分布式发电、微网与智能电网-王成山

王成山王成山[e-mail]@tju.edu.cn2010年8月5日分布式发电、微网与智能电网天津大学电气与自动化工程学院天津大学电气与自动化工程学院分布式发电:DDistributedistributedGGeneration(eneration(DGDG))微网:MMicroicroGGrid(rid(MGMG))智能电网:SSmartmartGGridrid(SG)——““3G3G””发展面临的机遇与挑战发展面临的机遇与挑战分布式发电（分布式发电（DGDG））分布式发电系统（DG）:利用各种分散存在的能源进行发电的系统。如:„风能等可再生能源发电系统；„天然气为燃料的冷/热/电联供系统（简称：CCHP）优点：可利用丰富的清洁和可再生能源。缺点：一些可再生能源具有间歇性和随机性。优点：可利用丰富的清洁和可再生能源。缺点：一些可再生能源具有间歇性和随机性。海洋能海洋能其他形式其他形式新能源新能源太阳能太阳能天然气天然气风能风能生物质能生物质能分布式能源(分布—集中)分布式发电技术具有广阔的应用前景分布式发电技术具有广阔的应用前景„2007年：全球利用风力、太阳能等可再生能源发电的投资达到710亿美元（不包括大型水利发电）；(世界银行报告)„2020年：美国太阳能光伏发电将占发电装机增量的15%左右，累计安装量达到3600万千瓦；欧盟国家可再生能源发电量将占总量的30%；（美国能源部;德国乌帕塔尔气候环境与能源研究院）„2020年：我国风力发电3000万千瓦，太阳能发电180万千瓦，生物质能3000万千瓦。（《可再生能源中长期发展规划》，2007）„粗略估计，我国现有建筑物屋顶面积总计约400亿平方米，假设2%安装光伏，发电装机容量约为0.71-1.32亿kW，年发电量574-1086亿kW.h”，„国家能源局副局长吴吟在演讲中表示，“十二五”期间天然气消费比例将翻番，由目前在能源消费结构占4%的比重提高到8%，微型燃气轮机数量将大量增加。圆筒式光伏：12X182W平板式光伏：14kW多方向受光，美观，遮阳光伏板聚光光伏2kW，热水流过温度达到75度，可对聚光光伏降温。普通光伏板3kW光伏+热水彩色光伏板普通光伏板多晶，颜色影响效率，平均效率12%；不同效率光伏板串并联运行。光伏板透光板光伏板模块化组合结构SUNFLOWER大型电厂升压变配电变压器枢纽变电站配电变压器常规电网配电变压器工厂企业内燃机居民光伏电池燃料电池商业建筑商业建筑内燃机飞轮储能燃气轮机燃气轮机分布式电源接入常规电网并网运行，易满足负分布式电源接入常规电网并网运行，易满足负荷需求，有助于可再生能源高效和规模化利用荷需求，有助于可再生能源高效和规模化利用时间轴时间轴/h/h01234567891011121314151617180123456789101112131415161718192021222324192021222324KWKW100010002000200030003000400040000050005000负荷需求曲线负荷需求曲线DG输出功率DG输出功率常规电网补充功率差额常规电网补充功率差额分布式电源并网运行面对的问题分布式电源并网运行面对的问题电源特性决定：电源特性决定：„„不可调度（可再生能源）不可调度（可再生能源）„„功率波动（电源间歇性）功率波动（电源间歇性）„„需要备用（不提供备用）需要备用（不提供备用）双向潮流导致：双向潮流导致：„„电压调节电压调节„„保护协调保护协调„„能量优化能量优化分布式电源并网技术分布式电源并网运行方式分布式电源并网运行方式优点：接入方便，运行简单缺点：„系统故障退出运行„间歇性影响周边用户„能源综合优化困难„对电网运行调度提出了挑战上述缺点将制约了DG的发展以分布式电源（DG）为单元输电网络高压配网110KVGGGG中压配网35/10KV低压配网0.4KV负荷负荷DGDGDGDGDG微网（微网（MGMG））微网（MG）结构示意（能量交换，独立运行）太阳能太阳能储能储能装置装置风电光伏储能冷热电联供冷热电联供公共电网热、冷热、冷中央控制(Sorce:EPRI)典型的微网结构Source:IEEE1547.4„„可提高分布式电源的有效运行时间；可提高分布式电源的有效运行时间；„„电网灾变情况下重要用户持续供电；电网灾变情况下重要用户持续供电；„„可避免间歇式电源对周围用户影响；可避免间歇式电源对周围用户影响；„„可再生能源综合优化利用可再生能源综合优化利用；；„„…………经济与社会意义巨大经济与社会意义巨大!!微网方式运行的优点：微网方式运行的优点：欧盟微网示范工程—MVV地点：德国曼海姆示范目的—微网的社会认可—微网运行导则制定—微网经济效益微网组成—光伏，蓄电池—燃气轮机欧盟微网示范工程—Continuon地点：荷兰的Zutphen度假村，荷兰首个微网项目微网组成—380V，50Hz系统—335kW光伏，蓄电池—提供200幢别墅电力示范目的—联网孤岛自动切换—黑启动能力—维持孤岛运行24小时—蓄电池智能充放电管理欧盟微网示范工程—Bornholm地点：丹麦的Bornholm岛为欧盟微网示范平台唯一中高压微网示范目的—微网的黑启动—孤岛运行后与大电网重新并网美国微网示范工程—DUIT地点：加利福尼亚的SanRamon示范目的—分布式电源的高渗透率对配电网络影响的研究—微网的电压和频率调整—电能质量监测和分析—微网的继电保护日本微网示范工程—HachinoheEUCERT日本仙台三种典型微网结构天津大学的工作天津大学的工作((略略))„多种能源输入(光、风、氢、天然气等）„多种产品输出（电、冷、热）„多种转换单元（光/电、热/电、风/电；直流/交流）„多种运行状态（并网，独立）„一些电源的间歇性和随机性„认识微网复杂动态行为是揭示相互作用机理的基础问题1：微网运行特性太太阳阳能能储储能能装装置置风电光伏储能冷热电联供冷热电联供微网边界热、冷热、冷中央控制微网复杂性:问题2：微网优化设计问题3：微网保护与控制实时能量功率控制用户负荷间歇电源当前信息当前信息预测预测输入输出功率控制分布式电源控制负荷响应控制配网层面DG层面负荷层面问题3：微网保护与控制问题4：微网仿真(1)模拟仿真：依托实物(2)数字仿真：单纯算法(3)混合仿真：模拟+数字(1)多时间尺度仿真算法（速度+精度）(2)数字信号与功率级物理信号交接转化(3)物理建模的局限性+数字模型的可信性问题难度目的：全系统能源利用效率最大化。思路：在满足运行约束条件下，最大限度利用可再生能源，保证整个微网运行的经济性。在微网高渗透率情况下，通过对微网输出的有效控制，降低配电系统损耗。问题5：微网能量优化与管理能量损耗商品生物燃料就地的生物燃料地热天然气、丙烷和液体燃料热能存储热电联产电能向电网出售太阳能发电太阳能发热新型燃料汽车电能存储购买的能源其他能源仅电能冰箱和建筑制冷建筑用热热水仅燃气或液体燃料终端用户source:ChrisMarnay智能配电系统（智能配电系统（SGSG））IIntelligentntelligentIInteractiventeractiveIIntegratedntegrated——““33II””输电系统：„接有常规发电机组，地域广„输送电能，电压等级高„环网运行，停电影响大发/输/配投资：1/0.5/0.7（国际）1/0.23/0.2（中国）未来配电系统定会有众多微网存在未来配电系统定会有众多微网存在（高渗透率）（高渗透率）微网的存在，完全改变了配电系统的特征！许多与输电系统安全性、保护与控制等类似的问题同样需要关注，但由于二者功能、结构、运行方式等完全不同，关注的重点与研究方法截然不同。常规配电系统：„无电源接入，区块化„分配电能，电压等级低„损耗大，一般开环运行„停电频繁，影响用户可靠性输电系统发电系统高压配电系统中压低压配电系统MGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMG未来的中压配电系统„微网-燃料电池-微型燃气轮机-储能-光伏电池„储能装置„风力发电机„微型水电站„热电联产系统„小型柴油发电机„可切负荷„揭示相互作用机理是提高系统运行安全性的前提。„目前研究局限于案例分析和实验性结果，尚缺乏对相关机理的深刻认识。问题1：微网与配电网相互作用„微网作为可输入、输出功率的特殊电源分布于配电系统，微网间将会相互影响，进而影响电网的运行可靠性；„输电系统中的稳定性问题将在配电系统中存在，配网结构和微网特性的特殊性，决定了需要探讨新的稳定性分析理论和方法。MGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMG问题2：含微网新型配电系统的规划理论与方法规划工作：„空间负荷预测„变电站优化„配电网络优化„无功电源优化｛｛常规配网常规配网技术难度：„大量因素不可量化„电网规划具有维数灾„数学方法与经验结合„……﹜﹜原有困难原有困难„规划目的是建设的科学性，节省建设资金，保证电网可靠性。130113021301130813071307130613121311131010610513021301130513041303130213011301130413091308130313021307130613051304130313021301130113011304130313031302130113051304130213011303130313051302130413031302130113021301130713021306130513011301130413031302130113421341134013031302130613031302130513041303130213011301131213111310130913081307130613051304133913381337130613051304130313021301130113361335133413331332133113301329132813271326132513241323132213211320131913181317131613151314131113101313131213111303130213011301130113011306130513011309131013091308130713061305130413031302130113081304130313021301130513041307130613051304130313021301130313021301130313021301130213011301122112201209123812371224122312221236123512341233123212311230120612071206120512801279127812771276127512741273127212711270126912681289128812871286128512841283128212811280127912781277127612751274127312721271127012691268126712661265126412631262126112601259125812571256125512541253125212511250124912481247124612451244124312421241124012391238123712361235123412331232121312121211121012091208126612651264126312621261126012591258125712561255125412531252125112501249124812471246124512441243124212411240123912381237123612351213121212111210120912081207120612051204123412331232123112301229122812271226122512241220121