分布式发电、微网与智能配电网综述

1、分布式发电、微网与智能配电网综述姓名 XXX学号 XXXXXXXXXX清华大学电气一班1.分布式发电1.1 概念美国于1978年在公共事业管理政策法中将DG定义为:为满足特定用户需要或支持现有配电网的经济运行,以分散方式布置在用户附近,发电功率为几kW50MW的小型模块式且与环境兼容的独立电源。分布式发电是指利用各种可用和分散存在的能源,包括可再生能源(太阳能、生物质能、小型风能、小型水能、波浪能等和本地可方便获取的化石类燃料(主要是天然气进行发电供能的技术。小型的分布式电源容量通常在几百千瓦以内,大型的分布式电源容量可以达到兆瓦级。灵活、经济与环保是分布式发电技术的主要特点,但是,一些可再生

2、能源具有间歇性和随机性等特点,使得这些电源仅依靠自身的调节能力难以满足负荷的功率平衡,通常还需要其他内部或外部电源的配合。分布式发电技术的应用对开发可再生能源起着促进作用,有利于减少环境污染,是非常清洁的发电方式,可以建立在居民区和商业中心.1.2 几种主要的技术目前,比较成熟的分布式发电技术主要有风力发电、光伏发电、燃料电池和微型燃气轮机等几种形式。应用较多的为热电冷三联供(CCHP,有时简称为CHP (Combined Heating &Power。风力发电是利用风力发电机组将风能转化为机械能,再转化为电能的一种发电方式。风力发电机的t要组成部分为支撑塔、风力涡轮、调相装置、齿轮箱、发电机

3、以及速度测量和控制装置等。风力发电的运行方式主要有两种:独立运行的供电系统,解决规模小的社区用电问题:作为常规电网的电源,与电网并联运行。虽然风电技术难度高,成本高,受风的影响很不稳定等问题比较突出,但由于风能是一种可以加以利用的可再乍能源清洁无污染。不产生有害气体和废弃物,因此风力发电越来越受到世界各过的重视。光伏发电系统直接将太阳能转变为电能,不需要热力发动机,其输出功率范围为微瓦级到兆瓦级。发电装置由固态半导体电子器件组成,重量轻,采用模块化的结构,所以光伏系统适用于其他分布式发电技术不能实现的环境(如安装于居民建筑物上,但缺点是投资大,成本太高。近年来,随着光伏电池成本的下降以及对可再

4、生能源利用的重视,光伏发电也开始用于并网运行。特别是嵌入到建筑物顶上的光伏发电系统,可直接连到用户的低压电网上去使总体造价降低,具有广阔的应用前景。在美国和日本的一些地区,已经有由屋顶式光伏电池发电设备联成的光伏发电系统与当地电网相联。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化为电能的装置。按电解质的性质町将燃料电池分为许多类:聚合电解质膜电池、碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、固体电解质燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池等。其能量转化效率可达40%至60%,有害废物排放可以忽略,运行时无噪声。可直接安装在居民区。由于其所具有的特点,以及起容鼍上的可塑性、高效率和模块化设计,使之特

5、别适合在分布式发电系统中应用。但燃料电池要广泛应用到分布式发电系统中仍有很多挑战和技术问题需要克服,如生产以氢为燃料的燃料电池,如何通过增加起制造容量来减少其发电费用。传统电厂将燃料转换为电能后,往往抛弃了大量多余的热能。由于分布式发电具有与负荷相适应的规模与位置,能够合理经济地回收这些热能,用户需利用自身设备内或附近的热冷电三联供系统就能同时获得热能和电能。它主要是利用十分先进的燃气轮机或燃气内燃机燃烧洁净的天然气发电,对做功后的余热进一步回收,用来制冷、供暖和生活用热水。使用能源主要为天然气,也有少量使用石油气、沼气和煤层气等。热电冷三联供主要有区域式(DCHP和楼宇式(BCHP两种。2.

6、微网2.1 概念微网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统,是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统。既可以与外部电网并网运行,也可以孤立运行。从微观看,微网可以看做是小型的电力系统,它具备完整的发输配电功能,可以实现局部的功率平衡与能量优化,它与带有负荷的分布式发电系统的本质区别在于同时具有并网和独立运行能力。从宏观看,微网又可以认为是配电网中的一个“虚拟”的电源或负荷。2.2 微网的分类具有并网和独立两种运行模式。在并网工作模式下,一般与中、低压配电网并网运行,互为支撑,实现能量的双向交换。在外部电网故障情况下,可转为独立运行模式,继

7、续为微网内重要负荷供电,提高重要负荷的供电可靠性。通过采取先进的控制策略和控制手段,可保证微网高电能质量供电,也可以实现两种运行模式的无缝切换。不和常规电网相连接,利用自身的分布式能源满足微网内负荷的需求。当网内存在可再生分布式能源时,常常需要配置储能系统以保持电源与负荷间的功率平衡,并充分利用可再生能源。这类微网更加适合在海岛、边远地区等地为用户供电。2.3 微网的技术微网工程的建设需要充分的技术和经济分析。相对于传统电网,微网建设运行更为复杂,需要考虑风/光/气、冷/热/电等不同形式能源的合理配置与科学调度,这使得微网规划设计的不确定性和复杂度都大大增加。微网面临着DG成本高、技术经验不足

8、、标准缺乏、行政政策缺乏以及市场障碍等一系列挑战,只有合理确定微网结构及容量配置,才能保证微网以较低的成本取得最大的效益,进而达到示范、推广的目的。联网型微网与独立型微网在优化目标上有时存在一定差异。并网型的优化目标为增大微网收益而独立型的优化目标为保证供电可靠性的前提下降低供电成本。目前微网的规划设计方法及工具大多还处于探索阶段。微电网灵活的运行方式与高质量的供电服务,离不开完善的稳定与控制系统。控制问题也正是微电网研究中的一个难点问题。其中一个基本的技术难点在于微电网中的微电源数目太多,很难要求一个中心控制点对整个系统做出快速反应并进行相应控制,往往一旦系统中某一控制元件故障或软件出错,就

9、可能导致整个系统瘫痪。因此,微电网控制应该做到能够基于本地信息对电网中的事件做出自主反应,例如,对于电压跌落、故障、停电等,发电机应当利用本地信息自动转到独立运行方式,而不是像传统方式中由电网调度统一协调。具体来讲,微电网控制应当保证:任一微电源的接人不对系统造成影响;自主选择运行点;平滑地与电网并列、分离;对有功、无功进行独立控制;具有校正电压跌落和系统不平衡的能力。目前。已有3类经典的微电网控制方法:1.基于电力电子技术的“即插即用”与“对等”的控制思想”;2.基于功率管理系统的控制方法;3.基于多代理技术的微电网控制方法。微电网的保护问题与传统保护有着极大不同,典型表现有:潮流的双向流通

10、;微电网在联网运行与独立运行2种工况下,短路电流大小不同且差异很大。因此,如何在独立和并网2种运行工况下均能对微电网内部故障做出响应以及在并网情况下快速感知大电网故障,同时保证保护的选择性、快速性、灵敏性与可靠性,是微电网保护的关键,也是微电网保护的难点。传统的电流保护显然无法满足微电网保护的特殊要求。目前,针对单相接地故障与线间故障,有学者提出了基于对称电流分量检测的保护策略。该方法以超过一定阈值的零序电流分量和负序电流分量作为主保护的启动值,将传统的过电流保护与之结台可取得良好的效果。虽然国际上已有学者研制出微电网保护的硬件装置,但人们仍在对更加完善的保护策略进行积极探索。发电机和负荷容量

11、对保护的影响、不同类型发电机(如基于变流器和不基于变流器对保护的影响及微电网不同运行方式和不同设计结构对保护的影响等问题都是微电网保护策略研究中所关注的重点。能量的不确定性和时变性强,决定了微网系统的能量管理与分布式电源优化调度方法与大电网的优化调度将会有很大不同。需要使用集中调度与分散控制,进行微网优化运行与能量管理。集中调度可以分为:1.以经济性为目标微网运行优化模型;2:以环境效应为目标微网运行优化模型3:考虑多目标情形优化模型。分散控制目标函数约束条件与集中调度时类似,通过代理之间的通讯和协调完成系统的优化,目标需建立不同元件的代理模型。2.4电网在国外的研究概况与进展负荷的持续增长、

12、电力系统结构的不断老化、环保问题、能源利用效率瓶颈以及用户对电能质量的商标准要求,已成为世界各国电力工业所面临的严峻挑战。微电网对分布式电源的有效利用及灵活、智能的控制特点,使其在解决上述问题方面表现出极大潜能,是许多国家未来若干年电力发展战略的重点之一。目前,一些国家已纷纷开展微电网研究,立足于本国电力系统的实际问题与国家的可持续发展能源目标,提出了各自的微电网概念和发展目标。作为一个新的技术领域,微电网在各国的发展呈现不同特色。美国CERTS最早提出了微电网的概念,并且是众多微电网概念中最权威的一个。美国CERTS提出的微电网主要由基于电力电子技术且容量小于等于500 kw的小型微电源与负

13、荷构成,并引人了基于电力电子技术的控制方法。电力电子技术是美国CERTS微电网实现智能、灵活控制的重要支撑,美国CERTS微电网正是基于此形成了“即插即用”与“对等”的控制思想和设计理念。美国的微电网工程得到了美围能源部的高度重视。2003年,布什总统提出了“电网现代化”的目标,指出要将信息技术、通信技术等广泛引入电力系统,实现电网的智能化。在随后出台的Grid 2030发展战略中,美国能源部制定了美国电力系统未来几十年的研究与发展规划,微电网是其重要组成之一。在2006年的美国微电网会议上,美国能源部对其今后的微电网发展计划进行了详细剖析”。从美国电网现代化角度来看,提高重要负荷的供电可靠性

14、、满足用户定制的多种电能质量需求、降低成本、实现智能化将是美国微电网的发展重点。CERTS微电网中电力电子装置与众多新能源的使用与控制,为可再生能源潜能的充分发挥及稳定、控制等问题的解决提供了新的思路。从电力市场需求、电能安全供给及环保等角度出发,欧洲于2005年提出“聪明电网”计划,并在2006年出台该计划的技术实现方略。作为欧洲2020年及后续的电力发展目标,该计划指出未来欧洲电网需具备以下特点:1灵活性:在适应未来电网变化与挑战的同时,满足用户多样化的电力需求。2可接人性:使所有用户都可接人电网,尤其是推广用户对可再生、高效、清洁能源的利用。3可靠性:提高电力供应的可靠性与安全性以满足数

15、字化时代的电力需求。4经济性:通过技术创新,能源有效管理、有序市场竞争及相关政策等提高电网的经济效益。基于上述特点,欧洲提出要充分利用分布式能源、智能技术、先进电力电子技术等实现集中供电与分布式发电的高效紧密结合,并积极鼓励社会各界广泛参与电力市场,共同推进电网发展。微电网以其智能性、能量利用多元化等特点也成为欧洲未来电网的重要组成。目前,欧洲已初步形成了微电网的运行、控制、保护,安全及通信等理论,并在实验室微电网平台上对这些理论进行了验证。其后续任务将集中于研究更加先进的控制策略、制定相应的标准、建立示范工程等,为分布式电源与可再生能源的大规模接人以及传统电网向智能电网的初步过渡做积极准备。

16、2.5电网在中国的发展前景目前,中国尚未提出明确的微电阏概念,但微电网的特点适应中国电力发展的需求与方向,在中国有着广阔的发展前景,具体体现在:(1 微电网是中国发展可再生能源的有效形式。“十一五”规划已将积极推动和鼓励可再生能源的发展作为中国的重点发展战略之一。一方面,充分利用可再生能源发电对于中国调整能源结构、保护环境、开发西部、解决农村用能及边远地区用电,进行生态建设等均具有重要意义;另一方面,中国可再生能源的发展潜力十分巨大。据专家估计,中国新能源和可再生能源的可获得量是每年73亿吨标准煤,而现在的每年开发量不足0.4亿吨标准煤。中国制定的2020年可再生能源发展目标也已将可再生能源发

17、电的装机容量定位为100 GW。然而,可再生能源容量小、功率不稳定、独立向负荷提供可靠供电的能力不强以及对电网造成波动、影响系统安全稳定的缺点将是其发展中的极大障碍。如前所述,若能将负荷点附近的分布式能源发电技术、储能及电力电子控制技术等很好地结合起来构成微电网,则可再生能源将充分发挥其重要潜力。(2 微电网在提高中国电网的供电可靠性、改善电能质量方面具有重要作用。中国的经济已进入数字化时代,优质、可靠的电力供应是经济高速发展的重要保障。在大电网的脆弱性日益凸显的情况下,将地理位置接近的重要负荷组成微电网,设计合适的电路结构和控制,为这些负荷提供优质、可靠的电力,不仅可省去提高整体可靠性与电能

18、质量所带来的不必要成本,还可减少这些重要负荷的停电经济损失,吸引更多的高新技术在中国发展。(3 微电网对于在中国发展热电联供有极大的指导意义。目前，中国已建立了许多热电 联供项目， 而微电网研究中的资源配置与经济优化思想非常值得借鉴。 如何就近选择合适容 量的热力用户与电力用户组成微电阿， 并进行最佳的发电技术组合， 对于中国提高能源利用 效率、优化能源结构、减少环境污染等具有重要意义。 (4 微电网与大电网间灵活的并列运行方式可使微电网起到削峰填谷的作用，从而使整 个电网的发电设备得以充分利用，实现经济运行。 此外， 对于中国已有的众多独立系统， 在系统中加入基于电力电子技术的新能源并配以

19、智能、灵活的控制方式，一方面可提高系统的智能化与自动化水平，另一方面也可为企业带 来可观的经济效益。 通过上述分析可以清楚地看到， 作为大电网的有效补充与分布式能源的 有效利用形式。 微电网已引起各国科学家的广泛关注。 虽然将其实用化还有许多问题尚待解 决，但毫无疑问，微电网的发展潜力十分巨大。 3.智能电网 3.1 概述 智能电网以实现电网的安全稳定运行， 降低大规模停电的风险， 使分布式电源得到有效 利用， 同时提高电网资产的利用率以及用户用电的效率、 可靠性和电能质量为主要目标智能 输电网立足于提高输电网运行的安全性和稳定性， 降低全网大规模停电的风险， 实现能源的 广域优化配置以及大型可再生能源的集约化开发。 智能输电网的建设为智能配电网的实现提 了坚强的网架基础，保证了智能配电网发展的可持续性。与智能输电网一样，智能配电网也 通过应用各种先进的信息技术，实现电网的数字化、信息化、自动化和智能化，并最终实现 配电网与用户间的互动，以满足未来各种关键的技术需求，这包括：实现资产优化提高运行 效率； 兼容各种分布式电源和储能设备； 创造新的产品、 服务和市场； 实现用户的积极参与； 提高配电网的安全性，电网故障时具有自愈功能；提高配电网的稳定性，以灵活的运行方式 抵御各种物理破坏