区域能源系统优化配置

区域能源规划第九讲区域能源系统的优化和配置（三）1.区域能源系统优化配置的三大导向和思路2.分布式能源热电联产系统3.能源总线系统4.多能源互补系统5.能源互联网系统4.多能源互补系统目前，我国各类新能源的利用率还很低，由新能源造成的二次污染问题也成为制约新能源发展的主要障碍。根据各地具体能源构成方式，合理采用风能、太阳能和生物质能等可再生能源，构成多种能源互补的功能系统，实现电、热、冷联供，既能充分利用资源，提高能源利用率，又可以减少单一能源供电的劣势，缓解能源消耗给环境造成的压力。风光互补发电系统利用太阳能和风能在时间和地域上都很强的互补性，阳光最强时一般风很小；而在晚上没有阳光时，由于温差比较大，空气的流动导致风的形成。然而在晴天太阳比较充足而风会相对较少，在阴雨天气的时候，阳光很弱但是阴雨天气会伴随着大风，风资源相对较多。所以根据风光的互补特性，使用风光互补系统可以很好的解决无线通信系统的供电问题白天在有光照的情况下，电池板在阳光的照射下发生光电转换，产生电量，提供给负载工作的能量，同时将多余的能量储存到蓄电池中。在没有阳光照射而且没有风力的情况下，则蓄电池中的电量释放出来供给负载工作。在夜晚，叶片在风推动下发生将机械能转化为电能，产生电量，提供给负载工作的能量，同时将多余的能量储存到蓄电池中。在阴雨天气，叶片在风推动下发生将机械能转化为电能，产生电量，提供给负载工作的能量，同时将多余的能量储存到蓄电池中。实现了无缝隙供电概率较小风光互补发电系统的结构简图•风电系统是利用小型风力发电机，将风能转换成电能，通过控制器对蓄电池充电．再通过逆变器对用电设备供电的一套系统。•风电系统的优点是日发电量大、系统造价及运行维护成本低。•缺点是常规水平轴风力发电机对风速的要求比较苛刻。而且这个问题至今也一直没能有效地解决。•光电系统是利用光电板将太阳能转换成电能，通过控制器对蓄电池充电。再通过逆变器对用电设备供电的一套系统。•该系统的优点是供电可靠性高。运行维护成本低，但是系统造价高。风光互补的特点•(1)风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，使成本大大降低．同时可以设计逆变系统具有自动稳压功能，改善供电质量。•(2)风光互补系统关键的控制部分要根据日照强度、风力大小及负载的变化不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节。在发电量充足时把一部分电量供给负载，另一部分电能则存入蓄电池组中；当发电量不足时。由蓄电池组提供部分负载所需电能，从而保证了系统的稳定性与可靠性。•(3)由于风光互补系统的供电稳定性和保证率高，可以设计较低的光电阵列容量和蓄电池容量。使整个系统的成本下降风光互补发电系统的应用•无电农村的生活、生产用电•半导体室外照明中的应用•航标上的应用•监控摄像机电源中的应用•通信基站中的应用•抽水蓄能电站中的应用各式各样的风光互补路灯风光互补路灯视频监控系统风光互补发电系统工程成功案例广州亚运金山大道风光互补监控系统湖北汉宜高速风光互补监控系统珠海横琴岛风光互补监控系统青海格尔木风光互补监控系统福州森林防火风光互补监控系统茂名海上平台风光互补发电系统青岛奥运帆船中心风能路灯台湾风光互补路灯工程澳大利亚风光互补路灯工程其他国外风光互补工程风光互补发电系统的未来•1）中小型风力机与太阳能电池结合作为最合理的独立电源可开发更多的应用领域，包括风光互补便携式电源、风光互补泵水系统、风光互补增氧系统、风光互补供暖系统、风光互补海水淡化系统、风光互补景观照明系统等等。随着中小型风力发电机产品的多样化，风光互补独立供电系统在市政项目、边防哨所、偏远地区都有着极广的应用前景。•2）中小型风力发电机并网发电系统。大家都知道，德国和日本的太阳能屋顶计划大大促进了太阳能电池产业的发展。但在英国等阳光资源不好的国家，正在推广风力发电机屋顶发电计划。在家庭安装中小型风力发电机并网发电，可节省输配电系统，改善电网结构，是分布式电源的理想方式。在国外还作为夜间照明和独立供电来减少犯罪率的公共设施。家用燃料电池燃料电池作为21世纪的高科技产品，早已受到西方发到国家的重视，企业界也纷纷投入巨资从事燃料电池技术的研究与开发，均取得了重大进展，技术走向成熟，并在一定程度上实现了商业化，使得燃料电池即将逐步取代传统发电机和内燃机而广泛应用于发电和汽车上。MW级成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成，燃料电池汽车也已经开发出来，家庭用燃料电池也已经进入实用性试验，这充分显示了燃料电池所具有的广阔发展前景。1839年，英国科学家WilliamGrove设计出了第一款燃料电池，之后，燃料电池得到了广泛的研究。随着能源危机的出现，燃料电池更得到了进一步的关注。燃料电池和传统的内燃机比较，二者都是用化学燃料作为能源，但是在燃料利用率上，传统的内燃机只有约18%的效率，而燃料电池的效率可高达80%。燃料电池的组成和工作原理燃料电池的基本组成：阳极、阴极、电解质和外电路。燃料电池中的电解质有不同的种类。燃料电池的基本单元燃料电池的工作原理（以氢氧磷酸型电池为例）（1）氢气在阳极催化剂的作用下，发生下列阳极反应：（2）氢离子穿过电解质到达阴极。电子则通过外电路及负载也达到阴极。在阴极催化剂的作用下，生成水反应式为：（3）综合起来，氢氧燃料电池中总的电池反应为：伴随着电池反应，电池向外输出电能。只要保持氢气和氧气的供给，该燃料电池就会连续不断地产生电能。eHH222OHOeH222122OHOH22222燃料电池的特点燃料电池的能量转换效率高，不受卡诺效率限制。清洁、环保。燃料电池不需要锅炉、汽轮机等大型设备、没有SOx、NOx气体和固体粉尘的排放。可靠性和操作性良好，噪声低。所用燃料广泛，占地面积小，建厂具有很大灵活性。燃料电池的分类1、按燃料电池的运行机理分。分为酸性燃料电池和碱性燃料电池2.按电解质的种类不同，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质2.1碱性燃料电池（AFC）、2.2质子交换膜燃料电池（PEMFC）2.3磷酸燃料电池（PAFC）、2.4熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、2.5固体氧化物燃料电池（SOFC）、3.按燃料类型分。3.1氢燃料电池3.2甲烷燃料电池3.3甲醇燃料电池3.4乙醇燃料电池•低温质子交换膜燃料电池或磷酸燃料电池几乎可以满足私人居户和小型企业的所有热电需求。目前，这些燃料电池还不能供小型的应用，美国，日本和德国仅有少量的家庭用质子交换膜燃料电池提供能源。质子交换膜燃料电池的能源密度比磷酸燃料电池大，然而后者的效率比前者高，且目前的生产成本也比前者便宜。这些燃料电池应该能够为单个私人居户或几家居户提供能源，通过设计可以满足居民对能源的所有要求，或者是他们的基本负载，高峰时的需求由电力网提供。•为了有利于该技术的应用，可以用天然气销售网作为氢燃料源。当前，许多生产商预测在不久的将来便会出现其它燃料源泉，这有助于进一步降低排放，加速燃料电池进入新的理想市场。家用燃料电池的应用以热定电以热定电，就是以热需求(冷热负荷)确定电力驱动热泵的电力需求，使分布式能源热电联供系统综合效率达到200％以上。为区域能源系统的优化配置提供了有效的方案。5.能源互联网系统智能电网技术微网技术能源互联网智能电网是以物理电网为基础将现代先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网1硬件基础：电网和建立在集成的、高速双向通信网络。2软件基础：智能的控制技术，是指诊断电网状态，防止供电中断，改善电能质量扰动的装置和算法。工业化自动化信息化智能化¼¼现代社会发展的技术特征智能电网的定义•（1）2001年,美国电力科学研究院（EPRI）提出“Intelligrid”（智能电网）的概念，并于2003年提出《智能电网研究框架》展开研究；美国能源部（DOE）随即发布Grid2030计划,通过采用先进的材料技术、超导技术、电力电子技术，重点研究控制技术、广域测量技术、实时仿真技术、储能技术、可再生能源发电技术、微型燃气轮机发电技术等，以构建全美骨干电网、区域性电网、地方电网和微型电网（分布式电力系统）等多层次的电力网络，争取到2030年建成完全自动化、高效能、低投资、安全可靠、灵活应变的输配电系统，以保障大电网的安全性、稳定性，提高供电的可靠性及电能质量。•（2）2005年欧洲提出类似的“smartgrid”概念，2006年，欧盟智能电网技术论坛推出了《欧洲智能电网技术框架》，认为智能电网技术是保证欧盟电网电能质量的一个关键技术和发展方向，主要着重于输配电过程中的自动化技术•（3）我国在智能电网概念的提出方面虽然稍晚，但之前就在相关技术领域开展了大量的研究和实践。1999年进行的“我国电力大系统灾变防治和经济运行的重大科学问题研究”，就已经提出过“数字电力系统”的概念。近年来国内也在一直不断关注国内外智能电网方面的最新研究进展。•2007年10月，华东电网正式启动了智能电网可行性研究项目，计划建成具有自愈能力的智能电网。•2008年11月11日到13日，中美清洁能源合作组织特别会议召开，在会上开始使用“SmartGrid”，中国将之翻译为“智能电网”，并在国内统一推广这一概念，以指导相关研究的开展。•在2009年5月召开的“2009特高压输电技术国际会议”上，中国国家电网公司正式提出“坚强智能电网”的概念，并计划于2020年基本建成中国的坚强智能电网，正式拉开了中国坚强智能电网的研究与建设序幕。将来智能电网的功能特征目前将来激励/包括电力用户电价不透明，缺少实时定价，选择很少充分的电价信息，实时定价，有许多方案和电价可供选择提供发电/储能中央发电占优，少量分布式发电,储能或可再生能源大量“即插即用”的分布式电源补助中央发电（节能、环保）使市场化成为可能有限的趸售市场，未很好的集成成熟、健壮、很好集成的趸售市场满足电能质量需要关注停运，不关心电能质量电能质量需保证，有各种各样的质量/价格方案可供选择优化很少计及资产管理电网的智能化同资产管理软件深度集成自愈扰动发生时保护资产（保护跳闸）防止断电，减少影响抵御攻击对恐怖袭击和自然灾害脆弱具有快速恢复能力智能电网是促进电力行业全价值链生产、运行、经营各环节根本性转变的解决方案配电数据通信网络：覆盖配电网中所以节点的IP通信网，采用光纤、无线与载波等组网技术，支持各种配电终端与系统“上网”先进的传感测量技术：光学或电子互感器、架空线路与电缆温度测量、电力设备状态在线监测、电能质量测量技术先进的保护控制技术：广域保护、自适应保护、配电系统快速模拟仿真、网络重构等高级配电自动化（ADA)：配电运行自动化（SCADA、变电所自动化、馈线自动化）、配电管理自动化（配电GIS、设备管理、检修管理等）高级计量体系（AMI）：使用智能电表通过多种通信介质，按需或以设定的方式测量、收集并分析用户用电数据的系统智能电网——技术内容和功能并网技术（DER)：包括DER在配电网的即插即用以及微网技术。即插即用包括：DER高度渗透的配电网的规划建设、DER并网保护控制与调度管理、系统与设备接口的标准化等；微网指接有分布式电源的配电子系统。DER并网研究还包括有源网络技术，即分布式电源大量应用、深度渗透、潮流双向流动的网络DFACTS：柔性交流输电（FACTS）技术在配电网的延伸。包括电能质量与动态潮流控制。设备包括：静止无功发生器（SVC)、静止同步补偿器（STATCOM)、有源电力滤波器（APF）、动态不停电电源（UPS）、动态电压恢复器（DVR）、固态断路器（SSCB）、统一潮流控制器（UPFC)等故障电流限制技术：利用电力电子、高温超导技术限制短路电流微网技术由各种分布式电源/微电源、储能单元、负荷以及监控、保护装置组成的集合.可在并网运行和孤岛（自主）运行2种模式间切换通过相关控制装置间的协调配合，可以同时向用户提供电能和热能根据实际情况，系统容量一般为数千瓦至数兆瓦通常接在低压或中