智能配電網(wǎng)之分布式電源并網(wǎng)技術

標簽：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)的一個根本特征是支持分布式電源(Dist ributed Energy Resources ,DER) 的大量接入。滿足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,作為讀者學習、了解智能電網(wǎng)技術的基礎知識。

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?shù)刎摵晒╇?、可直接連到配電網(wǎng)上的電源裝置。它包括分布式發(fā)電裝置與分布式儲能裝置。

分布式發(fā)電(Dist ributed Generation ,DG) 裝置根據(jù)使用技術的不同,可分為熱電冷聯(lián)產(chǎn)發(fā)電、內(nèi)燃機組發(fā)電、燃氣輪機發(fā)電、小型水力發(fā)電、風力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電、燃料電池等;根據(jù)所使用的能源類型,DG可分為化石能源(煤炭、石油、天然氣) 發(fā)電與可再生能源(風力、太陽能、潮汐、生物質(zhì)、小水電等) 發(fā)電兩種形式。分布式儲能(Dist ributed Energy Storage ,DES) 裝置是指模塊化、可快速組裝、接在配電網(wǎng)上的能量存儲與轉(zhuǎn)換裝置。根據(jù)儲能形式的不同,DES 可分為電化學儲能(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) ,熱能儲能裝置等。此外,近年來發(fā)展很快的電動汽車亦可在配電網(wǎng)需要時向其送電,因此也是一種DES。

2 分布式電源的發(fā)展

2. 1 分布式發(fā)電技術的發(fā)展

長期以來,電力系統(tǒng)向大機組、大電網(wǎng)、高電壓的方向發(fā)展。進入20 世紀80 年代,各種分散布置的、小容量的發(fā)電技術又開始引起人們的關注,經(jīng)過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)未來面貌的重要力量。引起這一變化的原因主要有以下幾個方面。

1) 應對全球能源危機的需要。隨著國際油價的不斷飆升,能源安全問題日益突出,為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,人們的目光轉(zhuǎn)向了可再生能源,因此,風力發(fā)電、太陽能發(fā)電等備受關注,快速發(fā)展并開始規(guī)?；虡I(yè)應用,而這些可再生能源的發(fā)電大都是小型的、星羅棋布的。

2) 保護環(huán)境的需要。CO2 排放引起的全球氣候變暖問題,已引起各國政府的高度重視,并成為當今世界政治的核心議題之一。為保護環(huán)境,世界上工業(yè)發(fā)達國家紛紛立法,扶持可再生能源發(fā)電以及其他清潔發(fā)電技術(如熱電聯(lián)產(chǎn)微型燃氣輪機) ,有利地推動了DG的發(fā)展。

3) 天然氣發(fā)電技術的發(fā)展。對于天然氣發(fā)電來說,機組容量并不明顯影響機組的效率,并且天然氣輸送成本遠遠低于電力的傳輸,因此比較適合采用有小容量特點的DG。

4) 避免投資風險。由于難以準確地預測遠期的電力需求增長情況,為規(guī)避風險,電力公司往往不愿意投資大型的發(fā)電廠以及長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、見效快的DG項目來就地解決供電問題。

在國際上,DG 的發(fā)展方興未艾。在美國,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的小型能源系統(tǒng),特別是熱電機組并網(wǎng);2000 年,熱電聯(lián)產(chǎn)裝機容量已占總裝機容量的7 %,預計到2010 年將占其總裝機容量的14 %;2008 年,風力發(fā)電裝機容量達2500 萬kW;太陽能裝機容量達87 萬kW。歐洲在世界上最早開始應用DG。目前,丹麥、芬蘭、挪威等國的DG容量均已接近或超過其總發(fā)電裝機容量的50 %;歐洲D(zhuǎn)G 應用規(guī)模最大的德國,2008 年末風電裝機容量達到2300 萬kW ,太陽能發(fā)電裝機容量達540 萬kW。

我國應用的DG 原來主要以小水電為主,風電、光伏發(fā)電等起步相對較晚。2003 年以來,國家強力推進節(jié)能減排,頒布了《可再生能源法》并制定了一系列促進可再生能源利用與提高能效技術發(fā)展的政策。到2008 年底,我國風力發(fā)電裝機容量達到1200 萬kW ,躍居世界第三位;光伏發(fā)電裝機容量達到14 萬kW。

近年來,各國政府對能源安全與環(huán)境問題高度重視。美國、歐盟都提出2020 年應用可再生能源占總能源消費的比例超過20 %;我國也制定了2020 年應用可再生能源占消費總能源的比例達15 %的目標。目前,各國可再生能源發(fā)電容量在總發(fā)電裝機容量中的比例遠低于這些目標,可見DG的發(fā)展空間巨大。

目前,風力發(fā)電等可再生能源發(fā)電的成本還遠高于常規(guī)燃煤發(fā)電,只有國家實行優(yōu)惠的稅收政策并給予一定的財政補貼,才能調(diào)動投資者發(fā)展DG 的積極性。其次,DG 并網(wǎng)技術也是制約DG發(fā)展的重要因素,因此,智能電網(wǎng)的提出,從技術上為解決這一問題創(chuàng)造了條件。

2. 2 分布式儲能技術的發(fā)展

能量儲存是電力系統(tǒng)調(diào)峰的有效手段,作為一種成熟的儲能技術,抽水蓄能電站獲得了大量應用。近年來,作為補償DG輸出間歇性、波動性的有效手段,分布式儲能技術受到了人們的重視。

蓄電池是一種傳統(tǒng)儲能技術。鈉硫電池具有大容量、高效率、結(jié)構(gòu)緊湊、易擴展、對環(huán)境影響小等優(yōu)點,技術進一步成熟后可用于城市電網(wǎng)和可再生能源發(fā)電補償。超級電容器容量大、使用壽命長、環(huán)保,目前已有市場化應用。2005 年,美國加利福尼亞州建造了一臺450 kW 的超級電容器儲能裝置,用以減輕950 kW 風力發(fā)電機組向電網(wǎng)輸送功率的波動。飛輪儲能效率高、壽命長,德國、美國等都在投資研制用于電網(wǎng)調(diào)峰的飛輪儲能裝置。超導磁能儲能具有效率高、響應快等優(yōu)點,目前已在風力發(fā)電系統(tǒng)中得到了應用。

總體來說,分布式儲能技術還在發(fā)展之中,還沒有實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化,需要國家在政策上給于引導和扶持。

3 分布式電源并網(wǎng)對配電網(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)后會給配電網(wǎng)帶來一系列積極的影響。

1) 提高供電可靠性。DER 可以彌補大電網(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)停電時維持全部或部分重要用戶的供電,避免大面積停電帶來的嚴重后果。

2) 提高電網(wǎng)的防災害水平。災害期間,DER可維持部分重要負荷的供電,減少災害損失。

3) DER 啟停方便,調(diào)峰性能好,有利于平衡負荷。

4) DER 投資小、見效快。發(fā)展DG 可以減少、延緩對大型常規(guī)發(fā)電廠與輸配電系統(tǒng)的投資,降低投資風險。

5) 可以滿足特殊場合的用電需求。如用于大電網(wǎng)不易達到的偏遠地區(qū)的供電;在重要集會或慶典上,DER 處于熱備用狀態(tài)可作為移動應急發(fā)電。

6) 減少傳輸損耗。DER 就近向用電設備供電,避免輸電網(wǎng)長距離送電的電能傳輸損耗。

分布式儲能裝置并網(wǎng)后,可在負荷低谷時從電網(wǎng)上獲取電能,而在負荷高峰時向電網(wǎng)送電,起到對負荷削峰填谷的作用,提高電網(wǎng)運行效率。其另一個重要作用,是與風能、太陽能等可再生能源發(fā)電裝置配合使用,可就地補償可再生能源發(fā)電裝置功率輸出的間歇性。

3. 2 分布式電源并網(wǎng)帶來的技術問題

DER 的大量接入改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)功率單向流動的狀況,這給配電網(wǎng)帶來一系列新的技術問題。

1) 電壓調(diào)整問題。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、退出時間以及發(fā)出的有功功率與無功功率的變化,使配電線路的電壓調(diào)整控制十分困難。

2) 繼電保護問題。DER 的并網(wǎng)會改變配電網(wǎng)原來故障時短路電流水平并影響電壓與短路電流的分布,對繼電保護系統(tǒng)帶來影響:

(1) 引起保護拒動。DER 對保護動作的影響如圖1 所示。如果一個DER 接在線路的M處,當線路末端k 處發(fā)生短路故障時,它向故障點送出短路電流并抬高M 處的電壓,因此使母線處保護R 檢測到的短路電流減少,從而降低保護動作的靈敏度,嚴重時會引起保護拒動。

圖1 DER 對保護動作的影響

(2) 引起配電網(wǎng)保護誤動。在相鄰線路發(fā)生短路故障時,DER 提供的反向短路電流可能使保護誤動作。