智能配電網(wǎng)之分布式電源并網(wǎng)技術(shù)

標(biāo)簽：智能電網(wǎng) 分布式電源 并網(wǎng)

智能電網(wǎng)區(qū)別于傳統(tǒng)電網(wǎng)的一個(gè)根本特征是支持分布式電源(Dist ributed Energy Resources ,DER) 的大量接入。滿足DER 并網(wǎng)的需要,是智能電網(wǎng)提出并獲得迅速發(fā)展的根本原因。本講介紹分布式電源的基本概念及其并網(wǎng)技術(shù),作為讀者學(xué)習(xí)、了解智能電網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)。

1 分布式電源的概念

分布式電源指小型(容量一般小于50 MW) 、向當(dāng)?shù)刎?fù)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(chǔ)能裝置。

分布式發(fā)電(Dist ributed Generation ,DG) 裝置根據(jù)使用技術(shù)的不同,可分為熱電冷聯(lián)產(chǎn)發(fā)電、內(nèi)燃機(jī)組發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、小型水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、燃料電池等;根據(jù)所使用的能源類型,DG可分為化石能源(煤炭、石油、天然氣) 發(fā)電與可再生能源(風(fēng)力、太陽(yáng)能、潮汐、生物質(zhì)、小水電等) 發(fā)電兩種形式。分布式儲(chǔ)能(Dist ributed Energy Storage ,DES) 裝置是指模塊化、可快速組裝、接在配電網(wǎng)上的能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換裝置。根據(jù)儲(chǔ)能形式的不同,DES 可分為電化學(xué)儲(chǔ)能(如蓄電池儲(chǔ)能裝置) 、電磁儲(chǔ)能(如超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能等) 、機(jī)械儲(chǔ)能裝置(如飛輪儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能等) ,熱能儲(chǔ)能裝置等。此外,近年來(lái)發(fā)展很快的電動(dòng)汽車亦可在配電網(wǎng)需要時(shí)向其送電,因此也是一種DES。

2 分布式電源的發(fā)展

2. 1 分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展

長(zhǎng)期以來(lái),電力系統(tǒng)向大機(jī)組、大電網(wǎng)、高電壓的方向發(fā)展。進(jìn)入20 世紀(jì)80 年代,各種分散布置的、小容量的發(fā)電技術(shù)又開始引起人們的關(guān)注,經(jīng)過(guò)20 多年的發(fā)展,分布式發(fā)電已成為一股影響電力工業(yè)未來(lái)面貌的重要力量。引起這一變化的原因主要有以下幾個(gè)方面。

1) 應(yīng)對(duì)全球能源危機(jī)的需要。隨著國(guó)際油價(jià)的不斷飆升,能源安全問(wèn)題日益突出,為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,人們的目光轉(zhuǎn)向了可再生能源,因此,風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等備受關(guān)注,快速發(fā)展并開始規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用,而這些可再生能源的發(fā)電大都是小型的、星羅棋布的。

2) 保護(hù)環(huán)境的需要。CO2 排放引起的全球氣候變暖問(wèn)題,已引起各國(guó)政府的高度重視,并成為當(dāng)今世界政治的核心議題之一。為保護(hù)環(huán)境,世界上工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛立法,扶持可再生能源發(fā)電以及其他清潔發(fā)電技術(shù)(如熱電聯(lián)產(chǎn)微型燃?xì)廨啓C(jī)) ,有利地推動(dòng)了DG的發(fā)展。

3) 天然氣發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。對(duì)于天然氣發(fā)電來(lái)說(shuō),機(jī)組容量并不明顯影響機(jī)組的效率,并且天然氣輸送成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電力的傳輸,因此比較適合采用有小容量特點(diǎn)的DG。

4) 避免投資風(fēng)險(xiǎn)。由于難以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)遠(yuǎn)期的電力需求增長(zhǎng)情況,為規(guī)避風(fēng)險(xiǎn),電力公司往往不愿意投資大型的發(fā)電廠以及長(zhǎng)距離超高壓輸電線路。此外,高壓線路走廊的選擇也比較困難。這都促使電力公司選擇一些投資小、見效快的DG項(xiàng)目來(lái)就地解決供電問(wèn)題。

在國(guó)際上,DG 的發(fā)展方興未艾。在美國(guó),1978 年修改了《公共事業(yè)法》,以法律的形式要求各電力公司接受用戶的小型能源系統(tǒng),特別是熱電機(jī)組并網(wǎng);2000 年,熱電聯(lián)產(chǎn)裝機(jī)容量已占總裝機(jī)容量的7 %,預(yù)計(jì)到2010 年將占其總裝機(jī)容量的14 %;2008 年,風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)2500 萬(wàn)kW;太陽(yáng)能裝機(jī)容量達(dá)87 萬(wàn)kW。歐洲在世界上最早開始應(yīng)用DG。目前,丹麥、芬蘭、挪威等國(guó)的DG容量均已接近或超過(guò)其總發(fā)電裝機(jī)容量的50 %;歐洲D(zhuǎn)G 應(yīng)用規(guī)模最大的德國(guó),2008 年末風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到2300 萬(wàn)kW ,太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)540 萬(wàn)kW。

我國(guó)應(yīng)用的DG 原來(lái)主要以小水電為主,風(fēng)電、光伏發(fā)電等起步相對(duì)較晚。2003 年以來(lái),國(guó)家強(qiáng)力推進(jìn)節(jié)能減排,頒布了《可再生能源法》并制定了一系列促進(jìn)可再生能源利用與提高能效技術(shù)發(fā)展的政策。到2008 年底,我國(guó)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到1200 萬(wàn)kW ,躍居世界第三位;光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到14 萬(wàn)kW。

近年來(lái),各國(guó)政府對(duì)能源安全與環(huán)境問(wèn)題高度重視。美國(guó)、歐盟都提出2020 年應(yīng)用可再生能源占總能源消費(fèi)的比例超過(guò)20 %;我國(guó)也制定了2020 年應(yīng)用可再生能源占消費(fèi)總能源的比例達(dá)15 %的目標(biāo)。目前,各國(guó)可再生能源發(fā)電容量在總發(fā)電裝機(jī)容量中的比例遠(yuǎn)低于這些目標(biāo),可見DG的發(fā)展空間巨大。

目前,風(fēng)力發(fā)電等可再生能源發(fā)電的成本還遠(yuǎn)高于常規(guī)燃煤發(fā)電,只有國(guó)家實(shí)行優(yōu)惠的稅收政策并給予一定的財(cái)政補(bǔ)貼,才能調(diào)動(dòng)投資者發(fā)展DG 的積極性。其次,DG 并網(wǎng)技術(shù)也是制約DG發(fā)展的重要因素,因此,智能電網(wǎng)的提出,從技術(shù)上為解決這一問(wèn)題創(chuàng)造了條件。

2. 2 分布式儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展

能量?jī)?chǔ)存是電力系統(tǒng)調(diào)峰的有效手段,作為一種成熟的儲(chǔ)能技術(shù),抽水蓄能電站獲得了大量應(yīng)用。近年來(lái),作為補(bǔ)償DG輸出間歇性、波動(dòng)性的有效手段,分布式儲(chǔ)能技術(shù)受到了人們的重視。

蓄電池是一種傳統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)。鈉硫電池具有大容量、高效率、結(jié)構(gòu)緊湊、易擴(kuò)展、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn),技術(shù)進(jìn)一步成熟后可用于城市電網(wǎng)和可再生能源發(fā)電補(bǔ)償。超級(jí)電容器容量大、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)保,目前已有市場(chǎng)化應(yīng)用。2005 年,美國(guó)加利福尼亞州建造了一臺(tái)450 kW 的超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置,用以減輕950 kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向電網(wǎng)輸送功率的波動(dòng)。飛輪儲(chǔ)能效率高、壽命長(zhǎng),德國(guó)、美國(guó)等都在投資研制用于電網(wǎng)調(diào)峰的飛輪儲(chǔ)能裝置。超導(dǎo)磁能儲(chǔ)能具有效率高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn),目前已在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。

總體來(lái)說(shuō),分布式儲(chǔ)能技術(shù)還在發(fā)展之中,還沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化,需要國(guó)家在政策上給于引導(dǎo)和扶持。

3 分布式電源并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的影響

3. 1 分布式電源并網(wǎng)的作用

分布式發(fā)電裝置并網(wǎng)后會(huì)給配電網(wǎng)帶來(lái)一系列積極的影響。

1) 提高供電可靠性。DER 可以彌補(bǔ)大電網(wǎng)在安全穩(wěn)定性上的不足。含DER 的微電網(wǎng)可以在大電網(wǎng)停電時(shí)維持全部或部分重要用戶的供電,避免大面積停電帶來(lái)的嚴(yán)重后果。

2) 提高電網(wǎng)的防災(zāi)害水平。災(zāi)害期間,DER可維持部分重要負(fù)荷的供電,減少災(zāi)害損失。

3) DER 啟停方便,調(diào)峰性能好,有利于平衡負(fù)荷。

4) DER 投資小、見效快。發(fā)展DG 可以減少、延緩對(duì)大型常規(guī)發(fā)電廠與輸配電系統(tǒng)的投資,降低投資風(fēng)險(xiǎn)。

5) 可以滿足特殊場(chǎng)合的用電需求。如用于大電網(wǎng)不易達(dá)到的偏遠(yuǎn)地區(qū)的供電;在重要集會(huì)或慶典上,DER 處于熱備用狀態(tài)可作為移動(dòng)應(yīng)急發(fā)電。

6) 減少傳輸損耗。DER 就近向用電設(shè)備供電,避免輸電網(wǎng)長(zhǎng)距離送電的電能傳輸損耗。

分布式儲(chǔ)能裝置并網(wǎng)后,可在負(fù)荷低谷時(shí)從電網(wǎng)上獲取電能,而在負(fù)荷高峰時(shí)向電網(wǎng)送電,起到對(duì)負(fù)荷削峰填谷的作用,提高電網(wǎng)運(yùn)行效率。其另一個(gè)重要作用,是與風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電裝置配合使用,可就地補(bǔ)償可再生能源發(fā)電裝置功率輸出的間歇性。

3. 2 分布式電源并網(wǎng)帶來(lái)的技術(shù)問(wèn)題

DER 的大量接入改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)功率單向流動(dòng)的狀況,這給配電網(wǎng)帶來(lái)一系列新的技術(shù)問(wèn)題。

1) 電壓調(diào)整問(wèn)題。配電線路中接入DER ,將引起電壓分布的變化。由于配電網(wǎng)調(diào)度人員難以掌握DER 的投入、退出時(shí)間以及發(fā)出的有功功率與無(wú)功功率的變化,使配電線路的電壓調(diào)整控制十分困難。

2) 繼電保護(hù)問(wèn)題。DER 的并網(wǎng)會(huì)改變配電網(wǎng)原來(lái)故障時(shí)短路電流水平并影響電壓與短路電流的分布,對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)帶來(lái)影響:

(1) 引起保護(hù)拒動(dòng)。DER 對(duì)保護(hù)動(dòng)作的影響如圖1 所示。如果一個(gè)DER 接在線路的M處,當(dāng)線路末端k 處發(fā)生短路故障時(shí),它向故障點(diǎn)送出短路電流并抬高M(jìn) 處的電壓,因此使母線處保護(hù)R 檢測(cè)到的短路電流減少,從而降低保護(hù)動(dòng)作的靈敏度,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起保護(hù)拒動(dòng)。

圖1 DER 對(duì)保護(hù)動(dòng)作的影響

(2) 引起配電網(wǎng)保護(hù)誤動(dòng)。在相鄰線路發(fā)生短路故障時(shí),DER 提供的反向短路電流可能使保護(hù)誤動(dòng)作。