微電網(wǎng)技術(shù)的研究與應(yīng)用前景

李莉華,李賓皚

(1.華東電力試驗(yàn)研究院有限公司,上海 200437;2.華東電網(wǎng)有限公司,上海 200002)

1 微電網(wǎng)概況

1.1 微電網(wǎng)產(chǎn)生的背景[1-5]

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,帶動(dòng)了電力需求的快速增長(zhǎng)與電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,構(gòu)建大電網(wǎng)建設(shè)成本高、運(yùn)行難度大,并且在適應(yīng)電力用戶的高要求、高可靠性和供電需求方面,也還存在諸多瓶頸問(wèn)題。近些年來(lái)一些發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)生的大面積停電事故,已經(jīng)暴露出大電網(wǎng)的脆弱。

分布式發(fā)電具有傳統(tǒng)電力系統(tǒng)不具備的優(yōu)點(diǎn),如可靠性高、清潔和能效高。同時(shí),分布式電源位置靈活和分散的特點(diǎn),延緩了輸配電網(wǎng)升級(jí)改造所需的高額投入,可通過(guò)和大電網(wǎng)的相互備用進(jìn)一步提高供電可靠性。為此,一些發(fā)達(dá)國(guó)家正在深入研究分布式發(fā)電系統(tǒng)。

目前,分布式電源單機(jī)接入成本高,控制困難。為緩沖分布式電源對(duì)大電網(wǎng)的沖擊,一旦電力系統(tǒng)發(fā)生故障,分布式電源必須迅速退出電網(wǎng)運(yùn)行,這也限制了分布式電源的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

為了減少分布式電源的諸多不利影響,發(fā)揮其積極作用,較好的解決方案是采用微電網(wǎng)(M icrogrid)。

1.2 微電網(wǎng)的定義[1-5]

微電網(wǎng)是一種較小規(guī)模的分散獨(dú)立系統(tǒng),由負(fù)荷和微電源組成。它采用了大量的先進(jìn)電力技術(shù),將燃?xì)廨啓C(jī)或者風(fēng)電、光伏發(fā)電、燃料電池和儲(chǔ)能設(shè)備等裝置整合在一起,直接接入用戶側(cè),如圖1所示。微電網(wǎng)可視為大電網(wǎng)中的一個(gè)可控單元,它可在數(shù)秒內(nèi)動(dòng)作,提高供電區(qū)域的供電可靠性、降低損耗、穩(wěn)定電壓,還可以提供不間斷電源滿足用戶的特定需求。微電網(wǎng)和大電網(wǎng)的互為備用,可以提高供電的可靠性。由圖1可知,微電網(wǎng)可以包括光伏發(fā)電、風(fēng)能或者燃料電池等微電源,有的微電源還連接熱負(fù)荷,同時(shí)為當(dāng)?shù)赜脩籼峁嵩础?/p>

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)方框圖

1.3 微電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)

微電網(wǎng)與傳統(tǒng)集中式能源系統(tǒng)相比具有許多優(yōu)勢(shì)。

1)微電網(wǎng)接近負(fù)荷,線損顯著減少,建設(shè)投資和運(yùn)行費(fèi)用較省。

2)分布式能源具備發(fā)電、供熱、制冷等多種服務(wù)功能,可實(shí)現(xiàn)更較高的能源綜合利用效率。

3)有利于各類可再生能源(太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等)的利用,減少了排放總量、征地、電力線路走廊用地和高壓輸電線的電磁污染,緩解了環(huán)保壓力。

4)可以解決部分調(diào)峰和備用問(wèn)題,做到與季節(jié)性和地域性的電力需求變化相適應(yīng),使得電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性達(dá)到最佳平衡。

5)可以提高供電可靠性、供電質(zhì)量和電網(wǎng)的安全性。

6)發(fā)展微電網(wǎng)技術(shù)可形成和諧多元化的電網(wǎng)格局。

微電網(wǎng)的最大優(yōu)勢(shì)是提高了電力系統(tǒng)面臨突發(fā)災(zāi)難時(shí)的抗災(zāi)能力。大電網(wǎng)中超大型電站與微電網(wǎng)中分散微型電站的結(jié)合,可以減少電力輸送距離、降低輸電線路的投資和電力系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本,確保電力系統(tǒng)的運(yùn)行更安全和更經(jīng)濟(jì)。

2 國(guó)外對(duì)微電網(wǎng)的研究

由文獻(xiàn)得知,目前發(fā)達(dá)國(guó)家正在深入研究微電網(wǎng),競(jìng)相報(bào)道有關(guān)微電網(wǎng)的技術(shù)成果,由于各國(guó)電力系統(tǒng)存在的實(shí)際問(wèn)題和可持續(xù)發(fā)展能源的目標(biāo)不同,所以呈現(xiàn)出不同的理念與特色。

2.1 美國(guó)對(duì)微電網(wǎng)的研究

微電網(wǎng)的概念是由美國(guó)CERTS(可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(huì))最早提出的,這種微電網(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(fù)荷構(gòu)成。電力電子技術(shù)是美國(guó)CERTS微電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能和靈活控制的重要技術(shù)支撐。美國(guó)微電網(wǎng)的發(fā)展重點(diǎn)是提高重要負(fù)荷的供電可靠性、滿足用戶定制的多種電能質(zhì)量需求、降低電網(wǎng)成本和實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化。對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行深入研究,是美國(guó)電力系統(tǒng)今后發(fā)展和規(guī)劃電源的重要課題之一。

美國(guó)CERTS對(duì)微電網(wǎng)的初步理論研究成果,得到了實(shí)驗(yàn)室微電網(wǎng)平臺(tái)的成功檢驗(yàn)。微電網(wǎng)在2005年已經(jīng)從仿真分析和實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)示范運(yùn)行階段。美國(guó)第一個(gè)微電網(wǎng)示范工程是由北部電力系統(tǒng)承建的Mad River微電網(wǎng),用以檢驗(yàn)微電網(wǎng)建模和仿真方法、保護(hù)和控制策略以及經(jīng)濟(jì)效益,并形成微電網(wǎng)的管理政策和相應(yīng)法規(guī)。

美國(guó)還開(kāi)展了分布式效能集成測(cè)試平臺(tái)的建設(shè)(由加州能源委員會(huì)資助)、佛蒙特州微電網(wǎng)安裝和運(yùn)行的檢驗(yàn)(由美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)),這些研究工作都極大地促進(jìn)了美國(guó)微電網(wǎng)的發(fā)展。

2.2 日本對(duì)微電網(wǎng)的研究

日本對(duì)微電網(wǎng)的研究,主要目標(biāo)是能源供給多樣化、減少污染、滿足用戶的個(gè)性化電力需求。例如:三菱公司根據(jù)微電網(wǎng)的規(guī)模,將其分為三類,如表1所示[2]。

表1 日本三菱公司對(duì)微電網(wǎng)的分類

由表1可知,日本拓展了美國(guó)CERTS對(duì)微電網(wǎng)的定義范圍,將傳統(tǒng)電源的獨(dú)立電力系統(tǒng),也納入微電網(wǎng)的研究范疇,已建立多個(gè)微電網(wǎng)工程。微電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)形式之一,是由日本學(xué)者提出的靈活、可靠和智能能量供給系統(tǒng),即在配電網(wǎng)中加入靈活交流輸電系統(tǒng)(FACTS)裝置,實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,用以滿足用戶對(duì)多種電能質(zhì)量的不同需求。

日本成立了新能源與工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織(NEDO),用來(lái)與高校協(xié)調(diào),與企業(yè)協(xié)調(diào),與國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室協(xié)調(diào)研究課題。NEDO建立的第一個(gè)微電網(wǎng)示范工程是2005年投入日本愛(ài)知世博會(huì)時(shí)使用的愛(ài)知微電網(wǎng)[3]。

2.3 歐洲對(duì)微電網(wǎng)的研究

2005年,歐洲從電力市場(chǎng)需求、電能安全供給及環(huán)保等角度出發(fā),提出“SmartG rid”計(jì)劃,即未來(lái)歐洲電網(wǎng)要具有靈活性、可接入性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn),并具有智能性、能量利用多元化等特點(diǎn)。

歐洲已初步提出有關(guān)了微電網(wǎng)的運(yùn)行、控制、保護(hù)、安全及通信等理論,并在實(shí)驗(yàn)室微電網(wǎng)平臺(tái)上對(duì)這些理論進(jìn)行了驗(yàn)證。目前,歐洲的微電網(wǎng)示范工程主要有希臘基斯諾斯島微電網(wǎng)、德國(guó)曼海姆Wallstadt居民區(qū)示范工程、西班牙LABEIN項(xiàng)目、葡萄牙EDP項(xiàng)目、葡萄牙Continuon項(xiàng)目、意大利CESI項(xiàng)目、丹麥ELTRA項(xiàng)目等。

2.4 國(guó)外微電網(wǎng)應(yīng)用展望

各國(guó)對(duì)微電網(wǎng)的研究、形成與發(fā)展,不僅是對(duì)傳統(tǒng)集中式、大規(guī)模電網(wǎng)的挑戰(zhàn),更是電力行業(yè)對(duì)能源的利用、環(huán)保、服務(wù)意識(shí)的提高。微電網(wǎng)是對(duì)大電網(wǎng)的有益補(bǔ)充,是未來(lái)電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高效、環(huán)保和優(yōu)質(zhì)供電的一個(gè)重要手段。

美國(guó)PikeResearch研究機(jī)構(gòu)在最近的一份研究報(bào)告中指出,未來(lái)幾年電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)將集中在微電網(wǎng)上,到2015年全世界微電網(wǎng)容量將達(dá)到3GW,為此將有38億美元投資微電網(wǎng),平均每年21億美元。未來(lái)幾年,北美將成為微電網(wǎng)的最大市場(chǎng),擁有占世界24%的微電網(wǎng)容量,歐洲和亞洲將緊隨其后。

3 我國(guó)發(fā)展微電網(wǎng)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題

3.1 我國(guó)微電網(wǎng)特點(diǎn)

大力發(fā)展可再生能源發(fā)電的形勢(shì)、提高電網(wǎng)抗災(zāi)能力的迫切需求、電力系統(tǒng)自身發(fā)展的需求等,都是我國(guó)發(fā)展微電網(wǎng)的主要原因。

我國(guó)發(fā)展微電網(wǎng),是基于我國(guó)電力系統(tǒng)的特點(diǎn)為基礎(chǔ),提出不同區(qū)域的針對(duì)性解決方案。按照運(yùn)行特點(diǎn),主要分為城市片區(qū)微電網(wǎng)和偏遠(yuǎn)地區(qū)微電網(wǎng)(即農(nóng)村微電網(wǎng)及企業(yè)微電網(wǎng))[4]。

3.1.1 城市片區(qū)微電網(wǎng)

城市片區(qū)微電網(wǎng)一般按照居民小區(qū)、賓館、醫(yī)院、商場(chǎng)及辦公樓等建設(shè),正常情況下主要通過(guò)大電網(wǎng)供電。大電網(wǎng)故障時(shí),將城市片區(qū)微電網(wǎng)斷開(kāi),進(jìn)入孤島運(yùn)行模式,用以保證所接重要負(fù)荷的供電可靠性和電能質(zhì)量。一般接在10 kV中壓配網(wǎng),容量為數(shù)百千瓦至10 MW等級(jí)。

3.1.2 偏遠(yuǎn)地區(qū)微電網(wǎng)

偏遠(yuǎn)地區(qū)微電網(wǎng)主要指農(nóng)村微電網(wǎng)和企業(yè)微電網(wǎng)。目前,在農(nóng)村、草原等偏遠(yuǎn)地區(qū),供電困難,居民無(wú)法用電。解決的方案是不延伸電力系統(tǒng),以較低的成本利用當(dāng)?shù)乜稍偕茉垂╇姟Ｆ髽I(yè)微電網(wǎng)一般接在10 kV及以上中壓配網(wǎng),容量在數(shù)百千瓦至10 MW。企業(yè)微電網(wǎng)一般分布在城市郊區(qū),如石化、鋼鐵等大型企業(yè),利用傳統(tǒng)電源滿足企業(yè)內(nèi)部的用電需求。

3.2 發(fā)展微電網(wǎng)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題

3.2.1 微電網(wǎng)與現(xiàn)有配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展

微電網(wǎng)與現(xiàn)有配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展,主要是指更新改造現(xiàn)有配電網(wǎng)還是全新建設(shè)配電網(wǎng)。例如一些新興科技園區(qū)引入了太陽(yáng)能發(fā)電等分布式能源,同時(shí)保持與原有配電網(wǎng)的聯(lián)系,微電網(wǎng)雛形的特征十分明顯。但是,大多數(shù)配電網(wǎng)用戶要實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)供電,只能考慮對(duì)現(xiàn)有供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造,而且技術(shù)難度較大。

3.2.2 微電網(wǎng)技術(shù)

微電網(wǎng)目前存在許多需要進(jìn)一步研究和攻克的技術(shù)難題,主要包含新能源發(fā)電技術(shù)、電力電子技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)和通信技術(shù)等[5]。

1)新能源和可再生能源發(fā)電技術(shù) 該類核心技術(shù)被少數(shù)先進(jìn)國(guó)家掌握,其成本造價(jià)相對(duì)于傳統(tǒng)能源發(fā)電的優(yōu)勢(shì)并不明顯。因此這些新的低碳發(fā)電技術(shù),降低成本、市場(chǎng)化非常關(guān)鍵。

2)電力電子控制裝置 微電網(wǎng)的靈活運(yùn)行方式,是基于先進(jìn)的電力電子接口,微電網(wǎng)不僅可以靈活地接入主網(wǎng),而且還可以使得各個(gè)微電源實(shí)現(xiàn)“即插即用”。

3)儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù) 儲(chǔ)能裝置是微電網(wǎng)不可缺少的重要設(shè)備,其削峰填谷的作用,可以提高間歇式能源的利用效率。我國(guó)先后研制出650 Ah鈉硫電池單體、100 kW/200 kW的全釩液流電池系統(tǒng)。另外,飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用也取得了很大的進(jìn)展。

4)協(xié)調(diào)繼電保護(hù)和無(wú)功補(bǔ)償技術(shù) 微電網(wǎng)的保護(hù)方法與傳統(tǒng)配電網(wǎng)的保護(hù)方法不同,主要是微電網(wǎng)的多電源特性,使得兩者區(qū)別很大,主要難點(diǎn)在潮流的雙向流動(dòng)、并網(wǎng)和孤立運(yùn)行時(shí)短路容量的變化方面。因此,傳統(tǒng)配電網(wǎng)在低壓側(cè)集中無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ呀?jīng)不適合微電網(wǎng)。

5)監(jiān)測(cè)技術(shù) 微電網(wǎng)的特殊結(jié)構(gòu),改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)的供電模式,因此先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)成為微電網(wǎng)有效管理的基礎(chǔ)。

3.2.3 微電網(wǎng)的仿真試驗(yàn)及示范應(yīng)用

微電網(wǎng)的仿真及試驗(yàn)工作,主要包括數(shù)字仿真技術(shù)研究、數(shù)字仿真與物理建模仿真接口的研究、數(shù)字仿真與物理動(dòng)模仿真混合仿真的開(kāi)發(fā)等工作,而示范工程的建設(shè),是微電網(wǎng)走向?qū)嶋H應(yīng)用的橋梁與檢驗(yàn)。

4 我國(guó)微電網(wǎng)應(yīng)用展望

微電網(wǎng)以其獨(dú)特的運(yùn)行方式不僅可以滿足電力用戶的多種需求,還可以保證在極端情況下保證電能的持續(xù)供應(yīng),微電網(wǎng)的諸多優(yōu)點(diǎn)將使它成為大電網(wǎng)的一個(gè)有益補(bǔ)充。分布式能源技術(shù)是我國(guó)的必然選擇,但分布式能源入網(wǎng)存在很多問(wèn)題,我國(guó)當(dāng)前正在大力發(fā)展風(fēng)電和光伏等分布式能源。微電網(wǎng)能很好的解決分布式能源和大電網(wǎng)之間的矛盾。

在我國(guó)許多中小城市和偏遠(yuǎn)地區(qū),有一些損耗大、效率低、運(yùn)行費(fèi)用高和污染大等的火力發(fā)電和小水電等傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組,面臨“上大壓小”,停運(yùn)或拆除。可以充分考慮挖掘這些機(jī)組的合理再利用,組成微電網(wǎng)。

在政策法規(guī)方面,我國(guó)已制定了一些利于微電網(wǎng)推廣建設(shè)的政策,如采取了新能源和可再生能源優(yōu)先上網(wǎng)和價(jià)格優(yōu)惠等政策。

5 結(jié)語(yǔ)

微電網(wǎng)作為大電網(wǎng)的有效補(bǔ)充,與分布式能源的有效利用形式,已引起廣泛關(guān)注,歐美日等國(guó)的微電網(wǎng)發(fā)展呈現(xiàn)不同的特色。中國(guó)微電網(wǎng)的發(fā)展能夠提高供電可靠性、促進(jìn)可再生能源的利用,對(duì)建設(shè)抗災(zāi)型電網(wǎng)具有重要意義,發(fā)展依靠的關(guān)鍵技術(shù)主要包含新能源發(fā)電技術(shù)、電力電子技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)和通信等技術(shù)。微電網(wǎng)的理論與應(yīng)用有待進(jìn)一步研究和深入。

[1] 魯宗相,王彩霞,等.微電網(wǎng)研究綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2007,31(19):100-107.

[2] 樓書氫,李青鋒.國(guó)外微電網(wǎng)的研究概況及其在我國(guó)的應(yīng)用前景[J].華中電力,2009,22(3):56-59.

[3] 左文霞,李澍霖,等.微電網(wǎng)技術(shù)及發(fā)展概況[J].中國(guó)電力, 2009,(7):26-30.

[4] 時(shí)珊珊,魯宗相,等.中國(guó)微電網(wǎng)的特點(diǎn)和發(fā)展方向[J].中國(guó)電力,2009,(7):21-25.

[5] 劉立杰,吳福保.微電網(wǎng)技術(shù)在中國(guó)的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景[J].農(nóng)村電氣化,2010,(6).