分布式電源和微網(wǎng)在智能配電網(wǎng)自愈功能中的作用

近年來，智能電網(wǎng)已成為電力業(yè)界的熱門話題，被認為是改變未來電力系統(tǒng)面貌的電網(wǎng)發(fā)展模式。特別是在《紐約時報》報導了美國政府將建設智能電網(wǎng)列為其經(jīng)濟振興計劃的主要內(nèi)容后，更是在全世界范圍內(nèi)掀起了研究智能電網(wǎng)的熱潮。我國對建設智能電網(wǎng)也高度重視。2007年底，華東電網(wǎng)啟動了智能電網(wǎng)項目的可行性研究;2009年3月，國家電網(wǎng)公司提出要“建設堅強的智能化電網(wǎng)”。目前，智能電網(wǎng)的影響受到了國內(nèi)外政治、經(jīng)濟、金融投資界的高度關(guān)注。

世界上不同國家針對本國的能源和電網(wǎng)現(xiàn)狀制定了不同的智能電網(wǎng)發(fā)展目標，其重心大部分都在配電側(cè)。美國側(cè)重于對已有落后的電網(wǎng)基礎(chǔ)設施進行改造升級、建設現(xiàn)代化電力系統(tǒng)，并注重需求側(cè)管理和可再生能源的大力應用;歐洲則側(cè)重推廣分布式發(fā)電，其智能電網(wǎng)技術(shù)研究主要包括電網(wǎng)資產(chǎn)、電網(wǎng)運行和控制、需求側(cè)和計量、發(fā)電和電能存儲4個方面;日本將構(gòu)建以應對新能源為主的智能電網(wǎng)，進行可再生能源與電力系統(tǒng)相融合、高可靠性系統(tǒng)技術(shù)等智能電網(wǎng)研究。中國提出建設國際領(lǐng)先、自主創(chuàng)新、中國特色的“堅強智能電網(wǎng)”包含電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度共6個環(huán)節(jié)，具有信息化、自動化、數(shù)字化、互動化的智能技術(shù)特征。

本文對分布式電源和微網(wǎng)在智能配電網(wǎng)自愈功能實現(xiàn)中的作用進行了初步探討。

分布式發(fā)電

分布式發(fā)電(DistributedGeneration，DG)，又稱分散式發(fā)電或分布式供能，一般指將相對小型的發(fā)電裝置分散布置在用戶(負荷)現(xiàn)場或用戶附近，以充分利用各種規(guī)模不大的分散在用戶附近的可再生或非可再生能源的發(fā)電方式。從廣義上講，除常規(guī)大型集中電站以外的小型電源，如風電、太陽能電站、小型農(nóng)村水電站、其他小型發(fā)電站，均可列入分布式電源之列。分布式發(fā)電具有減輕環(huán)境污染、降低終端用戶費用、降低線路損耗、改善電能質(zhì)量和提高供電可靠性等特點。根據(jù)用戶的需求不同，DG可以用來實現(xiàn)備用電源、電力調(diào)峰、熱電聯(lián)產(chǎn)以及向偏遠地區(qū)供電等用途。目前，分布式發(fā)電與大電網(wǎng)相結(jié)合的供電方式被世界許多能源、電力專家公認為是能夠節(jié)省投資，降低能耗，提高系統(tǒng)安全性、可靠性和靈活性的主要方法，是21世紀電力工業(yè)的發(fā)展方向。

但大量分布式電源并網(wǎng)將有可能造成電力系統(tǒng)對其不可控制和難以管理的局面，并引發(fā)相應的電能質(zhì)量、電網(wǎng)安全性和穩(wěn)定性等諸多問題。為了解決電力系統(tǒng)與分布式電源之間的矛盾，充分發(fā)揮分布式電源為電力系統(tǒng)和用戶所帶來的技術(shù)經(jīng)濟效益，進一步提高電力系統(tǒng)運行的靈活性、可控性和經(jīng)濟性，以及更好的滿足電力用戶對電能質(zhì)量和供電可靠性的更高影響，微網(wǎng)概念應運而生。

微網(wǎng)

與常規(guī)的分布式能源直接并網(wǎng)相比，微網(wǎng)靈活、系統(tǒng)的將分布式電源與本地負荷組成為一個整體，通過柔性控制可以大大降低分布式電源并網(wǎng)運行對電力用戶的影響。微網(wǎng)是一種由負荷和微電源及儲能裝置共同組成的有機系統(tǒng)。微電源主要通過電力電子技術(shù)實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換及控制。相對于電力系統(tǒng)(主電網(wǎng)系統(tǒng)中的一個可控單元。它可以在短時間內(nèi)作出響應以滿足外部對主電網(wǎng)的需要;而對于用戶，微網(wǎng)可以滿足本地負荷的特定電能質(zhì)量要求，并可提高供電可靠性、降低線損等。利用微網(wǎng)技術(shù)可整合多種形式的分布式電源，并考慮當?shù)嘏潆娋W(wǎng)的特點，在一個局部區(qū)域內(nèi)直接將分布式電源、電力網(wǎng)絡和本地用戶有機的結(jié)合在一起。微網(wǎng)可以方便的實現(xiàn)(冷)熱電聯(lián)供，并可以結(jié)合電蓄冷(熱)技術(shù)，緩解電網(wǎng)高峰用電壓力，實現(xiàn)用電的移峰填谷，優(yōu)化和提高能源利用效率，減輕能源動力系統(tǒng)對環(huán)境的影響，實現(xiàn)能源的梯級利用，為將來智能電網(wǎng)的實現(xiàn)提供必備的技術(shù)基礎(chǔ)。微網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

智能配電網(wǎng)概念

智能配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，國外的智能電網(wǎng)研究和實踐大部分都集中在配網(wǎng)側(cè)，如圖1所示。智能配電網(wǎng)就是以配電網(wǎng)高級自動化技術(shù)為基礎(chǔ)，通過應用和融合先進的測量和傳感技術(shù)、控制技術(shù)、計算機和網(wǎng)絡技術(shù)、信息與通信等技術(shù)，利用智能化的開關(guān)設備、配電終端設備，在堅強電網(wǎng)架構(gòu)和雙向通信網(wǎng)絡的物理支持以及各種集成高級應用功能的可視化軟件支持下，允許可再生能源和分布式發(fā)電單元的大量接入和微網(wǎng)運行鼓勵各類不同電力用戶積極參與電網(wǎng)互動，以實現(xiàn)配電網(wǎng)在正常運行狀態(tài)下完善的監(jiān)測、保護、控制、優(yōu)化和非正常運行狀態(tài)下的自愈控制，最終為電力用戶提供安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟、環(huán)保的電力供應和其它附加服務。

智能配電網(wǎng)主要由主站系統(tǒng)、子站系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、配電遠方終端組成，通過對配電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)、模塊和設備的智能化，同時結(jié)合地理信息系統(tǒng)應用，實現(xiàn)正常情況下配電網(wǎng)與電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)和優(yōu)化運行以及故障情況下的快速定位、隔離、恢復、負荷轉(zhuǎn)移等功能，從而為用戶提供優(yōu)質(zhì)可靠的電能，為電力企業(yè)提供便捷、高效的管理平臺和途徑，進而實現(xiàn)電力企業(yè)管理者、電力用戶、系統(tǒng)運行操作的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。

圖2所示是一種智能配電網(wǎng)框架體系。

分布式電源和微網(wǎng)在智能配電網(wǎng)自愈功能中的作用分析

由自動輸電和配電系統(tǒng)組成、支持高效可靠提供和傳輸電力的智能電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，目標是構(gòu)建一個具有處理緊急和災變能力的“自愈電網(wǎng)”(selfhealinggrid，SHG)，并能適應當前和今后的電力公用事業(yè)環(huán)境、市場要求和用戶需要。自愈功能的目標是：實時評價電力系統(tǒng)行為、應對電力系統(tǒng)可能發(fā)生的各種事件組合、防止大面積停電，并快速從緊急狀態(tài)恢復到正常狀態(tài)。其實現(xiàn)方法，可概括為快速仿真決策、協(xié)調(diào)/自適應控制和分布能源集成3個方面。分布能源集成主要將配電系統(tǒng)中的分散發(fā)電設備，包括緊急狀態(tài)下用戶為防止停電所作出的反應(需求側(cè)響應資源)，納入配電管理系統(tǒng)(DMS)或配電自動化(distributionautomation，DA)，使DER在電力系統(tǒng)正常、緊急和恢復狀態(tài)下，實現(xiàn)和輸配電系統(tǒng)的實時協(xié)調(diào)運行。SHG的任務就是把這些日益增加的分散發(fā)電，進一步納入配電管理系統(tǒng)(DMS)和配電自動化(DA)中，使之在正常、緊急和恢復狀態(tài)下能與輸配電系統(tǒng)實時協(xié)調(diào)運行。

分布式電源和微網(wǎng)在智能配電網(wǎng)自愈功能實現(xiàn)中的作用主要表現(xiàn)在以下幾方面：

1)提高供電可靠性

通過與大電網(wǎng)相配合，分布式發(fā)電技術(shù)可以大大提高供電的可靠性，在電網(wǎng)崩潰或意外災害(例如地震、暴風雪、戰(zhàn)爭)發(fā)生情況下，維持重要用戶的供電;而且各種分布電源多屬于清潔可再生能源，適應了地球環(huán)境保護以及可持續(xù)發(fā)展政策的要求。目前，用作分布式電源的，主要有風電、微型燃氣輪機發(fā)電、太陽能發(fā)電、燃料電池、生物質(zhì)能、垃圾發(fā)電、氫能和小水電等。發(fā)電設施主要包括：以液體或氣體為燃料的內(nèi)燃機、微型燃氣輪機、光伏電池、燃料電池、風力發(fā)電機、生物質(zhì)能發(fā)電機等。

2)提高能源利用率

基于系統(tǒng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟性的考慮，分布式發(fā)電系統(tǒng)要存儲一定數(shù)量的電能，用以應付突發(fā)事件。隨著電力電子學、材料學等學科的發(fā)展，儲能技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，為分布式發(fā)電(DG)提供了很大的空間。分布式發(fā)電與儲能技術(shù)的結(jié)合大大提高了系統(tǒng)的能源利用率，改善了系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性。儲能在分布式發(fā)電中的作用主要有以下3個方面：改善電能質(zhì)量，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。在風力發(fā)電中，風速的變化會使原動機輸出機械功率發(fā)生變化，從而使發(fā)電機輸出功率產(chǎn)生波動而使電能質(zhì)量下降。應用儲能裝置是改善發(fā)電機輸出電壓和頻率質(zhì)量的有效途徑，同時增加了分布式發(fā)電機組與電網(wǎng)并網(wǎng)運行時的可靠性?？煽康姆植际桨l(fā)電單元與儲能裝置的結(jié)合是解決諸如電壓跌落、涌流和瞬時供電中斷等動態(tài)電能質(zhì)量問題的有效手段之一。在分布式發(fā)電裝置不能正常工作時向用戶提供電力。在一些特殊情況下，如太陽能發(fā)電的夜間，風力發(fā)電無風時，儲能裝置能夠起到過渡的作用，持續(xù)向用戶供電。提高分布式發(fā)電單元擁有者的經(jīng)濟效益。在電力市場的環(huán)境下，分布式發(fā)電單元與電網(wǎng)并網(wǎng)運行，有了足夠的儲存電力，分布式發(fā)電單元成為可調(diào)度的機組單元，發(fā)電單元擁有者可以根據(jù)不同情況向電力公司賣電，提供調(diào)峰和緊急功率支持等服務，獲取最大的經(jīng)濟效益。儲能技術(shù)的形式多樣，主要有蓄電池儲能、超導儲能、飛輪儲能、電解水制氫儲能等。

分布式發(fā)電受地理位置及環(huán)境狀況等因素的約束，在進行分布式發(fā)電系統(tǒng)規(guī)劃時，要根據(jù)該地區(qū)所處的地理位置環(huán)境綜合考慮各種衡量指標，從而確定采用何種發(fā)電方式。當發(fā)電容量滿足該地區(qū)的負荷時，電網(wǎng)可退出運行，在必要的時候才投入運行。因為目前分布式發(fā)電中應用比較成熟的是風力發(fā)電和太陽能發(fā)電，而這兩種發(fā)電方式受環(huán)境的影響較大，輸出功率不穩(wěn)定。同時，就目前的技術(shù)而言，儲能系統(tǒng)的容量也是很有限的，不能長時間提供功率來對應分布式發(fā)電容量的不足。在分布式電源和儲能容量不足時，需電網(wǎng)向負荷供電，以滿足負荷的需求;當發(fā)電容量不足該地區(qū)的負荷時，電網(wǎng)并入系統(tǒng)且正常運行，兩者共同向負荷供電，但盡可能地利用分布式電源;當發(fā)電容量超過該地區(qū)的負荷時，電網(wǎng)也并入系統(tǒng)，分布式發(fā)電將多余的電能送向電網(wǎng)。分布式電源的類型應根據(jù)地區(qū)的具體情況選擇，可能是一種分布式電源，也可能是多種分布式電源及其與儲能裝置組合起來共同發(fā)電，即復合分布式發(fā)電。為提高能源的利用率，復合分布式發(fā)電技術(shù)已成為分布式發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主要趨勢之一。儲能裝置的容量及類型應根據(jù)分布式電源及其負荷的波動程度作相應的選擇。

3)黑啟動中的備用電源

所謂黑啟動，是指整個系統(tǒng)因故障停運后，系統(tǒng)全部停電(不排除孤立小電網(wǎng)仍維持運行)，處于全“黑”狀態(tài)，不依賴別的網(wǎng)絡幫助，通過系統(tǒng)中具有自啟動能力的發(fā)電機組啟動，帶動無自啟動能力的發(fā)電機組，逐漸擴大系統(tǒng)恢復范圍，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的恢復。

黑啟動的關(guān)鍵是電源點的啟動，水輪發(fā)電機組與火電、核電機組相比，具有輔助設備簡單、廠用電少，啟動速度快等優(yōu)點，理所當然成為黑啟動電源的首選。機組具有黑啟動功能不僅是電站在全廠失電情況下安全生產(chǎn)自救的必要措施，也是電網(wǎng)發(fā)展的需要。在電網(wǎng)大面積停電后，采取電網(wǎng)黑啟動措施，將大大減少電網(wǎng)停電時間，盡快恢復電網(wǎng)的正常運行。所有這些機組包括超臨界燃煤機組和燃氣一蒸氣聯(lián)合循環(huán)機組均需要輔機提供啟動功率才能實現(xiàn)自啟動，提供如此之大的備用容量是不經(jīng)濟的，尤其是備用柴油機。根據(jù)故障發(fā)生后DG能否作為系統(tǒng)的備用電源可分為BDG(black-startDG)與NBDG(nonblack-startDG)。BDG包括聯(lián)合發(fā)電機組、無源逆變器及他勵型發(fā)電機組等，此外，帶有儲能裝置的風能發(fā)電及太陽能發(fā)電也可歸入BDG。這類DG可以作為系統(tǒng)的備用電源。NBDG包括自勵型發(fā)電機組以及未配備儲能裝置的風能發(fā)電及太陽能發(fā)電等。該類DG不能作為系統(tǒng)的備用電源。考慮到黑啟動設備在電網(wǎng)正常運行時通常是不經(jīng)濟的，電網(wǎng)公司通常與相關(guān)電廠簽訂與黑啟動相應的商業(yè)協(xié)議。MT(微型燃氣輪機)能夠很好地改善這種狀況，它既能作為分式發(fā)電在正常情況下并網(wǎng)或孤立運行，也能在黑啟動這類緊急狀況下提供備用。并且單臺MT的效率通常在25%-35%之間，冷熱電聯(lián)合循環(huán)的MT通常能獲得80%以上的效率，且氮氧化合物排放量能夠控制在較低的水平。

黑啟動策略的選擇受網(wǎng)內(nèi)主要發(fā)電機組電源和黑啟動電源分布影響很大。黑啟動分區(qū)展開在電網(wǎng)恢復速度上有明顯的優(yōu)勢，電網(wǎng)發(fā)生大面積停電后，應當先將電網(wǎng)分割為多個子系統(tǒng)，同時啟動各子系統(tǒng)中具有黑啟動能力的機組，建立穩(wěn)定的各個子系統(tǒng)，并實現(xiàn)同步并列，這是恢復電網(wǎng)運行的最有效的方法，因此在黑啟動方案中應考慮多個黑啟動電源。

文章對分布式電源及微網(wǎng)在智能配電網(wǎng)自愈功能實現(xiàn)中的作用進行了初步探討。目前智能配電網(wǎng)建設剛剛起步，在規(guī)劃階段合理考慮和布置分布式電源與微網(wǎng)在智能配電網(wǎng)中的作用，對于智能配電網(wǎng)自愈功能的實現(xiàn)具有重要意義。