分布式電源與微網(wǎng)管控技術綜述

0引言

全球能源危機及環(huán)境惡化已成為全球關注的重點問題?？沙掷m(xù)發(fā)展思想迅速成為國際社會共識，開發(fā)利用可再生能源開始受到世界各國的廣泛關注。我國目前已全面邁出建設堅強智能電網(wǎng)的步伐，滿足經(jīng)濟快速發(fā)展對電力的需求。智能電網(wǎng)建設的一項重要內(nèi)容便是實現(xiàn)新能源的利用，著力實現(xiàn)可再生能源集約化開發(fā)、大規(guī)模、遠距離輸送和高效利用，改善能源結(jié)構(gòu)。分布式電源這些技術具有投資省、發(fā)電方式靈活、與環(huán)境兼容等特點，基于分布式電源建立的微網(wǎng)，又可以提供傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)無可比擬的可靠性和經(jīng)濟性，越來越多應用于電網(wǎng)。

本文闡述了分布式電源的特點，重點介紹了分布式電源的典型技術如太陽能和風能發(fā)電技術。并對并網(wǎng)帶來的技術問題進行簡單的探討。與此同時介紹了微網(wǎng)管控技術進行闡述。

1研究背景

1.1分布式電源的概念及其背景

分布式電源[1]指小型(容量一般小于50MW)、向當?shù)刎摵晒╇姟⒖芍苯舆B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(DG)裝置一般分為兩類化石能源發(fā)電和可再生能源發(fā)電。石能源發(fā)電常見的如熱電冷聯(lián)產(chǎn)發(fā)電、燃氣輪機發(fā)電和內(nèi)燃機組發(fā)電?？稍谀苣茉词墙暄芯康臒狳c，它包括水力、風能、地熱、太陽能、生物能及潮汐發(fā)電。其中風能在我國發(fā)展迅速，近10年，新疆、內(nèi)蒙、廣東、浙江、遼寧建幾十個風場，總裝機2000多萬kW，2015年末并網(wǎng)風電裝機容量達1億千瓦。預計到2030年風力發(fā)電將為人類提供三成電力 。光伏發(fā)電技術已經(jīng)開始市場化運作，我國兆瓦級的光伏電站有寧夏石嘴10兆瓦光伏電站，上海崇明1兆瓦光伏電站，上海臨港新城1.2兆瓦光伏，浙江2兆瓦級屋頂光伏電站，賀蘭山脈50兆瓦光伏電站。2009年7月21日，財政部、科技部、國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《關于實施金太陽示范工程的通知》，決定綜合采取財政補助、科技支持和市場拉動方式加快國內(nèi)光伏發(fā)電的產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；l(fā)展，并計劃在2-3年內(nèi)，采取財政補助方式支持不低于500兆瓦的光伏發(fā)電示范項目。該項目誕生意味著太陽能產(chǎn)業(yè)在政策面上，將會得到更大力度的支持。

分布式儲能[2](DES)裝置有電化學儲能(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。

1.2微網(wǎng)概念

微網(wǎng)[3-4]是將分布式電源、負荷、儲能裝置和控制裝置結(jié)合，形成一個單一可控的供電系統(tǒng)。微網(wǎng)內(nèi)部的電源主要是由電力電子裝置負責能量轉(zhuǎn)換，并提供必須的控制;微網(wǎng)相對外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的可控單元，同時滿足用戶對電能質(zhì)量和供電可靠性、安全性的要求。從2000開始，歐盟提出了微網(wǎng)工程(Micro grids Project)，隨后美國，日本和加拿大相繼開始微網(wǎng)的研究，系統(tǒng)實驗證明微網(wǎng)的運行、控制、保護和安全性。

2分布式電源技術研究

2.1光伏并網(wǎng)技術

由于傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少，對環(huán)境造成的危害日益突出，為實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展，全世界都把目光投向了可再生能源。這之中太陽能以其獨有的優(yōu)勢而成為人們重視的焦點。太陽能是一種分布極其廣泛,儲量十分巨大,易于為人們利用的清潔可再生能源。太陽能光伏發(fā)電成為了人們獲取清潔可再生能源的重要途徑。

2.1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成與控制

光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池板陣列、DC/DC變換器、DC/AC逆變器、控制器組成。其中DC/DC變換器將光伏電池板所發(fā)出的電能變換成為穩(wěn)定的直流電壓，同時實現(xiàn)最大功率點跟蹤控制;DC/AC逆變器將穩(wěn)定的直流電變成穩(wěn)定的交流電，經(jīng)過濾波器濾波，然后再經(jīng)過變壓器與電網(wǎng)相連或直接帶負載[5]。

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要作為可再生分布式電源，向獨立發(fā)電系統(tǒng)或者電力網(wǎng)絡供電，具有一般電力系統(tǒng)電源的特點。由于受光伏電池板的輸出功率限制，所以光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率都不是很高，功率等級一般為千瓦至兆瓦級。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的傳輸能量來源于光伏電池，從電池輸出分析，輸出電壓和電流曲線是非線性的，二者之間有一定的約束條件，并受光照強度和溫度的影響，輸出功率會有變化。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)直流側(cè)的伏安特性曲線呈非線性，但有功和無功輸出都是可控的，在一定條件下可以實現(xiàn)有功和無功的解耦控制。

光伏發(fā)電系統(tǒng)需要對系統(tǒng)的輸出電流和輸出功率進行控制，常用的控制為電流內(nèi)環(huán)和功率外環(huán)的雙閉環(huán)控制。內(nèi)環(huán)控制主要采用各種優(yōu)化的PWM控制策略，外環(huán)主要是保證系統(tǒng)處于最大功率點輸出而采用最大功率跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制;并且為了使系統(tǒng)的輸出功率因數(shù)滿足國標要求，通常還需要對電網(wǎng)電壓進行鎖相控制[6]。

隨著社會的發(fā)展，人們對光伏發(fā)電系統(tǒng)的各種要求也越來越高，因此，現(xiàn)代的光伏發(fā)電系統(tǒng)還包含逆變器并聯(lián)控制技術以實現(xiàn)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的擴容，孤島檢測技術以防止系統(tǒng)的島運行，低壓穿越技術以滿足系統(tǒng)故障運行標準等。

2.1.2光伏發(fā)電的發(fā)展歷程

我國于1958年開始研究光伏發(fā)電，1971年首次成功應用于我國發(fā)射的東方紅二號衛(wèi)星上。我國光伏工業(yè)在上世紀八十年代的發(fā)展處于起步階段。受到價格和產(chǎn)量的限制，市場發(fā)展很緩慢，除了作為衛(wèi)星電源，在地面上太陽能電池僅用于小功率電源系統(tǒng)，功率一般在幾瓦到幾十瓦之間。

在“六五”和“七五”期間，國家開始對光伏工業(yè)和光伏市場的發(fā)展給以支持，中央和地方政府在光伏領域的資金投入，使得我國的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)逐步發(fā)展起來，有了一系列的成果。

1995年，在西藏的無水力無電縣，建成兩個功率分別為10千瓦和20千瓦的光伏電站。2002 年，國家計委啟動“西部省區(qū)無電鄉(xiāng)通電計劃”，通過分布式發(fā)電解決西部七省區(qū)(西藏、新疆、青海、甘肅、內(nèi)蒙古、陜西和四川)700多個無電鄉(xiāng)的用電問題，光伏用電量達到15.5兆瓦。

2003年底，中國太陽能電池的累計裝機已經(jīng)達到55兆瓦。2004年8月，總?cè)萘繛?1 兆瓦的當時國內(nèi)裝機容量最大的太陽能發(fā)電系統(tǒng)在深圳投入應用。到2006年，我國太陽能電池的裝機量已達到 80 兆瓦。2007 年，中國光伏發(fā)電累計裝機總量已達 10萬千瓦。至2008 年底，我國太陽能光伏發(fā)電累計裝機約為 15 萬千瓦[7]。

2.1.3光伏發(fā)電的成本問題

光伏發(fā)電的成本，決定了其能否與傳統(tǒng)電力行業(yè)相競爭。由數(shù)據(jù)可知，光伏發(fā)電成本隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而不斷降低。與傳統(tǒng)電力相比，目前光伏發(fā)電成本仍然比較高，大大阻礙了太陽能光伏發(fā)電的推廣和使用。故其暫時還無法同火電、風電等競爭。然而近期太陽能光伏發(fā)電的大規(guī)模市場發(fā)展和快速的技術進步正在使光伏系統(tǒng)設備和發(fā)電成本[8]有效降低，預計未來幾年每千瓦時發(fā)電成本可降為1.5元人民幣以下。

2.1.4光伏發(fā)電的展望

太陽能發(fā)電有著良好的發(fā)展前景。太陽輻射到地球表面的能量相當于目前全世界一年能源總消耗量的3.5萬倍。從長遠看，太陽能光伏發(fā)電在將來不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應的主要部分。根據(jù)歐洲JRC的預測，到2030年太陽能光伏發(fā)電在世界總電力的供應中將達到10%以上;2040年太陽能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上;到21世紀末太陽能發(fā)電將占到60%以上。

在我國發(fā)展大型光伏發(fā)電系統(tǒng)，是改變和優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)的理想選擇，也是可持續(xù)電力供應的理想模式。根據(jù)科學家何祚庥院士提出的觀點，荒漠電站是最具發(fā)展力的項目，僅內(nèi)蒙古沙漠地區(qū)的太陽能就可以解決中國未來的能源問題。大型沙漠光伏電站由于利用沙漠荒地，可大幅度減少土地利用和投資成本。根據(jù)國家發(fā)改委的規(guī)劃，到2020年底累計沙漠(戈壁)光伏電站裝機達到200兆瓦。

國家發(fā)改委和一些省區(qū)政府正積極規(guī)劃、部署和實施大型光伏發(fā)電項目。青海太陽能光伏發(fā)電總裝機容量在全省范圍內(nèi)達到300兆瓦;到2013年，太陽能光伏發(fā)電總裝機容量達到1吉瓦。甘肅敦煌10兆瓦并網(wǎng)光伏發(fā)電示范工程項目2008年9月已獲國家能源局復函，同意采取特許權招標方式建設，光伏發(fā)電項目特許經(jīng)營期25年。甘肅發(fā)改委希望以規(guī)模化的市場需求帶動建立20-30個類似光伏發(fā)電項目。

光伏發(fā)電將在中國未來的電力供應中扮演重要的角色, 按照國家發(fā)改委編制的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年累計裝機容量將達到30吉瓦，預計2050年我國電力裝機容量30億千瓦(按年均增長3%估算)中，太陽能發(fā)電裝機容量可達6億千瓦。

2.2風力發(fā)電并網(wǎng)技術[9]-[10]

風力發(fā)電技術是將風能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術。風力發(fā)電機組并網(wǎng)運行時。要求發(fā)電機的輸出頻率與電網(wǎng)頻率一致。風力發(fā)電并網(wǎng)技術可分為恒速恒頻并網(wǎng)技術和變速恒頻并網(wǎng)技術兩大類。

恒速恒頻采用失速調(diào)節(jié)或主動失速調(diào)節(jié)的風力發(fā)電機，以恒速運行時，主要采用異步感應發(fā)電機;變速恒頻采用電力電子變頻器將發(fā)電機發(fā)出的頻率變化的電能轉(zhuǎn)化成頻率恒定的電能。變速恒頻發(fā)電技術有因最大限度地捕捉風能、較寬的轉(zhuǎn)速運行范圍、可靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功功率和無功功率和采用先進的PWM控制等優(yōu)點，逐漸成為當前風力發(fā)電的主流技術。雙饋風力發(fā)電并網(wǎng)和直驅(qū)風力發(fā)電并網(wǎng)是風能并網(wǎng)的兩種主要形式，它們有相同之處又有各自的特點。