分布式電源和微網(wǎng)在智能配電網(wǎng)自愈功能中的作用

近年來(lái)，智能電網(wǎng)已成為電力業(yè)界的熱門(mén)話(huà)題，被認為是改變未來(lái)電力系統面貌的電網(wǎng)發(fā)展模式。特別是在《紐約時(shí)報》報導了美國政府將建設智能電網(wǎng)列為其經(jīng)濟振興計劃的主要內容后，更是在全世界范圍內掀起了研究智能電網(wǎng)的熱潮。我國對建設智能電網(wǎng)也高度重視。2007年底，華東電網(wǎng)啟動(dòng)了智能電網(wǎng)項目的可行性研究;2009年3月，國家電網(wǎng)公司提出要“建設堅強的智能化電網(wǎng)”。目前，智能電網(wǎng)的影響受到了國內外政治、經(jīng)濟、金融投資界的高度關(guān)注。

世界上不同國家針對本國的能源和電網(wǎng)現狀制定了不同的智能電網(wǎng)發(fā)展目標，其重心大部分都在配電側。美國側重于對已有落后的電網(wǎng)基礎設施進(jìn)行改造升級、建設現代化電力系統，并注重需求側管理和可再生能源的大力應用;歐洲則側重推廣分布式發(fā)電，其智能電網(wǎng)技術(shù)研究主要包括電網(wǎng)資產(chǎn)、電網(wǎng)運行和控制、需求側和計量、發(fā)電和電能存儲4個(gè)方面;日本將構建以應對新能源為主的智能電網(wǎng)，進(jìn)行可再生能源與電力系統相融合、高可靠性系統技術(shù)等智能電網(wǎng)研究。中國提出建設國際領(lǐng)先、自主創(chuàng )新、中國特色的“堅強智能電網(wǎng)”包含電力系統的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調度共6個(gè)環(huán)節，具有信息化、自動(dòng)化、數字化、互動(dòng)化的智能技術(shù)特征。

本文對分布式電源和微網(wǎng)在智能配電網(wǎng)自愈功能實(shí)現中的作用進(jìn)行了初步探討。

分布式發(fā)電

分布式發(fā)電(DistributedGeneration，DG)，又稱(chēng)分散式發(fā)電或分布式供能，一般指將相對小型的發(fā)電裝置分散布置在用戶(hù)(負荷)現場(chǎng)或用戶(hù)附近，以充分利用各種規模不大的分散在用戶(hù)附近的可再生或非可再生能源的發(fā)電方式。從廣義上講，除常規大型集中電站以外的小型電源，如風(fēng)電、太陽(yáng)能電站、小型農村水電站、其他小型發(fā)電站，均可列入分布式電源之列。分布式發(fā)電具有減輕環(huán)境污染、降低終端用戶(hù)費用、降低線(xiàn)路損耗、改善電能質(zhì)量和提高供電可靠性等特點(diǎn)。根據用戶(hù)的需求不同，DG可以用來(lái)實(shí)現備用電源、電力調峰、熱電聯(lián)產(chǎn)以及向偏遠地區供電等用途。目前，分布式發(fā)電與大電網(wǎng)相結合的供電方式被世界許多能源、電力專(zhuān)家公認為是能夠節省投資，降低能耗，提高系統安全性、可靠性和靈活性的主要方法，是21世紀電力工業(yè)的發(fā)展方向。

但大量分布式電源并網(wǎng)將有可能造成電力系統對其不可控制和難以管理的局面，并引發(fā)相應的電能質(zhì)量、電網(wǎng)安全性和穩定性等諸多問(wèn)題。為了解決電力系統與分布式電源之間的矛盾，充分發(fā)揮分布式電源為電力系統和用戶(hù)所帶來(lái)的技術(shù)經(jīng)濟效益，進(jìn)一步提高電力系統運行的靈活性、可控性和經(jīng)濟性，以及更好的滿(mǎn)足電力用戶(hù)對電能質(zhì)量和供電可靠性的更高影響，微網(wǎng)概念應運而生。

微網(wǎng)

與常規的分布式能源直接并網(wǎng)相比，微網(wǎng)靈活、系統的將分布式電源與本地負荷組成為一個(gè)整體，通過(guò)柔性控制可以大大降低分布式電源并網(wǎng)運行對電力用戶(hù)的影響。微網(wǎng)是一種由負荷和微電源及儲能裝置共同組成的有機系統。微電源主要通過(guò)電力電子技術(shù)實(shí)現能量的轉換及控制。相對于電力系統(主電網(wǎng)系統中的一個(gè)可控單元。它可以在短時(shí)間內作出響應以滿(mǎn)足外部對主電網(wǎng)的需要;而對于用戶(hù)，微網(wǎng)可以滿(mǎn)足本地負荷的特定電能質(zhì)量要求，并可提高供電可靠性、降低線(xiàn)損等。利用微網(wǎng)技術(shù)可整合多種形式的分布式電源，并考慮當地配電網(wǎng)的特點(diǎn)，在一個(gè)局部區域內直接將分布式電源、電力網(wǎng)絡(luò )和本地用戶(hù)有機的結合在一起。微網(wǎng)可以方便的實(shí)現(冷)熱電聯(lián)供，并可以結合電蓄冷(熱)技術(shù)，緩解電網(wǎng)高峰用電壓力，實(shí)現用電的移峰填谷，優(yōu)化和提高能源利用效率，減輕能源動(dòng)力系統對環(huán)境的影響，實(shí)現能源的梯級利用，為將來(lái)智能電網(wǎng)的實(shí)現提供必備的技術(shù)基礎。微網(wǎng)的基本結構如圖1所示。

智能配電網(wǎng)概念

智能配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，國外的智能電網(wǎng)研究和實(shí)踐大部分都集中在配網(wǎng)側，如圖1所示。智能配電網(wǎng)就是以配電網(wǎng)高級自動(dòng)化技術(shù)為基礎，通過(guò)應用和融合先進(jìn)的測量和傳感技術(shù)、控制技術(shù)、計算機和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、信息與通信等技術(shù)，利用智能化的開(kāi)關(guān)設備、配電終端設備，在堅強電網(wǎng)架構和雙向通信網(wǎng)絡(luò )的物理支持以及各種集成高級應用功能的可視化軟件支持下，允許可再生能源和分布式發(fā)電單元的大量接入和微網(wǎng)運行鼓勵各類(lèi)不同電力用戶(hù)積極參與電網(wǎng)互動(dòng)，以實(shí)現配電網(wǎng)在正常運行狀態(tài)下完善的監測、保護、控制、優(yōu)化和非正常運行狀態(tài)下的自愈控制，最終為電力用戶(hù)提供安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟、環(huán)保的電力供應和其它附加服務(wù)。

智能配電網(wǎng)主要由主站系統、子站系統、通信系統、配電遠方終端組成，通過(guò)對配電網(wǎng)各個(gè)環(huán)節、模塊和設備的智能化，同時(shí)結合地理信息系統應用，實(shí)現正常情況下配電網(wǎng)與電力系統各個(gè)環(huán)節的協(xié)調和優(yōu)化運行以及故障情況下的快速定位、隔離、恢復、負荷轉移等功能，從而為用戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)可靠的電能，為電力企業(yè)提供便捷、高效的管理平臺和途徑，進(jìn)而實(shí)現電力企業(yè)管理者、電力用戶(hù)、系統運行操作的協(xié)調和統一。

圖2所示是一種智能配電網(wǎng)框架體系。

分布式電源和微網(wǎng)在智能配電網(wǎng)自愈功能中的作用分析

由自動(dòng)輸電和配電系統組成、支持高效可靠提供和傳輸電力的智能電網(wǎng)體系結構，目標是構建一個(gè)具有處理緊急和災變能力的“自愈電網(wǎng)”(selfhealinggrid，SHG)，并能適應當前和今后的電力公用事業(yè)環(huán)境、市場(chǎng)要求和用戶(hù)需要。自愈功能的目標是：實(shí)時(shí)評價(jià)電力系統行為、應對電力系統可能發(fā)生的各種事件組合、防止大面積停電，并快速從緊急狀態(tài)恢復到正常狀態(tài)。其實(shí)現方法，可概括為快速仿真決策、協(xié)調/自適應控制和分布能源集成3個(gè)方面。分布能源集成主要將配電系統中的分散發(fā)電設備，包括緊急狀態(tài)下用戶(hù)為防止停電所作出的反應(需求側響應資源)，納入配電管理系統(DMS)或配電自動(dòng)化(distributionautomation，DA)，使DER在電力系統正常、緊急和恢復狀態(tài)下，實(shí)現和輸配電系統的實(shí)時(shí)協(xié)調運行。SHG的任務(wù)就是把這些日益增加的分散發(fā)電，進(jìn)一步納入配電管理系統(DMS)和配電自動(dòng)化(DA)中，使之在正常、緊急和恢復狀態(tài)下能與輸配電系統實(shí)時(shí)協(xié)調運行。

分布式電源和微網(wǎng)在智能配電網(wǎng)自愈功能實(shí)現中的作用主要表現在以下幾方面：

1)提高供電可靠性

通過(guò)與大電網(wǎng)相配合，分布式發(fā)電技術(shù)可以大大提高供電的可靠性，在電網(wǎng)崩潰或意外災害(例如地震、暴風(fēng)雪、戰爭)發(fā)生情況下，維持重要用戶(hù)的供電;而且各種分布電源多屬于清潔可再生能源，適應了地球環(huán)境保護以及可持續發(fā)展政策的要求。目前，用作分布式電源的，主要有風(fēng)電、微型燃氣輪機發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、燃料電池、生物質(zhì)能、垃圾發(fā)電、氫能和小水電等。發(fā)電設施主要包括：以液體或氣體為燃料的內燃機、微型燃氣輪機、光伏電池、燃料電池、風(fēng)力發(fā)電機、生物質(zhì)能發(fā)電機等。

2)提高能源利用率

基于系統穩定性和經(jīng)濟性的考慮，分布式發(fā)電系統要存儲一定數量的電能，用以應付突發(fā)事件。隨著(zhù)電力電子學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，儲能技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，為分布式發(fā)電(DG)提供了很大的空間。分布式發(fā)電與儲能技術(shù)的結合大大提高了系統的能源利用率，改善了系統的熱經(jīng)濟性。儲能在分布式發(fā)電中的作用主要有以下3個(gè)方面：改善電能質(zhì)量，維持系統穩定。在風(fēng)力發(fā)電中，風(fēng)速的變化會(huì )使原動(dòng)機輸出機械功率發(fā)生變化，從而使發(fā)電機輸出功率產(chǎn)生波動(dòng)而使電能質(zhì)量下降。應用儲能裝置是改善發(fā)電機輸出電壓和頻率質(zhì)量的有效途徑，同時(shí)增加了分布式發(fā)電機組與電網(wǎng)并網(wǎng)運行時(shí)的可靠性?？煽康姆植际桨l(fā)電單元與儲能裝置的結合是解決諸如電壓跌落、涌流和瞬時(shí)供電中斷等動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題的有效手段之一。在分布式發(fā)電裝置不能正常工作時(shí)向用戶(hù)提供電力。在一些特殊情況下，如太陽(yáng)能發(fā)電的夜間，風(fēng)力發(fā)電無(wú)風(fēng)時(shí)，儲能裝置能夠起到過(guò)渡的作用，持續向用戶(hù)供電。提高分布式發(fā)電單元擁有者的經(jīng)濟效益。在電力市場(chǎng)的環(huán)境下，分布式發(fā)電單元與電網(wǎng)并網(wǎng)運行，有了足夠的儲存電力，分布式發(fā)電單元成為可調度的機組單元，發(fā)電單元擁有者可以根據不同情況向電力公司賣(mài)電，提供調峰和緊急功率支持等服務(wù)，獲取最大的經(jīng)濟效益。儲能技術(shù)的形式多樣，主要有蓄電池儲能、超導儲能、飛輪儲能、電解水制氫儲能等。

分布式發(fā)電受地理位置及環(huán)境狀況等因素的約束，在進(jìn)行分布式發(fā)電系統規劃時(shí)，要根據該地區所處的地理位置環(huán)境綜合考慮各種衡量指標，從而確定采用何種發(fā)電方式。當發(fā)電容量滿(mǎn)足該地區的負荷時(shí)，電網(wǎng)可退出運行，在必要的時(shí)候才投入運行。因為目前分布式發(fā)電中應用比較成熟的是風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電，而這兩種發(fā)電方式受環(huán)境的影響較大，輸出功率不穩定。同時(shí)，就目前的技術(shù)而言，儲能系統的容量也是很有限的，不能長(cháng)時(shí)間提供功率來(lái)對應分布式發(fā)電容量的不足。在分布式電源和儲能容量不足時(shí)，需電網(wǎng)向負荷供電，以滿(mǎn)足負荷的需求;當發(fā)電容量不足該地區的負荷時(shí)，電網(wǎng)并入系統且正常運行，兩者共同向負荷供電，但盡可能地利用分布式電源;當發(fā)電容量超過(guò)該地區的負荷時(shí)，電網(wǎng)也并入系統，分布式發(fā)電將多余的電能送向電網(wǎng)。分布式電源的類(lèi)型應根據地區的具體情況選擇，可能是一種分布式電源，也可能是多種分布式電源及其與儲能裝置組合起來(lái)共同發(fā)電，即復合分布式發(fā)電。為提高能源的利用率，復合分布式發(fā)電技術(shù)已成為分布式發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主要趨勢之一。儲能裝置的容量及類(lèi)型應根據分布式電源及其負荷的波動(dòng)程度作相應的選擇。

3)黑啟動(dòng)中的備用電源

所謂黑啟動(dòng)，是指整個(gè)系統因故障停運后，系統全部停電(不排除孤立小電網(wǎng)仍維持運行)，處于全“黑”狀態(tài)，不依賴(lài)別的網(wǎng)絡(luò )幫助，通過(guò)系統中具有自啟動(dòng)能力的發(fā)電機組啟動(dòng)，帶動(dòng)無(wú)自啟動(dòng)能力的發(fā)電機組，逐漸擴大系統恢復范圍，最終實(shí)現整個(gè)系統的恢復。

黑啟動(dòng)的關(guān)鍵是電源點(diǎn)的啟動(dòng)，水輪發(fā)電機組與火電、核電機組相比，具有輔助設備簡(jiǎn)單、廠(chǎng)用電少，啟動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，理所當然成為黑啟動(dòng)電源的首選。機組具有黑啟動(dòng)功能不僅是電站在全廠(chǎng)失電情況下安全生產(chǎn)自救的必要措施，也是電網(wǎng)發(fā)展的需要。在電網(wǎng)大面積停電后，采取電網(wǎng)黑啟動(dòng)措施，將大大減少電網(wǎng)停電時(shí)間，盡快恢復電網(wǎng)的正常運行。所有這些機組包括超臨界燃煤機組和燃氣一蒸氣聯(lián)合循環(huán)機組均需要輔機提供啟動(dòng)功率才能實(shí)現自啟動(dòng)，提供如此之大的備用容量是不經(jīng)濟的，尤其是備用柴油機。根據故障發(fā)生后DG能否作為系統的備用電源可分為BDG(black-startDG)與NBDG(nonblack-startDG)。BDG包括聯(lián)合發(fā)電機組、無(wú)源逆變器及他勵型發(fā)電機組等，此外，帶有儲能裝置的風(fēng)能發(fā)電及太陽(yáng)能發(fā)電也可歸入BDG。這類(lèi)DG可以作為系統的備用電源。NBDG包括自勵型發(fā)電機組以及未配備儲能裝置的風(fēng)能發(fā)電及太陽(yáng)能發(fā)電等。該類(lèi)DG不能作為系統的備用電源?？紤]到黑啟動(dòng)設備在電網(wǎng)正常運行時(shí)通常是不經(jīng)濟的，電網(wǎng)公司通常與相關(guān)電廠(chǎng)簽訂與黑啟動(dòng)相應的商業(yè)協(xié)議。MT(微型燃氣輪機)能夠很好地改善這種狀況，它既能作為分式發(fā)電在正常情況下并網(wǎng)或孤立運行，也能在黑啟動(dòng)這類(lèi)緊急狀況下提供備用。并且單臺MT的效率通常在25%-35%之間，冷熱電聯(lián)合循環(huán)的MT通常能獲得80%以上的效率，且氮氧化合物排放量能夠控制在較低的水平。

黑啟動(dòng)策略的選擇受網(wǎng)內主要發(fā)電機組電源和黑啟動(dòng)電源分布影響很大。黑啟動(dòng)分區展開(kāi)在電網(wǎng)恢復速度上有明顯的優(yōu)勢，電網(wǎng)發(fā)生大面積停電后，應當先將電網(wǎng)分割為多個(gè)子系統，同時(shí)啟動(dòng)各子系統中具有黑啟動(dòng)能力的機組，建立穩定的各個(gè)子系統，并實(shí)現同步并列，這是恢復電網(wǎng)運行的最有效的方法，因此在黑啟動(dòng)方案中應考慮多個(gè)黑啟動(dòng)電源。

文章對分布式電源及微網(wǎng)在智能配電網(wǎng)自愈功能實(shí)現中的作用進(jìn)行了初步探討。目前智能配電網(wǎng)建設剛剛起步，在規劃階段合理考慮和布置分布式電源與微網(wǎng)在智能配電網(wǎng)中的作用，對于智能配電網(wǎng)自愈功能的實(shí)現具有重要意義。