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微电源1.光伏电池太阳能光伏电池(PhotovoltaicCell－PV)发电技术是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转化为电能。采用光伏电池发电具有不消耗燃料、不受地域限制、规模灵活、无污染、安全可靠、维护简单等优点。目前应用的太阳电池是一种半导体器件(如单晶硅、多晶硅)，受到太阳光照时能产生光伏效应，将太阳光能转变成直流电能。在使用时将太阳电池封装成组件，然后根据需要将组件串并联组成方阵。光伏电池的输出功率受日照强度、电池结温等因素的影响，不能调度，而且系统的频率和电压对其基本上没有影响。(f,U)gPF式中：gP——光伏电池输出功;f——系统频率；U——系统电压。PV方阵同步逆变器微电网交流负载蓄电池光伏并网发电系统我国目前主要的光伏发电应用是光伏并网系统。它主要由太阳能电池方阵和并网逆变器组成。并网逆变器是并网光伏系统的中心。逆变器把太阳能电池方阵输出的直流电转换成与电网电力相同电压和频率的交流电，同时还起到调节电力的作用。逆变器有以下几个作用：①在输出电压和电流随太阳能电池温度以及太阳辐照度而变化时，总是输出太阳能电池的最大功率；②输出已抑制谐波的电流，以免把不良运行波及到电网；③倒流输出剩余电力时，自动调整电压，把用户的电压维持在规定范围[1]。当并网逆变器与电网连接时，它始终在功率因数等于1的条件下运行，电流和电压几乎同相，仅提供有功功率。峰值功率跟踪控制器PWM脉冲产生器模式控制器充电器充电电流控制器DC/AC逆变器耗电加热器占空比VDaVDb蓄电池L1L2L3L5负荷PV电池发电系统的主要组成PV电池发电系统的主要组成如图[2]。峰值功率跟踪控制器测量PV电池阵列的输出电压和电流，不断调节电池的工作点，使其在给定的气候条件下输出最大的功率。PV电池输出的功率送到逆变器，将直流电转换为交流。电池产生的电能超过负载的需要时，剩余的电能可对蓄电池充电。当电池充满后，仍有剩余的电能，则可将其在耗电器上耗掉。当光电池没有太阳照射时，蓄电池可通过逆变器对负载供电，图中的放电二极管VDb的作用是当电池充满电或由于其他原因，充电器开路时，避免对蓄电池继续充电。二极管VDa的作用是将PV电池阵列与蓄电池隔离开，防止在夜间将PV电池阵列作为蓄电池的负载。系统的工作模式控制器采集PV电池阵列和蓄电池的电压、电流信号，通过记录电池的充放电安培小时保持电池充电的轨迹，以及控制充电器、耗电加热器的通断等。模式控制器提为整个系统的中央控制器。2.微型燃气轮机微型燃气轮机是指功率为数百千瓦以下的以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机[28]。满负荷运行时效率可达到30%，实行热电联产，效率可提高到75%。微型燃气轮机的特点是体积小、质量轻、发电效率高、污染小、运行维护简单。它是目前最成熟、最具有商业竞争力的分布式电源之一。这种分布式发电机组的特性和集中式发电机组相似，可以统一调度，但是在热电联产的情况下，微型燃气轮机的各种输出必须满足热量的需要(如式2)，并且它的功率变化有一定的时间，即功率变化速度有一定的限制(如式2)。Pg,min≤Pg≤Pg,max(式2)△Pg≤△Pg,limit(式3)式中△Pg——功率的变化；△Pg,limit——功率变化的限制。下式为燃气轮机方程，方程中状态变量为发电机频率G，燃料调速器输出参数CEV，FW和燃料流量FdotWGGFGGGCEDrefFFdotFdotCEFFdotJDcWPbVcKDVK(式4)式4中a,b和c为燃料系统转移方程系数；KD为调速增益器；Fbc，Fcak，F为燃料系统反馈增益。上式可根据文献[3-4]中的公式和模型推导得到。微型燃气轮机的动态模型和集中式发电机组相似,可写成以下形式meRMdPPdtRm,inm,outR1PP1R(式6)式5中Pm——原动机功率；Pe——发电机输出功率；m,inP，m,outP——原动机的输入、输出功率；，R——发电机组送、受端的角速度；R——发电机的阻抗。在现代的分布式发电系统中，电力电子控制器可在多种模式下运行并为小型热力和发电系统的不同应用提供合适的运行方案[2]。1.并网运行电力电子转换和控制器可设计为并网运行工作模式。在这种模式下微型燃气轮机发电系统跟随电网电压和频率变化。可等效为可控的电流源。并网工作时微型燃气轮机主要起负荷跟踪和削峰填谷的作用。并网分布式发电系统包括同步、继电保护和凡孤岛等。为将微型燃气发电机系统与电网安全可靠地连接，可将上述功能直接集成在电力电子转换和控制器中（分布式发电系统中电力电子转换和控制器的主要作用），并可免去常规的发电技术中实现这些功能所需的昂贵笨重的外部设备。分布式发电系统中电力电子转换和控制器的另一个作用是在不需要任何外部设备的前提下，改善供电质量。例如电力电子转换和控制器在完成基本的有功功率控制的同时，可调节系统输出的无功功率，实现电压电压调节和功率校正。2.单机运行电力电子转换和控制器可以设计为单机运行工作模式，当系统在这种模式下运行时，整个系统相当与一个电压源，输出电流由负载的需要确定。当发电机处于单机运行模式时，采用电力电子器件可取得很多优点。可与调速电功机驱动相似，电力电子转换器可为负荷提供电压和频率可变的电能。3双模式运行电力电子转转器既可工作于并网运行模式，也可工作于单机运行模式，还可设计成上述两个工作模式之间自动切换.微型燃气轮发电机电力电子转换器电力电子转换器电力电子转换器交流电网交流负荷蓄电池超级电容直流母线负荷电源（储能装置）4.蓄电池蓄电池作为分布式发电中的储能设备,主要有以下3个方面的作用:1)能够使得分布式发电机能够运行在一个比较稳定的输出水平,对系统起着稳定的作用;2)在利用太阳能发电的夜间或风力发电在无风的情况下DG单元不能正常运行时,起到过渡的作用。3)使得不可调度的DG发电单元能够作为可调度机组单元运行,实现与大电网的并行运行[5,6,7]。并且其成本低廉,原材料丰富,制造技术成熟,能够实现大规模生产,且销售渠道广,不仅可以短时间提供较大的冲击电流,而且便于电能的长期存储。分布式发电系统中，光伏系统和风力系统的主要缺点是其输出功率随着气象条件的变化而变化，并为间歇性的，为保证对负荷的连续供电，必须在分布式发电系统中安装电能储能系统。大型电力系统中，同步发电机组的旋转动能在维持负荷的动态平衡、减少系统频率的瞬时变化中起着重要的作用。但是在分布式发电系统中，由于发电机容量较小，因而其旋转动能也小。另外，光伏发电系统和燃料电池系统根本没有旋转动能，因此，如果分布式发电系统独立运行，则很难保证系统频率的动态稳定。分步式发电系统中能量存储系统的主要作用如下[2]：1）负荷调节作用：能量存储装置可在电力系统的负荷低谷期充电，负荷高峰期放电。2）负荷跟踪：超导储能系统、蓄电池储能系统和飞轮储能系统等通过电力电子接口，能够快速跟踪负荷的变化，从而减轻了大型发电机跟踪负荷的需要。3）系统稳定：储能装置输出的有功功率和无功功率的迅速变化，可有效地对系统中的功率和频率振荡起到阻尼作用。4）自动发电控制：具有AGC的储能装置可有效地减小区域控制误差。5）旋转动能存储：具有电力电子接口的储能装置可迅速地增加其电能输出，可作为电力系统中的旋转动能，减少常规电力系统对旋转动能的需要。6）VAR控制和功率因素校正：具有电力电子接口的储能装置，在快速提供有功功率的同时还可以提供迅速变化的无功功率。7）黑启动能力：储能装置可以为孤岛运行的分布式发电设备提供起动时需要的电能。8）增加发电设备的效率以减少其维护储能装置跟踪负荷的能力可使分布式电机运行于恒定输出功率状态，使其发电设备运行于高效率的运行点，从而提高了总的发电效率、发电设备的维护间隔和使用寿命。9）延缓了系统对新增输电容量的需要：在系统中适当的地区配置储能装置，在用电低谷期对它们充电，从而减少了输电线路的峰值负荷容量，有效地增加了输电线路的容量10）延缓了系统对新增发电容量的需求：当储能装置削平了负荷峰值后，即减少了系统对调峰机组的容量的需要。11)提高了发电设备的有效利用率：在用电高峰期，储能装置输出的电力可增加系统的总容量。分布式发电系统中如果启动大容量的电动机等负荷，蓄电池将快速充电，因此要求蓄电池在短时间内输出可能的最大功率。由电路理论可知，当负载电阻RL与电源内阻Ri相等时电源将输出最大功率，因此蓄电池输出的最大功率为2max4iiUPR由于Ui和Ri随着蓄电池的放电量的变化而变化，因此Pmax也相应地改变。电源内部消耗的功率为LLiRRR蓄电池的选择1.电压和电流2.充电和放电率以及持续时间3.充电和放电时的运行温度4.充放电次数5.费用、尺寸和重量的限制当考虑了蓄电池的上述参数时可按下述步骤1选择满足整个系统要求的蓄电池类型。2确定应串联的蓄电池的个数，满足对电压的要求3.根据负荷的大小确定蓄电池的放电容量4.根据所需要的的充方电次数，确定最大允许的放电深度5.将放电容量除以上述计算的允许放电深度即可得到蓄电池的总的容量6根据所需要的蓄电池的总的容量确定应并联的蓄电池组的数目7确定蓄电池的温升和冷却系统的需要设计蓄电池的充、放电控制系统蓄电池的充电管理蓄电池充电时，能量管理系统主要监视蓄电池的充电状态、综合健康度和安全中断标准。主要监测的参数有：电压、电流和温度。当对蓄电池的所有状态检查完成后。蓄电池的充电定时器开始启动。如果检测到蓄电池超过临界安全值，则充电暂停，如果故障持续时间超过一定的值，则停止对蓄电池充电。正常的充电过程包含下述三个阶段1快速充电阶段在此阶段将对蓄电池充入80～90％的电能2渐减充电阶段在此阶段充电速率逐渐减小，直到蓄电池充满电。3涓流充电阶段当蓄电池充满后，采用涓流充电来补充蓄电池的自放电。快速充电和渐减充电停止的条件在蓄电池管理软件中预先设定，并与蓄电池的电化学反应和系统设计参数相匹配。例如，NiCd和NiMH蓄电池一般采用恒流充电，当测量到△U为负时即停止充电；而对于li-ion蓄电池，对于过充电非常敏感，因此采用恒定电压充电，使充电电流需要逐渐减小。IRECImin时间电流电压峰值电压检测O电流电流电压电压IREC电流最小电流检测UREC时间ONiCd和NiMH蓄电池恒流充电Li-ion蓄电池恒定电压充电4．燃料电池燃料电池发电不同于传统的火力发电，其燃料不经过燃烧，而是在催化剂的作用下直接将燃料与空气或氧气之类的氧化剂相结合，发生化学反应，在生成水的同时进行发电，因而其实质是化学能发电。燃料电池也不同于平时所说的干电池和蓄电池。燃料可以是氢气、碳氢化合物、天然气、甲醇甚至汽油等，尽管燃料电池在发电时有热损失，但在室温下它的转化效率仍能达到84%。到目前为止，使用最广的是氢－空气或氢－氧气型燃料电池。氢气是一种理想的无污染燃料，在所有燃料中，它具有最高的能量密度，燃烧后的副产品为纯净水。燃料电池可按电解质的性质分为许多类：聚合电解质膜电池(PEM)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、固体电解质燃料电池(SOFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，其中磷酸型燃料电池最接近商业化，新一代的熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池则被认为最值得推荐用于电力系统的发电[8]。燃料电池具有以下特点：(1)效率高且不受负荷变化的影响。(2)清洁无污染、噪音低；(3)安装周期短、安装位置灵活，可省去配电系统的建设。燃料电池与集中式机组相比较，它适应负荷变化的能力很强，当负荷在25%～100%范围内变化时，电池效率不受影响，而且跟踪负荷变化的速度很快，但是它的化学能是有限的，转化的电能越多，能量消耗得越快，即满足以下关系式：ignn1Pn≤E式中gnP——每个燃料电池组的功率；n——燃料电池组的个数；E——燃料电池的总功率。燃料电池的电压数学模型可参考文献[9]，其表示如下:2221/200HORT0HOTEElgnF