終端用戶(hù)分布式新能源接入智能電網(wǎng)技術(shù)研究

1引言

環(huán)境問(wèn)題已引起世界各國前所未有的重視。普遍認為，提高能源效率和可再生能源使用效率、減少溫室氣體排放，是未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢，并提出各種智能電網(wǎng)(Smart Grid)概念，一致認為是改革能源布局的必由之路?？v觀(guān)各種關(guān)于智能電網(wǎng)的定義和概念，本文認為智能電網(wǎng)是一種由電源框架和信息框架構筑的智能網(wǎng)絡(luò )基礎框架，是一種系統、高效、智能的電網(wǎng)體系框架，這個(gè)體系框架中的電源以火電、水電、核電等傳統能源為骨干，以平衡方式接入新能源發(fā)電系統，并有充足的分布式存儲系統;整個(gè)體系框架中遍布著(zhù)各種傳感器和測量設備、控制裝置，具有先進(jìn)的數據通信、計算和能源信息管理系統。

由于各國國情不同，發(fā)展智能電網(wǎng)的方向和目標各異。美國發(fā)展智能電網(wǎng)注重加強電力網(wǎng)絡(luò )基礎架構建設，重點(diǎn)在配電和用電側，并大力推動(dòng)可再生能源發(fā)展和提升用戶(hù)服務(wù)。歐盟國家發(fā)展智能電網(wǎng)主要是促進(jìn)超級智能電網(wǎng)(Super Smart Grid)計劃的實(shí)施，發(fā)展風(fēng)能、太陽(yáng)能等分布式電源(Distributed Energy Resources)的接入技術(shù)，實(shí)現電源“即插即用(Plug and Work)”的友好、靈活接入方式。日本發(fā)展智能電網(wǎng)以大規模開(kāi)發(fā)光伏發(fā)電等為主，以保持電網(wǎng)系統穩定。中國未來(lái)將以低能耗、低污染、低排放的低碳經(jīng)濟模式作為社會(huì )發(fā)展方向，發(fā)展智能電網(wǎng)的目標是以特高壓電網(wǎng)為堅強骨干網(wǎng)架，各級電網(wǎng)協(xié)調發(fā)展，形成堅強可靠、經(jīng)濟高效、清潔環(huán)保、透明開(kāi)放、友好互動(dòng)的統一堅強智能電網(wǎng)(Strong Smart Grid)?？梢哉f(shuō)，堅強的電源骨干網(wǎng)架是任何模式的智能電網(wǎng)所必須具備的安全支撐基礎框架，智能的能源信息框架及物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現智能電網(wǎng)技術(shù)的載體，靈活接入分布式可再生能源將是實(shí)現智能電網(wǎng)的巔峰時(shí)代。

在可再生能源中，光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電發(fā)展最快，世界各國都作為重要的發(fā)展方向。低碳經(jīng)濟的核心技術(shù)之一是新能源的轉換、利用和并網(wǎng)運行技術(shù)，這也是世界各國智能電網(wǎng)技術(shù)的研究焦點(diǎn)。為了與我國堅強智能電網(wǎng)的發(fā)展相適應，未來(lái)應能大幅度提高分布式電源的接納能力，理想的方式應能以“即插即得”方式靈活接入、運行和控制，這無(wú)疑會(huì )給堅強的智能電網(wǎng)插上翅膀。

2終端用戶(hù)新能源接入配電網(wǎng)的環(huán)境和條件

中國可再生能源資源豐富，除水電資源外，太陽(yáng)能和風(fēng)能資源也非常豐富。目前，大規模開(kāi)發(fā)利用可再生能源主要集中在大中型風(fēng)電場(chǎng)、光伏發(fā)電場(chǎng)和大型建筑屋頂光伏發(fā)電方面，通過(guò)10kV及以上電壓等級線(xiàn)路并網(wǎng)發(fā)電。近年來(lái)，風(fēng)電裝機容量增速飛快，但由于電網(wǎng)接納能力有限，有些風(fēng)電場(chǎng)被限制電量上網(wǎng)。相反，光伏發(fā)電并網(wǎng)卻寥寥無(wú)幾這主要由于成本高，審批程序和電價(jià)核準程序還不明確，致使市場(chǎng)的發(fā)展遠遠落后于產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，中國光伏電池年產(chǎn)量已突破200萬(wàn)kW，居世界第一。但光伏發(fā)電安裝量還不到世界總量的1%，與生產(chǎn)大國的地位相差甚遠。因此業(yè)界呼吁盡快建立有效的激勵機制，實(shí)現“平價(jià)上網(wǎng)”。本文認為出現上述局面的根本原因是目前電網(wǎng)接納能力與新能源發(fā)電市場(chǎng)發(fā)展不均衡，兩者非合作性博弈所致。電網(wǎng)接納能力屬于技術(shù)層面問(wèn)題，新能源發(fā)電市場(chǎng)發(fā)展的瓶頸是價(jià)格問(wèn)題，即技術(shù)和價(jià)格是兩個(gè)主要影響因素。技術(shù)因素有賴(lài)于堅強智能電網(wǎng)的發(fā)展，這是新能源發(fā)電市場(chǎng)發(fā)展的重要基礎和環(huán)境;價(jià)格因素有賴(lài)于市場(chǎng)的有序發(fā)展和培育，所說(shuō)的市場(chǎng)是由生產(chǎn)商、投資商和消費者共同參與博弈的市場(chǎng)。只有技術(shù)和價(jià)格因素合作性博弈，其結果才對博弈各方均有利，新能源發(fā)電市場(chǎng)才能持續發(fā)展，政府的指導作用才能真正有效。

本文所述的終端用戶(hù)是指在電力市場(chǎng)中的合作性博弈環(huán)境下，以利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源為目的的單一電網(wǎng)用戶(hù)，即消費者，其自有的發(fā)電設備容量在幾百瓦至幾百kW之間，單機容量在100kW以下，自發(fā)自用，多余電量出售給電網(wǎng)，在配電網(wǎng)低壓側(或用戶(hù)側)并網(wǎng)，由控制器控制并網(wǎng)條件，當滿(mǎn)足并網(wǎng)條件時(shí)自動(dòng)并網(wǎng)，反之，則隨時(shí)脫網(wǎng)。對于發(fā)電設備容量在幾百瓦至幾千瓦之間的家庭用戶(hù)，可通過(guò)220V插座“即插即得”。這樣，在堅強智能電網(wǎng)環(huán)境下，可發(fā)揮社會(huì )各方利用新能源的主動(dòng)性，從而提高可再生能源的開(kāi)發(fā)力度和使用效率。

3目前大規模風(fēng)電、光伏發(fā)電和屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)存在的主要問(wèn)題

新能源發(fā)電的目的是增加電力系統的電量，減少電力系統對一次能源的消耗。新能源發(fā)電具有間歇性、隨機性、可調度性差的特點(diǎn)，目前，在電網(wǎng)接納能力不足的情況下，大規模新能源發(fā)電并網(wǎng)會(huì )給電力系統帶來(lái)一些不利影響，電網(wǎng)必須控制接入容量在可控范圍內，以最大限度地減小不利影響，存在的主要問(wèn)題在眾多文獻中均有描述，本文總結如下幾點(diǎn)。

3.1間歇性和波動(dòng)性發(fā)電特點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電受天氣影響均具有間歇性和波動(dòng)性特點(diǎn)，并網(wǎng)電量隨機波動(dòng)較大、可調節性差，并網(wǎng)時(shí)會(huì )產(chǎn)生較大的沖擊電流，從而會(huì )引起電網(wǎng)頻率偏差、電壓波動(dòng)與閃變，引起饋線(xiàn)中的潮流發(fā)生變化，進(jìn)而影響穩態(tài)電壓分布和無(wú)功特性，使電網(wǎng)的不可控性和調峰容量余度增大，如果電網(wǎng)中沒(méi)有足夠的調峰容量，就會(huì )使電力系統的安全穩定性受到影響。如果風(fēng)電機組不具備低電壓穿越性能，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，極易引發(fā)電網(wǎng)瞬時(shí)故障，影響電網(wǎng)安全運行。這些問(wèn)題的嚴重程度與接入點(diǎn)電網(wǎng)的電壓等級、短路容量、聯(lián)網(wǎng)設備及其控制方法、電源的類(lèi)型及其并網(wǎng)容量等密切相關(guān)。因此，除并網(wǎng)風(fēng)電和光伏發(fā)電系統應具備一定的并網(wǎng)技術(shù)性能外，還必須要求電網(wǎng)具備足夠的調峰容量和接納能力。同時(shí)要求并網(wǎng)發(fā)電系統配置有功功率調整和動(dòng)態(tài)無(wú)功功率調整控制功能，還需要配置一定的無(wú)功補償，以補償場(chǎng)(站)內的無(wú)功損耗。

3.2注入電網(wǎng)的諧波

由于并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統均配有電力電子裝置，會(huì )產(chǎn)生一定的諧波和直流分量。諧波電流注入電力系統后，會(huì )引起電網(wǎng)電壓畸變，影響電能質(zhì)量，還會(huì )造成電力系統繼電保護、自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，影響電力系統安全運行。所以，需配置濾波裝置、靜止或動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置等，以抑制注入電網(wǎng)的諧波含量。

3.3孤島現象

孤島現象是當電網(wǎng)失壓時(shí)，并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統仍保持對失壓電網(wǎng)中的某一部分供電的狀態(tài)，并與本地負載連接形成獨立運行狀態(tài)。這時(shí)，孤島中的電壓和頻率不受電網(wǎng)控制，如果電壓和頻率超出允許的范圍，可能會(huì )對用戶(hù)設備造成損壞;如果負載容量大于孤島中逆變器容量，會(huì )使逆變器過(guò)載，可能會(huì )燒毀逆變器。同時(shí)，會(huì )對檢修人員造成危險;如果對孤島進(jìn)行重合閘操作，會(huì )導致該線(xiàn)路再次跳閘。由此可見(jiàn)，對孤島現象的檢測和預防是十分重要的，這也是目前并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統急需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前研究的重點(diǎn)技術(shù)包括功率預測和儲能技術(shù)，具備功率預測系統是并網(wǎng)的必備技術(shù)。

3.4并網(wǎng)標準

目前，我國還沒(méi)有統一的關(guān)于新能源發(fā)電的并網(wǎng)標準，現有的多是關(guān)于大中型并網(wǎng)系統的技術(shù)規定，相關(guān)并網(wǎng)和檢測技術(shù)標準、系統檢測和認證體系等都還在逐漸完善中。事實(shí)上，目前關(guān)于大中型新能源發(fā)電并網(wǎng)對電力系統安全穩定性、電能質(zhì)量、電網(wǎng)調度和運行等的影響因素，以及電網(wǎng)接納能力等方面的技術(shù)問(wèn)題尚沒(méi)有確切定論，對接入系統的有功/無(wú)功控制能力、電能質(zhì)量及低電壓穿越能力等的檢測手段也不完善，包括對控制器、逆變器、輸配電設備、雙向計量設備及系統安全性方面的檢測。隨著(zhù)大中型新能源并網(wǎng)系統的發(fā)展，對電網(wǎng)的接納能力、電量調度運行、配套政策等方面會(huì )提出新的要求。

由上可見(jiàn)，大中型新能源并網(wǎng)系統的發(fā)展，有賴(lài)于電網(wǎng)的發(fā)展和技術(shù)的提高，只有電網(wǎng)具有足夠的接納能力和功率調整能力，才能有效地發(fā)揮新能源并網(wǎng)技術(shù)和增加電力系統電量的作用。因此，堅強智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展是大規模新能源并網(wǎng)系統發(fā)展的重要基礎和環(huán)境。智能電網(wǎng)應具備適應新能源特點(diǎn)的電力調度技術(shù)和運行管理技術(shù)，確保新能源發(fā)電容量按自然條件進(jìn)行發(fā)電，以增加電力系統電量，達到利用可再生能源節能降耗的目的。

4終端用戶(hù)新能源接入問(wèn)題

眾多文獻資料證明，人類(lèi)的終極能源將是太陽(yáng)能、風(fēng)能和水能，大力開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能、風(fēng)能資源是發(fā)展低碳經(jīng)濟、永續發(fā)展的惟一選擇。太陽(yáng)能、風(fēng)能資源的特性決定了其最適合分散利用的特點(diǎn)，地球上任何有太陽(yáng)照射和一定風(fēng)力的地方，只要環(huán)境條件許可都可以建立光伏發(fā)電站或風(fēng)力發(fā)電站。隨著(zhù)分布式電源技術(shù)的進(jìn)步和成本降低，每個(gè)電力用戶(hù)甚至家庭都可以建立一定規模的分布式發(fā)電站(Distributed Generation，簡(jiǎn)稱(chēng)DG)，除滿(mǎn)足自身的用電需要外，還可以向電網(wǎng)輸送多余電量。這樣，在電力系統中將分布著(zhù)數量眾多的微小型終端用戶(hù)的DG組成的微網(wǎng)(microgrid)發(fā)電系統，微網(wǎng)發(fā)電系統可看成是電力系統中的一個(gè)可控功率單元，在某個(gè)局部區域內直接將微網(wǎng)發(fā)電系統、電網(wǎng)和終端用戶(hù)聯(lián)系在一起，以?xún)?yōu)化和提高能源利用效率。電力系統能夠容納這些微網(wǎng)發(fā)電系統，并能保證整個(gè)電力系統的安全可靠運行，是推動(dòng)利用可再生能源發(fā)展的重要途徑，也是智能電網(wǎng)發(fā)展的目標。

4.1終端用戶(hù)新能源接入的特點(diǎn)

(1)DG與主電網(wǎng)并聯(lián)運行時(shí)，各電站相互獨立，用戶(hù)可以自行控制;并網(wǎng)點(diǎn)分布在配電網(wǎng)的末端，并網(wǎng)逆變器通常采用PWM電壓控制方式，可以維持系統電壓恒定。幾乎不存在大規模風(fēng)電、光伏發(fā)電并網(wǎng)存在的問(wèn)題，對電力系統的影響很小。由于其容量小，分布性大，不會(huì )對電力系統造成明顯的電流沖擊，所以安全可靠性比較高。

(2)由DG和蓄電池組成分布式電源，當接入配電網(wǎng)時(shí)，當地負荷同時(shí)從配電網(wǎng)獲取功率，能減小電網(wǎng)擾動(dòng)，保證電能質(zhì)量。配電網(wǎng)供電中斷時(shí)，DG能平滑地過(guò)渡到孤島運行，隨后再重新接入配電網(wǎng)。

(3)操作簡(jiǎn)單，具有儲能單元，起?？?，便于實(shí)現自動(dòng)化，在微網(wǎng)發(fā)電系統內可對局部區域的電能質(zhì)量實(shí)現實(shí)時(shí)監控，除工業(yè)用途外，非常適合向農村、牧區、山區，中、小城市或商業(yè)區的居民供電。

(4)無(wú)需建配電站，可降低附加的輸配電成本，并減少DG接入點(diǎn)配電網(wǎng)中的傳輸功率，增加輸配電網(wǎng)的輸電裕度，減輕輸配電網(wǎng)過(guò)負荷壓力，提高末端電壓和系統對電壓的調節性能，減少線(xiàn)路損耗，末端電壓的提高量與DG接入點(diǎn)的位置和總容量的大小有關(guān)。

(5)中國已制定《可再生能源中長(cháng)期發(fā)展規劃》及配套細則，發(fā)展可再生能源已成為一項基本國策，將實(shí)行可再生能源發(fā)電全額保障性收購制度，支持智能電網(wǎng)、邊遠地區離網(wǎng)發(fā)電及各種新技術(shù)研發(fā)。在包括財政政策、補貼政策、稅收政策、利率政策等各種政策支持和間接調控手段下，將促使可再生能源市場(chǎng)機制不斷完善，必定會(huì )吸引和鼓勵社會(huì )團體、社區和個(gè)人投資綠色能源的積極性。

4.2終端用戶(hù)新能源接入技術(shù)。

目前，微小型風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統大致可分為離網(wǎng)蓄電、并網(wǎng)發(fā)電及兩者混合系統三類(lèi)?；旌舷到y兼顧了離網(wǎng)蓄電和并網(wǎng)發(fā)電系統的優(yōu)點(diǎn)，有較強的適應性，用戶(hù)可根據電網(wǎng)峰谷電價(jià)來(lái)調整自身的發(fā)電策略。并網(wǎng)控制的目標是控制逆變器輸出穩定的高質(zhì)量正弦波，且與電網(wǎng)接入點(diǎn)電壓、頻率和相位同步，以達到穩定并網(wǎng)的目的。系統中的逆變器或變頻器技術(shù)目前已達到相當高的水準，并都采用了SPWM控制技術(shù)。最大功率跟蹤控制是風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統的關(guān)鍵技術(shù)之一，小型發(fā)電系統一般采用被動(dòng)式最大功率跟蹤控制系統，控制方式簡(jiǎn)單實(shí)用。

(1)光伏發(fā)電的接入和并網(wǎng)方式。光伏發(fā)電系統主要由光伏陣列、傳感器、儲能型蓄電池和充放電控制器、DC/DC升壓電路、逆變器、濾波器和系統控制器等組成。核心部件是光伏陣列、逆變器和系統控制器。并網(wǎng)方式可以將光伏陣列組件輸出與逆變器連接，經(jīng)隔離變壓器接入電網(wǎng)，或者將逆變器直接與電網(wǎng)連接?；蛘邔⒐夥嚵休敵鼋?jīng)高頻逆變后，通過(guò)變壓器隔離，再經(jīng)過(guò)變頻器與電網(wǎng)相連。由于設有隔離變壓器，直流分量不會(huì )流入接入電網(wǎng)，諧波含量低。無(wú)隔離變壓器并網(wǎng)方式是將光伏輸出通過(guò)DC/DC升壓電路、逆變器和濾波器，直接與電力系統相連，這種方式會(huì )向電網(wǎng)注入一定的諧波含量。儲能型蓄電池可起功率和能量調節的作用。小型光伏發(fā)電系統一般通過(guò)實(shí)時(shí)檢測光伏陣列的輸出功率，預測當前工作狀況下光伏陣列可能的最大功率輸出，然后根據功率平衡原則使光伏陣列達到最大功率輸出，實(shí)現最大功率跟蹤。主動(dòng)式自動(dòng)跟蹤系統采用步進(jìn)跟蹤方式，包括水平單軸、傾緯度角斜單軸和雙軸跟蹤，前兩者只有一個(gè)旋轉自由度，雙軸跟蹤具有兩個(gè)旋轉自由度。通過(guò)計算得出太陽(yáng)直射方位，以控制光伏陣列朝向，使其有最大功率輸出。

(2)風(fēng)力發(fā)電的接入和并網(wǎng)方式。目前，已有各種類(lèi)型的風(fēng)力發(fā)電機結構、發(fā)電方式和并網(wǎng)控制方式，如風(fēng)力發(fā)電機有異步發(fā)電機、同步發(fā)電機和雙饋式感應發(fā)電機三類(lèi)，驅動(dòng)方式有齒輪箱驅動(dòng)和直驅式兩類(lèi)，運行方式有定轉速和變轉速兩種，變轉速風(fēng)力發(fā)電機組的部分或全部容量采用變頻器并網(wǎng)運行。全部容量采用變頻器的直驅式風(fēng)力發(fā)電機組采用永磁同步發(fā)電機，能夠在較寬的轉速范圍內運行，具有轉矩密度高的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展前景看好?，F代風(fēng)力發(fā)電機都有偏航系統和液壓系統等，以提高運行性能，偏航系統可以隨時(shí)跟風(fēng)，使風(fēng)輪總是垂直于主風(fēng)向。液壓系統用于調節葉片槳矩、阻尼、停機、剎車(chē)等。小型風(fēng)力發(fā)電系統主要由小型風(fēng)力發(fā)電機(直驅式永磁同步發(fā)電機或異步發(fā)電機)、傳感器、儲能型蓄電池和充放電控制器、DC/DC升壓電路、變頻器、濾波器和系統控制器等組成。核心部件是風(fēng)力發(fā)電機、變頻器和系統控制器。并網(wǎng)方式可以將變頻器輸出經(jīng)隔離變壓器接入電網(wǎng)，或者將變頻器輸出直接與電網(wǎng)連接。特點(diǎn)與光伏發(fā)電系統相同。小型風(fēng)力發(fā)電系統可以預先在控制器中預設風(fēng)速-最大功率曲線(xiàn)表，由風(fēng)速傳感器實(shí)時(shí)檢測風(fēng)速，并測量整流器輸出側直流電壓，然后根據功率平衡原則，用查表法查找對應的最大功率，使變頻器達到最大功率輸出，實(shí)現最大功率跟蹤。

(3)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統的控制器。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統的系統控制器是整個(gè)系統的神經(jīng)中樞。兩者除數據采集的參數有區別外，系統控制器的結構是相同的，目前都可以采用可編程序控制器(PLC)和人機界面組成，本文采用西門(mén)子S7-1200系列PLC和精簡(jiǎn)系列面板，利用PLC的編程組態(tài)軟件，可以實(shí)現功能強大的控制作用。PLC與人機界面使用以太網(wǎng)(PROFINET)連接，并與上位計算機的通信。人機界面用于顯示系統的測量參數及控制狀態(tài)，還可用于對發(fā)電系統的手動(dòng)控制。上位機可以顯示發(fā)電系統的運行狀態(tài)，并設定控制參數。通過(guò)以太網(wǎng)接口，可以將發(fā)電系統接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化遠程監控。系統結構如圖1所示。

5結論

本文通過(guò)相關(guān)文獻和初步設計對新能源發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了研究，得到如下結論：目前國內電網(wǎng)接納能力是大規模發(fā)展新能源發(fā)電的重要基礎和環(huán)境，這有賴(lài)于堅強智能電網(wǎng)的發(fā)展，大力發(fā)展微網(wǎng)發(fā)電系統是改變能源結構邁向低碳經(jīng)濟社會(huì )模式的必由之路，這有賴(lài)于微網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)的有序發(fā)展和培育，也是建設堅強智能電網(wǎng)的目標。未來(lái)的能源市場(chǎng)是由生產(chǎn)商、投資商和消費者共同參與博弈的市場(chǎng)。目前，微小型風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電技術(shù)已能滿(mǎn)足并網(wǎng)技術(shù)的要求，隨著(zhù)微網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，將實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化控制。大中型風(fēng)電場(chǎng)、光伏發(fā)電場(chǎng)主要存在有功功率調整和動(dòng)態(tài)無(wú)功功率調整控制功能方面的缺陷，這有待于進(jìn)一步研究。

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