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在用户侧的微电网中,我们有分布式电源,有储能系统,也有电力负荷。
把这三类“负荷”并联到用户侧的配电母线上,从电流方向的角度看,电源的电流方向由下至上,负荷的电流方向由上至下,而储能系统的电流方向是可上可下的。
(来源:微信公众号“黄师傅说电”)
但因为这些要素都是并联在用户配网内部的,从大电网的视角看,整个用户配网系统依然是一个“负荷”,不论这个系统中是否存在电源。
这就是用户侧的“负荷视角”,意思就是说只要是在这边并网的,那就全是负荷。
用电负荷还好说,本身就是在被动地受电;新元素储能系统,充电的时候就如同电力负荷。
但只能发电的分布式电源,和处于放电状态下的储能系统,如果也当成是“负荷”的话,好像很难让人理解。
这一点我们需要先规定好整个电力系统电流的参考方向,它并不是从大电源到大电网再到用户负荷这样的顺序,而是以电网为核心的四散状态。
不论是电源还是负荷,统一看向电网,也就是在大电网视角下一切皆是负荷。
那么从公共电网流出的电流为正向,向公共电网注入的电流为反向,这点从电能表计量数据的类目中就可以明确。
我们先看集中式光伏电站的计量,电站的出口通过一条专线并入公共电网变电站,计量点在变电站这边。
电表计量到的反向有功总电量才是电站的上网电量,而计量到的正向有功总电量是夜间光伏电站无法发电时,由电网提供给电站的站用电量。
再看用户侧,计量表安装在电网和用户的产权分解点处,没有安装分布式电源和储能时,电表计量正向有功总电量就是用户的用电量。
但随着以分布式光伏为代表的分布式电源并入用户侧,电表开始可以计量到反向有功总,这就是光伏的余电上网电量。
而对应在用户配网内部的光伏发电表,也是在反向有功总计量分布式电站的总发电量,而并非是正向有功总。
电流的正方向决定了电流互感器的安装方向,进而决定了电表中计量的正反向。
所以从结构上看,一个集中式的发电站,和一个分布式的用户侧微电网,如果从公共电网受电了,那就是正向有功总,而如果向公共电网注入电量了,那就是反向有功总,
储能接入位置的表计处理机制一样,正向代表充电量,反向代表放电量。
这样看似有些别扭的区分实则在进行电力系统分析时有它的好处,那就是统一方向,统一规则后,在一张矢量图上就可以囊括全部的元素。
绘制微电网矢量图
所谓矢量,就是向量,带有数值属性,也带有方向属性。
我们常见微网结构中的4个元素:网供电,分布式光伏,储能和负荷是共母线的,而这条母线类似于我们在电力市场中的“节点”,也就是说这4个元素也共一个节点电压。
在绘制微电网矢量图时,我们需要以这个“节点”电压矢量为基准,通常以一条水平向右的箭线作为电压矢量。
基于此我们就可以开始绘制各个元素的电流矢量。
以最简单的负荷画起,任何电力负荷不论多么复杂的结构,都是由电阻、电感和电容这三元件通过一系列串并联所组成。
所以负荷也最终总会抽象成纯电阻负荷、纯电感负荷、纯电容负荷、电阻+电感的阻感性负荷以及电阻+电容的阻容性负荷。
绝对不会存在电阻+电容+电感这样的负荷,因为容性和感性要么相互抵消中和谁也不剩,要么一方大于另一方,只留一类。
而对应到矢量图上:
纯电阻性,其电流矢量的方向和电压矢量相同,二者不存在任何夹角;
纯电感,电流矢量的方向滞后电压90°,也就是顺时针垂直于电压矢量;
纯电容,电流矢量的方向超前电压90°,也就是逆时针垂直于电压矢量;
阻感性,电流矢量的方向滞后电压一定角度,介于0~90°之间;
阻容性,电流矢量的方向超前电压一定角度,也是介于0~90°之间;
不论怎样,负荷的电流矢量始终是位于电压矢量垂线的右侧,不会出现在左侧。而二者之间之所以有夹角是因为负荷并非纯阻性,也就是负荷存在发出无功或者吸收无功的容性或者感性。
而分布式光伏的电流矢量一定会出现在这条垂线的左侧,其箭头方向与电压矢量相反,这也是其区别于电力负荷的地方,负荷用电的矢量方向和光伏发电的矢量方向是反向的。
而至于光伏的发电电流矢量是否会和电压矢量方向间有非180°的夹角,取决于光伏发电时是否要发出或者吸收无功功率,默认输出都是不含无功的,所以电流矢量和电压矢量刚好反向,夹角是180°。
储能的电流矢量处理要区分充放电状态,默认情况也就是不进行无功调节的情况下,充电时视为纯电阻负荷,电流矢量方向和电压矢量方向一致;放电时和光伏一致,电流矢量方向和电压矢量方向正好相反。
而在这个小系统里,根据基尔霍夫电流定律,同一个节点流入和流出的电流矢量和为零。
那么网供电流矢量就是光伏电流矢量、储能电流矢量和负荷电流矢量之和。我们就可以根据已知的负荷电流矢量、光伏电流矢量和储能电流矢量得出网供电流矢量。
这个矢量的方向代表目前网供电流是正还是负,也就是电网再向用户供电,还是用户再向电网反送电。而其与电压矢量之间的夹角就是网供电的无功状态,是在向负荷提供无功,还是在吸收负荷发出的无功。
以电压矢量的垂线为界,单看网供电流矢量,左侧代表上网,右侧代表下网,左侧代表电厂形态向电网注入功率,主交易;右侧代表电网形态从电网吸收功率,主运营。
四个元素矢量逻辑的约束,使得通过调整负荷矢量、电源矢量和储能矢量来达到控制网供电矢量的目的,因为不论从用电电费支出还是参与市场交易的角度,都是以用户侧和电网侧交换的网供电量为结算依据的。
这张稍显复杂的矢量图是整个微电网/虚拟电厂进行能量管理的基础,而控制的重点不仅在大小,也要在方向。
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