分布式電源與微網(wǎng)管控技術綜述

0引言

全球能源危機及環(huán)境惡化已成為全球關注的重點問題?？沙掷m(xù)發(fā)展思想迅速成為國際社會共識，開發(fā)利用可再生能源開始受到世界各國的廣泛關注。我國目前已全面邁出建設堅強智能電網(wǎng)的步伐，滿足經濟快速發(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現(xiàn)新能源的利用，著力實現(xiàn)可再生能源集約化開發(fā)、大規(guī)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具有投資省、發(fā)電方式靈活、與環(huán)境兼容等特點，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)無可比擬的可靠性和經濟性，越來越多應用于電網(wǎng)。

本文闡述了分布式電源的特點，重點介紹了分布式電源的典型技術如太陽能和風能發(fā)電技術。并對并網(wǎng)帶來的技術問題進行簡單的探討。與此同時介紹了微網(wǎng)管控技術進行闡述。

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?shù)刎摵晒╇姟⒖芍苯舆B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)裝置一般分為兩類化石能源發(fā)電和可再生能源發(fā)電。石能源發(fā)電常見的如熱電冷聯(lián)產發(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，它包括水力、風能、地熱、太陽能、生物能及潮汐發(fā)電。其中風能在我國發(fā)展迅速，近10年，新疆、內蒙、廣東、浙江、遼寧建幾十個風場，總裝機2000多萬kW，2015年末并網(wǎng)風電裝機容量達1億千瓦。預計到2030年風力發(fā)電將為人類提供三成電力 。光伏發(fā)電技術已經開始市場化運作，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《關于實施金太陽示范工程的通知》，決定綜合采取財政補助、科技支持和市場拉動方式加快國內光伏發(fā)電的產業(yè)化和規(guī)?；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。該項目誕生意味著太陽能產業(yè)在政策面上，將會得到更大力度的支持。

分布式儲能[2](DES)裝置有電化學儲能(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，形成一個單一可控的供電系統(tǒng)。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(xiàn)為單一的可控單元，同時滿足用戶對電能質量和供電可靠性、安全性的要求。從2000開始，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始微網(wǎng)的研究，系統(tǒng)實驗證明微網(wǎng)的運行、控制、保護和安全性。

2分布式電源技術研究

2.1光伏并網(wǎng)技術

由于傳統(tǒng)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。這之中太陽能以其獨有的優(yōu)勢而成為人們重視的焦點。太陽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，同時實現(xiàn)最大功率點跟蹤控制;DC/AC逆變器將穩(wěn)定的直流電變成穩(wěn)定的交流電，經過濾波器濾波，然后再經過變壓器與電網(wǎng)相連或直接帶負載[5]。

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要作為可再生分布式電源，向獨立發(fā)電系統(tǒng)或者電力網(wǎng)絡供電，具有一般電力系統(tǒng)電源的特點。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，功率等級一般為千瓦至兆瓦級。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的傳輸能量來源于光伏電池，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，并受光照強度和溫度的影響，輸出功率會有變化。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)直流側的伏安特性曲線呈非線性，但有功和無功輸出都是可控的，在一定條件下可以實現(xiàn)有功和無功的解耦控制。

光伏發(fā)電系統(tǒng)需要對系統(tǒng)的輸出電流和輸出功率進行控制，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(tǒng)處于最大功率點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)滿足國標要求，通常還需要對電網(wǎng)電壓進行鎖相控制[6]。

隨著社會的發(fā)展，人們對光伏發(fā)電系統(tǒng)的各種要求也越來越高，因此，現(xiàn)代的光伏發(fā)電系統(tǒng)還包含逆變器并聯(lián)控制技術以實現(xiàn)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的擴容，孤島檢測技術以防止系統(tǒng)的島運行，低壓穿越技術以滿足系統(tǒng)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(wèi)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。受到價格和產量的限制，市場發(fā)展很緩慢，除了作為衛(wèi)星電源，在地面上太陽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，國家開始對光伏工業(yè)和光伏市場的發(fā)展給以支持，中央和地方政府在光伏領域的資金投入，使得我國的光伏發(fā)電產業(yè)逐步發(fā)展起來，有了一系列的成果。

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

2003年底，中國太陽能電池的累計裝機已經達到55兆瓦。2004年8月，總容量為 1 兆瓦的當時國內裝機容量最大的太陽能發(fā)電系統(tǒng)在深圳投入應用。到2006年，我國太陽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 10萬千瓦。至2008 年底，我國太陽能光伏發(fā)電累計裝機約為 15 萬千瓦[7]。

2.1.3光伏發(fā)電的成本問題

光伏發(fā)電的成本，決定了其能否與傳統(tǒng)電力行業(yè)相競爭。由數(shù)據(jù)可知，光伏發(fā)電成本隨著產業(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，大大阻礙了太陽能光伏發(fā)電的推廣和使用。故其暫時還無法同火電、風電等競爭。然而近期太陽能光伏發(fā)電的大規(guī)模市場發(fā)展和快速的技術進步正在使光伏系統(tǒng)設備和發(fā)電成本[8]有效降低，預計未來幾年每千瓦時發(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

太陽能發(fā)電有著良好的發(fā)展前景。太陽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3.5萬倍。從長遠看，太陽能光伏發(fā)電在將來不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應的主要部分。根據(jù)歐洲JRC的預測，到2030年太陽能光伏發(fā)電在世界總電力的供應中將達到10%以上;2040年太陽能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上;到21世紀末太陽能發(fā)電將占到60%以上。

在我國發(fā)展大型光伏發(fā)電系統(tǒng)，是改變和優(yōu)化電力結構的理想選擇，也是可持續(xù)電力供應的理想模式。根據(jù)科學家何祚庥院士提出的觀點，荒漠電站是最具發(fā)展力的項目，僅內蒙古沙漠地區(qū)的太陽能就可以解決中國未來的能源問題。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)國家發(fā)改委的規(guī)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(qū)政府正積極規(guī)劃、部署和實施大型光伏發(fā)電項目。青海太陽能光伏發(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)電項目特許經營期25年。甘肅發(fā)改委希望以規(guī)?；氖袌鲂枨髱咏?0-30個類似光伏發(fā)電項目。

光伏發(fā)電將在中國未來的電力供應中扮演重要的角色, 按照國家發(fā)改委編制的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)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3%估算)中，太陽能發(fā)電裝機容量可達6億千瓦。

2.2風力發(fā)電并網(wǎng)技術[9]-[10]

風力發(fā)電技術是將風能轉化為電能的發(fā)電技術。風力發(fā)電機組并網(wǎng)運行時。要求發(fā)電機的輸出頻率與電網(wǎng)頻率一致。風力發(fā)電并網(wǎng)技術可分為恒速恒頻并網(wǎng)技術和變速恒頻并網(wǎng)技術兩大類。

恒速恒頻采用失速調節(jié)或主動失速調節(jié)的風力發(fā)電機，以恒速運行時，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)電技術有因最大限度地捕捉風能、較寬的轉速運行范圍、可靈活調節(jié)系統(tǒng)的有功功率和無功功率和采用先進的PWM控制等優(yōu)點，逐漸成為當前風力發(fā)電的主流技術。雙饋風力發(fā)電并網(wǎng)和直驅風力發(fā)電并網(wǎng)是風能并網(wǎng)的兩種主要形式，它們有相同之處又有各自的特點。[!--empirenews.page--]

2.2.1雙饋風力發(fā)電并網(wǎng)特點

(1)雙饋風力發(fā)電并網(wǎng)有獨立的有功、無功調節(jié)能力。(2)可在變速情況下實現(xiàn)并網(wǎng)。(3)在空載并網(wǎng)和帶獨立負載并網(wǎng)兩種方式中，轉子勵磁變流器直接與電網(wǎng)連接，雙饋發(fā)電機定子與電網(wǎng)經過開關連接;而孤島方式則是定子與轉子勵磁變流器直接相連，在經過開關連接到電網(wǎng)，電網(wǎng)經過預充電變壓器與直流母線電容連接。

2.2.2 直驅風力發(fā)電并網(wǎng)特點

(1)直驅式風力發(fā)電常見的并網(wǎng)拓撲結構最采用雙PWM型變流電路。(2)該電路的優(yōu)點是可以對網(wǎng)側和機側分別進行控制，能夠與大阻抗的同步發(fā)電機相連接，與二極管不可控整流相比，輸入電流為正弦波減少了發(fā)電機的銅耗和鐵耗，可實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)。(3)直驅式風力發(fā)電并網(wǎng)對控制系統(tǒng)的基本要求有：需要對機組的運行狀態(tài)進行監(jiān)測;需要對機組的啟動、并網(wǎng)、運行、脫網(wǎng)、停機、急停等進行控制;需要對機組進行一定的優(yōu)化控制。

3微網(wǎng)管控技術及其應用

微電網(wǎng)管控技術是保障其穩(wěn)定可靠運行的關鍵性技術,微網(wǎng)管控技術的研究重點主要集中在負荷預測、分布電源發(fā)電預測、微電網(wǎng)潮流分析、電能質量管理及經濟調度算法方面的研究。

3.1微電網(wǎng)負荷預測

將負荷的歷史數(shù)據(jù)加以處理，并結合當時的具體情況(氣候因素、設備故障等)加以修正，對微網(wǎng)單元的負荷變化情況做出短期預測。目前主要的負荷預測算法[11-14]有：時間序列方法、回歸分析法、指數(shù)平滑化法和神經網(wǎng)絡算法等。時間序列方法優(yōu)點是所需數(shù)據(jù)少、工作量小、計算速度較快反映了負荷近期變化的連續(xù)性，時間序列方法存在的不足是建模過程比較復雜，需要較高的理論知識;回歸分析法的優(yōu)點是計算原理和結構形式簡單，預測速度快，外推性能好，存在的不足是對歷史數(shù)據(jù)要求較高，結構形式過于簡單，精度較低。指數(shù)平滑法的原理是加權平均，通過平滑作用可以消除序列中的隨機波動，但很難反映當前的經濟、天氣等變換情況。神經網(wǎng)絡算法，人工神經網(wǎng)絡短期預測有較好的精度，具有信息記憶、自主習、知識推理和優(yōu)化計算等智能處理能力，其不足之處在于神經網(wǎng)絡的層數(shù)和神經元個數(shù)多依據(jù)主觀經驗確定，難以科學地確定網(wǎng)絡結構，學習速度慢和存在局部極小點等。

3.2微電網(wǎng)發(fā)電預測

(1)光伏發(fā)電系統(tǒng)：

(1)

(2)

其中：Pn表示光伏電池在標準條件下的功率輸，Tcell為光伏電池內部溫度，T為電池的外部溫度，NCOT模塊溫度指示值，S為日照強度。對光伏系統(tǒng)的發(fā)電功率預測根據(jù)式(1)和(2)結合環(huán)境溫度、日照強度綜合考慮。

(2)風力發(fā)電系統(tǒng)：

由公式Pw=1/2ρAV3式中，Pw為風力機功率，ρ為空氣密度，A是截面面積，V是垂直吹過截面的風速，對風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量預測時應將發(fā)電單元的發(fā)電能力與風速、空氣密度結合起來。

3.3電能質量管理

由于風力資源和太陽能資源的不確定性和波動性以及各微源子系統(tǒng)的運行特性使得各子系統(tǒng)的輸出特性出現(xiàn)波動，從而會影響電網(wǎng)的電能質量。微網(wǎng)的電能質量主要存在電壓波動和電力諧波與間諧波的問題，因此需要對微網(wǎng)中電能的波形質量進行在線監(jiān)測，并采取相應的補償措施。

3.4 經濟調度

電力系統(tǒng)經濟調度分為靜態(tài)調度和動態(tài)調度，其中動態(tài)經濟調度考慮了各時段之間的內在聯(lián)系，更加符合系統(tǒng)的實際運行要求[15-18]。針對經濟調度中存在的各種各樣問題，許多優(yōu)化算法及改進的算法不斷涌現(xiàn)，如動態(tài)規(guī)劃法、神經網(wǎng)絡、遺傳算法等等。其中動態(tài)規(guī)劃法編程簡單，但狀態(tài)離散點數(shù)目多，易造成“維數(shù)災”;神經網(wǎng)絡具有學習能力，便于調度知識的提取，其并行處理能力能夠滿足實時調度的需要，但該方法需要大量的訓練樣本和很長的訓練時間才能保證調度的效果;另外隨問題規(guī)模的增大，網(wǎng)絡的規(guī)模也將急劇增大;遺傳算法在機組組合、優(yōu)化調度等領域中都有成功的應用，但其自身存在的不足(局部搜索能力差、存在未成熟收斂和隨機游走現(xiàn)象)導致算法的收斂性能差，需要很長時間才能找到最優(yōu)解;粒子群優(yōu)化算法是由美國社會心理學家James Kennedy和電氣工程師Russell Eberhart在1999年IEEE國際神經網(wǎng)絡會議共同提出的，其本質上是一種多代理算法，對復雜非線性問題具有較強的尋優(yōu)能力，且簡單通用、魯棒性強、實現(xiàn)容易、精度高收斂快，在解決實際問題中具有優(yōu)越性。

4分布式電源與管控平臺的特點與競爭優(yōu)勢

(1)適合國情

構建配電網(wǎng)末端的分布式電源應用體系，既能有效控制對配電網(wǎng)的不良影響，又能實現(xiàn)對分布式電源電能和電力主網(wǎng)電能的經濟高效利用，同時產權清晰，有利于今后的商業(yè)運營，更適合我國的實際情況。

(2)安全可控

產品管控的分布式電源工作在變壓器的380V低壓側，提供并網(wǎng)控制與保護功能，對配電網(wǎng)的影響很小。提供并網(wǎng)與孤島運行的安全切換和運行管理，確保在配電網(wǎng)發(fā)生停電、限電、故障時，能夠保證一定時間內的持續(xù)供電，又能確保計劃性檢修時的安全。

(3)經濟高效

產品能夠實現(xiàn)多種分布式電源的靈活利用與協(xié)同工作，充分發(fā)揮各種分布式電源的互補優(yōu)勢和規(guī)模化效應。在谷段電價時進行蓄電，在峰段供電，既實現(xiàn)了對電網(wǎng)電能的經濟利用，為用戶節(jié)省了用電成本。

5 結束語

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電網(wǎng)互聯(lián)已成為一種發(fā)展的必然趨勢，其中分布式電源因其投資省、發(fā)電方式靈活、與環(huán)境兼容等特點，日益普遍的與大電網(wǎng)進行并網(wǎng)運行。因此，如何對各種分布式電源的并網(wǎng)運行進行有效的控制對現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展具有重要的意義。分布式發(fā)電的應用是可再生能源的發(fā)展趨勢。加速發(fā)展大型分布式電源并網(wǎng)發(fā)電，是改變和優(yōu)化電力結構的理想選擇，也是可持續(xù)電力供應的理想模式。并且分布式發(fā)電的發(fā)展有利于實現(xiàn)電力產業(yè)的多元化，可以通過引進、研發(fā)和儲備大量多元化的分布式發(fā)電技術把產業(yè)推向更高的層次，有利于分布式發(fā)電在更寬廣的領域中的應用。我們有充分理由相信未來的大型輸電線路和傳統(tǒng)供電系統(tǒng)，必將會被潔凈、小型的分布式電源所代替。