分布式電源與微網(wǎng)管控技術(shù)綜述

0引言

全球能源危機及環(huán)境惡化已成為全球關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題?？沙掷m發(fā)展思想迅速成為國際社會(huì )共識，開(kāi)發(fā)利用可再生能源開(kāi)始受到世界各國的廣泛關(guān)注。我國目前已全面邁出建設堅強智能電網(wǎng)的步伐，滿(mǎn)足經(jīng)濟快速發(fā)展對電力的需求。智能電網(wǎng)建設的一項重要內容便是實(shí)現新能源的利用，著(zhù)力實(shí)現可再生能源集約化開(kāi)發(fā)、大規模、遠距離輸送和高效利用，改善能源結構。分布式電源這些技術(shù)具有投資省、發(fā)電方式靈活、與環(huán)境兼容等特點(diǎn)，基于分布式電源建立的微網(wǎng)，又可以提供傳統的電力系統無(wú)可比擬的可靠性和經(jīng)濟性，越來(lái)越多應用于電網(wǎng)。

本文闡述了分布式電源的特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了分布式電源的典型技術(shù)如太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電技術(shù)。并對并網(wǎng)帶來(lái)的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)單的探討。與此同時(shí)介紹了微網(wǎng)管控技術(shù)進(jìn)行闡述。

1研究背景

1.1分布式電源的概念及其背景

分布式電源[1]指小型(容量一般小于50MW)、向當地負荷供電、可直接連到配電網(wǎng)上的電源裝置。它包括分布式發(fā)電裝置與分布式儲能裝置。

分布式發(fā)電(DG)裝置一般分為兩類(lèi)化石能源發(fā)電和可再生能源發(fā)電。石能源發(fā)電常見(jiàn)的如熱電冷聯(lián)產(chǎn)發(fā)電、燃氣輪機發(fā)電和內燃機組發(fā)電?？稍谀苣茉词墙暄芯康臒狳c(diǎn)，它包括水力、風(fēng)能、地熱、太陽(yáng)能、生物能及潮汐發(fā)電。其中風(fēng)能在我國發(fā)展迅速，近10年，新疆、內蒙、廣東、浙江、遼寧建幾十個(gè)風(fēng)場(chǎng)，總裝機2000多萬(wàn)kW，2015年末并網(wǎng)風(fēng)電裝機容量達1億千瓦。預計到2030年風(fēng)力發(fā)電將為人類(lèi)提供三成電力 。光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始市場(chǎng)化運作，我國兆瓦級的光伏電站有寧夏石嘴10兆瓦光伏電站，上海崇明1兆瓦光伏電站，上海臨港新城1.2兆瓦光伏，浙江2兆瓦級屋頂光伏電站，賀蘭山脈50兆瓦光伏電站。2009年7月21日，財政部、科技部、國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于實(shí)施金太陽(yáng)示范工程的通知》，決定綜合采取財政補助、科技支持和市場(chǎng)拉動(dòng)方式加快國內光伏發(fā)電的產(chǎn)業(yè)化和規?；l(fā)展，并計劃在2-3年內，采取財政補助方式支持不低于500兆瓦的光伏發(fā)電示范項目。該項目誕生意味著(zhù)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)在政策面上，將會(huì )得到更大力度的支持。

分布式儲能[2](DES)裝置有電化學(xué)儲能(如蓄電池儲能裝置)、電磁儲能(如超導儲能和超級電容器儲能等)、機械儲能裝置(如飛輪儲能和壓縮空氣儲能等),熱能儲能裝置。

1.2微網(wǎng)概念

微網(wǎng)[3-4]是將分布式電源、負荷、儲能裝置和控制裝置結合，形成一個(gè)單一可控的供電系統。微網(wǎng)內部的電源主要是由電力電子裝置負責能量轉換，并提供必須的控制;微網(wǎng)相對外部大電網(wǎng)表現為單一的可控單元，同時(shí)滿(mǎn)足用戶(hù)對電能質(zhì)量和供電可靠性、安全性的要求。從2000開(kāi)始，歐盟提出了微網(wǎng)工程(Micro grids Project)，隨后美國，日本和加拿大相繼開(kāi)始微網(wǎng)的研究，系統實(shí)驗證明微網(wǎng)的運行、控制、保護和安全性。

2分布式電源技術(shù)研究

2.1光伏并網(wǎng)技術(shù)

由于傳統的燃料能源正在一天天減少，對環(huán)境造成的危害日益突出，為實(shí)現能源的可持續發(fā)展，全世界都把目光投向了可再生能源。這之中太陽(yáng)能以其獨有的優(yōu)勢而成為人們重視的焦點(diǎn)。太陽(yáng)能是一種分布極其廣泛,儲量十分巨大,易于為人們利用的清潔可再生能源。太陽(yáng)能光伏發(fā)電成為了人們獲取清潔可再生能源的重要途徑。

2.1.1 光伏發(fā)電系統的組成與控制

光伏發(fā)電系統由光伏電池板陣列、DC/DC變換器、DC/AC逆變器、控制器組成。其中DC/DC變換器將光伏電池板所發(fā)出的電能變換成為穩定的直流電壓，同時(shí)實(shí)現最大功率點(diǎn)跟蹤控制;DC/AC逆變器將穩定的直流電變成穩定的交流電，經(jīng)過(guò)濾波器濾波，然后再經(jīng)過(guò)變壓器與電網(wǎng)相連或直接帶負載[5]。

光伏發(fā)電系統主要作為可再生分布式電源，向獨立發(fā)電系統或者電力網(wǎng)絡(luò )供電，具有一般電力系統電源的特點(diǎn)。由于受光伏電池板的輸出功率限制，所以光伏發(fā)電系統的輸出功率都不是很高，功率等級一般為千瓦至兆瓦級。

光伏發(fā)電系統的傳輸能量來(lái)源于光伏電池，從電池輸出分析，輸出電壓和電流曲線(xiàn)是非線(xiàn)性的，二者之間有一定的約束條件，并受光照強度和溫度的影響，輸出功率會(huì )有變化。光伏并網(wǎng)系統直流側的伏安特性曲線(xiàn)呈非線(xiàn)性，但有功和無(wú)功輸出都是可控的，在一定條件下可以實(shí)現有功和無(wú)功的解耦控制。

光伏發(fā)電系統需要對系統的輸出電流和輸出功率進(jìn)行控制，常用的控制為電流內環(huán)和功率外環(huán)的雙閉環(huán)控制。內環(huán)控制主要采用各種優(yōu)化的PWM控制策略，外環(huán)主要是保證系統處于最大功率點(diǎn)輸出而采用最大功率跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制;并且為了使系統的輸出功率因數滿(mǎn)足國標要求，通常還需要對電網(wǎng)電壓進(jìn)行鎖相控制[6]。

隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，人們對光伏發(fā)電系統的各種要求也越來(lái)越高，因此，現代的光伏發(fā)電系統還包含逆變器并聯(lián)控制技術(shù)以實(shí)現光伏并網(wǎng)系統的擴容，孤島檢測技術(shù)以防止系統的島運行，低壓穿越技術(shù)以滿(mǎn)足系統故障運行標準等。

2.1.2光伏發(fā)電的發(fā)展歷程

我國于1958年開(kāi)始研究光伏發(fā)電，1971年首次成功應用于我國發(fā)射的東方紅二號衛星上。我國光伏工業(yè)在上世紀八十年代的發(fā)展處于起步階段。受到價(jià)格和產(chǎn)量的限制，市場(chǎng)發(fā)展很緩慢，除了作為衛星電源，在地面上太陽(yáng)能電池僅用于小功率電源系統，功率一般在幾瓦到幾十瓦之間。

在“六五”和“七五”期間，國家開(kāi)始對光伏工業(yè)和光伏市場(chǎng)的發(fā)展給以支持，中央和地方政府在光伏領(lǐng)域的資金投入，使得我國的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)逐步發(fā)展起來(lái)，有了一系列的成果。

1995年，在西藏的無(wú)水力無(wú)電縣，建成兩個(gè)功率分別為10千瓦和20千瓦的光伏電站。2002 年，國家計委啟動(dòng)“西部省區無(wú)電鄉通電計劃”，通過(guò)分布式發(fā)電解決西部七省區(西藏、新疆、青海、甘肅、內蒙古、陜西和四川)700多個(gè)無(wú)電鄉的用電問(wèn)題，光伏用電量達到15.5兆瓦。

2003年底，中國太陽(yáng)能電池的累計裝機已經(jīng)達到55兆瓦。2004年8月，總容量為 1 兆瓦的當時(shí)國內裝機容量最大的太陽(yáng)能發(fā)電系統在深圳投入應用。到2006年，我國太陽(yáng)能電池的裝機量已達到 80 兆瓦。2007 年，中國光伏發(fā)電累計裝機總量已達 10萬(wàn)千瓦。至2008 年底，我國太陽(yáng)能光伏發(fā)電累計裝機約為 15 萬(wàn)千瓦[7]。

2.1.3光伏發(fā)電的成本問(wèn)題

光伏發(fā)電的成本，決定了其能否與傳統電力行業(yè)相競爭。由數據可知，光伏發(fā)電成本隨著(zhù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而不斷降低。與傳統電力相比，目前光伏發(fā)電成本仍然比較高，大大阻礙了太陽(yáng)能光伏發(fā)電的推廣和使用。故其暫時(shí)還無(wú)法同火電、風(fēng)電等競爭。然而近期太陽(yáng)能光伏發(fā)電的大規模市場(chǎng)發(fā)展和快速的技術(shù)進(jìn)步正在使光伏系統設備和發(fā)電成本[8]有效降低，預計未來(lái)幾年每千瓦時(shí)發(fā)電成本可降為1.5元人民幣以下。

2.1.4光伏發(fā)電的展望

太陽(yáng)能發(fā)電有著(zhù)良好的發(fā)展前景。太陽(yáng)輻射到地球表面的能量相當于目前全世界一年能源總消耗量的3.5萬(wàn)倍。從長(cháng)遠看，太陽(yáng)能光伏發(fā)電在將來(lái)不但要替代部分常規能源，而且將成為世界能源供應的主要部分。根據歐洲JRC的預測，到2030年太陽(yáng)能光伏發(fā)電在世界總電力的供應中將達到10%以上;2040年太陽(yáng)能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上;到21世紀末太陽(yáng)能發(fā)電將占到60%以上。

在我國發(fā)展大型光伏發(fā)電系統，是改變和優(yōu)化電力結構的理想選擇，也是可持續電力供應的理想模式。根據科學(xué)家何祚庥院士提出的觀(guān)點(diǎn)，荒漠電站是最具發(fā)展力的項目，僅內蒙古沙漠地區的太陽(yáng)能就可以解決中國未來(lái)的能源問(wèn)題。大型沙漠光伏電站由于利用沙漠荒地，可大幅度減少土地利用和投資成本。根據國家發(fā)改委的規劃，到2020年底累計沙漠(戈壁)光伏電站裝機達到200兆瓦。

國家發(fā)改委和一些省區政府正積極規劃、部署和實(shí)施大型光伏發(fā)電項目。青海太陽(yáng)能光伏發(fā)電總裝機容量在全省范圍內達到300兆瓦;到2013年，太陽(yáng)能光伏發(fā)電總裝機容量達到1吉瓦。甘肅敦煌10兆瓦并網(wǎng)光伏發(fā)電示范工程項目2008年9月已獲國家能源局復函，同意采取特許權招標方式建設，光伏發(fā)電項目特許經(jīng)營(yíng)期25年。甘肅發(fā)改委希望以規?；氖袌?chǎng)需求帶動(dòng)建立20-30個(gè)類(lèi)似光伏發(fā)電項目。

光伏發(fā)電將在中國未來(lái)的電力供應中扮演重要的角色, 按照國家發(fā)改委編制的《可再生能源中長(cháng)期發(fā)展規劃》，到2020年累計裝機容量將達到30吉瓦，預計2050年我國電力裝機容量30億千瓦(按年均增長(cháng)3%估算)中，太陽(yáng)能發(fā)電裝機容量可達6億千瓦。

2.2風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)[9]-[10]

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是將風(fēng)能轉化為電能的發(fā)電技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)運行時(shí)。要求發(fā)電機的輸出頻率與電網(wǎng)頻率一致。風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)可分為恒速恒頻并網(wǎng)技術(shù)和變速恒頻并網(wǎng)技術(shù)兩大類(lèi)。

恒速恒頻采用失速調節或主動(dòng)失速調節的風(fēng)力發(fā)電機，以恒速運行時(shí)，主要采用異步感應發(fā)電機;變速恒頻采用電力電子變頻器將發(fā)電機發(fā)出的頻率變化的電能轉化成頻率恒定的電能。變速恒頻發(fā)電技術(shù)有因最大限度地捕捉風(fēng)能、較寬的轉速運行范圍、可靈活調節系統的有功功率和無(wú)功功率和采用先進(jìn)的PWM控制等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為當前風(fēng)力發(fā)電的主流技術(shù)。雙饋風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)和直驅風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)是風(fēng)能并網(wǎng)的兩種主要形式，它們有相同之處又有各自的特點(diǎn)。