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分布式发电及微型电网技术研究应用现状及发展趋势国网电力科学研究院2009年4月主要内容-1-主要内容一、技术背景二、技术简介三、国内外研究和应用现状四、最新进展和技术发展趋势一、技术背景-2-1.最大可能地接纳分布式电源（DG）的接入2.智能电网的有机组成部分3.农村电气化4.提高供电可靠性：对电能质量有特殊要求的场合（个性化供电）5.提高电网整体抗灾能力和灾后应急供电能力6.提高能效-3-目的和意义应用前景1.各级电网：包括国家电网、区域电网、省网以及地方电网等，提供多级应对自然灾害的应急机制和实现农村电气化的平台。2.不同类别的工作部门：包括电力规划、电力调度、市场交易等，为各部门提供新的工作机制和平台。3.不同类别的行业部门：包括政府机关、消防、医院及军事等，为各重要负荷提供不间断供电，保证供电可靠性。4.研究单位：作为微电网技术体系理论及应用的一个新的研究分支。二、技术简介-5-微网是以分布式发电技术为基础，以靠近分散型资源或用户的小型电站为主，结合终端用户电能质量管理和能源梯级利用技术形成的小型模块化、分散式的供能网络。微网是智能电网的重要组成部分，能实现内部电源和负荷的一体化运行，并通过和主电网的协调控制，可平滑接入主网或独立自治运行，充分满足用户对电能质量、供电可靠性和安全性的要求。-6-微网定义微电网基本结构微电网的结构示意图如图所示，它可能组成中压或低压配电网的一部分，负荷通过分布式电源供电。根据微电网的运行特性，微电网可能通过PCC连接到大电网并网运行，也可与之断开进入孤网运行模式（IsolatedGrid，IG）。当微电网并网的时候，微电网的运行和控制模式也在两种状态之间转换，即依赖于大电网的模式（GridDependent，GD）和独立于大电网的模式（GridIndependent，GI）。GD与GI模式的区别在于微电网与大电网之间是否有功率交换。微电网按照结构可以分为三种类型：片区微网、工商业微网、偏远地区微网微电网基本结构片区微网片区微电网有两种，一种是城市网络，另一种则是农村的馈线。前者主要用于城市的繁华地区，后者则用于农村电网的计划解列。片区电网的发展动力是停运管理和整合可再生能源发电的需求。片区微电网的主要作用在于降低温室气体的排放；提供对用户多种能源方式的供给；阻塞管理；延缓电力网络的升级等。另外，片区微电网能提供当地无功电压支撑和较高的电能质量等辅助服务。工商业微网微电网基本结构工商业微网的用户一般定义为关键负荷或者敏感负荷，即需要较高等级的供电可靠性和电能质量。该类微电网能够提供对多个工商业区域的负荷需求，如大学校园、购物中心或工业设备。该类微电网同样可以供给小型的居民负荷，如一组城市用房或者独立公寓，也可以成为居民区微电网。该类微电网能够提供便利且可靠的能量供给，并且能够提供用户定制的多种分布式电源供电。该类微电网的主要作用是提供较高的电能质量；提供不同水平的电能可靠性水平；整合CHP和需求侧管理。运行方式有GD、GI和IG，当大电网故障或者电能质量不满足要求、电价较高或者系统维修时从GI模式切换到IG模式。微电网基本结构偏远地区微网利用微电网对这些偏远地区微电网进行供电，可以利用可再生能源发电或其他分布式电源来形成孤立的电网或者独立的微电网来为偏远地区的居民或者商业用户供电或热。该类微电网的主要目的就是为偏远地区供电，并降低传统化石燃料的消耗。它具有如下好处：整合可再生能源发电、降低温室气体排放和需求侧管理。主要运行方式为IG。分布式电源与交流系统的连接逆逆逆逆逆逆逆逆LC逆逆逆逆逆逆逆逆逆逆逆模拟风机逆逆逆逆LC逆逆逆逆逆逆逆逆逆逆逆微型燃气轮机逆逆逆逆LC逆逆逆逆逆逆逆核心技术与关键设备核心技术：仿真分析（含微网的分析计算方法）、规划设计理论（微网的基本构成，根据地域等客观条件的不同，如何配置电源、负荷等）、计算理论、电源技术、保护与控制、运行与能量管理、信息与通信、定制电力、先期评估和后期评价（能源利用效率、炭排放、可靠性、电能质量）等。关键设备：分布式电源并网装置，分布式储能装置，控制、保护装置，微网快速分离开关，计量装置（智能电表），能量管理系统，通信系统，接地网等。三、国内外研究和应用现状-13-微网示范工程地理位置说明CERTS试验基地美国俄亥俄480V系统，包括3个60kWMT，有三条馈线，其中两条含有微电源并能孤网运行。这两条中的一条馈线上带有两个微电源，通过170m电缆间隔；另一条馈线上带有一个微电源，这样可以进行微电源并行运行的测试。该系统用于测试微电网各部分的动态特性。MadRiver公园美国范特蒙特6个商业和工业厂区，12个居民区，280kW、100kW发电机，30kWMT，PV。接入7.2kV配网。既可孤网运行，也可联网运行。LABEIN微网中心西班牙通过两个1000kVA和451kVA的变压器连接到30kV中压网络，0.6kW和1.6kW单相PV，3.6kW三相PV，2组55kW柴油机，50kWMT，6kW风力发电机；250kVA飞轮储能，2.18MJ超级电容，1120Ah和1925Ah蓄电池储能；55kW和150kW电阻负荷，2个36kVA电感负荷。用于测试联网运行时集中和分散控制策略及电力市场中的能量交易。Kythnos孤网希腊提供12户岛上居民用电，400V配网，包含6台光伏发电单元，共11kW，1座5kW柴油机，1台3.3kW/50kWh蓄电池/逆变器系统。目前只能孤网运行，研究目标是微网运行控制以提高系统满足峰荷能力和改善可靠性。目前国外已建成的微网示范工程EDP微型电力公司葡萄牙连接到400V低压网络的天然气站电网，具有80kWMT，多余电力可送往10kV中压网，或供当地低压农村电网（3.45-41.5KVA），既可联网运行也可孤网运行。MV/LV电力公司荷兰用于度假村，共四条380V馈线，每条长约400m。以光伏发电为主，共装335kW光伏发电单元。既可孤网运行，也可联网运行。主要用于含有储能系统的微网孤网运行性能的测试。Manheim微网德国慕尼黑位于居民区，包含六台光伏发电单元，共40kW；计划继续安装数台微型燃气轮机。将对基于代理的分散控制进行测试，并进行社会、经济效益评估。CESIRICERCA试验公司意大利米兰具有PV、MT、柴油机、MCFC等微电源，并配有蓄电池、飞轮等储能方式，可组成不同的拓扑结构，进行稳态、暂态运行过程测试和电能质量分析。BostonBarIPP加拿大该区域通过69/25kV变电站供电，通过60km的69kV线路连接到BCHydro高压系统。当地电力供应BostonBar有两台3.45MW水力发电机，峰荷为3.0MW。根据BCHydro的准则，进行孤网运行测试。Hachinohe计划日本八户污水处理厂配有3个170kW燃气轮机，50kWPV，发出电力通过5km的私营配线输送到4个学校、水利局办公楼和市政办公楼。学校内也有小型风机和PV，控制目标是6分钟内供需不平衡控制在3%以内。在测试过程中，该目标完成率为99.99%。在2007年11月孤网运行一周。美国微电网的研究2002年首次提出CERTS微电网的概念包括3条馈线A、B和C及1条负荷母线，整体呈辐射状结构馈线通过主分隔装置与配电系统相连，可实现孤网及并网运行模式的平滑切换IEEEP1547标准规定，在PCC处，微电网的各项技术指标必须满足预定的规范-16-美国微电网的研究CERTS微电网示范网络包括光伏发电、微型燃气轮机和燃料电池等微电源能量管理器：实现对整个微电网的综合分析控制潮流控制器：实现对微电源的就地控制示范了对三类不同供电质量要求的负荷的个性化微电源供电方案连接在馈线A上的敏感负荷采用光伏电池供电连接在馈线C上的可调节负荷采用燃料电池和微燃气轮机混合供电连接在馈线B上的可中断负荷没有设置专门的微电源，直接由配电网供电-17-美国微电网的研究CERTS微电网的关键特性系统故障时候能孤网运行，系统恢复后自动并网，从而实现各种工况下对用户的持续无差别（特指电能质量）供电将用户和分布式电源集成，对系统而言是一个独立自治的单元“对等”概念（peer-to-peer）：各个元件地位对等，不存在主控制器或中心储能单元“即插即用”概念（plug-and-play）：各个微电源可以在微电网的任一点接入而无须改变微电网的控制策略-18-美国微电网的研究现有成果在试验系统上测试了暂态过程中（与主网断开及孤网状态下的负荷变化）控制系统的鲁棒性，既能控制ＤＧ的出力，又能控制线路的潮流得到了一个试验系统中柴油机组的控制方法-19-美国微电网的研究CERTS微电网概念的拓展在DG附近配置储能系统，有利于维持系统功率平衡仿真验证了储能系统和电力电子接口控制策略的有效性-20-欧洲微电网的研究Microgrid计划（2001-2005）由欧盟7个国家、14个组织合作开展将微电网定义为含有小型分布式发电的低压配网，侧重单个微电网的运行目前已初步形成了微电网的运行、控制、保护、安全及通讯等理论，并在实验室微电网平台上对这些理论进行了验证-21-欧洲微电网的研究分层管理和控制系统微电网通过位于中压/低压变电站的微电网中央控制器（MGCC）进行管理和控制，MGCC具有经济性管理和控制等功能系统的第二层，控制器位于负荷侧（负荷控制器，LC）或微电源侧（微电源控制器，MC），它们之间通过MGCC交换信息，而MGCC通过设定LC和MC的参考点控制微电网的运行-22-欧洲微电网的研究MoreMicrogrids计划：2006-2010其参与国家增加到11个，组织达到22个包括微电网、储能、风力发电、小水电、CHP、小型柴油机和可切除负荷等目的在于通过开发和延伸微电网的概念促进分布式电源与可再生能源的大规模接入以及传统电网向智能网络的过渡主要研究先进的微电源控制技术、网络设计、多微电网运行管理、技术和商业协议的标准化、示范系统现场测试及其对电力系统的影响等-23-欧洲微电网的研究建设了一系列的微电网示范系统，对孤网和并网状态下运行特性进行了测试，目前已得到电能质量、信息和通讯技术及社会经济效益等方面的结果-24-日本的微电网研究日本：NEDO建设了微电网示范工程，包括含多种可再生能源的区域电网、含有多个DG的配网设备和提供不同电能质量的新型电力网络以及进行功率控制的并网太阳能和风力发电系统目前得到了一系列的并网和孤网的运行结果-25-四、最新进展和技术发展趋势-26-微电网的运行机理及稳定性分析微电网的精细建模及数值仿真技术微电网的运行机理分析并网、孤网及相互切换过程黑启动稳定性分析静态稳定、动态稳定和小干扰稳定性分析-27-微电网的控制微电源的控制策略微电网的控制结构：分层控制并网控制策略孤网控制策略并网-孤网相互切换控制策略微电网的能量管理1.下降曲线控制微电源控制器：基于本地信息传统控制方法P-f下降曲线Q-V下降曲线3sin23(cos)2pppVEVEPXVQVEX-29-2.功率管理策略（PMS）功能有效地在微电源之间分配负荷的有功和无功功率需求对于系统运行方式变化引起的扰动快速响应决定微电源的最终功率参考值以平衡功率和恢复频率使孤网运行的微电网与大电网重新同步-30-2.功率管理策略（PMS）目标微电源之间的负荷分配要满足系统总功率损耗最小考虑每个微电源的特殊要求，如微电源的类型，发电成本，原动侧时间特性，维修周期和对环境的影响维持系统的电能质量，如电压波动和谐波污染在一定的范围内改善系统的动态响应，在暂态过程中保持较高的稳定裕度，并具有电压和频率恢复特性-31-3.能量管理系统（EMS）集中方法通过微电网的EMS来执行优化功能并对微电源和可控负荷的最新参考值进行通讯分散方法基于利用微电源本地信息的微电源控制器来实现的能量管理智能控制方法-32-微电网的保护难点在孤网和并网两种运行工况下均能对微电网内部故障做出响应并网时快速感知大电网故障保证保