微電網技術的研究與應用前景

李莉華,李賓皚

(1.華東電力試驗研究院有限公司,上海 200437;2.華東電網有限公司,上海 200002)

1 微電網概況

1.1 微電網產生的背景[1-5]

社會經濟的快速發展,帶動了電力需求的快速增長與電網規模的不斷擴大,構建大電網建設成本高、運行難度大,并且在適應電力用戶的高要求、高可靠性和供電需求方面,也還存在諸多瓶頸問題。近些年來一些發達國家發生的大面積停電事故,已經暴露出大電網的脆弱。

分布式發電具有傳統電力系統不具備的優點,如可靠性高、清潔和能效高。同時,分布式電源位置靈活和分散的特點,延緩了輸配電網升級改造所需的高額投入,可通過和大電網的相互備用進一步提高供電可靠性。為此,一些發達國家正在深入研究分布式發電系統。

目前,分布式電源單機接入成本高,控制困難。為緩沖分布式電源對大電網的沖擊,一旦電力系統發生故障,分布式電源必須迅速退出電網運行,這也限制了分布式電源的應用優勢。

為了減少分布式電源的諸多不利影響,發揮其積極作用,較好的解決方案是采用微電網(M icrogrid)。

1.2 微電網的定義[1-5]

微電網是一種較小規模的分散獨立系統,由負荷和微電源組成。它采用了大量的先進電力技術,將燃氣輪機或者風電、光伏發電、燃料電池和儲能設備等裝置整合在一起,直接接入用戶側,如圖1所示。微電網可視為大電網中的一個可控單元,它可在數秒內動作,提高供電區域的供電可靠性、降低損耗、穩定電壓,還可以提供不間斷電源滿足用戶的特定需求。微電網和大電網的互為備用,可以提高供電的可靠性。由圖1可知,微電網可以包括光伏發電、風能或者燃料電池等微電源,有的微電源還連接熱負荷,同時為當地用戶提供熱源。

圖1 微電網結構方框圖

1.3 微電網的優勢

微電網與傳統集中式能源系統相比具有許多優勢。

1)微電網接近負荷,線損顯著減少,建設投資和運行費用較省。

2)分布式能源具備發電、供熱、制冷等多種服務功能,可實現更較高的能源綜合利用效率。

3)有利于各類可再生能源(太陽能發電、風力發電、生物質發電等)的利用,減少了排放總量、征地、電力線路走廊用地和高壓輸電線的電磁污染,緩解了環保壓力。

4)可以解決部分調峰和備用問題,做到與季節性和地域性的電力需求變化相適應,使得電力系統的經濟性和安全性達到最佳平衡。

5)可以提高供電可靠性、供電質量和電網的安全性。

6)發展微電網技術可形成和諧多元化的電網格局。

微電網的最大優勢是提高了電力系統面臨突發災難時的抗災能力。大電網中超大型電站與微電網中分散微型電站的結合,可以減少電力輸送距離、降低輸電線路的投資和電力系統的運營成本,確保電力系統的運行更安全和更經濟。

2 國外對微電網的研究

由文獻得知,目前發達國家正在深入研究微電網,競相報道有關微電網的技術成果,由于各國電力系統存在的實際問題和可持續發展能源的目標不同,所以呈現出不同的理念與特色。

2.1 美國對微電網的研究

微電網的概念是由美國CERTS(可靠性技術解決方案協會)最早提出的,這種微電網主要由基于電力電子技術且容量小于等于500 kW的小型微電源與負荷構成。電力電子技術是美國CERTS微電網實現智能和靈活控制的重要技術支撐。美國微電網的發展重點是提高重要負荷的供電可靠性、滿足用戶定制的多種電能質量需求、降低電網成本和實現電網智能化。對微電網進行深入研究,是美國電力系統今后發展和規劃電源的重要課題之一。

美國CERTS對微電網的初步理論研究成果,得到了實驗室微電網平臺的成功檢驗。微電網在2005年已經從仿真分析和實驗階段進入現場示范運行階段。美國第一個微電網示范工程是由北部電力系統承建的Mad River微電網,用以檢驗微電網建模和仿真方法、保護和控制策略以及經濟效益,并形成微電網的管理政策和相應法規。

美國還開展了分布式效能集成測試平臺的建設(由加州能源委員會資助)、佛蒙特州微電網安裝和運行的檢驗(由美國國家可再生能源實驗室承擔),這些研究工作都極大地促進了美國微電網的發展。

2.2 日本對微電網的研究

日本對微電網的研究,主要目標是能源供給多樣化、減少污染、滿足用戶的個性化電力需求。例如:三菱公司根據微電網的規模,將其分為三類,如表1所示[2]。

表1 日本三菱公司對微電網的分類

由表1可知,日本拓展了美國CERTS對微電網的定義范圍,將傳統電源的獨立電力系統,也納入微電網的研究范疇,已建立多個微電網工程。微電網的實現形式之一,是由日本學者提出的靈活、可靠和智能能量供給系統,即在配電網中加入靈活交流輸電系統(FACTS)裝置,實現對配電網能源結構的優化,用以滿足用戶對多種電能質量的不同需求。

日本成立了新能源與工業技術發展組織(NEDO),用來與高校協調,與企業協調,與國家重點實驗室協調研究課題。NEDO建立的第一個微電網示范工程是2005年投入日本愛知世博會時使用的愛知微電網[3]。

2.3 歐洲對微電網的研究

2005年,歐洲從電力市場需求、電能安全供給及環保等角度出發,提出“SmartG rid”計劃,即未來歐洲電網要具有靈活性、可接入性、可靠性和經濟性等特點,并具有智能性、能量利用多元化等特點。

歐洲已初步提出有關了微電網的運行、控制、保護、安全及通信等理論,并在實驗室微電網平臺上對這些理論進行了驗證。目前,歐洲的微電網示范工程主要有希臘基斯諾斯島微電網、德國曼海姆Wallstadt居民區示范工程、西班牙LABEIN項目、葡萄牙EDP項目、葡萄牙Continuon項目、意大利CESI項目、丹麥ELTRA項目等。

2.4 國外微電網應用展望

各國對微電網的研究、形成與發展,不僅是對傳統集中式、大規模電網的挑戰,更是電力行業對能源的利用、環保、服務意識的提高。微電網是對大電網的有益補充,是未來電網實現高效、環保和優質供電的一個重要手段。

美國PikeResearch研究機構在最近的一份研究報告中指出,未來幾年電網的發展趨勢將集中在微電網上,到2015年全世界微電網容量將達到3GW,為此將有38億美元投資微電網,平均每年21億美元。未來幾年,北美將成為微電網的最大市場,擁有占世界24%的微電網容量,歐洲和亞洲將緊隨其后。

3 我國發展微電網要解決的關鍵問題

3.1 我國微電網特點

大力發展可再生能源發電的形勢、提高電網抗災能力的迫切需求、電力系統自身發展的需求等,都是我國發展微電網的主要原因。

我國發展微電網,是基于我國電力系統的特點為基礎,提出不同區域的針對性解決方案。按照運行特點,主要分為城市片區微電網和偏遠地區微電網(即農村微電網及企業微電網)[4]。

3.1.1 城市片區微電網

城市片區微電網一般按照居民小區、賓館、醫院、商場及辦公樓等建設,正常情況下主要通過大電網供電。大電網故障時,將城市片區微電網斷開,進入孤島運行模式,用以保證所接重要負荷的供電可靠性和電能質量。一般接在10 kV中壓配網,容量為數百千瓦至10 MW等級。

3.1.2 偏遠地區微電網

偏遠地區微電網主要指農村微電網和企業微電網。目前,在農村、草原等偏遠地區,供電困難,居民無法用電。解決的方案是不延伸電力系統,以較低的成本利用當地可再生能源供電。企業微電網一般接在10 kV及以上中壓配網,容量在數百千瓦至10 MW。企業微電網一般分布在城市郊區,如石化、鋼鐵等大型企業,利用傳統電源滿足企業內部的用電需求。

3.2 發展微電網要解決的關鍵問題

3.2.1 微電網與現有配電網的協調發展

微電網與現有配電網的協調發展,主要是指更新改造現有配電網還是全新建設配電網。例如一些新興科技園區引入了太陽能發電等分布式能源,同時保持與原有配電網的聯系,微電網雛形的特征十分明顯。但是,大多數配電網用戶要實現微電網供電,只能考慮對現有供電網絡進行改造,而且技術難度較大。

3.2.2 微電網技術

微電網目前存在許多需要進一步研究和攻克的技術難題,主要包含新能源發電技術、電力電子技術、儲能技術和通信技術等[5]。

1)新能源和可再生能源發電技術 該類核心技術被少數先進國家掌握,其成本造價相對于傳統能源發電的優勢并不明顯。因此這些新的低碳發電技術,降低成本、市場化非常關鍵。

2)電力電子控制裝置 微電網的靈活運行方式,是基于先進的電力電子接口,微電網不僅可以靈活地接入主網,而且還可以使得各個微電源實現“即插即用”。

3)儲能關鍵技術 儲能裝置是微電網不可缺少的重要設備,其削峰填谷的作用,可以提高間歇式能源的利用效率。我國先后研制出650 Ah鈉硫電池單體、100 kW/200 kW的全釩液流電池系統。另外,飛輪儲能技術的應用也取得了很大的進展。

4)協調繼電保護和無功補償技術 微電網的保護方法與傳統配電網的保護方法不同,主要是微電網的多電源特性,使得兩者區別很大,主要難點在潮流的雙向流動、并網和孤立運行時短路容量的變化方面。因此,傳統配電網在低壓側集中無功補償的方法已經不適合微電網。

5)監測技術 微電網的特殊結構,改變了傳統配電網的供電模式,因此先進的監測技術成為微電網有效管理的基礎。

3.2.3 微電網的仿真試驗及示范應用

微電網的仿真及試驗工作,主要包括數字仿真技術研究、數字仿真與物理建模仿真接口的研究、數字仿真與物理動模仿真混合仿真的開發等工作,而示范工程的建設,是微電網走向實際應用的橋梁與檢驗。

4 我國微電網應用展望

微電網以其獨特的運行方式不僅可以滿足電力用戶的多種需求,還可以保證在極端情況下保證電能的持續供應,微電網的諸多優點將使它成為大電網的一個有益補充。分布式能源技術是我國的必然選擇,但分布式能源入網存在很多問題,我國當前正在大力發展風電和光伏等分布式能源。微電網能很好的解決分布式能源和大電網之間的矛盾。

在我國許多中小城市和偏遠地區,有一些損耗大、效率低、運行費用高和污染大等的火力發電和小水電等傳統發電機組,面臨“上大壓小”,停運或拆除?？梢猿浞挚紤]挖掘這些機組的合理再利用,組成微電網。

在政策法規方面,我國已制定了一些利于微電網推廣建設的政策,如采取了新能源和可再生能源優先上網和價格優惠等政策。

5 結語

微電網作為大電網的有效補充,與分布式能源的有效利用形式,已引起廣泛關注,歐美日等國的微電網發展呈現不同的特色。中國微電網的發展能夠提高供電可靠性、促進可再生能源的利用,對建設抗災型電網具有重要意義,發展依靠的關鍵技術主要包含新能源發電技術、電力電子技術、儲能技術和通信等技術。微電網的理論與應用有待進一步研究和深入。

[1] 魯宗相,王彩霞,等.微電網研究綜述[J].電力系統自動化, 2007,31(19):100-107.

[2] 樓書氫,李青鋒.國外微電網的研究概況及其在我國的應用前景[J].華中電力,2009,22(3):56-59.

[3] 左文霞,李澍霖,等.微電網技術及發展概況[J].中國電力, 2009,(7):26-30.

[4] 時珊珊,魯宗相,等.中國微電網的特點和發展方向[J].中國電力,2009,(7):21-25.

[5] 劉立杰,吳福保.微電網技術在中國的研究現狀和應用前景[J].農村電氣化,2010,(6).