将可再生能源与储能接入直流和交流微电网,并对系统进行设计、建模与控制,实现韧性且高效的能源分配。
微电网是一组边界清晰的电源、储能与负荷,既可并网运行,也可独立运行。 正是"孤岛"这一项能力,使架构选择变得举足轻重:控制、保护与电能质量的一切, 都取决于能量究竟落在哪条母线上。
高效的直流配电系统,配以先进控制策略,实现最优的能量管理与可靠性。
并网与孤岛运行的交流微电网架构,具备无缝切换能力与电能质量管理。
融合交流与直流配电优势的一体化系统,实现最高的效率与灵活性。
微电网把不同电气特性的能源汇聚到同一套配电与控制体系中。风能、太阳能和燃料电池负责供能, 储能负责在发电与用电之间调节时间差;每一种资源都需要与其特性相匹配的功率变换、控制和保护接口。
风机输出随风速和转速变化的交流电。全功率或双馈变流器将机械侧转速与微网频率解耦,使风机能够执行最大功率跟踪, 同时按微网要求提供有功、无功和故障穿越能力。直流微网中可由整流级直接接入直流母线;交流微网中则通过并网逆变器完成同步。
光伏阵列天然输出直流,其工作点随辐照度和温度变化。接入直流母线时,DC–DC 变换器负责最大功率点跟踪和母线适配; 接入交流母线时,还需要逆变器完成同步、功率因数与电能质量控制。能量管理层还要协调限发、预测误差和可用储能。
燃料电池是可调度的直流电源,但堆栈电压会随电流变化,气体供给和热过程也比电气负载变化慢。 升压型 DC–DC 变换器负责稳压和限流,电池或超级电容则承担快速功率阶跃。接入设计需同时协调燃料利用率、堆栈寿命与微网功率指令。
储能是微电网中的双向调节层:吸收可再生能源富余,在功率短缺、孤岛切换或负荷突变时迅速释放能量。 电池提供分钟至小时级能量,超级电容等高功率储能处理更快的瞬态;双向变流器可进一步承担母线稳压、构网和黑启动。 调度必须把荷电状态、功率裕度、温度和衰减成本一起纳入约束。
母线就是架构。选择直流、交流还是两者兼有,决定了从一块光伏板到一个负载之间要经过几级变换、 由哪个物理量来承载功率平衡信息,以及清除一次故障需要付出什么代价。
光伏、电池、燃料电池、LED 照明、变频驱动与电动汽车充电本质上都是直流。挂在直流母线上,双向各省一级变换,损耗与硬件一并省掉。
没有频率、没有相角、没有无功、无需同步。功率分配只需要一个变量 —— 母线电压。
直流故障电流没有自然过零点,开断需要固态或混合式断路器,并要主动限制故障电流;选择性必须专门设计,而非沿用既有经验。
调节良好的变流器在输入端表现为恒功率负载,其负增量阻抗会破坏母线稳定性 —— 除非电源阻抗与母线电容是针对它设计的。
保护规程、开关柜、变压器、计量与电机负载都已存在并取得认证,电压变换由一个无源元件完成。
代价在控制端:频率与电压同时承载功率平衡,至少要有一台构网变流器,且孤岛与重新并网不能产生相位突变。
微电网没有无穷大母线可以依靠。孤岛运行时,必须由变流器自己建立电压与频率、彼此不争抢地分担负荷, 并在主网恢复后干净地交还控制权。
跟网型变流器需要一个已存在的电压供锁相环锁定 —— 主网在时完美,主网一失去便毫无作用。构网型变流器表现为阻抗背后的电压源,自行建立参考。可孤岛的微电网至少需要一台,通常还需要它们之间能够分担。
检出孤岛、不中断负荷地完成切换,再在重合闸前匹配电压、相位与频率。被动式检测存在检测盲区,主动式方法需注入小扰动。大多数调试问题都出在这次切换上。
以变流器为主的微电网几乎没有旋转惯量,扰动后的频率变化率很高。虚拟同步机与虚拟惯量方案对其进行模拟,以储能裕度与带宽换取更慢、更宽容的频率响应。
变流器无法提供过流保护所假定的数倍额定电流。孤岛整定值与并网整定值不同,配合往往需要方向、差动或依赖通信的方案,而非简单的时间级差。
谐波由开关变流器产生,而孤岛运行的弱网阻抗又很高,于是畸变与谐振相互耦合。滤波器设计与变流器输出阻抗整形不再是两个独立问题。
在快速环路之上是调度问题:预测、荷电状态、衰减成本、电价,以及与主网的功率交换计划。这一层决定经济性,下面几层决定系统是否还站得住。
对"混合架构"这个问题,SST 给出了最干净的答案。不再是一台工频变压器外加一圈各自独立的变流器, 而是由一台多级设备同时提供中压接入、隔离与微电网所需的全部端口 —— 并且端口之间的功率流向是可控的。
工频变压器。隔离转移到隔离型 DC–DC 级内部的高频变压器上 —— 这正是磁性元件体积能缩小一个数量级的原因。
双向功率流动、与匝比无关的电压调节、中间直流环节上天然的直流端口、中压侧的无功支撑与谐波治理,以及无源变压器无法提供的穿越能力。
串联的中压单元、绝缘配合、单元电压均衡、分布式控制,以及必须胜过一个 99% 效率无源元件才能成立的效率要求。
英文技术文章中有逐级展开的固态变压器系列(应用与动机、架构、AC–DC 前级、DAB 隔离级、DC–AC 输出级、模块化集成与测试), 见 技术博客。