分布式发电、微网与智能配电网的发展及挑战-王成山

分布式发电、微网与智能配电网 发展及挑战 分布式发电、微网与智能配电网 发展及挑战 王成山王成山 cswang 天津大学 电气与自动化工程学院天津大学 电气与自动化工程学院 分布式发电分布式发电: DDistributed istributed GGeneration (eneration (DGDG) ) 微网微网: MMicro icro GGrid (rid (MGMG) ) 智能电网智能电网: S Smart mart DDistribution istribution GGridrid (SDG) “ “3 3GG” ”发展面临的机遇与挑战发展面临的机遇与挑战发展面临的机遇与挑战发展面临的机遇与挑战 分布式发电（分布式发电（分布式发电（分布式发电（DGDG） 分布式发电系统（DG）:分布式发电系统（DG）: 利用各种分散存在的能源进行发电的 系统。如: 利用各种分散存在的能源进行发电的 系统。如: ?风能等可再生能源发电系统；风能等可再生能源发电系统； ?天然气为燃料的冷/热/电联供系统 （简称：CCHP ） 天然气为燃料的冷/热/电联供系统 （简称：CCHP ） 优点：可利用丰富的清洁和可再生 能源。 缺点：一些可再生能源具有间歇性 和随机性。 优点：可利用丰富的清洁和可再生 能源。 缺点：一些可再生能源具有间歇性 和随机性。 优点：优点：可利用丰富的清洁和可再生 能源。 可利用丰富的清洁和可再生 能源。 缺点：缺点：一些可再生能源具有间歇性 和随机性。 一些可再生能源具有间歇性 和随机性。 海洋能海洋能 其他形式其他形式 新能源新能源 太阳能太阳能 天然气天然气 风能风能 生物质能生物质能 分布式 能源 分布式 能源 (分布(分布集中)集中) 用户侧分布式电源的大规模接入用户侧分布式电源的大规模接入 大量可再生能源发电大量可再生能源发电(风电风电/太阳能发电太阳能发电)并入配 电网，不仅改变了配电网的运行模式，同时其 波动性对电网运行产生不利影响 并入配 电网，不仅改变了配电网的运行模式，同时其 波动性对电网运行产生不利影响 丹麦 德国 西班牙 丹麦 德国 西班牙 大型电厂升压变 配电变压器 枢纽变电站 配电变压器 大型电厂升压变 配电变压器 枢纽变电站 配电变压器 常规电网常规电网 配电变压器配电变压器 工厂企业工厂企业 内燃机 居民居民 光伏 电池 燃料电池 商业建筑商业建筑 商业建筑商业建筑 内燃机 飞轮 储能 燃气 轮机 燃气 轮机 分布式电源接入常规电网并网运行，易满足负分布式电源接入常规电网并网运行，易满足负分布式电源接入常规电网并网运行，易满足负分布式电源接入常规电网并网运行，易满足负 荷需求，有助于可再生能源高效和规模化利用荷需求，有助于可再生能源高效和规模化利用荷需求，有助于可再生能源高效和规模化利用荷需求，有助于可再生能源高效和规模化利用 时间轴时间轴时间轴时间轴/h/h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 180 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 2419 20 21 22 23 24 KWKW 10001000 20002000 30003000 40004000 0 0 50005000 负荷需求曲线负荷需求曲线 负荷需求曲线负荷需求曲线 DG输出功率DG输出功率 DG输出功率DG输出功率 常规电网补充功率差额常规电网补充功率差额 常规电网补充功率差额常规电网补充功率差额 分布式电源并网运行面对的问题分布式电源并网运行面对的问题分布式电源并网运行面对的问题分布式电源并网运行面对的问题 电源特性决定：电源特性决定：电源特性决定：电源特性决定： ? ? 不可调度（可再生能源）不可调度（可再生能源）不可调度（可再生能源）不可调度（可再生能源） ? ? 功率波动（电源间歇性）功率波动（电源间歇性）功率波动（电源间歇性）功率波动（电源间歇性） ? ? 需要备用（不提供备用）需要备用（不提供备用）需要备用（不提供备用）需要备用（不提供备用） 双向潮流导致：双向潮流导致：双向潮流导致：双向潮流导致： ? ? 电压调节电压调节电压调节电压调节 ? ? 保护协调保护协调保护协调保护协调 ? ? 能量优化能量优化能量优化能量优化 分布式电源并网技术分布式电源并网技术 分布式电源并网运行方式分布式电源并网运行方式分布式电源并网运行方式分布式电源并网运行方式 优点：优点：接入方便，运行简单接入方便，运行简单 缺点：缺点： ?系统故障退出运行系统故障退出运行 ?间歇性影响周边用户间歇性影响周边用户 ?能源综合优化困难能源综合优化困难 ?对电网运行调度提出了挑战对电网运行调度提出了挑战 上述缺点将制约了DG的发展 以分布式电源（ 上述缺点将制约了DG的发展 以分布式电源（DG）为单元）为单元 输电 网络 输电 网络 高压配网高压配网 110KV GGGG 中压配网中压配网 35/10KV 低压配网低压配网 0.4KV 负荷 负荷 负荷 负荷 DGDG DG DGDG 微网（微网（微网（微网（MGMG） 微网（MG）结构示意微网（MG）结构示意（能量交换，独立运行） 太阳能太阳能太阳能太阳能 储能储能储能储能 装置装置装置装置 风电风电 光伏光伏 储能储能 冷热电联供冷热电联供 冷热电联供冷热电联供 公共电网公共电网 热、冷热、冷 热、冷热、冷 中央 控制 中央 控制 (Sorce:EPRI) ? ? 可提高分布式电源的有效运行时间；可提高分布式电源的有效运行时间；可提高分布式电源的有效运行时间；可提高分布式电源的有效运行时间； ? ? 电网灾变情况下重要用户持续供电；电网灾变情况下重要用户持续供电；电网灾变情况下重要用户持续供电；电网灾变情况下重要用户持续供电； ? ? 可避免间歇式电源对周围用户影响；可避免间歇式电源对周围用户影响；可避免间歇式电源对周围用户影响；可避免间歇式电源对周围用户影响； ? ? 可再生能源综合优化利用可再生能源综合优化利用可再生能源综合优化利用可再生能源综合优化利用； ? ? 经济与社会意义巨大经济与社会意义巨大经济与社会意义巨大经济与社会意义巨大! ! 微网方式运行的优点：微网方式运行的优点：微网方式运行的优点：微网方式运行的优点： ? 多种能源输入多种能源输入 (光、风、氢、天然气等）(光、风、氢、天然气等） ? 多种产品输出多种产品输出 （电、冷、热）（电、冷、热） ? 多种转换单元多种转换单元 （光/电、热/电、风/电；直流/交流）（光/电、热/电、风/电；直流/交流） ? 多种运行状态多种运行状态 （并网，独立）（并网，独立） ? 一些电源的间歇性和随机性一些电源的间歇性和随机性 ? 认识微网复杂动态行为是揭示相互作用机理的基础认识微网复杂动态行为是揭示相互作用机理的基础 问题1：问题1：微网运行特性微网运行特性 太太太太 阳阳阳阳 能能能能 储储储储 能能能能 装装装装 置置置置 风电风电 光伏光伏 储能储能 冷热电联供冷热电联供 冷热电联供冷热电联供 微网边 界 微网边 界 热、冷热、冷 热、冷热、冷 中央 控制 中央 控制 微网复杂性微网复杂性: 问题2：问题2：微网优化设计微网优化设计 问题3：问题3：微网保护与控制微网保护与控制 实时能量 功率控制 实时能量 功率控制 用户负荷用户负荷 间歇电源间歇电源 当前信息 当前信息 当前信息 当前信息 预测 预测 预测 预测 输入输出 功率控制 输入输出 功率控制 分布式电 源控制 分布式电 源控制 负荷响应 控制 负荷响应 控制 配网层面配网层面 DG层面 负荷层面 层面 负荷层面 问题3：问题3：微网保护与控制微网保护与控制 ? 控制必须保证各状态间的平滑过渡；控制必须保证各状态间的平滑过渡； ? 必须保证微网并网与独立运行状态的电能质量要求；必须保证微网并网与独立运行状态的电能质量要求； ? 分布式电源的多样性、电源的间歇性等增加了困难性，而多 微网的协调控制更加困难； 分布式电源的多样性、电源的间歇性等增加了困难性，而多 微网的协调控制更加困难； 问题问题3：微网保护与控制微网保护与控制 目前采用防孤岛保护和控制，不允许微网独立运行，这将降低微 网的独特优势，尤其在大面积停电情况下，微网难以发挥作用。 目前采用防孤岛保护和控制，不允许微网独立运行，这将降低微 网的独特优势，尤其在大面积停电情况下，微网难以发挥作用。 DG DG DG DG 问题4：问题4：微网仿真微网仿真 (1)模拟仿真：依托实物 (2)数字仿真：单纯算法 (3)混合仿真：模拟+数字 (1)模拟仿真：依托实物 (2)数字仿真：单纯算法 (3)混合仿真：模拟+数字 (1)多时间尺度仿真算法（速度+精度） (2)数字信号与功率级物理信号交接转化 (3)物理建模的局限性 (1)多时间尺度仿真算法（速度+精度） (2)数字信号与功率级物理信号交接转化 (3)物理建模的局限性 + + 数字模型的可信性数字模型的可信性 问题 难度 问题 难度 目的：目的：全系统能源利用效率最大化。全系统能源利用效率最大化。 思路：思路：在满足运行 约束条件下，最大 限度利用可再生能 源，保证整个微网 运行的经济性。在 微网高渗透率情况 下，通过对微网输 出的有效控制，降 低配电系统损耗。 在满足运行 约束条件下，最大 限度利用可再生能 源，保证整个微网 运行的经济性。在 微网高渗透率情况 下，通过对微网输 出的有效控制，降 低配电系统损耗。 问题5：问题5：微网能量优化与管理微网能量优化与管理 能量损耗 商品生物 燃料 就地的生物 燃料 地热 天然气、丙烷 和液体燃料 热能存储 热电联产 电能 向电网出售 太阳能发电太阳能发热 新型燃料汽车 电能存储 购 买 的 能 源 其 他 能 源 仅电能 冰箱和建 筑制冷 建筑用热 热水 仅燃气或 液体燃料 终 端 用 户 source:Chris Marnay 发展趋势发展趋势: ?微网结构多样化微网结构多样化 简单微网简单微网复杂微网； 用户微网 复杂微网； 用户微网公共微网； 交流微网 公共微网； 交流微网直流微网直流微网混合微网。混合微网。 ?微网控制智能化微网控制智能化 能量互补控制；电源即插即用控制； 可调度控制；电能质量控制 能量互补控制；电源即插即用控制； 可调度控制；电能质量控制 ?微网概念扩大化微网概念扩大化 微网将成为智能配电系统重要部分微网将成为智能配电系统重要部分 ?微网功能复杂化微网功能复杂化 供电供电/热热/冷；直流冷；直流/交流；定制电力；风交流；定制电力；风/光光/气气/氢氢+储能（电储能（电/热热/冷）冷） 智能配电系统（智能配电系统（智能配电系统（智能配电系统（SDGSDG） I Intelligentntelligent I Interactiventeractive I Integratedntegrated “ “3 3I I” ” 未来需求：未来需求： ? 更高的供电可靠性更高的供电可靠性 ? 更优质的电能质量更优质的电能质量 ? 更好的兼容性更好的兼容性 ? 更强的互动能力更强的互动能力 ? 更高的电网资产利用率更高的电网资产利用率 ? 更加集成化的信息服务系统更加集成化的信息服务系统 智能配电系统技术研究方向：智能配电系统技术研究方向： （1）灵活多样化的智能配电系统结构及配电模式（1）灵活多样化的智能配电系统结构及配电模式 ? 网格状闭环配电系统运行结构网格状闭环配电系统运行结构 ? 交直流混合的配电模式交直流混合的配电模式 ? 灵活可控的配电系统运行模式灵活可控的配电系统运行模式 ?冷/热/电负荷需要综合考虑冷/热/电负荷需要综合考虑 ?可再生能源的间歇性随机性可再生能源的间歇性随机性 ?配电系统变为电力交换系统配电系统变为电力交换系统 ?分布式能源的多样性分布式能源的多样性 ? 规划工作：规划工作： ?分布式电源接入分布式电源接入 ?微网接入位置微网接入位置 ?电动汽车充电站电动汽车充电站 ? ?配电系统综合优化配电系统综合优化 新型配网新型配网新型配网新型配网 技术难度：技术难度： 附加困难附加困难附加困难附加困难 ?需要有助于可再生能源高渗透率接入，有助于高效运行需要有助于可再生能源高渗透率接入，有助于高效运行 MG MG MG MG MG MG MG MG MGMG MG MG MG MGMG MG MG MG 智能配电系统的规划理论与方法智能配电系统的规划理论与方法 （2）智能化配电设备及柔性配电技术（2）智能化配电设备及柔性配电技术 ? 智能化配电设备：智能化配电设备： （1）数字化处理+自我检测诊断+自适应控制+信息交互通信 （2）电气量信息+局放信息 （1）数字化处理+自我检测诊断+自适应控制+信息交互通信 （2）电气量信息+局放信息+噪音信息噪音信息+温度信息温度信息+ ? 柔性配电技术：柔性配电技术： （1）配电系统电能质量相关技术，如：静止无功补偿器（SVC）， 静止同步补偿器（D-STATCOM），有源滤波器（APF），动态电 压恢复器（DVR）等； （2）固态电力设备，如：电力电子开关、电力电子限流器、电力电 子变压器等； （3）柔性潮流控制技术，如：统一潮流控制器，潮流路径开关等。 （1）配电系统电能质量相关技术，如：静止无功补偿器（SVC）， 静止同步补偿器（D-STATCOM），有源滤波器（APF），动态电 压恢复器（DVR）等； （2）固态电力设备，如：电力电子开关、电力电子限流器、电力电 子变压器等； （3）柔性潮流控制技术，如：统一潮流控制器，潮流路径开关等。 （3）智能配电系统优化运行与自愈控制（3）智能配电系统优化运行与自愈控制 ? 高级配电自动化高级配电自动化 ? 快速仿真与模拟快速仿真与模拟 ? 自愈控制自愈控制 ? 综合智能调度综合智能调度 ? 分布式电源、微网分布式电源、微网 ? 电动汽车充放电设施电动汽车充放电设施 ? 智能化配电设备智能化配电设备 ? 柔性配电设备柔性配电设备 ? 可调度负荷可调度负荷 ? 功率双向流动的监控功率双向流动的监控 ss V DC V DC P f x ff V ss V ,m ACAC QP , s V AC P DG P SD P DCload P 智能配电系统控制问题智能配电系统控制问题 ? 分布式电源与接入大电网的分布式电源与接入大电网的电源特性明 显不同 电源特性明 显不同，后者为同步发电机，具有自同 步性，前者很多采用电力电子逆变装置 上网， ，后者为同步发电机，具有自同 步性，前者很多采用电力电子逆变装置 上网，不具自同步性。不具自同步性。储能单元影响。储能单元影响。 ? 微网中微网中负荷波动负荷波动对电源输出影响更大， 而大电网中负荷波动相对冲击小。 对电源输出影响更大， 而大电网中负荷波动相对冲击小。 ? 微网的微网的运行状态多变运行状态多变，要求状态转换时 无缝切换，大电网没有类似问题。 ，要求状态转换时 无缝切换，大电网没有类似问题。 ? 微网与大电网网络结构和规模完全不 同， 微网与大电网网络结构和规模完全不 同，控制方法控制方法完全不同。完全不同。 ? 二者间的二者间的控制目标控制目标完全不同，大电网侧 重于安全稳定性，微网还要同时关注电 能质量问题。 完全不同，大电网侧 重于安全稳定性，微网还要同时关注电 能质量问题。 ? 控制成本控制成本上微网需要更加经济。上微网需要更加经济。 相对大电网而言，微网中许多保护控制问题是独有的，需要独立研究。相对大电网而言，微网中许多保护控制问题是独有的，需要独立研究。 含DG/MG的智能配电系统保护的特殊性含DG/MG的智能配电系统保护的特殊性 ? DG/MG的存在导致配电线路中的DG/MG的存在导致配电线路中的潮流双向性潮流双向性； ? 配电系统配电系统结构复杂结构复杂，SG的网络再组合导致，SG的网络再组合导致运行 方式多变 运行 方式多变； ? 配电系统配电系统通讯系统通讯系统远远不不如输电系统那样如输电系统那样完备完备； ? 配电系统的保护数量多，保护区域有限，配电系统的保护数量多，保护区域有限，经济 性 经济 性应格外关注；应格外关注； ? 不同不同DG/MG技术本身的影响DG/MG技术本身的影响，如通过感应电机、 同步电机和