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(mǎn)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(lèi)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(chē)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(kāi)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(kāi)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(jiàn)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(hù)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(kāi)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(jiàn)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(méi)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(hù)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(jiàn)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(mǎn)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。

(3) 影響重合閘的成功率。在線路發(fā)生故障時(shí),如果在主系統(tǒng)側(cè)斷路器跳開(kāi)時(shí)DER 繼續(xù)給線路供電,會(huì)影響故障電弧的熄滅,造成重合閘不成功。如果在重合閘時(shí),DER 仍然沒(méi)有解列,則會(huì)造成非同期合閘,由此引起的沖擊電流使重合閘失敗,并給分布式發(fā)電設(shè)備帶來(lái)危害。

(4) 影響備用電源自投。如果在主系統(tǒng)供電中斷時(shí),DER 繼續(xù)給失去系統(tǒng)供電的母線供電,則由于母線電壓繼續(xù)存在,會(huì)影響備用電源自投裝置的正確動(dòng)作。

3) 對(duì)短路電流水平的影響。直接并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)都會(huì)增加配電網(wǎng)的短路電流水平,因此提高了對(duì)配電網(wǎng)斷路器遮斷容量的要求。

4) 對(duì)配電網(wǎng)供電質(zhì)量的影響。風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電輸出的電能具有間歇性特點(diǎn),會(huì)引起電壓波動(dòng)。通過(guò)逆變器并網(wǎng)的DER ,不可避免地會(huì)向電網(wǎng)注入諧波電流,導(dǎo)致電壓波形出現(xiàn)畸變。

3. 3 分布式電源并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行管理的影響

1) DER 的接入,會(huì)增加配電網(wǎng)調(diào)度與運(yùn)行管理的復(fù)雜性。風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電等輸出的電能具有很大的隨機(jī)性,而用戶(hù)自備DER 一般是根據(jù)用戶(hù)自身需要安排機(jī)組的投切;這一切給合理地安排配電網(wǎng)運(yùn)行方式、確定最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行結(jié)構(gòu)帶來(lái)困難。

2) DER 的接入,給配電網(wǎng)的施工與檢修維護(hù)帶來(lái)了影響。由于難以對(duì)眾多的DER 進(jìn)行控制,停電檢修計(jì)劃安排的難度增加,配電網(wǎng)施工安全風(fēng)險(xiǎn)加大。

3. 4 分布式電源對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)與經(jīng)營(yíng)的影響

DER 的大量應(yīng)用,給配電網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)與經(jīng)營(yíng)帶來(lái)了新挑戰(zhàn)。

1) 對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、負(fù)荷預(yù)測(cè)的影響。由于大量的用戶(hù)安裝DER 為其提供電能,使得配電網(wǎng)規(guī)劃人員難以準(zhǔn)確地進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè),進(jìn)而影響配電網(wǎng)規(guī)劃的合理性。

2) 分布式發(fā)電并網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。由于DER的接入,特別是對(duì)于自備DER 的用戶(hù),為保證其自備DER 停運(yùn)時(shí)仍能正常用電,供電企業(yè)需要為其提供一定的備用容量,這就增加了供電企業(yè)的設(shè)備投資與運(yùn)行成本,這些費(fèi)用理應(yīng)有一部分由DER 業(yè)主來(lái)分擔(dān)。因此,需要完善電價(jià)政策,合理地調(diào)整供電企業(yè)與DER 業(yè)主的利益。

4 分布式電源并網(wǎng)技術(shù)

4. 1 分布式電源并網(wǎng)基本技術(shù)要求

為確保配電網(wǎng)的安全運(yùn)行和供電質(zhì)量,DER并網(wǎng)要滿(mǎn)足以下基本要求。

1) 保證配電網(wǎng)電壓合格,所引起的電壓偏移不超過(guò)允許的范圍。

2) 配電設(shè)備正常運(yùn)行電流不超過(guò)額定值,動(dòng)熱穩(wěn)定電流不超過(guò)允許值。

3) 短路容量不超過(guò)開(kāi)關(guān)、電纜等配電設(shè)備的允許值。

4) 電能質(zhì)量合格,所引起的電壓驟升、驟降、閃變、諧波不超過(guò)規(guī)定值。

4. 2 分布式電源接入方案的選擇

DER 并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的影響與DER 的容量以及接入配電網(wǎng)的規(guī)模、電壓等級(jí)有關(guān)。一般情況下,DER 容量在250 kVA 以?xún)?nèi)的接入380 V/ 400V 低壓電網(wǎng); DER 容量在1 ～ 8 MVA 的接入10 kV等級(jí)中壓電網(wǎng);DER 容量更大一些的則接入更高電壓等級(jí)的配電網(wǎng)。具體接入方式一般是大容量的DER 通過(guò)聯(lián)絡(luò)線接到附近變電所的母線上,如圖2 (a) 所示。對(duì)于小型的DER ,為減少并網(wǎng)投資,就近并在配電線路上,如圖2 (b) 所示。

圖2 DER 接入配電網(wǎng)的方式

美國(guó)電氣電子工程師協(xié)會(huì)( IEEE) 的第21 標(biāo)準(zhǔn)化工作組起草的DER 并網(wǎng)系列標(biāo)準(zhǔn)中,定義了以下兩個(gè)參數(shù)來(lái)衡量DER 并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的影響。

1) 剛度系數(shù),指配電網(wǎng)中DER 接入點(diǎn)的設(shè)計(jì)短路電流與DER 額定電流的比值。

2) 短路電流貢獻(xiàn)比,指配電網(wǎng)在DER 接入點(diǎn)發(fā)生短路時(shí),來(lái)自DER 的短路電流與來(lái)自配電網(wǎng)的短路電流的比值。

剛度系數(shù)越大,短路電流貢獻(xiàn)比越小,則配電網(wǎng)運(yùn)行電壓與短路電流受DER 并網(wǎng)的影響越小。一般認(rèn)為,如果剛度系數(shù)大于20 ,則DER 并網(wǎng)不會(huì)對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)實(shí)質(zhì)性影響。

在我國(guó),熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電與小水力發(fā)電有著很廣泛的應(yīng)用,它們一般是并到配電變電所的母線上。這些DER (小電源) 的并網(wǎng)以及保護(hù)控制技術(shù)已比較成熟,有大量的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程可供參考。近年來(lái),太陽(yáng)能光伏發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電等容量在數(shù)百千瓦及以下的小型分布式電源有了很大發(fā)展,為降低成本,它們一般是就近接到配電線路上,這些小型DER 的并網(wǎng)及其保護(hù)控制技術(shù)還需進(jìn)一步探討。

為減少投資、簡(jiǎn)化工作程序與運(yùn)行管理,一些國(guó)家的供電企業(yè)對(duì)于小型DER 并網(wǎng)采取“即接即忘(Connect and Forget ) ”的原則,即忽略其對(duì)配電網(wǎng)安全性、供電質(zhì)量與保護(hù)控制方式的影響。為達(dá)到這一目的,需要對(duì)DER 的接入容量做出嚴(yán)格限制。例如, 美國(guó)對(duì)于小型( 容量小于200kVA) DER 的并網(wǎng), 供電企業(yè)要求接入線路的DER 總?cè)萘啃∮诰€路最小負(fù)荷的10 %。

4. 3 分布式電源并網(wǎng)保護(hù)

分布式電源并網(wǎng)保護(hù)除分布式電源機(jī)組的保護(hù)外,主要是配備孤島運(yùn)行保護(hù),簡(jiǎn)稱(chēng)孤島保護(hù)。

“孤島”是指配電線路或部分配電網(wǎng)與主網(wǎng)的連接斷開(kāi)后,由分布式電源獨(dú)立供電形成的配電網(wǎng)絡(luò)。如圖2 (a) 中,變壓器低壓側(cè)斷路器QF1 跳開(kāi)后,分布式電源和母線上其他線路形成的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)孤島。這種意外的孤島運(yùn)行狀態(tài)是不允許的,因?yàn)槠涔╇婋妷号c頻率的穩(wěn)定性得不到保障,并且線路繼續(xù)帶電會(huì)影響故障電弧的熄滅、重合閘的動(dòng)作,危害事故處理人員的人身安全。對(duì)于中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)的電網(wǎng)來(lái)說(shuō),一部分配電網(wǎng)與主網(wǎng)脫離后,可能會(huì)失去接地的中性點(diǎn),成為非有效接地系統(tǒng),這時(shí)孤島運(yùn)行就可能引起過(guò)電壓,危害設(shè)備與人身安全。

在DER 與配電網(wǎng)的連接點(diǎn)上,需要配備自動(dòng)解列裝置,即孤島保護(hù)。在檢測(cè)出現(xiàn)孤島運(yùn)行狀態(tài)后,迅速跳開(kāi)DER 與配電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)。一般來(lái)說(shuō),在孤島運(yùn)行狀態(tài)下,DER 發(fā)電量與所帶的負(fù)荷相比,有明顯的缺額或過(guò)剩,從而導(dǎo)致電壓與頻率的明顯變化,據(jù)此可以構(gòu)成孤島運(yùn)行保護(hù)。孤島保護(hù)的工作原理主要有以下3 種。

1) 反應(yīng)電壓下降或上升的欠壓/ 過(guò)壓保護(hù)。

2) 反應(yīng)頻率下降或上升的頻率變化率保護(hù)。

3) 反應(yīng)前后兩個(gè)周波電壓相量變化的相量偏移保護(hù)。

反映頻率變化率的孤島保護(hù)在電力系統(tǒng)功率出現(xiàn)缺額導(dǎo)致頻率下降時(shí)也可能動(dòng)作,這導(dǎo)致在電力系統(tǒng)最需要功率支持的時(shí)候切除DER ,使電網(wǎng)情況更為惡化。因此,實(shí)際應(yīng)用中不宜將低頻解列保護(hù)整定得過(guò)于靈敏,以避免這種不利局面的發(fā)生。

在線路故障切除后,重合閘時(shí)間需要與孤島運(yùn)行保護(hù)配合,其等待時(shí)間要確保DER 解列并留有足夠的故障點(diǎn)熄弧時(shí)間。

4. 4 DER并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已對(duì)DER 并網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制定。英國(guó)電力協(xié)會(huì)( Elect ricity Associa2tion) 早在1991 年就發(fā)布了《G59/ 1 嵌入式發(fā)電并入地區(qū)配電網(wǎng)的推薦技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》;國(guó)際電氣電子工程師協(xié)會(huì)( IEEE) 于2003 年6 月發(fā)布了“DER并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std. 1547”,2003 年10 月該標(biāo)準(zhǔn)被批準(zhǔn)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在我國(guó),上海市電力公司和上海燃?xì)饧瘓F(tuán)公司聯(lián)合制定了《分布式供能系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》,上海市政府于2005 年8 月發(fā)文要求在全市范圍內(nèi)貫徹實(shí)施這一規(guī)程。但總體來(lái)說(shuō),我國(guó)在這方面的工作還比較滯后。特別是接入配電線路的DER 的并網(wǎng)問(wèn)題,沒(méi)有可供參考的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范,急需啟動(dòng)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。

5 分布式電源并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展

以上介紹的DER 并網(wǎng)技術(shù)是“有限接入”,即對(duì)于接入容量等做出嚴(yán)格限制。為了充分利用可再生能源,必須實(shí)現(xiàn)DER 并網(wǎng)的“寬限接入”和大量接入,這也是智能電網(wǎng)概念提出的根本原因之一,智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,將使這問(wèn)題能得到較好地解決。隨著DER 的大量接入,配電網(wǎng)就由傳統(tǒng)的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)將發(fā)展成為有源網(wǎng)絡(luò),當(dāng)前,涉及這方面的技術(shù)研究主要有微電網(wǎng)技術(shù)與虛擬發(fā)電廠技術(shù)。

5. 1 有源網(wǎng)絡(luò)的基本概念

有源網(wǎng)絡(luò)(Active Network) 指的是分布式電源高度滲透、功率雙向流動(dòng)的配電網(wǎng)絡(luò)。所謂“高度滲透”是指接入的DER 對(duì)配電網(wǎng)的潮流、短路電流產(chǎn)生了實(shí)質(zhì)性的影響,使得傳統(tǒng)配電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、保護(hù)控制、運(yùn)行管理方法不再有效。有源網(wǎng)絡(luò)的概念是針對(duì)并網(wǎng)技術(shù)對(duì)DER 接入容量做出嚴(yán)格限制的配電網(wǎng)而提出的。

有源網(wǎng)絡(luò)不再單純地為了不影響現(xiàn)有配電網(wǎng)而嚴(yán)格限制DER 的接入,而是讓DER 盡可能地多發(fā)電(特別是對(duì)可再生能源) 、充分地發(fā)揮其對(duì)配電網(wǎng)的積極作用以及節(jié)省電力系統(tǒng)的整體投資。DER 的容量客觀上是可以替代一部分配電容量的,從而減少對(duì)發(fā)、輸、配電系統(tǒng)的投資。因此,考慮DER 對(duì)配電容量的替代作用,也是有源網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要的特征。

有源網(wǎng)絡(luò)給配電網(wǎng)的保護(hù)控制、運(yùn)行管理提出了新挑戰(zhàn),它包括電壓控制、繼電保護(hù)、短路電流限制、故障定位與隔離、DER 調(diào)度管理等方面的問(wèn)題。

5. 2 微電網(wǎng)技術(shù)

微電網(wǎng)(Micro Grid) 簡(jiǎn)稱(chēng)微網(wǎng),是指由DG、DES 裝置和監(jiān)控、保護(hù)裝置匯集而成的并為相應(yīng)區(qū)域供電的小型發(fā)配電系統(tǒng),能夠不依賴(lài)大電網(wǎng)而正常運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)部供需平衡。一般來(lái)說(shuō),微網(wǎng)是一個(gè)用戶(hù)側(cè)的電網(wǎng),它通過(guò)一個(gè)公共連接點(diǎn)(Point of Common Connection ,PCC) 與大電網(wǎng)連接。圖3 是美國(guó)電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(huì)(CERTS) 提出的微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)。

圖3 CERTS 提出的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

按照常規(guī)的做法,DER 必須配備孤島保護(hù),在大電網(wǎng)停電時(shí)自動(dòng)與主網(wǎng)斷開(kāi)。而微網(wǎng)可以在與大電網(wǎng)脫離后獨(dú)立運(yùn)行,由DER 維持區(qū)域內(nèi)所有或部分重要負(fù)荷的供電,能夠發(fā)揮出DER 在提高供電可靠性方面的作用。

微網(wǎng)僅在PCC 點(diǎn)與大電網(wǎng)連接,避免了多個(gè)DER 與大電網(wǎng)直接連接。通過(guò)合理地設(shè)計(jì),可使微網(wǎng)中DER 主要用于區(qū)域內(nèi)部負(fù)荷的供電,做到不向外輸送或輸送很小的功率,使得大電網(wǎng)可以不考慮其功率輸出的影響,繼續(xù)采用“即接即忘”的并網(wǎng)方法。這樣,就較好地解決了DER 大量接入與不改變配電網(wǎng)現(xiàn)有保護(hù)控制方式之間的矛盾。

就微網(wǎng)本身來(lái)說(shuō),它是一個(gè)“有源網(wǎng)絡(luò)”,需要解決功率平衡、穩(wěn)定控制、電壓調(diào)整、繼電保護(hù)等一系列問(wèn)題。微網(wǎng)技術(shù)還在研究發(fā)展之中,是智能配電網(wǎng)的重要研究?jī)?nèi)容。

5. 3 虛擬發(fā)電廠技術(shù)

虛擬發(fā)電廠(Virt ual Power Plant ,VPP) 技術(shù)是將配電網(wǎng)中分散安裝的DER 通過(guò)技術(shù)支撐平臺(tái)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度并將其等效為一個(gè)發(fā)電區(qū),實(shí)現(xiàn)分布式電源大量并網(wǎng),達(dá)到DER 的優(yōu)化利用、降低電網(wǎng)峰值負(fù)荷、提高供電可靠性的目的。

VPP 的調(diào)度對(duì)象主要是可隨時(shí)啟動(dòng)并且功率可調(diào)節(jié)的DER ,如熱電聯(lián)產(chǎn)微型燃?xì)廨啓C(jī)、應(yīng)急供電柴油發(fā)電機(jī)組以及各種DES 等。對(duì)于風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電等可再生能源發(fā)電來(lái)說(shuō),其輸出具有不確定性,且一般需要在具備條件時(shí)讓其足額發(fā)電,因此不能對(duì)其進(jìn)行有效地調(diào)度。

實(shí)施VPP 要有配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)(DAS) 作為技術(shù)支撐平臺(tái)。VPP 是DAS 的一個(gè)高級(jí)應(yīng)用功能。DAS 需要采集、處理分布式電源的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù),并能夠?qū)ζ溥M(jìn)行調(diào)節(jié)、控制。

除技術(shù)問(wèn)題外,實(shí)施VPP 還涉及電價(jià)、政策法規(guī)等一系列問(wèn)題,目前處于研究探討階段,還缺少成熟的經(jīng)驗(yàn)。

致謝

本講座寫(xiě)作過(guò)程中承蒙山東大學(xué)馬士聰博士的幫助,表示感謝!

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