微电网技术的研究与应用前景

李莉华,李宾皑

(1.华东电力试验研究院有限公司,上海 200437;2.华东电网有限公司,上海 200002)

1 微电网概况

1.1 微电网产生的背景[1-5]

社会经济的快速发展,带动了电力需求的快速增长与电网规模的不断扩大,构建大电网建设成本高、运行难度大,并且在适应电力用户的高要求、高可靠性和供电需求方面,也还存在诸多瓶颈问题。近些年来一些发达国家发生的大面积停电事故,已经暴露出大电网的脆弱。

分布式发电具有传统电力系统不具备的优点,如可靠性高、清洁和能效高。同时,分布式电源位置灵活和分散的特点,延缓了输配电网升级改造所需的高额投入,可通过和大电网的相互备用进一步提高供电可靠性。为此,一些发达国家正在深入研究分布式发电系统。

目前,分布式电源单机接入成本高,控制困难。为缓冲分布式电源对大电网的冲击,一旦电力系统发生故障,分布式电源必须迅速退出电网运行,这也限制了分布式电源的应用优势。

为了减少分布式电源的诸多不利影响,发挥其积极作用,较好的解决方案是采用微电网(M icrogrid)。

1.2 微电网的定义[1-5]

微电网是一种较小规模的分散独立系统,由负荷和微电源组成。它采用了大量的先进电力技术,将燃气轮机或者风电、光伏发电、燃料电池和储能设备等装置整合在一起,直接接入用户侧,如图1所示。微电网可视为大电网中的一个可控单元,它可在数秒内动作,提高供电区域的供电可靠性、降低损耗、稳定电压,还可以提供不间断电源满足用户的特定需求。微电网和大电网的互为备用,可以提高供电的可靠性。由图1可知,微电网可以包括光伏发电、风能或者燃料电池等微电源,有的微电源还连接热负荷,同时为当地用户提供热源。

图1 微电网结构方框图

1.3 微电网的优势

微电网与传统集中式能源系统相比具有许多优势。

1)微电网接近负荷,线损显著减少,建设投资和运行费用较省。

2)分布式能源具备发电、供热、制冷等多种服务功能,可实现更较高的能源综合利用效率。

3)有利于各类可再生能源(太阳能发电、风力发电、生物质发电等)的利用,减少了排放总量、征地、电力线路走廊用地和高压输电线的电磁污染,缓解了环保压力。

4)可以解决部分调峰和备用问题,做到与季节性和地域性的电力需求变化相适应,使得电力系统的经济性和安全性达到最佳平衡。

5)可以提高供电可靠性、供电质量和电网的安全性。

6)发展微电网技术可形成和谐多元化的电网格局。

微电网的最大优势是提高了电力系统面临突发灾难时的抗灾能力。大电网中超大型电站与微电网中分散微型电站的结合,可以减少电力输送距离、降低输电线路的投资和电力系统的运营成本,确保电力系统的运行更安全和更经济。

2 国外对微电网的研究

由文献得知,目前发达国家正在深入研究微电网,竞相报道有关微电网的技术成果,由于各国电力系统存在的实际问题和可持续发展能源的目标不同,所以呈现出不同的理念与特色。

2.1 美国对微电网的研究

微电网的概念是由美国CERTS(可靠性技术解决方案协会)最早提出的,这种微电网主要由基于电力电子技术且容量小于等于500 kW的小型微电源与负荷构成。电力电子技术是美国CERTS微电网实现智能和灵活控制的重要技术支撑。美国微电网的发展重点是提高重要负荷的供电可靠性、满足用户定制的多种电能质量需求、降低电网成本和实现电网智能化。对微电网进行深入研究,是美国电力系统今后发展和规划电源的重要课题之一。

美国CERTS对微电网的初步理论研究成果,得到了实验室微电网平台的成功检验。微电网在2005年已经从仿真分析和实验阶段进入现场示范运行阶段。美国第一个微电网示范工程是由北部电力系统承建的Mad River微电网,用以检验微电网建模和仿真方法、保护和控制策略以及经济效益,并形成微电网的管理政策和相应法规。

美国还开展了分布式效能集成测试平台的建设(由加州能源委员会资助)、佛蒙特州微电网安装和运行的检验(由美国国家可再生能源实验室承担),这些研究工作都极大地促进了美国微电网的发展。

2.2 日本对微电网的研究

日本对微电网的研究,主要目标是能源供给多样化、减少污染、满足用户的个性化电力需求。例如:三菱公司根据微电网的规模,将其分为三类,如表1所示[2]。

表1 日本三菱公司对微电网的分类

由表1可知,日本拓展了美国CERTS对微电网的定义范围,将传统电源的独立电力系统,也纳入微电网的研究范畴,已建立多个微电网工程。微电网的实现形式之一,是由日本学者提出的灵活、可靠和智能能量供给系统,即在配电网中加入灵活交流输电系统(FACTS)装置,实现对配电网能源结构的优化,用以满足用户对多种电能质量的不同需求。

日本成立了新能源与工业技术发展组织(NEDO),用来与高校协调,与企业协调,与国家重点实验室协调研究课题。NEDO建立的第一个微电网示范工程是2005年投入日本爱知世博会时使用的爱知微电网[3]。

2.3 欧洲对微电网的研究

2005年,欧洲从电力市场需求、电能安全供给及环保等角度出发,提出“SmartG rid”计划,即未来欧洲电网要具有灵活性、可接入性、可靠性和经济性等特点,并具有智能性、能量利用多元化等特点。

欧洲已初步提出有关了微电网的运行、控制、保护、安全及通信等理论,并在实验室微电网平台上对这些理论进行了验证。目前,欧洲的微电网示范工程主要有希腊基斯诺斯岛微电网、德国曼海姆Wallstadt居民区示范工程、西班牙LABEIN项目、葡萄牙EDP项目、葡萄牙Continuon项目、意大利CESI项目、丹麦ELTRA项目等。

2.4 国外微电网应用展望

各国对微电网的研究、形成与发展,不仅是对传统集中式、大规模电网的挑战,更是电力行业对能源的利用、环保、服务意识的提高。微电网是对大电网的有益补充,是未来电网实现高效、环保和优质供电的一个重要手段。

美国PikeResearch研究机构在最近的一份研究报告中指出,未来几年电网的发展趋势将集中在微电网上,到2015年全世界微电网容量将达到3GW,为此将有38亿美元投资微电网,平均每年21亿美元。未来几年,北美将成为微电网的最大市场,拥有占世界24%的微电网容量,欧洲和亚洲将紧随其后。

3 我国发展微电网要解决的关键问题

3.1 我国微电网特点

大力发展可再生能源发电的形势、提高电网抗灾能力的迫切需求、电力系统自身发展的需求等,都是我国发展微电网的主要原因。

我国发展微电网,是基于我国电力系统的特点为基础,提出不同区域的针对性解决方案。按照运行特点,主要分为城市片区微电网和偏远地区微电网(即农村微电网及企业微电网)[4]。

3.1.1 城市片区微电网

城市片区微电网一般按照居民小区、宾馆、医院、商场及办公楼等建设,正常情况下主要通过大电网供电。大电网故障时,将城市片区微电网断开,进入孤岛运行模式,用以保证所接重要负荷的供电可靠性和电能质量。一般接在10 kV中压配网,容量为数百千瓦至10 MW等级。

3.1.2 偏远地区微电网

偏远地区微电网主要指农村微电网和企业微电网。目前,在农村、草原等偏远地区,供电困难,居民无法用电。解决的方案是不延伸电力系统,以较低的成本利用当地可再生能源供电。企业微电网一般接在10 kV及以上中压配网,容量在数百千瓦至10 MW。企业微电网一般分布在城市郊区,如石化、钢铁等大型企业,利用传统电源满足企业内部的用电需求。

3.2 发展微电网要解决的关键问题

3.2.1 微电网与现有配电网的协调发展

微电网与现有配电网的协调发展,主要是指更新改造现有配电网还是全新建设配电网。例如一些新兴科技园区引入了太阳能发电等分布式能源,同时保持与原有配电网的联系,微电网雏形的特征十分明显。但是,大多数配电网用户要实现微电网供电,只能考虑对现有供电网络进行改造,而且技术难度较大。

3.2.2 微电网技术

微电网目前存在许多需要进一步研究和攻克的技术难题,主要包含新能源发电技术、电力电子技术、储能技术和通信技术等[5]。

1)新能源和可再生能源发电技术 该类核心技术被少数先进国家掌握,其成本造价相对于传统能源发电的优势并不明显。因此这些新的低碳发电技术,降低成本、市场化非常关键。

2)电力电子控制装置 微电网的灵活运行方式,是基于先进的电力电子接口,微电网不仅可以灵活地接入主网,而且还可以使得各个微电源实现“即插即用”。

3)储能关键技术 储能装置是微电网不可缺少的重要设备,其削峰填谷的作用,可以提高间歇式能源的利用效率。我国先后研制出650 Ah钠硫电池单体、100 kW/200 kW的全钒液流电池系统。另外,飞轮储能技术的应用也取得了很大的进展。

4)协调继电保护和无功补偿技术 微电网的保护方法与传统配电网的保护方法不同,主要是微电网的多电源特性,使得两者区别很大,主要难点在潮流的双向流动、并网和孤立运行时短路容量的变化方面。因此,传统配电网在低压侧集中无功补偿的方法已经不适合微电网。

5)监测技术 微电网的特殊结构,改变了传统配电网的供电模式,因此先进的监测技术成为微电网有效管理的基础。

3.2.3 微电网的仿真试验及示范应用

微电网的仿真及试验工作,主要包括数字仿真技术研究、数字仿真与物理建模仿真接口的研究、数字仿真与物理动模仿真混合仿真的开发等工作,而示范工程的建设,是微电网走向实际应用的桥梁与检验。

4 我国微电网应用展望

微电网以其独特的运行方式不仅可以满足电力用户的多种需求,还可以保证在极端情况下保证电能的持续供应,微电网的诸多优点将使它成为大电网的一个有益补充。分布式能源技术是我国的必然选择,但分布式能源入网存在很多问题,我国当前正在大力发展风电和光伏等分布式能源。微电网能很好的解决分布式能源和大电网之间的矛盾。

在我国许多中小城市和偏远地区,有一些损耗大、效率低、运行费用高和污染大等的火力发电和小水电等传统发电机组,面临“上大压小”,停运或拆除。可以充分考虑挖掘这些机组的合理再利用,组成微电网。

在政策法规方面,我国已制定了一些利于微电网推广建设的政策,如采取了新能源和可再生能源优先上网和价格优惠等政策。

5 结语

微电网作为大电网的有效补充,与分布式能源的有效利用形式,已引起广泛关注,欧美日等国的微电网发展呈现不同的特色。中国微电网的发展能够提高供电可靠性、促进可再生能源的利用,对建设抗灾型电网具有重要意义,发展依靠的关键技术主要包含新能源发电技术、电力电子技术、储能技术和通信等技术。微电网的理论与应用有待进一步研究和深入。

[1] 鲁宗相,王彩霞,等.微电网研究综述[J].电力系统自动化, 2007,31(19):100-107.

[2] 楼书氢,李青锋.国外微电网的研究概况及其在我国的应用前景[J].华中电力,2009,22(3):56-59.

[3] 左文霞,李澍霖,等.微电网技术及发展概况[J].中国电力, 2009,(7):26-30.

[4] 时珊珊,鲁宗相,等.中国微电网的特点和发展方向[J].中国电力,2009,(7):21-25.

[5] 刘立杰,吴福保.微电网技术在中国的研究现状和应用前景[J].农村电气化,2010,(6).