分布式发电与微电网技术

3RURALELECTRIFICATION智能电网专栏SmartGrid2010年第10期 总第281期编者按：2010年是国家电网公司坚强智能电网规划试点阶段的关键一年，是积累经验、实现突破、为第二阶段全面建设打好坚实基础的重要一年。为总结现阶段的工作经验，为今后智能电网建设打下坚实基础，本刊专门收集、整理了一些关于智能电网的文章，希望这些文章能够对大家的工作有所帮助，更加深刻的了解智能电网。1 分布式发电与微电网技术背景目前，世界各国都非常重视清洁能源的开发和利用，其中分布式发电应用发展迅速。截至到2009年底，全球光伏行业装机容量达到6 GW，年增长率达到30%。2009年全球风电装机容量为38.3 GW，年增长率为31.7%。随着人们对环境问题的日益关注和高效小容量发电技术的成熟，分布式电源数量及其在电力系统中所占的比重将越来越高。世界许多能源和电力专家认为大电网与分布式发电技术相结合能够节省投资、降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性，是21世纪电力工业的发展方向。分布式电源的接入使传统单电源辐射状配电网变成了一个遍布电源和负荷的多电源系统，并且在改变了配网结构的同时也改变了配网的潮流，从而对系统的运行和保护产生了一系列的影响。随着分布式电源应用的日益广泛，现有的分布式发电运行方式已经不能满足电网运营商、分布式发电所有者和用户的要求，微电网技术应运而生，并很快成为电网技术领域的研究热点之一。深入研究适用于智能微电网系统的关键技术和设备，具有很高的理论和应用价值。美国是最早开展微电网技术研究的国家，其微电网技术研究处于领先地位。美国电力可靠性技术解决方案协会（CERTS）提出了的微电网定义：微电网是一种由微型电源和负荷共同组成的系统，它可同时提供电能和热量；微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必要的控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等方面的要求。2 国内微电网技术研究现状在国内，微电网的研究尚处于起步阶段，在国家科技部“863计划先进能源技术领域2007年度专题课题”中已经包括了微电网技术。目前清华大学、中国科学院电工研究所、天津大学、河海大学、东南大学等单位相继开始了对微电网的研究。清华大学与辽宁高科能源集团合作，在国内率先将微电网应用到实际工程中，积累了丰富的实践经验和学术成果。中国科学院电工研究所的研究课题“分布式能源系统微型电网技术研究”获得了国家863高技术基金的资助。天津大学的研究课题 “分布式发电供能系统相关基础研究” 获得了国家973计划项目的资助。河海大学与英国格拉斯哥卡里多尼亚大学有着密切的学术合作交流，并共同开展微电网的研究，同时与日本广岛大学合作，在微电网领域共同开展了许多研究。3 微电网研究关键技术3.1电力电子技术电力电子技术是分布式发电和储能技术的关键技术之一。清洁能源如风能、太阳能，需要通过电力电子装置向电网输出电能。在微电网工程应用中，需要研究适用于微电网的电力电子技术，开发微电网专用电力电子设备，如电流和电压型并网逆变器、并网静态开关和电能质量控制装置。光伏电池、风机、燃料电池、储能元件、高频燃气轮机都需要通过电力电子装置与电网系统相连。这些变换器既可能是交流-交流装置，也有可能是直流-直流装置，还有可能是逆变器。电力电子装置与传统的旋转发电机组有很大不同，具有响应速度快、惯性小、过流能力弱等特性，这使得微电网系统管理的控制方式比常规发电更加复杂，要求处理时间更快。适用于微电网的电力电子装置，除了具备常规电力电子装置逆变和电能变化功能，还需要具备有功-频率调节、无功-电压调节和谐波补偿功能。静态开关置于微电网与主网间的公共连接点。在主网故障、IEEE 1547定义的事件或电能质量时，静态开关使微电网在孤岛运行状态。在上述状态消失时，能恢复与主网连接。静态开关不同于常规电力继电器，需要具备控制处理功能及测量保护功能。静态开关实时监测主网和微电网相关状态量，在微电网与主网同步时闭合，减少对微电网系统冲击等。分布式发电与微电网技术刘国敬，宁夏电力公司曹远志，吴福保，刘爱华，国网电力科学研究院3RURALELECTRIFICATIONSmartGrid智能电网专栏2010年第10期 总第281期电能质量控制装置在微电网系统中起到稳定电能质量，保持微电网电压、频率或功率因数等稳定，吸收微电网中谐波等。电能质量与微电网可靠性紧密联系，对敏感型负荷有重要经济价值。3.2通信技术由于在微电网中使用大量的电力电子装置，微电网故障扩散的速度比常规电网更快，也极易在微电网系统内部引起连锁反应。应用在微电网中的通信技术要求具备更高的通信速率、更高的可靠性和更快的处理能力。微电网系统内部分层分区，需要采集系统层、功能模块层和单元模块层的信息，并相互通信。微电网内部需要容纳不同类型的发电设备和用电负荷，要求开放、标准化和低复杂性的通信协议。3.3微电网管理和保护技术微电网系统一般容量相对较小，在孤岛状态运行时对发电设备发电量和负荷波动较为敏感，抗扰动能力差。随着新能源应用规模不断扩大，微电网系统中需要有能量管理单元，对系统进行有效地运行控制与能量优化管理，保证系统稳定可靠运行，提升新能源产业的经济效益。微电网的运行方式与所处的电力市场和能源政策、系统内部分布式电源类型和渗透率、负荷特性和电能质量的约束有关。微电网可以根据上网电价的高低，在电网用电高峰时段向电网输出电能，在用电低谷时段从电网获取电能，获得良好的经济收益。微电网承受扰动能力较弱，在分布式发电所占比例较大时，需要对用电负荷、发电单元和储能单元进行管理和控制，抑制风能、光伏等新能源发电波动和负荷需求波动，维护系统稳定，保障用户用电需求。微电网既可以作为独立用电单元，也可以作为负荷，参与外部大电网协调控制。微电网其中包含大量的电力电子装置，可以为电网提供频率稳定、电压稳定、调节电网功率平衡等服务。在微电网中能量是可以双向流动的，同时微电网中总线既可以是交流总线、直流总线或两种混合型。微电网可以运行在并网或孤岛两种模式下。这都决定微电网系统的保护控制与常规电力系统中的保护和控制在方法、策略上有很大不同，需要研究微电网故障诊断算法与控制保护系统。4 存在问题和发展方向目前国内对微电网的研究取得一定的进展，但与欧洲、美国及日本等由研究机构、制造厂商和电力公司组成的庞大研究团队相比，我国在研究力量和取得成果上仍存在较大差距，需要在以下几个方面进行努力。一是缺乏统一、规范的微电网体系技术标准和规范。目前国内尚无统一、规范的微电网体系技术标准和规范，很大程度上影响了微电网技术的研究和示范工程的建设。国际上主要的参考标准是2003年IEEE发布了《分布式电源并网标准》(IEEE 1547)，其中IEEE 1547.4：《分布式孤岛电力系统的设计、操作和集成指南草案》介绍了微电网中有计划孤岛的概念，一般也叫做“DR（Distributed Resource）孤岛系统”。其最新版为2008年7月的修订版。IEEE 1547.4涵盖规划和经营微电网主要考虑因素，包括：电压的影响、频率、电能质量、保护计划和修改、监测、信息交流和控制、客户负载要求，了解DR特点确定稳态和瞬态条件，发电机、储能设备、需求响应、切负荷、冷负荷重启、逆变器额外的功能之间的相互作用。 二是电力电子技术在微电网中的应用水平不高。微电网技术的发展与先进的电力电子技术、计算机控制技术、通信技术紧密相关。根据微电网的特殊需求，需要研究适用的电力电子技术并研制一些新型的电力电子设备，如并网逆变器、静态开关和电能控制装置。目前各种可再生能源接入电网的瓶颈尚未解决，适用于微电网系统的电力电子技术还在研究与开发中。三是微电网的保护控制技术尚不成熟。微电网的保护、控制技术研究包含微电网中电源与负荷的控制技术、微电网能量管理技术、微电网电能质量综合监控技术、微电网测控与通信规约、微电网安全与保护技术等。目前相关技术都是针对传统的配电网结构，如何在此基础上改造、优化、升级，需要成熟的微电网保护控制技术的支撑。四是微电网的运行分析决策技术急需深入研究。微电网的运行分析决策技术包含微电网与大电网的能量交换与协调控制技术，微电网的优化运行技术，含微电网的新型配电网经济调度技术，以及微电网的经济性评估和量化，目前这些技术都处于研究阶段，要实现产业化还必须结合实验室验证和示范工程的建设逐步深入。5 结束语根据国家电网公司中长期规划，预计到2020年，清洁能源占到整个电力装机容量的28.4%。微电网技术改变了传统的集中式供电方案，使清洁能源可以灵活和可靠的接入电网，是未来电网发展关键技术之一。世界上许多国家参与到微电网技术研究中，建立若干示范工程，但是对微电网的优化控制、监控和微电网对主网的支撑作用尚未完全研究透彻。微电网的发展在我国刚起步，适合中国国情的微电网有待相关专家学者进一步深入研究。（责任编辑：张峰亮）