分布式發(fā)電、微網(wǎng)與智能配電網(wǎng)綜述

1、分布式發(fā)電、微網(wǎng)與智能配電網(wǎng)綜述姓名 XXX學號 XXXXXXXXXX清華大學電氣一班1.分布式發(fā)電1.1 概念美國于1978年在公共事業(yè)管理政策法中將DG定義為:為滿足特定用戶需要或支持現(xiàn)有配電網(wǎng)的經(jīng)濟運行,以分散方式布置在用戶附近,發(fā)電功率為幾kW50MW的小型模塊式且與環(huán)境兼容的獨立電源。分布式發(fā)電是指利用各種可用和分散存在的能源,包括可再生能源(太陽能、生物質(zhì)能、小型風能、小型水能、波浪能等和本地可方便獲取的化石類燃料(主要是天然氣進行發(fā)電供能的技術(shù)。小型的分布式電源容量通常在幾百千瓦以內(nèi),大型的分布式電源容量可以達到兆瓦級。靈活、經(jīng)濟與環(huán)保是分布式發(fā)電技術(shù)的主要特點,但是,一些可再生

2、能源具有間歇性和隨機性等特點,使得這些電源僅依靠自身的調(diào)節(jié)能力難以滿足負荷的功率平衡,通常還需要其他內(nèi)部或外部電源的配合。分布式發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用對開發(fā)可再生能源起著促進作用,有利于減少環(huán)境污染,是非常清潔的發(fā)電方式,可以建立在居民區(qū)和商業(yè)中心.1.2 幾種主要的技術(shù)目前,比較成熟的分布式發(fā)電技術(shù)主要有風力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池和微型燃氣輪機等幾種形式。應(yīng)用較多的為熱電冷三聯(lián)供(CCHP,有時簡稱為CHP (Combined Heating &Power。風力發(fā)電是利用風力發(fā)電機組將風能轉(zhuǎn)化為機械能,再轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電方式。風力發(fā)電機的t要組成部分為支撐塔、風力渦輪、調(diào)相裝置、齒輪箱、發(fā)電機

3、以及速度測量和控制裝置等。風力發(fā)電的運行方式主要有兩種:獨立運行的供電系統(tǒng),解決規(guī)模小的社區(qū)用電問題:作為常規(guī)電網(wǎng)的電源,與電網(wǎng)并聯(lián)運行。雖然風電技術(shù)難度高,成本高,受風的影響很不穩(wěn)定等問題比較突出,但由于風能是一種可以加以利用的可再乍能源清潔無污染。不產(chǎn)生有害氣體和廢棄物,因此風力發(fā)電越來越受到世界各過的重視。光伏發(fā)電系統(tǒng)直接將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?不需要熱力發(fā)動機,其輸出功率范圍為微瓦級到兆瓦級。發(fā)電裝置由固態(tài)半導體電子器件組成,重量輕,采用模塊化的結(jié)構(gòu),所以光伏系統(tǒng)適用于其他分布式發(fā)電技術(shù)不能實現(xiàn)的環(huán)境(如安裝于居民建筑物上,但缺點是投資大,成本太高。近年來,隨著光伏電池成本的下降以及對可再

4、生能源利用的重視,光伏發(fā)電也開始用于并網(wǎng)運行。特別是嵌入到建筑物頂上的光伏發(fā)電系統(tǒng),可直接連到用戶的低壓電網(wǎng)上去使總體造價降低,具有廣闊的應(yīng)用前景。在美國和日本的一些地區(qū),已經(jīng)有由屋頂式光伏電池發(fā)電設(shè)備聯(lián)成的光伏發(fā)電系統(tǒng)與當?shù)仉娋W(wǎng)相聯(lián)。燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化為電能的裝置。按電解質(zhì)的性質(zhì)町將燃料電池分為許多類:聚合電解質(zhì)膜電池、堿性燃料電池、磷酸型燃料電池、固體電解質(zhì)燃料電池和熔融碳酸鹽燃料電池等。其能量轉(zhuǎn)化效率可達40%至60%,有害廢物排放可以忽略,運行時無噪聲?？芍苯影惭b在居民區(qū)。由于其所具有的特點,以及起容鼉上的可塑性、高效率和模塊化設(shè)計,使之特

5、別適合在分布式發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用。但燃料電池要廣泛應(yīng)用到分布式發(fā)電系統(tǒng)中仍有很多挑戰(zhàn)和技術(shù)問題需要克服,如生產(chǎn)以氫為燃料的燃料電池,如何通過增加起制造容量來減少其發(fā)電費用。傳統(tǒng)電廠將燃料轉(zhuǎn)換為電能后,往往拋棄了大量多余的熱能。由于分布式發(fā)電具有與負荷相適應(yīng)的規(guī)模與位置,能夠合理經(jīng)濟地回收這些熱能,用戶需利用自身設(shè)備內(nèi)或附近的熱冷電三聯(lián)供系統(tǒng)就能同時獲得熱能和電能。它主要是利用十分先進的燃氣輪機或燃氣內(nèi)燃機燃燒潔凈的天然氣發(fā)電,對做功后的余熱進一步回收,用來制冷、供暖和生活用熱水。使用能源主要為天然氣,也有少量使用石油氣、沼氣和煤層氣等。熱電冷三聯(lián)供主要有區(qū)域式(DCHP和樓宇式(BCHP兩種。2.

6、微網(wǎng)2.1 概念微網(wǎng)是指由分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負荷和監(jiān)控、保護裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng),是一個能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護和管理的自治系統(tǒng)。既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行,也可以孤立運行。從微觀看,微網(wǎng)可以看做是小型的電力系統(tǒng),它具備完整的發(fā)輸配電功能,可以實現(xiàn)局部的功率平衡與能量優(yōu)化,它與帶有負荷的分布式發(fā)電系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別在于同時具有并網(wǎng)和獨立運行能力。從宏觀看,微網(wǎng)又可以認為是配電網(wǎng)中的一個“虛擬”的電源或負荷。2.2 微網(wǎng)的分類具有并網(wǎng)和獨立兩種運行模式。在并網(wǎng)工作模式下,一般與中、低壓配電網(wǎng)并網(wǎng)運行,互為支撐,實現(xiàn)能量的雙向交換。在外部電網(wǎng)故障情況下,可轉(zhuǎn)為獨立運行模式,繼

7、續(xù)為微網(wǎng)內(nèi)重要負荷供電,提高重要負荷的供電可靠性。通過采取先進的控制策略和控制手段,可保證微網(wǎng)高電能質(zhì)量供電,也可以實現(xiàn)兩種運行模式的無縫切換。不和常規(guī)電網(wǎng)相連接,利用自身的分布式能源滿足微網(wǎng)內(nèi)負荷的需求。當網(wǎng)內(nèi)存在可再生分布式能源時,常常需要配置儲能系統(tǒng)以保持電源與負荷間的功率平衡,并充分利用可再生能源。這類微網(wǎng)更加適合在海島、邊遠地區(qū)等地為用戶供電。2.3 微網(wǎng)的技術(shù)微網(wǎng)工程的建設(shè)需要充分的技術(shù)和經(jīng)濟分析。相對于傳統(tǒng)電網(wǎng),微網(wǎng)建設(shè)運行更為復雜,需要考慮風/光/氣、冷/熱/電等不同形式能源的合理配置與科學調(diào)度,這使得微網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的不確定性和復雜度都大大增加。微網(wǎng)面臨著DG成本高、技術(shù)經(jīng)驗不足

8、、標準缺乏、行政政策缺乏以及市場障礙等一系列挑戰(zhàn),只有合理確定微網(wǎng)結(jié)構(gòu)及容量配置,才能保證微網(wǎng)以較低的成本取得最大的效益,進而達到示范、推廣的目的。聯(lián)網(wǎng)型微網(wǎng)與獨立型微網(wǎng)在優(yōu)化目標上有時存在一定差異。并網(wǎng)型的優(yōu)化目標為增大微網(wǎng)收益而獨立型的優(yōu)化目標為保證供電可靠性的前提下降低供電成本。目前微網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計方法及工具大多還處于探索階段。微電網(wǎng)靈活的運行方式與高質(zhì)量的供電服務(wù),離不開完善的穩(wěn)定與控制系統(tǒng)?？刂茊栴}也正是微電網(wǎng)研究中的一個難點問題。其中一個基本的技術(shù)難點在于微電網(wǎng)中的微電源數(shù)目太多,很難要求一個中心控制點對整個系統(tǒng)做出快速反應(yīng)并進行相應(yīng)控制,往往一旦系統(tǒng)中某一控制元件故障或軟件出錯,就

9、可能導致整個系統(tǒng)癱瘓。因此,微電網(wǎng)控制應(yīng)該做到能夠基于本地信息對電網(wǎng)中的事件做出自主反應(yīng),例如,對于電壓跌落、故障、停電等,發(fā)電機應(yīng)當利用本地信息自動轉(zhuǎn)到獨立運行方式,而不是像傳統(tǒng)方式中由電網(wǎng)調(diào)度統(tǒng)一協(xié)調(diào)。具體來講,微電網(wǎng)控制應(yīng)當保證:任一微電源的接人不對系統(tǒng)造成影響;自主選擇運行點;平滑地與電網(wǎng)并列、分離;對有功、無功進行獨立控制;具有校正電壓跌落和系統(tǒng)不平衡的能力。目前。已有3類經(jīng)典的微電網(wǎng)控制方法:1.基于電力電子技術(shù)的“即插即用”與“對等”的控制思想”;2.基于功率管理系統(tǒng)的控制方法;3.基于多代理技術(shù)的微電網(wǎng)控制方法。微電網(wǎng)的保護問題與傳統(tǒng)保護有著極大不同,典型表現(xiàn)有:潮流的雙向流通

10、;微電網(wǎng)在聯(lián)網(wǎng)運行與獨立運行2種工況下,短路電流大小不同且差異很大。因此,如何在獨立和并網(wǎng)2種運行工況下均能對微電網(wǎng)內(nèi)部故障做出響應(yīng)以及在并網(wǎng)情況下快速感知大電網(wǎng)故障,同時保證保護的選擇性、快速性、靈敏性與可靠性,是微電網(wǎng)保護的關(guān)鍵,也是微電網(wǎng)保護的難點。傳統(tǒng)的電流保護顯然無法滿足微電網(wǎng)保護的特殊要求。目前,針對單相接地故障與線間故障,有學者提出了基于對稱電流分量檢測的保護策略。該方法以超過一定閾值的零序電流分量和負序電流分量作為主保護的啟動值,將傳統(tǒng)的過電流保護與之結(jié)臺可取得良好的效果。雖然國際上已有學者研制出微電網(wǎng)保護的硬件裝置,但人們?nèi)栽趯Ω油晟频谋Ｗo策略進行積極探索。發(fā)電機和負荷容量

11、對保護的影響、不同類型發(fā)電機(如基于變流器和不基于變流器對保護的影響及微電網(wǎng)不同運行方式和不同設(shè)計結(jié)構(gòu)對保護的影響等問題都是微電網(wǎng)保護策略研究中所關(guān)注的重點。能量的不確定性和時變性強,決定了微網(wǎng)系統(tǒng)的能量管理與分布式電源優(yōu)化調(diào)度方法與大電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度將會有很大不同。需要使用集中調(diào)度與分散控制,進行微網(wǎng)優(yōu)化運行與能量管理。集中調(diào)度可以分為:1.以經(jīng)濟性為目標微網(wǎng)運行優(yōu)化模型;2:以環(huán)境效應(yīng)為目標微網(wǎng)運行優(yōu)化模型3:考慮多目標情形優(yōu)化模型。分散控制目標函數(shù)約束條件與集中調(diào)度時類似,通過代理之間的通訊和協(xié)調(diào)完成系統(tǒng)的優(yōu)化,目標需建立不同元件的代理模型。2.4電網(wǎng)在國外的研究概況與進展負荷的持續(xù)增長、

12、電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不斷老化、環(huán)保問題、能源利用效率瓶頸以及用戶對電能質(zhì)量的商標準要求,已成為世界各國電力工業(yè)所面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。微電網(wǎng)對分布式電源的有效利用及靈活、智能的控制特點,使其在解決上述問題方面表現(xiàn)出極大潛能,是許多國家未來若干年電力發(fā)展戰(zhàn)略的重點之一。目前,一些國家已紛紛開展微電網(wǎng)研究,立足于本國電力系統(tǒng)的實際問題與國家的可持續(xù)發(fā)展能源目標,提出了各自的微電網(wǎng)概念和發(fā)展目標。作為一個新的技術(shù)領(lǐng)域,微電網(wǎng)在各國的發(fā)展呈現(xiàn)不同特色。美國CERTS最早提出了微電網(wǎng)的概念,并且是眾多微電網(wǎng)概念中最權(quán)威的一個。美國CERTS提出的微電網(wǎng)主要由基于電力電子技術(shù)且容量小于等于500 kw的小型微電源與負

13、荷構(gòu)成,并引人了基于電力電子技術(shù)的控制方法。電力電子技術(shù)是美國CERTS微電網(wǎng)實現(xiàn)智能、靈活控制的重要支撐,美國CERTS微電網(wǎng)正是基于此形成了“即插即用”與“對等”的控制思想和設(shè)計理念。美國的微電網(wǎng)工程得到了美圍能源部的高度重視。2003年,布什總統(tǒng)提出了“電網(wǎng)現(xiàn)代化”的目標,指出要將信息技術(shù)、通信技術(shù)等廣泛引入電力系統(tǒng),實現(xiàn)電網(wǎng)的智能化。在隨后出臺的Grid 2030發(fā)展戰(zhàn)略中,美國能源部制定了美國電力系統(tǒng)未來幾十年的研究與發(fā)展規(guī)劃,微電網(wǎng)是其重要組成之一。在2006年的美國微電網(wǎng)會議上,美國能源部對其今后的微電網(wǎng)發(fā)展計劃進行了詳細剖析”。從美國電網(wǎng)現(xiàn)代化角度來看,提高重要負荷的供電可靠性

14、、滿足用戶定制的多種電能質(zhì)量需求、降低成本、實現(xiàn)智能化將是美國微電網(wǎng)的發(fā)展重點。CERTS微電網(wǎng)中電力電子裝置與眾多新能源的使用與控制,為可再生能源潛能的充分發(fā)揮及穩(wěn)定、控制等問題的解決提供了新的思路。從電力市場需求、電能安全供給及環(huán)保等角度出發(fā),歐洲于2005年提出“聰明電網(wǎng)”計劃,并在2006年出臺該計劃的技術(shù)實現(xiàn)方略。作為歐洲2020年及后續(xù)的電力發(fā)展目標,該計劃指出未來歐洲電網(wǎng)需具備以下特點:1靈活性:在適應(yīng)未來電網(wǎng)變化與挑戰(zhàn)的同時,滿足用戶多樣化的電力需求。2可接人性:使所有用戶都可接人電網(wǎng),尤其是推廣用戶對可再生、高效、清潔能源的利用。3可靠性:提高電力供應(yīng)的可靠性與安全性以滿足數(shù)

15、字化時代的電力需求。4經(jīng)濟性:通過技術(shù)創(chuàng)新,能源有效管理、有序市場競爭及相關(guān)政策等提高電網(wǎng)的經(jīng)濟效益?；谏鲜鎏攸c,歐洲提出要充分利用分布式能源、智能技術(shù)、先進電力電子技術(shù)等實現(xiàn)集中供電與分布式發(fā)電的高效緊密結(jié)合,并積極鼓勵社會各界廣泛參與電力市場,共同推進電網(wǎng)發(fā)展。微電網(wǎng)以其智能性、能量利用多元化等特點也成為歐洲未來電網(wǎng)的重要組成。目前,歐洲已初步形成了微電網(wǎng)的運行、控制、保護,安全及通信等理論,并在實驗室微電網(wǎng)平臺上對這些理論進行了驗證。其后續(xù)任務(wù)將集中于研究更加先進的控制策略、制定相應(yīng)的標準、建立示范工程等,為分布式電源與可再生能源的大規(guī)模接人以及傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)的初步過渡做積極準備。

16、2.5電網(wǎng)在中國的發(fā)展前景目前,中國尚未提出明確的微電閼概念,但微電網(wǎng)的特點適應(yīng)中國電力發(fā)展的需求與方向,在中國有著廣闊的發(fā)展前景,具體體現(xiàn)在:(1 微電網(wǎng)是中國發(fā)展可再生能源的有效形式?！笆晃濉币?guī)劃已將積極推動和鼓勵可再生能源的發(fā)展作為中國的重點發(fā)展戰(zhàn)略之一。一方面,充分利用可再生能源發(fā)電對于中國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、保護環(huán)境、開發(fā)西部、解決農(nóng)村用能及邊遠地區(qū)用電,進行生態(tài)建設(shè)等均具有重要意義;另一方面,中國可再生能源的發(fā)展?jié)摿κ志薮?。?jù)專家估計,中國新能源和可再生能源的可獲得量是每年73億噸標準煤,而現(xiàn)在的每年開發(fā)量不足0.4億噸標準煤。中國制定的2020年可再生能源發(fā)展目標也已將可再生能源發(fā)

17、電的裝機容量定位為100 GW。然而,可再生能源容量小、功率不穩(wěn)定、獨立向負荷提供可靠供電的能力不強以及對電網(wǎng)造成波動、影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定的缺點將是其發(fā)展中的極大障礙。如前所述,若能將負荷點附近的分布式能源發(fā)電技術(shù)、儲能及電力電子控制技術(shù)等很好地結(jié)合起來構(gòu)成微電網(wǎng),則可再生能源將充分發(fā)揮其重要潛力。(2 微電網(wǎng)在提高中國電網(wǎng)的供電可靠性、改善電能質(zhì)量方面具有重要作用。中國的經(jīng)濟已進入數(shù)字化時代,優(yōu)質(zhì)、可靠的電力供應(yīng)是經(jīng)濟高速發(fā)展的重要保障。在大電網(wǎng)的脆弱性日益凸顯的情況下,將地理位置接近的重要負荷組成微電網(wǎng),設(shè)計合適的電路結(jié)構(gòu)和控制,為這些負荷提供優(yōu)質(zhì)、可靠的電力,不僅可省去提高整體可靠性與電能

18、質(zhì)量所帶來的不必要成本,還可減少這些重要負荷的停電經(jīng)濟損失,吸引更多的高新技術(shù)在中國發(fā)展。(3 微電網(wǎng)對于在中國發(fā)展熱電聯(lián)供有極大的指導意義。目前，中國已建立了許多熱電 聯(lián)供項目， 而微電網(wǎng)研究中的資源配置與經(jīng)濟優(yōu)化思想非常值得借鑒。 如何就近選擇合適容 量的熱力用戶與電力用戶組成微電阿， 并進行最佳的發(fā)電技術(shù)組合， 對于中國提高能源利用 效率、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、減少環(huán)境污染等具有重要意義。 (4 微電網(wǎng)與大電網(wǎng)間靈活的并列運行方式可使微電網(wǎng)起到削峰填谷的作用，從而使整 個電網(wǎng)的發(fā)電設(shè)備得以充分利用，實現(xiàn)經(jīng)濟運行。 此外， 對于中國已有的眾多獨立系統(tǒng)， 在系統(tǒng)中加入基于電力電子技術(shù)的新能源并配以

19、智能、靈活的控制方式，一方面可提高系統(tǒng)的智能化與自動化水平，另一方面也可為企業(yè)帶 來可觀的經(jīng)濟效益。 通過上述分析可以清楚地看到， 作為大電網(wǎng)的有效補充與分布式能源的 有效利用形式。 微電網(wǎng)已引起各國科學家的廣泛關(guān)注。 雖然將其實用化還有許多問題尚待解 決，但毫無疑問，微電網(wǎng)的發(fā)展?jié)摿κ志薮蟆?3.智能電網(wǎng) 3.1 概述 智能電網(wǎng)以實現(xiàn)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行， 降低大規(guī)模停電的風險， 使分布式電源得到有效 利用， 同時提高電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率以及用戶用電的效率、 可靠性和電能質(zhì)量為主要目標智能 輸電網(wǎng)立足于提高輸電網(wǎng)運行的安全性和穩(wěn)定性， 降低全網(wǎng)大規(guī)模停電的風險， 實現(xiàn)能源的 廣域優(yōu)化配置以及大型可再生能源的集約化開發(fā)。 智能輸電網(wǎng)的建設(shè)為智能配電網(wǎng)的實現(xiàn)提 了堅強的網(wǎng)架基礎(chǔ)，保證了智能配電網(wǎng)發(fā)展的可持續(xù)性。與智能輸電網(wǎng)一樣，智能配電網(wǎng)也 通過應(yīng)用各種先進的信息技術(shù)，實現(xiàn)電網(wǎng)的數(shù)字化、信息化、自動化和智能化，并最終實現(xiàn) 配電網(wǎng)與用戶間的互動，以滿足未來各種關(guān)鍵的技術(shù)需求，這包括：實現(xiàn)資產(chǎn)優(yōu)化提高運行 效率； 兼容各種分布式電源和儲能設(shè)備； 創(chuàng)造新的產(chǎn)品、 服務(wù)和市場； 實現(xiàn)用戶的積極參與； 提高配電網(wǎng)的安全性，電網(wǎng)故障時具有自愈功能；提高配電網(wǎng)的穩(wěn)定性，以靈活的運行方式 抵御各種物理破壞