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(jī)及環(huán)境惡化已成為全球關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。可持續(xù)發(fā)展思想迅速成為國(guó)際社會(huì)共識(shí)，開(kāi)發(fā)利用可再生能源開(kāi)始受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。我國(guó)目前已全面邁出建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的步伐，滿足經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)電力的需求。智能電網(wǎng)建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容便是實(shí)現(xiàn)新能源的利用，著力實(shí)現(xiàn)可再生能源集約化開(kāi)發(fā)、大規(guī)模、遠(yuǎn)距離輸送和高效利用，改善能源結(jié)構(gòu)。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(tǒng)的電力系統(tǒng)無(wú)可比擬的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，越來(lái)越多應(yīng)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(duì)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(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(DG)裝置一般分為兩類化石能源發(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?xì)廨啓C(jī)發(fā)電和內(nèi)燃機(jī)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?zé)?、太?yáng)能、生物能及潮汐發(fā)電。其中風(fēng)能在我國(guó)發(fā)展迅速，近10年，新疆、內(nèi)蒙、廣東、浙江、遼寧建幾十個(gè)風(fēng)場(chǎng)，總裝機(jī)2000多萬(wàn)kW，2015年末并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)1億千瓦。預(yù)計(jì)到2030年風(fēng)力發(fā)電將為人類提供三成電力 。光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始市場(chǎng)化運(yùn)作，我國(guó)兆瓦級(jí)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(jí)屋頂光伏電站，賀蘭山脈50兆瓦光伏電站。2009年7月21日，財(cái)政部、科技部、國(guó)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(cái)政補(bǔ)助、科技支持和市場(chǎng)拉動(dòng)方式加快國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電的產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；l(fā)展，并計(jì)劃在2-3年內(nèi)，采取財(cái)政補(bǔ)助方式支持不低于500兆瓦的光伏發(fā)電示范項(xiàng)目。該項(xiàng)目誕生意味著太陽(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(chǔ)能[2](DES)裝置有電化學(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。

1.2微網(wǎng)概念

微網(wǎng)[3-4]是將分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置和控制裝置結(jié)合，形成一個(gè)單一可控的供電系統(tǒng)。微網(wǎng)內(nèi)部的電源主要是由電力電子裝置負(fù)責(zé)能量轉(zhuǎn)換，并提供必須的控制;微網(wǎng)相對(duì)外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的可控單元，同時(shí)滿足用戶對(duì)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(guó)，日本和加拿大相繼開(kāi)始微網(wǎng)的研究，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)證明微網(wǎng)的運(yùn)行、控制、保護(hù)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(tǒng)的燃料能源正在一天天減少，對(duì)環(huán)境造成的危害日益突出，為實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)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(dú)有的優(yōu)勢(shì)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(chǔ)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(tǒng)的組成與控制

光伏發(fā)電系統(tǒng)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(wěn)定的直流電壓，同時(shí)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制;DC/AC逆變器將穩(wěn)定的直流電變成穩(wěn)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(fù)載[5]。

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要作為可再生分布式電源，向獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)或者電力網(wǎng)絡(luò)供電，具有一般電力系統(tǒng)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(tǒng)的輸出功率都不是很高，功率等級(jí)一般為千瓦至兆瓦級(jí)。

光伏發(fā)電系統(tǒng)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是非線性的，二者之間有一定的約束條件，并受光照強(qiáng)度和溫度的影響，輸出功率會(huì)有變化。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)直流側(cè)的伏安特性曲線呈非線性，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(xiàn)有功和無(wú)功的解耦控制。

光伏發(fā)電系統(tǒng)需要對(duì)系統(tǒng)的輸出電流和輸出功率進(jìn)行控制，常用的控制為電流內(nèi)環(huán)和功率外環(huán)的雙閉環(huán)控制。內(nèi)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(tǒng)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(tǒng)的輸出功率因數(shù)滿足國(guó)標(biāo)要求，通常還需要對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行鎖相控制[6]。

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的各種要求也越來(lái)越高，因此，現(xiàn)代的光伏發(fā)電系統(tǒng)還包含逆變器并聯(lián)控制技術(shù)以實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的擴(kuò)容，孤島檢測(cè)技術(shù)以防止系統(tǒng)的島運(yùn)行，低壓穿越技術(shù)以滿足系統(tǒng)故障運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)等。

2.1.2光伏發(fā)電的發(fā)展歷程

我國(guó)于1958年開(kāi)始研究光伏發(fā)電，1971年首次成功應(yīng)用于我國(guó)發(fā)射的東方紅二號(hào)衛(wèi)星上。我國(guó)光伏工業(yè)在上世紀(jì)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(wèi)星電源，在地面上太陽(yáng)能電池僅用于小功率電源系統(tǒng)，功率一般在幾瓦到幾十瓦之間。

在“六五”和“七五”期間，國(guó)家開(kāi)始對(duì)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(guó)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(guó)家計(jì)委啟動(dòng)“西部省區(qū)無(wú)電鄉(xiāng)通電計(jì)劃”，通過(guò)分布式發(fā)電解決西部七省區(qū)(西藏、新疆、青海、甘肅、內(nèi)蒙古、陜西和四川)700多個(gè)無(wú)電鄉(xiāng)的用電問(wèn)題，光伏用電量達(dá)到15.5兆瓦。

2003年底，中國(guó)太陽(yáng)能電池的累計(jì)裝機(jī)已經(jīng)達(dá)到55兆瓦。2004年8月，總?cè)萘繛?1 兆瓦的當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)裝機(jī)容量最大的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)在深圳投入應(yīng)用。到2006年，我國(guó)太陽(yáng)能電池的裝機(jī)量已達(dá)到 80 兆瓦。2007 年，中國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)總量已達(dá) 10萬(wàn)千瓦。至2008 年底，我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)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(tǒng)電力行業(yè)相競(jìng)爭(zhēng)。由數(shù)據(jù)可知，光伏發(fā)電成本隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而不斷降低。與傳統(tǒng)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(jìng)爭(zhēng)。然而近期太陽(yáng)能光伏發(fā)電的大規(guī)模市場(chǎng)發(fā)展和快速的技術(shù)進(jìn)步正在使光伏系統(tǒng)設(shè)備和發(fā)電成本[8]有效降低，預(yù)計(jì)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)電有著良好的發(fā)展前景。太陽(yáng)輻射到地球表面的能量相當(dāng)于目前全世界一年能源總消耗量的3.5萬(wàn)倍。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，太陽(yáng)能光伏發(fā)電在將來(lái)不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應(yīng)的主要部分。根據(jù)歐洲JRC的預(yù)測(cè)，到2030年太陽(yáng)能光伏發(fā)電在世界總電力的供應(yīng)中將達(dá)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(jì)末太陽(yáng)能發(fā)電將占到60%以上。

在我國(guó)發(fā)展大型光伏發(fā)電系統(tǒng)，是改變和優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)的理想選擇，也是可持續(xù)電力供應(yīng)的理想模式。根據(jù)科學(xué)家何祚庥院士提出的觀點(diǎn)，荒漠電站是最具發(fā)展力的項(xiàng)目，僅內(nèi)蒙古沙漠地區(qū)的太陽(yáng)能就可以解決中國(guó)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(jù)國(guó)家發(fā)改委的規(guī)劃，到2020年底累計(jì)沙漠(戈壁)光伏電站裝機(jī)達(dá)到200兆瓦。

國(guó)家發(fā)改委和一些省區(qū)政府正積極規(guī)劃、部署和實(shí)施大型光伏發(fā)電項(xiàng)目。青海太陽(yáng)能光伏發(fā)電總裝機(jī)容量在全省范圍內(nèi)達(dá)到300兆瓦;到2013年，太陽(yáng)能光伏發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到1吉瓦。甘肅敦煌10兆瓦并網(wǎng)光伏發(fā)電示范工程項(xiàng)目2008年9月已獲國(guó)家能源局復(fù)函，同意采取特許權(quán)招標(biāo)方式建設(shè)，光伏發(fā)電項(xiàng)目特許經(jīng)營(yíng)期25年。甘肅發(fā)改委希望以規(guī)模化的市場(chǎng)需求帶動(dòng)建立20-30個(gè)類似光伏發(fā)電項(xiàng)目。

光伏發(fā)電將在中國(guó)未來(lái)的電力供應(yīng)中扮演重要的角色, 按照國(guó)家發(fā)改委編制的《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到30吉瓦，預(yù)計(jì)2050年我國(guó)電力裝機(jī)容量30億千瓦(按年均增長(zhǎng)3%估算)中，太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量可達(dá)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(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)。要求發(fā)電機(jī)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。

恒速恒頻采用失速調(diào)節(jié)或主動(dòng)失速調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，以恒速運(yùn)行時(shí)，主要采用異步感應(yīng)發(fā)電機(jī);變速恒頻采用電力電子變頻器將發(fā)電機(jī)發(fā)出的頻率變化的電能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速運(yùn)行范圍、可靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)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(dāng)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(qū)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)。