微电网技术现状及发展方向分析.doc

。微电网技术现状及发展方向分析摘要：伴随着智能电网建设的全面推进，未來的电网系统可通过能效电厂、智能变电站以及微电网来整合分布式电源，使得分布式电源能够平滑接入电网或独立运行，实现分布式电源与负荷的一体化运行，充分满足电力用户对供电可靠性、安全性和电能质量的要求。分布式发电有望成为能源系统中极其重要的组成部分，并在现代能源体系中发挥着越來越重要的作用。一般意义上说，分布式电源通常装设在用户侧，利用可再生能源或化石能源，并就地消纳所产生的能源，从而实现能源的梯级利用。它们具有经济效益好、能源利用效率高、节能环和发电方式灵活等优势，有利于实现能源体系的多元化清洁发展。关键词：分布式技术；微电网；方向；措施0引言近年来，随着电力市场改革巧伐的推进,以及低碳经济目标的细化，分布式电源得到迅速发展。与此同时，政府也陆续出台了多部政策支持分布式发电及并网的发展。本部分将简要概述分布式发电，并对我国分布式发电现状和分布式发电并网相关政策进行分析。在这种情况下，清洁能源和可持续能源的开发和利用被人们寄予厚望。近几年来，我国煤炭等常规能源严重紧缺，因为燃煤而导致的大气污染等环境问题也日益加重。以集中的、单一的供电方式为主要特征的电力系统引起的能源问题、环境问题越来越引起社会的广泛关注。寻求新型清洁能源和更加优化的电力系统结构已经成为当务之急。为了满足我国经济发展和环境治理的双重需要，在现有电网上大力发展分布式发电技术将是电力系统今后发展的必然趋势。1 发展微电网的意义随着终端用户用电多样性不断増加、供电可靠性要求不断提高，分布式电源应运而生。首先是在欧美发达国家推广应用，包括分布式风电、光伏、生物质能、燃气等清洁能源发电,一般发电功率在数千瓦至数百兆瓦。随着新能源发电技术的不断进步，分布式电源在能效和环保方面的优势逐渐凸显，吸引了越来越多的投资者,并网规模也随之增加。通常情况下，分布式电源反屈迅速，风电、光伏、小水电,以及储能设备等分布式电源肩停迅速，可以快速响应负荷需求，能够在大电网发生重大事故时发挥重要的作用。分布式发电1-3是利用各种可用和分散存在的能源，包括可再生能源（如太阳能、风能、生物质能、小水电、地热能等）和不可再生能源（如热电联产、微型燃气轮机、燃料电池等）进行发电，是分布式能源最清洁、最高效的利用方式。可再生能源大多处于广大的农村，因此分布式发电接入农村配电网是必然趋势。农村配电网作为配电网重要组成部分，具有配电线路长、分支结构复杂、负荷节点多且分散的特点，因此潮流计算较困难。并且分布式发电引入农村配电网后，改变了农村配单网的结构，对农村配电网的潮流、节点电压、网络损耗等都会带来影响，其影响程度与分布式发电的类型、接入位置和容量等密切相关4-5。王志群等6结合DG出力变化、接入位置变化等试验，总结了DG接入位置和出力限制方面的运行规律。刘磊等7采用电压变化率指标分析了DG接入前后各节点电压变化情况，得出DG在配电网中接入位置和注入容量的改变对配电网电压分布和网损的影响，但上述两个文献在潮流计算中都将DG作为PQ节点处理。陈海焱等8根据DG与配电网的3种接口形式，将DG化为3种节点类型，提出一种基于灵敏度矩阵补偿的直接潮流算法，但是没有对DG引入后配电网电压及网损进行详细分析。基于此，本研究根据各种DG的运行方式和控制特性的不同，将DG接入农村配电网的节点模型化分为3类：PQ型、PV型和PQ(V)型。以IEEE 33 节点配电系统为例，采用改进前推回代算法对这3 种类型DG接入农村配电网进行潮流计算，分析农村配电网中不同类型DG接入位置、容量变化对系统电压分布和网损的影响。分布式发电是指直接接入配电网或分布在负荷附近的、靠近用户侧安装的出力在几十千瓦到一百兆瓦之间的中小型发电装置9。它可以独立运行并且直接为用户提供电能,这在孤立、偏远地区比较常见。另外在一定条件下分布式发电也可以通过一些电力电子设备与配电网直接相连，从而实现并网供电10。分布式发电包括燃气轮机发电、小功率内燃机发电、燃料电池、风力发电、太阳能发电、小水电、海洋能发电、生物质能发电等等。它的主要分类形式有:是否与电网联结。独立不并网运行的分布式发电一般应用于孤立、偏远地区或者大电网没有覆盖到的地区。它们通常利用独立的电源,以风力或者柴油为动力发电。另外还有大量的分布式电源并网运行,比如热电联产、冷热电联产等。常规能源与可再生能源。根据发电一次能源来划分可以分为常规能源发电和可再生能源发电。常规能源发电包括利用油汽、柴油等燃料发电,可再生能源发电则包括利用风能、太阳能、水能潮汝能等发电。产品角度。从产品构成的角度来看,可分为简单的供电、热电联产和冷热电联产的方式。与简单的供电相比，冷热电联供系统可以显著提高系统的能源利用效率，同时也减少了对环境的污染，是一种分布式电源发展的主要发展方向11。2 分布式发电发展现状当前分布式发电主要包括以下3种运行方式:独立运行、备用运行以及与大系统并网运行。其中独立运行是指分布式发电可作为其独立电源供应电能；备用运行是将分布式发电作为有些敏感负荷的备用电源。但是更多的情况下，考虑到基于可再生能源的分布式发电的出力会受到自然条件的影响，可以将部分分布式发电作为备用电源并入当地配电网，以实现对当地用户负荷的电力补充,从而提高供电可靠性。目前，我国分布式发电和大规模并网仍处于起步阶段，总装机容量仍较低,且在新能源利用技术方面仍缺乏具有自主知识产权的核也技术。此外,分布式发电发展状况因地区经济条件和社会条件不同而存在不同程度的差异。随着分布式发电的快速发展，其渗透率不断增加时，将会对电网产生不利影响,电网能否在确保网络可靠、安全的基础上尽可能多的消纳分布式发电，如何激励电网企业积极消纳分布式发电,相关鼓励政策是否符合实际需要并发挥其推动作用，都是当前乃至未來一段时间需要解决的关键问题。欧洲发达国家和美国、日本等已开始研究并采用多种次能源形式的结合，探索大电网系统和分布式发电系统相互补的供电方式，以节省电网投资、降低能耗、提高系统安全性和灵活性。美国有6000多座分布式电源站，并计划到2020年将20%30%的建筑改由分布式电源供电；英国有1000多座分布式电源站；日本的分布式电站有500多家，总容量超过600万kW。目前我国电网还主要以大机组、大电网的集中供电为主，分布式发电在我国处于刚起步阶段，但分布式发电的特点十分适应中国电力发展的需求与方向。我国大力发展分布式发电具有非常重要的战略意义：利用可再生能源以解决能源与环保的问题；提高能源利用率，解决缺电地区的用电问题，为大电网提供补充和支撑。在适当的位置装设容量合理的分布式电源可以解决偏远地区的小负荷用电,有利于减少新的输电走廊和提高供电稳定性。这使得分布式发电在节能、环保、经济投资和电力系统安全稳定等方面都有贡献11。与传统发电形式相比,分布式发电具有以下特点：节能效果好。传统的发电能源构成模式单一，相比之下分布式发电可以同时提供热、电或者冷、热、电多种能源模式。能源利用率最高可达80%以上,是一般火电机组的二倍。另外,风力发电、太阳能发电、地热能以及潮汝能发电等利用天然可再生能源的分布式发电节约了地球上有限的不可再生资源,不会面临能源枯竭的问题12。环境负面影响小。风能、太阳能、地热能、潮汝能等可再生能源均为清洁能源,在发电过程中不会排放二氧化碳、二氧化硫、一氧化氮和二氧化氮等有害气体。这使得利用这些清洁能源发电的分布式发电具有良好的环保性能。此外，分布式发电靠近用户负荷，这也可以避免传输线的电磁效应。分布式发电比传统的大型发电厂投资成本低、风险小、占地少、施工周期短,更有利于尽快的解决电力能源短缺问题。可以降低网损。传统模式有约百分之十的网络损耗,在中国这一数字有时可髙达15%。分布式发电并网并且建在负荷中心附近的位置的可以减少输变电环节，降低线路损耗。提高供电可靠性。近年来电力需求急剧增长，大型发电厂建设的同时必然会带来电网的急剧膨胀。这使得供电的安全可靠和电网的稳定性不能得到保障。分布式电源的控制设备性能先进、开停方便、操作简单，可以灵活调节，能够大大提高供电网络协调的可靠性，以弥补其安全性和稳定性。此外，它还可以保持在地震、风暴、人为破坏等意外和灾害情况破坏了电网供电的情况下为重要的用户供电。服务的多样性。分布式发电可以提供冷气、热量、电能三种能源，可以根据用户的具体要求提供不同的温度水平的热与冷。开辟了可再生能源应用新方向。我国有丰富的可再生能源资源，但因为其密度低和分散性强难以集中应用。分布式发电为可再生能源提供了新的发展和利用方向。3 分布式发电技术对电网影响3.1 对电网质量的影响在分布式电源中，光伏电池、储能设备、微型燃气轮机以及大部分风力机等， 都不能直接产生工频电压，需要通过整流、逆变等电力电子器件来进行转换，这些器件会对电网的电能质量产生一定的影响。1)易造成系统的电压闪变。分布式发电的启动和停运易造成配电网电压闪变；分布式发电输出突然变化，以及与反馈环节的电压控制设备相互影响，也会直接或间接引起电压闪变。2)对系统产生谐波污染。逆变器开关器件频繁开通和关断，易对电网造成谐波污染。3)对系统稳态电压产生影响。集中供电配电网一般呈辐射状，稳态运行状态下沿馈线潮流方向电压逐渐降低。分布式发电并网后由于馈线上的传输功率减小以及分布式系统输出无功，沿馈线的各负荷节点处电压被抬高，导致一些负荷节点的电压偏移超过允许值。3.2 对继电保护的影响常规配电网的潮流是从电源到用户，单向流动，由于只有一个电源向故障点提供电流，因此清除故障只需要跳开系统侧的断路器就能完成。引入分布式电源后，配电网成为一个多电源系统，故障发生会引起短路电流大小和短路电流方向改变，因此要求其保护设备具有方向性。熔断器和传统的自动重合闸装置并不具备方向性，若用方向性继电器替换配电网中所有的熔断器和自动重合闸装置，经济性上不可行。常规做法是在发生故障情况时断开全部分布式发电单元，使系统恢复到分布式发电单元没有接入的结构，再采取传统的继电保护方法。3.3 对可靠性的影响如果分布式发电仅作为备用电源，可以提高电力系统供电的可靠性；但如果分布式发电与电网并联运行，就可能降低电力系统的可靠性。3.4 对潮流的影响传统配电网为辐射形网络, 线路潮流一般由电源侧指向用户端。当配电网中含有分布式电源时线路潮流的方向和大小与分布式发电容量、接入位置等因素有关。风力发电机多为异步发电机，运行需无功功率，会加重电网无功功率的负担，解决方法是就近安装无功补偿装置。4微电网相关问题及技术措施4.1 电能质量问题1)出现高电压问题。配电网馈线上分布大量用电负荷，其节点电压通常沿线下降。当馈线接入分布式电源之后，注入系统的功率会抵消负载电流，从而引起系统电压降落减小，特别是当负荷减小时，分布式电源接入处的电压会出现波峰， 甚至超过电压允许的波动范围。2)谐波污染问题。微电网中大量电力电子器件的应用，不可避免地给系统带来大量谐波，谐波的幅度和阶次受发电方式以及转换器工作模式的影响，同时对电压的稳定性和电压的波形都产生不同程度的影响。3)频率/电压闪变问题。在传统电力系统中，由于同步发电机具有较大的惯量，可通过频率的轻微变化满足负荷变动时的初始功率平衡，然后功率调节器使系统的频率恢复到额定值13；而在微电网中，由于大量DER的间歇性与不可控性，再加之大量电力电子器件的使用降低了系统惯性，在能量需求变化的瞬间DER无法满足负荷需求，对系统造成冲击和频率/电压闪变。4.2 微电网控制及能量管理问题1)并/离网控制问题。微电网合理控制是实现多种形式能源优势互补，最大程度利用能源的重要保证。微电网控制必须保证：系统在并网和孤岛运行方式下，都能维持系统各个节点的电压和频率稳定。平衡电源和负荷之间的暂时功率差额： 按照系统需求平滑自主地实现与主网分离、并列或是两者的过渡转化运行。2)微电网能量管理问题。微电网能量管理系统对微电网的便利性和高效性起着重要作用。早期微电网能量管理主要采用集中控制，随着技术的成熟，分散式控制逐渐成为了微电网能量管理控制结构的发展趋势，分散式控制使得分布式电源能够即插即用，大幅度提高了系统用电的灵活性；但由于微电网的特殊性， 微电网的能量管理依然面临一系列挑战14：微电网能量管理系统的设计需要考虑风电/光电等可再生能源的间歇性和可控负荷的时间和空间的不确定性；单一储能技术很难在技术性和经济性上满足微电网的需求，因此常需要多种储能技术来配合使用。多种储能技术的优化配合和联合调度将成为微电网能量管理的难点。4.3 微电网的保护传统配电网的保护系统相对较为简单，主要采用速断和过电流两种保护方式，含大量DER的微电网接入彻底改变了配电系统故障的特征，使配电网的故障无法及时、准确地切除，对配电系统稳定、设备健康状态造成破坏15-16。针对微电网的保护问题主要可归纳为3个方面：微电网内的DER与原有配电网保护的配合问题；微电网接入后对线路重合闸的影响；孤岛检测和逆功率保护问题。4.4 微电网中的储能技术储能装置在微电网系统中扮演着能量调节和后备电源的角色。微电网对于电能存储的要求主要有3个方面：保证稳定可靠的供电，如电压补偿、不间断电源等；提高新能源发电并网性能，如平抑风力，光伏发电等新能源发电输出功率的间歇性、波动性；提高电能利用效率的优化能量管理。显然一种储能元件很难同时满足这些要求，因此在微电网系统中需要采用多元组合储能17。鉴于中国储能技术还处于起步阶段，研发快速高效低成本的储能电池与对复合储能系统的优化控制将是微电网领域的重要课题。4.5 微电网并网标准微电网的接入改变了传统配电网的网络拓扑，并对接入点的电压、线路潮流继电保护以及网络可靠性等都将产生影响，且其影响程度与微电网的位置、容量、负荷特性等密切相关18-19；再加上国内微电网实际工程较少，微电网接入电网标准的制定相对滞后，因此研究制定微电网接入电网时的技术规定非常重要。对于分布式电源接入处的高电压问题，在负荷需求低谷时期限制分布式发电系统注入的功率或将富裕的电能储存于储能设备中；通过DG的电力电子接口装置调整其出口电压。开发更好的电力电子器件控制算法来补偿谐波。对于DER对系统造成冲击和频率/电压闪变问题对分布式电源采用独立回路供电；采用静止型无功功率补偿装置；装设分布式储能装置。鉴于中国储能技术还处于起步阶段，研发快速高效低成本的储能电池与对复合储能系统的优化控制将是微电网领域的重要课题。5 结束语智能微电网的出现一方面是随需求而生，另一方面也是随着分布式发电技术的发展而发展。因此，作为一种新兴能源利用方式，总会存在这样那样的问题。第一：分布式电源不是为并网设计的，并网时会引起电压调整、继电保护、短路电流水平、电能质量、潮流等问题。第二：分布式电源主要以私人行为或局部行为，以满足客户个体需求为主，容易给电网带来安全稳定问题。第三：风力发电、太阳能发电等分布式发电的随机性以及个体发电的随意性，使得接入分布式电源后，增加配电网调度与运行管理的复杂性。第四：对配电网规划和经营带来负面影响。由于大量的用户安装分布式电源，使得配电网规划人员难以准确地预测负荷增长情况，进而影响规划的合理性；同时，对于自备分布式电源的用户，电网企业为保证其自备电源停运时仍能正常用电，需要为其提供一定的备用容量，但增加了供电企业的设备投资与运行成本。在智能电网的建设背景下，高级量测体系(AMI)和通信技术提升了分布式发电技术，对大量DER通过微电网接入到配电网产生了深远影响。这些影响主要体现在以下几个方面。1)提高了风电/光电等可再生能源的可预测性。风电/光电等可再生能源发电产业受环境、气象等不确定因素影响较为严重，单一的预测方法不再满足要求，多种方式混合预测的方法将成为功率预测的发展方向。2)提高DER的稳定性与可控可调性。利用各种先进的管理技术和控制策略，对DER 实施有效的调控措施，提高DER 的可调可控性，对微电网系统采取有效的在线监控、状态估计、出力预测、短期调度等能量优化控制和管理。3)改善用电设备的负荷特性。作为电力系统瞬时平衡的主动方，用电设备的负荷特性及用户的负荷需求很大程度上决定着电网的安全稳定性。利用需求侧管理的措施激励用户主动参与电网互动，改善负荷的时间特性和负荷的频率/电压特性，促使负荷曲线平坦，有效地降低损耗，提高系统的运行效率和稳定性。参考文献：1 王守相,黄丽娟,王成山,等.分布式发电系统的不平衡三相潮流计算J.电力自动化设备,2007,27(8): 11-15.2 丁明,郭学凤.含多种分布式电源的弱环配电网三相潮流计算J.中国电机工程学报,2009, 29(13): 35-40 .3 代江,王韶,祝金锋.含分布式电源的弱环配电网络潮流计算J.电力系统保护与控制,2011,39(10):37-41,46.4 BORGES CARMEN LT, 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