新能源并网发电系统的关键技术和发展趋势

孙 佐

(池州学院 物理与机电工程系，安徽 池州 247000)

新能源并网发电系统的关键技术和发展趋势

孙 佐

(池州学院 物理与机电工程系，安徽 池州 247000)

随着以新能源及可再生能源为代表的微型能源发电技术、分布式发电技术以及储能技术的飞速发展，新能源并网发电正逐渐成为研究的热点。首先介绍了主要新能源分布式发电技术，进而给出了微网的相关概念及其基本结构，阐述了新能源并网发电系统中的关键技术。最后提出了新能源并网发电系统的发展趋势是分布式混合能源系统和在坚强智能电网框架下的智能微网，并探讨了在研究中需要重点解决的理论和技术问题。

新能源；微网；分布式混合能源系统；智能电网；智能微网

随着以新能源及可再生能源为代表的微型能源发电技术、分布式发电技术以及储能技术的飞速发展，新能源并网发电正在逐渐成为研究的热点。2007年9月国家发展改革委员会 《可再生能源中长期发展规划》中明确将水电、风电、太阳能、生物质能等列为重点发展领域，并在2008年3月发布了《可再生能源发展“十一五”规划》作为“十一五”时期我国可再生能源开发利用和引导可再生能源产业发展的指导。

从能源利用的国际发展趋势来看，新能源及可再生能源最终将以替代能源的角色进入电力市场，而并网发电将是新能源及可再生能源进入电力市场的必由之路。

1 新能源并网发电系统简介

1.1 分布式新能源发电技术

分布式发电也称分散式发电或分布式供能，一般指以新能源和可再生能源为主的小型的发电装置就近布置在负荷附近的发电方式[1]。新能源想要向电力用户提供优质的供电服务，主要依靠分布式发电技术和储能技术相结合。

新能源和可再生能源包括水能、风能、太阳能、生物质能、地热能和海洋能等，国内外在新能源利用和开发方面，将风力发电、太阳能光伏发电和燃料电池技术作为当前电气工程重要的研究领域和发展方向。

（1）风力发电技术。风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术。风力发电机组并网运行时，要求发电机的输出频率与电网频率一致。风力发电技术可分为恒速恒频 (Constant Speed Constant Frequency，CSCF)和 变 速 恒 频 (Variable Speed Constant Frequency，VSCF)两大类。恒速恒频采用失速调节或主动失速调节的风力发电机，以恒速运行时，主要采用异步感应发电机；变速恒频采用电力电子变频器将发电机发出的频率变化的电能转化成频率恒定的电能。

变速恒频发电技术有因最大限度地捕捉风能、较宽的转速运行范围、可灵活调节系统的有功功率和无功功率和采用先进的PWM控制等优点，逐渐成为当前风力发电的主流技术。

变速恒频风力发电机组可以有多种形式[2]，主要有以下四种方案，方案电路拓扑如图1所示。

(2)太阳能光伏发电技术。太阳能光伏发电技术,即光电转换。太阳能光伏发电技术是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转换为电能。光伏发电系统可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。图2是一个太阳能光伏并网发电系统示意图。

在实际系统中，太阳能发电系统一般采用2级电力变换器实现，其主要由光伏电池阵列、DC/DC变换器、DC/AC光伏并网逆变器、储能系统、控制器、并网/独立切换开关等部分组成。第1级为直流/直流(DC/DC)变换器，采用Boost升压电路，用于实现太阳能输出电压的变换和对光伏电池阵列的最大功率跟踪（MPPT）控制；第2级采用电压源型逆变器,将直流电变为交流电送入电网,逆变器控制其直流侧电压恒定,并控制输入电网的无功功率[3]。

图1 几种变速恒频风力发电系统方案拓扑图

整个发电系统主要涉及的技术主要有:太阳能电池材料技术、最大功率跟踪技术（MPPT）、并网逆变器控制技术、孤岛检测技术及能量管理与监控技术。

(3)燃料电池技术 燃料电池是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效地转化为电能的发电装置。它还具有燃料多样化、排气干净、噪声小、环境污染低、可靠性高及维修性好等优点。燃料电池被认为是21世纪全新的高效、节能、环保的发电方式之一。

燃料电池电源系统的结构与图2相似，主要包括燃料电池、直流变换器、逆变器和能量缓冲环节等。通过直流变换器和逆变器组成的功率变换装置，实现燃料电池的输出电压与用户需求的匹配。

1.2 微网的概念及基本结构

微网通过有效的协调控制,使主要基于新能源和可再生能源的分布式电源并网所产生的负面问题都在微网内得到解决,减少了分布式电源并网对大电网产生的各种扰动[4]。

微网是指由分布式微源、负荷、储能装置、电能转换设备及控制系统组成的小型配电网络，可以实现灵活的能量管理。典型的微网模型如图3所示。微网中分布式电源由多种能源形式，如光电、风电、微型燃气轮机和冷热电联产 (combined cold heat and power,CCHP)等形式。微网中电力负荷有两种，一种是主要负荷，即对电能质量和可靠性要求较高的负荷，另一种为次要负荷，即对电能质量和可靠性要求较低的负荷。微网中的分布式电源可直接并网或通过电力电子换流装置并网，既可以向本地负荷供电，又可以将余电反馈回电网。通过能量管理，可以调整分布式电源冷热能量输出，满足用户冷热需求。

微网与主网通过公共连接点（Point of Common coupling，PCC）的静态开关与上级母线相连[5]，此处通常安置电压、电流互感器用于检测微网运行状态。对于某些微网控制方式，如主从控制方式或分散控制方式，系统还需安置通讯设备，用于控制信号的传递。此外，微网还可以配置信息采集和能量管理中央控制单元，用于对微网整体以及各分布式电源进行灵活控制。

图3 典型的微电网模型

2 新能源并网发电系统的关键技术

近几年来，国内外对于光伏、风力和燃料电池分布式发电系统的研究不断深入，许多技术问题得以提出并探讨。其中的关键技术问题包括(但不限于)电源系统结构、关键部件和微网技术中的运行控制、能量管理与故障检测与保护技术等。

2.1 新能源发电系统结构

新能源发电系统结构采用多种能源并联组成的分布式发电系统。小型分布式发电系统中，存在着风能、太阳能、燃料电池、微型燃气轮机和储能系统多种能源的组合供电，其大部分都需要通过逆变电源并联的形式接入微型公共电网。

2.2 基于电力电子技术的关键部件

电力电子技术是开发各类可再生能源和发展分布式发电的关键技术之一。根据微网的特殊需求，需要研制基于电力电子技术的一些新型的电力电子设备，如并网逆变器、静态开关和电能质量控制装置[6]。在新能源并网发电系统中，并网变换器、静态开关以及电能质量控制装置等作为关键部件，对系统的运行产生重大影响。

(1)并网逆变器。光伏电池、风机、燃料电池、储能元件等都需要通过电力电子变换器才能与微网系统网络相连接。这些变换器可能既包括整流器也包括逆变器，也可能仅是一个逆变器。变换器具有响应速度快、惯性小、过流能力弱等特性。同时，适用于微网中的逆变器除了需要具备常规逆变器的功能以及能够并联运行外，还需要根据微网系统的特殊需求具备一些控制功能，如有功-频率下垂控制功能和电压-无功下垂控制功能。因此逆变器的拓扑结构和运行控制成为微网中的关键技术。

(2)静态开关。静态开关置于连接微网与主网间的公共连接点处。在发生一些主网故障、电能质量等事件时，静态开关应该能自动地将微网切换到孤岛运行状态；此后，当上述事件消失时，它也应自动实现微网与主网的重新连接。

(3)电能质量控制装置。任何DER单元的接入都会对系统中的电能质量产生或多或少的影响，如果控制不当，它们对电压波形、频率以及功率因数会产生负面影响，尤其是太阳能、风能这些随机性的能源，其频繁的启停操作、功率输出的变化,都可能给所接入系统的用户带来电能质量问题；微网中大量单相分布式电源的存在,也增加了配电系统的三相不平衡水平；而且电子负载易受暂态、跌落、谐波、瞬间中断及其它扰动的影响，这些都是需要关注的方面。总之，微网及含分布电源微网配电系统中存在很多与电能质量相关的独特问题。电能质量综合监控技术是解决保证微网安全可靠运行的关键技术问题之一。

2.3 微网技术

将各类微型能源与电力储能装置以及电力电子装置有机的结合起来，构建成为一个发电设备、储能设备组成的微型电网(Microgrid)，通过电力电子装置实现与大电网的“柔性”联网。微网技术从局部解决了分布式电源大规模并网时的运行问题。

2.3.1 微网的运行控制 微网系统承受扰动的能力相对较弱，尤其是在孤岛(自主)运行模式下，考虑到风能、太阳能资源的随机性，系统的安全性可能面临更高的风险，因此对系统进行有效地运行控制是非常关键技术之一。

(1)微网中多个微电源之间的协调控制问题。

在微网系统中，含有多个微电源，可以是同类型的微电源，也可以是异种类型的微电源，这些电源的外特性、时间常数和组成环节等各不相同，而电力系统中的能量都是平衡的，如何保持微电网运行时电压的稳定性与系统的平稳性和可靠性，减小微电网对大电网的冲击，都需要进一步的探讨和研究。如：各种微电源稳态、暂态、动态分析模型，多个变流器的稳定性及其协调控制问题。

(2)在并网与独立运行两种运行状态的切换过程。

IEEE P1547对分布式电源入网标准做了规定：在大电网发生故障时，分布式电源必须立即退出运行。微电网与分布式发电一个主要区别就是微电网既可与大电网并网运行，也可以在大电网故障情况下切断与大电网的联接而独立运行。两种运行状态的切换过程对大电网而言就是一种扰动，对大电网的稳定运行有一定的影响，且影响不可能完全消除，必须改进微电网的结构与配置参数，改进控制策略，消除对大电网的影响。

2.3.2 高级能量管理与优化运行 高级能量管理是微网的核心组成部分,能够根据能源需求、市场信息和运行约束等条件迅速做出决策,通过对分布式设备和负荷的灵活调度来实现系统的最优化运行[7]。

微网EMS与传统EMS的关键区别在于:（1)微网内集成热负荷和电负荷,因此微网EMS需要热电匹配；（2)能够自由与电网进行能量交换；（3)微网EMS能够提供分级服务,特殊情况下可牺牲非关键负荷或延迟对其需求响应,为关键负荷提供优质电力保障。

2.3.3 微网故障检测与保护技术 DER单元的引入使得微网系统的保护控制与常规电力系统中的保护控制在故障检测方法和保护原理上有很大不同，如除了过压及欠压保护外，针对分布式电源还包括反孤岛和低频保护的特殊保护功能。另外，常规的保护控制策略是针对单向潮流系统的保护，而在微网系统中潮流可能双向流通，且随着系统结构和所连接的DG单元数量的不同，故障电流级别将有很大不同，传统的继电保护设备可能不再起到应有的保护作用，甚至可能导致这些保护设备损坏，因而需要研发能够在完全不同于常规保护模式下运行的故障检测与保护控制系统。

3 发展趋势

3.1 分布式混合能源系统

新能源作为电力系统未来的发展方向是采用几种新能源发电方式组成的分布式新能源混合能源系统。分布式混合能源系统是一种结合分布式能源与储能技术的全新分布式供电系统。混合能源系统的特点在于:利用各类微型能源的不同特性，通过多种微型能源以及储能装置的有效混合配置，克服单一能源供电的不稳定性，实现各类能源的优势互补与效率提升；同时利用负荷均衡化控制策略，通过电力电子装置为其提高独立运行和并网运行两种状态下的供电可靠性以及电能质量提供可能。

在分布式混合能源系统中需要重点解决拓扑结构、控制策略和关键部件的理论与技术问题。

(1)新能源并网发电系统的结构与关键部件的选择问题。

根据对并网变换器的拓扑进行了深入的建模与量化对比分析，确定最适合用于直流交流双总线结构的微电网的并网变换器结构，在就近供电的微电网中使用直流总线，可以减少用电装置中的交流-直流整流环节，提高电能利用效率。通过对各类储能装置的技术进行了详细的对比与分析，确定系统内储能环节的容量、结构等的选择与配置。根据并网变换器的拓扑特点，提出将并网发电与电能质量调节功能合二为一，实现并网变换器功能复合化的概念。

(2)新能源并网发电系统中的主电路的设计与各部分的建模问题。

对新能源并网发电关键部件的研究需要建立在系统主电路设计参数以及各个部件的模型基础上。首先确定新能源并网发电系统实验样机的直流母线电压和各个部件的功能定位，然后在对微电源以及储能装置的特性所进行的分析基础上，建立了相关的等效电路模型、热模型、性能评价指标以及机电方程。对微电源以及储能装置的电力电子接口电路进行探讨，对并网变换器的控制模型进行简要分析。通过仿真分析对所建立的模型进行了验证，完成并网系统的主回路设计。

(3)新能源并网发电系统中多个微电源之间的协调控制问题。

并网系统中有不同的微电源，各微电源通过先进的电力电子设备与微网中的直流总线或交流总线连接，它们多数是灵活可控的，各个微电源都有不同的电压-电流，频率-功率特性，时间常数也有相当大的差异，较好的协调控制策略可以在保证电网稳定运行和电能质量的前提下，充分发挥新能源发电的效率。

(4)孤岛独立运行时的负荷分级原则与方法。

与分布式发电技术不同，微电网允许独立运行，这进一步增加了微电网检测与控制的复杂性。因此要求对电力负荷进行仔细分类与细化，最终形成金字塔式的负荷结构。对供电可靠性与供电质量要求不高的负荷位于金字塔的底层，对供电可靠性与供电质量要求极高的少数负荷位于金字塔的顶层。对负荷进行细致的分类体现了微电网个性化供电的特点，探讨如何设计微电网实现这个复杂的分层结构。

3.2 智能微电网

近年来国际范围内逐步开展了智能电网的研究与实践计划。智能电网的概念最早是美国为了解决日益老化的电网而提出的一种解决方案，旨在通过升级改造原有电网的发电、输电、配电和用电环节达到更加环保、高效、互动的现代化电力系统。针对未来含有微网的智能化配电网，美国电力研究院(EPRI)在2004年开始制定了详细的科研计划，并构建了新的科研管理机构和一个世界范围内智能电网研究的网络化平台Intelligrid[8]，以引领世界范围内智能配电网的技术研究。

通过第五、第六框架计划中各个项目的研究，欧盟逐步明确了基于可再生能源和分布式发电系统的未来欧洲电网的发展趋势。“欧盟第七框架计划”在原有微网研究基础上又提出发展智能电网的构想[9]。智能电网概念的提出为所有的与可再生能源利用及分布式发电相关的技术项目提供了载体，各个项目的研究都成为智能电网框架下的有机组成部分，为项目成果的汇集、交叉、融合提供了必要的技术平台[10]。

智能微网的概念在国际上已经出现[11-12]。文献[7]认为智能微网是未来智能配电网新的组织形式。实现智能微网涉及众多技术领域，主要关键技术有高级电力电子技术、量测与通信技术、信息管理系统、高级能量管理和高级分析技术等。在坚强智能配电网的高级配电运行框架下，结合分布式发电系统特性，实现智能微网自愈控制、分布式电源协调与自适应控制、能量管理优化、信息集成等，实现微网的智能化、信息化、数字化和自动化。

4 结论

综上所述，新能源及可再生能源发电技术虽然已取得了突破性进展，然而由于目前大部分可再生能源发电装置所产生的电能存在不可预测性和间歇性，例如风力发电、光伏发电等，其产生的电能如果直接输入电网将对电网的稳定运行产生严重的影响，制约了可再生能源的并网利用和进一步的发展。因此迫切需要一些解决方案以提高新能源及可再生能源并网发电技术的经济性和运行的可靠性。

今后应将新能源及可再生能源发电作为一种重要的分布式电源，纳入建设坚强智能配电网的总体研究框架中。在坚强智能配电网的高级配电运行框架下，微电网是未来电网实现高效、环保、优质供电的一个重要手段，是实现智能电网有源配网的有效方式。

[1]王建,李兴源,邱晓燕.含有分布式发电装置的电力系统研究综述[J].电力系统自动化,2005,29(24):90-97.

[2]马洪飞,徐殿国,苗立杰.几种变速恒频风力发电系统控制方案的对比分析[J].电工技术杂志,2000(10):1-4.

[3]张超，王章权，蒋燕君等.无差拍控制在光伏并网发电系统中的应用[J].电力电子技术，2007,41(7):3-5.

[4]李鹏，张玲，,盛银波.新能源及可再生能源并网发电规模化应用的有效途径-微网技术[J].华北电力大学学报，2009，36(1)：10-14.

[5]Robert H.Lasseter,Microgrids,IEEE PES Winter Meeting,27-31,January,2002(l1):305-308.

[6]丁明，张颖媛，茆美琴.微网研究中的关键技术[J].电网技术,2009,33(11)：6-11.

[7]李振杰，袁越.智能微网-未来智能配电网新的组织形式[J].电力系统自动化，2009，33（17）：42-48.

[8]HAASE P.IntelliGrid:a smart network of power[EB/OL].[2008 -07 -21]. http://mydocs.epri.com/docs/Corporate Documents /EPRI_Journal/2005-Fall/1012885_IntelliGrid.pdf.

[9]European Commission. European technology platform smartGrids:vision and strategy for Europe's electricity networks of the future [EB/OL].[2008-07-21].http://www.smartgrids.eu/documents/vision.pdf.

[10]王成山，高菲，李鹏，丁菲.可再生能源与分布式发电接入技术欧盟研究项目述评[J].南方电网技术，2008，2(6)：1-6.

[11]GalvinElectricityInitiative.Smartmicrogrids[EB/OL].[2009-07-10].http://www.galvinpower.org/files/SmartMicroGrids.pdf.

[12]Valence Energy.Smart microgrid[EB/OL].[2009-07-16].http://www.valenceenergy.com/Solutions/Smart-Microgrid.

Key Technology and Development of Grid-Connected System of New Energy

Sun Zuo
(Department of Physics and Mechanical and Electronic Engineering,Chizhou College,Chizhou,Anhui 247000)

With the rapid development of new energy and micro-generation of power generation,distributed power generation systems and energy storage,grid-connected system of generation of new energy has become a hot research topic.The paper introduces the distributed power generation technology and presents the relevant concepts of micro-network and its basic structure and discusses the key technology of grid-connected system of generation of new energy,and presents the development trend of grid-connected system of generation of new energy and explores the theoretical and technical problems in the research.

New Energy;Micro-Network;Distributed Power Generation Systems;Smart Grids;Smart Micro-Network

TM61

A

1674-1102（2010）03-0031-05

2010-03-24

安徽省高等学校省级自然科学重点研究项目（KJ2010A245）。

孙佐（1965-），男，安徽枞阳人，池州学院物理与机电工程系副教授，工学硕士，主要研究方向为微机测控、电力电子技术和新能源发电。

[责任编辑：桂传友]