域EPS電壓同步。

公共電網要求對DP發電采取“抗孤島”措施，這種安全特性確保在失去電網功率時能將DR從電網上斷開?？构聧u具體要求由一系列標準來規定，如UL 1741、IEEE 1547 及929等（更多標準可在www.controleng.com/issues上查到）。

除進行統一控制外，分布式電源還要求有全部的計量及監控設備、互連部件及軟件工具等?？傊?，需要有適當的控制技術才能與分布式及在線電源的迅速膨脹保持同步。

標準

工業標準的可用性將有助于新型發電技術的進步。一項最新的標準是IEEE 1547--“用于分布式發電資源與電力系統進行互連的標準”，其重點是在將燃料電池、光電發電設備、微型渦輪發電機及其他本地發電設備連入國家電網中的技術要求上。由Institute of Electrical and Electronics Engineers， Standards Association （電子與電氣工程師協會標準分會）出版的IEEE 1547，給出了性能、運行及測試方面的軟硬件技術要求，以及用于DP控制及通信的互連產品及維修方面的安全要求。該標準將進一步擴展到產品質量、互用性、設計、工程、安裝及認證等要求上。

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

更進一步的標準正在制定之中：● IEEE P1547.1- 將為證明/驗證互連規范及設備是否符合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的使用提供技術背景及應用細節，包括各種DR技術及其互連問題；● IEEE P1547.3- 將通過用于與公共電網系統互連的分布式發電機的監控、信息交換及控制的指導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電及控制技術：Underwriters Laboratories Inc.‘s （Underwriters Laboratories公司）（用于獨立電源系統中逆變換器、變換器及控制器的標準）（UL 1741），以及IEEE標準929（對光電發電（PV）系統公共電網接口的推薦實行）。

Underwriters Laboratories公司說，UL 1741將產品安全要求與IEEE 1547的電網互連要求合并在一起，以為分布式發電產品的評估和認證提供測試標準。設計（型）測試及生產（型）測試包含在UL 1741中。IEEE 929為確保與公共電網并聯的PV系統的兼容運行提供了所需的設備及功能指導方針，并對人員安全、設備保護、電源質量及公共電網運行等因素進行了相應的規定。這份文件同時也討論了在脫離公共電網時，PV系統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途徑。

向分布式電源（DP）發展的趨勢，正逐步開始增長，而且大多數專家也認同這一增長；但增長速度未知且受到如下幾種發展因素的影響，即：傳統發電設施的可用性、各種電力資源成本的變化、政府規定及公眾觀點等，其中用于DP的控制裝置及系統是實現這一增長的關鍵。

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

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

微型渦輪發電機系統可以多種模式使用：用于連續發電；提高虛弱電網的容量、質量或可靠性；以及用作待機電源等。后一種模式也用來降低高峰電力負荷（峰值調節），從而減少電力成本。微型渦輪發電機與標準油機發電機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）的直接化學反應來產生電能（以及熱能）的電化學裝置。這種電池的電能輸出為直流（dc）電壓。根據能量轉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。質子交換膜（PEM）燃料電池是其中一種最簡單及最常用的技術，它由4個基本元件組成：正極（或負元件）用于傳導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回催化劑以與氫或氧再結合來形成水；電解液（質子交換膜），一種經過特殊處理的材料，用來只傳導正電荷同時屏蔽電子；催化劑，另一種特殊材料，用來在汽車及機動應用中加速氫和氧PEM燃料電池的化學反應。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，并能用來發電。

風力發電系統采用帶有巨大空氣動力學槳葉及齒輪傳動轉子驅動鏈的可變速度風力渦輪發電機，其中齒輪傳動系統（變速系統）用來使發電機能高速旋轉以有效地將風能轉換成電能。目前正在開發一種無需變速箱的直接驅動風力渦輪發電機。風力渦輪發電機的控制包括在適當的風速極限內啟動和停止槳葉、槳葉間距控制、緊急制動及其他功能。

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