分布式發(fā)電與微電網(wǎng)及其關(guān)鍵技術(shù)

分布式發(fā)電與微電網(wǎng)及其關(guān)鍵技術(shù)劉業(yè)勝【摘要】首先對分布式發(fā)電及微電網(wǎng)技術(shù)以及其發(fā)展的意義進(jìn)行了闡述，并對分布式發(fā)電和微電網(wǎng)發(fā)展過程中面臨的問題和有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹.【期刊名稱】《電氣開關(guān)》【年(卷)，期】2013(051)004【總頁數(shù)】4頁(P14-17)【關(guān)鍵詞】分布式發(fā)電;微電網(wǎng);關(guān)鍵技術(shù);儲能;并網(wǎng);控制;保護(hù)【作者】劉業(yè)勝【作者單位】中科華核電技術(shù)研究院，深圳518124【正文語種】中文【中圖分類】TM71自動19世紀(jì)末期，世界上誕生首個發(fā)電企業(yè)以及電力網(wǎng)以來，受制于電力能源的單一性以及發(fā)電設(shè)備的高成本，長期以來作為一種稀缺資源，建設(shè)規(guī)模更為廣泛以及強(qiáng)大的電力網(wǎng)，一直是世界電力的發(fā)展趨勢以及研究熱點(diǎn)。但是近年來在火力、水力等常規(guī)發(fā)電技術(shù)仍然作為主角的同時，風(fēng)能、太陽能、潮汐能、生物質(zhì)能等新型能源不斷興起，引發(fā)了世界能源及電力范圍內(nèi)一次新的革命，尤其是隨著近年來世界范圍內(nèi)的幾次大面積停電，使人們逐漸意識到大電網(wǎng)具有一定的脆弱性，一旦出現(xiàn)故障影響范圍廣，嚴(yán)重影響人們正常的生產(chǎn)及生活，基于以上種種原因分布式發(fā)電及微電網(wǎng)技術(shù)作為一種新的發(fā)電及電網(wǎng)模式近年來受到更多重視及研究。分布式發(fā)電通常是指發(fā)電功率在幾千瓦至數(shù)百兆瓦的小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的高效、可靠的發(fā)電單元。主要包括太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、燃料電池發(fā)電等，往往以新能源發(fā)電技術(shù)為主。目前對微電網(wǎng)尚未形成統(tǒng)一的定義，一般來講，微電網(wǎng)，是指由分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負(fù)荷和監(jiān)控、保護(hù)裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，是一個能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤立運(yùn)行。首先它是一個可孤立運(yùn)行的小型發(fā)配新系統(tǒng)，在不與外界連接的情況下，通過自身的分布式電源（可以是常規(guī)發(fā)電設(shè)備，也可以是新型清潔能源）發(fā)電并通過內(nèi)部供電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對內(nèi)用各用戶的供電，并可將多余的電能通過儲能裝置進(jìn)行儲能，以便于在用電高峰或者設(shè)備故障時作為后備電源使用，配電網(wǎng)內(nèi)還需具備相應(yīng)的電力保護(hù)及監(jiān)控設(shè)備，以便于在供電系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)短路等故障時，及時切除故障，防止事故擴(kuò)大影響網(wǎng)內(nèi)用電及設(shè)備安全，同時還可以通過內(nèi)部的能量管理系統(tǒng)，對各用戶的用電進(jìn)行調(diào)度管理。其次，還可以是一個能夠與外電網(wǎng)點(diǎn)連接的子網(wǎng)，在滿足各種并網(wǎng)條件下，可以與夕卜部主網(wǎng)連接，以實(shí)現(xiàn)外部電能輸入至內(nèi)部，或者內(nèi)部電能向外卜部主網(wǎng)輸送的功能。分布式發(fā)電作為一種發(fā)電形式存在已久，如我們所常用的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，即一種分布電源。近年來，隨著風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電等技術(shù)的發(fā)展，賦予了分布式發(fā)電另一種更為廣泛的含義。由于分布式發(fā)電技術(shù)具有獨(dú)特的環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性以及發(fā)電靈活性，引起人們越來越多的關(guān)注，大電網(wǎng)與分布式發(fā)電相結(jié)合被世界許多能源、電力專家公認(rèn)為是能夠節(jié)省投資、降低能耗、提高電力系統(tǒng)可靠性和靈活性的主要方式，同時也是21世紀(jì)電力工業(yè)的發(fā)展方向。隨著分布式發(fā)電技術(shù)的研究和應(yīng)用深入，分布式發(fā)電有望在電能生產(chǎn)中占有越來越大的比重，并對電力系統(tǒng)產(chǎn)生重大的影響。微電網(wǎng)作為一個概念最早在20世紀(jì)90年代被提出，最初是由美國電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會提出，但是在很長一段時間內(nèi)基本處于理論研究階段，其大力發(fā)展要在最近幾年，特別是隨著分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展以及近年來多次發(fā)生的電網(wǎng)崩潰及事故的影響，各國都加大了對微電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的研究，其中以美國、歐洲、日本的研究和應(yīng)用最為先進(jìn)，同時目前也有越來越多的微電網(wǎng)示范及商運(yùn)項(xiàng)目開始陸續(xù)投入運(yùn)行，作為電網(wǎng)的有益補(bǔ)充，微電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用潛力巨大。與傳統(tǒng)集中式能源系統(tǒng)相比，分布式發(fā)電及微電網(wǎng)技術(shù)具有許多優(yōu)勢：首先，大力發(fā)展分布式發(fā)電及微電網(wǎng)技術(shù)，有助于清潔能源以及各種新能源技術(shù)發(fā)展，大大提高新能源的利用率，解決目前新能源發(fā)電過剩的困難。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)2012年國內(nèi)光伏發(fā)電行業(yè)產(chǎn)能過剩嚴(yán)重，90%的多晶硅廠家停產(chǎn)，風(fēng)電行業(yè)也有50%的產(chǎn)能過剩，造成上述產(chǎn)能過剩的原因除了與目前國際國內(nèi)環(huán)境有關(guān)外，與分布式發(fā)電和微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用有關(guān)，如果能夠大力發(fā)展微電網(wǎng)技術(shù)，從局部實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電的能量利用，將會在很大程度上解決新能源的使用問題。提高電力系統(tǒng)的安全冗余度。自電力系統(tǒng)產(chǎn)生以來，發(fā)展廣泛大電網(wǎng)技術(shù)一直是相關(guān)科研以及應(yīng)用技術(shù)研究的方向，但是從近年來發(fā)生的多次電網(wǎng)大面積停電事件發(fā)生以來，給人們的生產(chǎn)生活造成了嚴(yán)重的不利后果，人們開始逐漸意識到大電網(wǎng)的脆弱性，而大力發(fā)展微電網(wǎng)技術(shù)將可以有效的解決目前大電網(wǎng)存在的問題，作為一種補(bǔ)充電源，在大電網(wǎng)出現(xiàn)故障的情況下，微電網(wǎng)仍然可以有效的孤網(wǎng)運(yùn)行，滿足重要及關(guān)鍵負(fù)荷的供電問題。⑶分布式發(fā)電和微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展在加大各類可再生能源利用的同時，還可以解決目前常規(guī)電力特別是火力發(fā)電所造成的嚴(yán)重空氣污染問題，同時也可以解決目前水利發(fā)電對各種生態(tài)資源造成不可恢復(fù)性災(zāi)難的爭議，減輕環(huán)保壓力。(4)分布式發(fā)電和微電網(wǎng)接近負(fù)荷，線損顯著減少，建設(shè)投資和運(yùn)行費(fèi)用較省;同時由于微電網(wǎng)中的分布式能源往往具備發(fā)電、供熱、制冷等多種服務(wù)功能，可實(shí)現(xiàn)更高的能源綜合利用效率；⑸有助于解決部分偏遠(yuǎn)地區(qū)的電力使用問題。目前，在農(nóng)村、草原等偏遠(yuǎn)地區(qū)，仍然存在供電困難，居民無法用電的情況。因此可以通過利用當(dāng)?shù)馗鞣N可再生資源以及新能源技術(shù)，發(fā)電微電網(wǎng)，在不用延伸電力網(wǎng)的情況下解決當(dāng)?shù)仉娏κ褂脝栴}。盡管分布式發(fā)電和微電網(wǎng)已經(jīng)從理論研究階段逐步走向了工業(yè)化使用階段，但目前仍有許多關(guān)鍵技術(shù)尚未解決或處于發(fā)展研究階段，下面就對其主要技術(shù)進(jìn)行介紹。目前常用的分布式發(fā)電技術(shù)主要包括光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池、生物質(zhì)能發(fā)電等，由于上述發(fā)電方式的不同，其主要的技術(shù)難點(diǎn)各不相同。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電的基本原理是利用風(fēng)能帶動風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)動，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后再帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，從而將機(jī)械能在轉(zhuǎn)化為電能。由于風(fēng)能是一種自然能源，并且地域性和時間季節(jié)性差別較大，因此風(fēng)廠的選擇是風(fēng)力發(fā)電能否有效應(yīng)用的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接決定了風(fēng)力發(fā)電的效益，另外由于風(fēng)的隨機(jī)性，風(fēng)的風(fēng)向、風(fēng)速等都在時刻變化，風(fēng)力發(fā)電還需要解決功率調(diào)節(jié)技術(shù)、變速運(yùn)行技術(shù)、迎風(fēng)技術(shù)、恒速及變速恒頻以及漿距調(diào)節(jié)等各種技術(shù)問題，特別是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)制造以及控制技術(shù)將決定風(fēng)力發(fā)電能否得到更成熟廣泛推廣及應(yīng)用，目前上述技術(shù)盡管得到了不同程度的解決，但仍不完善。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)。光伏發(fā)電技術(shù)的基本原理是利用太陽能電池這種半導(dǎo)體電子元器件的光生伏打效應(yīng)，有效的吸收太陽輻射能，并將其直接轉(zhuǎn)化為電能，它的基本裝置是太陽能電池［2］。光伏發(fā)電能否大規(guī)模應(yīng)用除了與太陽能輻照強(qiáng)度及時間有直接關(guān)系外，太陽能電池技術(shù)的發(fā)展則顯得尤為關(guān)鍵，幾十年來隨著技術(shù)研究的不斷深入，太陽能電池技術(shù)也取得了長足的進(jìn)步，其中單晶硅電池的效率已經(jīng)由6%提高到24.7%，多晶硅電池的實(shí)驗(yàn)室效率也達(dá)到了20%多。而目前薄膜電池、染料敏化電池以及有機(jī)電池等高效率的電池也受到廣泛關(guān)注與發(fā)展，但目前由于成本等原因，僅處于試驗(yàn)階段，尚未達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用。因此研究更為高效、成本更為低的電池技術(shù)，是太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的重中之重。除了太陽能電池技術(shù)外，蓄電池儲能技術(shù)、光伏發(fā)電控制及逆變技術(shù)等也是光伏發(fā)電的研究的主要相關(guān)技術(shù)。燃料電池發(fā)電技術(shù)。燃料電池發(fā)電技術(shù)被稱之為繼火電、水電和核電之后能持續(xù)產(chǎn)生電力的第四種發(fā)電形式，其基本原理是將存儲在燃料中的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電方式，與一般化學(xué)電池的區(qū)別在于發(fā)電所需的燃料及氧化劑需要從外部不斷輸入至電池中進(jìn)行反應(yīng)發(fā)電，而非一次性封裝于電池中，具有高效、污染低、可靠性高等特點(diǎn)，其關(guān)鍵技術(shù)包括燃料電池技術(shù)以及發(fā)電附屬設(shè)備集成技術(shù)等，其中燃料電池技術(shù)主要為燃料電池組件的材料及制造技術(shù)，包括電極的電催化性能、電極材料的選擇以及電極的制造技術(shù)，隔膜材料選擇及制造技術(shù)，雙極板的材料選擇、流體流動的流場設(shè)計(jì)及其加工技術(shù)等［1］，除此之外燃料電池發(fā)電所需要的燃料存儲加工、輸送以及電池余熱處理等技術(shù)也是關(guān)系到燃料電池發(fā)電的效率及發(fā)展。生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)［7］。生物質(zhì)發(fā)電是利用生物質(zhì)所具有的生物質(zhì)能(廣義上講，生物質(zhì)能是植物通過光合作用將太陽能以化學(xué)能形式存在生物體內(nèi)的一種能量形式)進(jìn)行發(fā)電的一種發(fā)電技術(shù)，目前主要包括生物質(zhì)直接燃料發(fā)電、將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃?xì)獾臍饣l(fā)電以及沼氣發(fā)電、生活垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)以及混合燃料發(fā)電術(shù)等。其關(guān)鍵技術(shù)主要包括直接燃燒發(fā)電的生物質(zhì)專用燃燒發(fā)電爐技術(shù)，生物質(zhì)氣化發(fā)電的生物質(zhì)氣化工藝技術(shù)、氣化焦油裂解技術(shù)、生物燃?xì)鈨艋夹g(shù)等，垃圾焚燒發(fā)電的垃圾焚燒技術(shù)，焚燒煙氣處理技術(shù)等?？紤]到而目前新型能源發(fā)電往往穩(wěn)定性較差，多受制于外部自然條件，其產(chǎn)生的電能往往無法直接輸送給電網(wǎng)或直接利用，為了使電能不產(chǎn)生損失，有時需要以不同形式對電能進(jìn)行存儲，進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換，以使其滿足電網(wǎng)輸送和直接利用的要求，同時也為微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時由于分布式電源無法正常發(fā)電時的電力來源，再者微電網(wǎng)作為大電網(wǎng)的一部分，在其由并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行時，電網(wǎng)必然產(chǎn)生功率缺失，需要在電力系統(tǒng)中安裝一定的儲能設(shè)備，提供此時的功率，以保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定過渡，因此儲能技術(shù)也微電網(wǎng)發(fā)展的一項(xiàng)重要技術(shù)。目前電力系統(tǒng)中最常用的儲能方式主要包括:電池儲能、超導(dǎo)儲能、超級電容儲能以及飛輪儲能等。其中以電池儲能應(yīng)用最為廣泛，目前主要以鉛酸電池、鎳鎘電池以及鋰離子電池為主，但是由于儲能電池對充電回路有特殊要求，并且充放電次數(shù)有限，往往使得電池壽命不長，維修費(fèi)用相對較高，同時存在金屬污染問題。目前隨著鈉硫電池等技術(shù)的發(fā)展，使其具備高能量利用效率以及無放電現(xiàn)象、使用壽命長等，但目前尚處于研究階段，在解決成本及制造技術(shù)后，有望在不久的將來得到大規(guī)模使用。超導(dǎo)儲能是利用超導(dǎo)體的電阻為零特性制成的儲存電能的裝置，與電池儲能相比，超導(dǎo)儲能具有無損儲能效率利用高，使用壽命長，能量轉(zhuǎn)換率高，響應(yīng)速度快，無污染等特點(diǎn)，但是和其他儲能技術(shù)相比，目前超導(dǎo)磁儲能設(shè)備及維護(hù)費(fèi)用仍很昂貴，相信是隨著電力電子技術(shù)以及高溫超導(dǎo)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，超導(dǎo)儲能將會具備更廣闊的應(yīng)用前景。超級電容器儲能技術(shù)是近幾十年來，國內(nèi)外發(fā)展起來的一種介于常規(guī)電容器與化學(xué)電池二者之間的新型儲能元件，它具備傳統(tǒng)電容那樣的放電功率，也具備化學(xué)電池儲能電荷的能力，與傳統(tǒng)電容相比，具備達(dá)到法拉級別的超大電容量、較高的能量、較寬的工作溫度范圍和極長的使用壽命，充放電循環(huán)次數(shù)達(dá)到十萬次以上，且不用維護(hù)，與化學(xué)電池相比，具備較高的比功率，且對環(huán)境無污染的顯著優(yōu)點(diǎn)。另外還有飛輪儲能，傳統(tǒng)的飛輪儲能作為一種慣性儲能方式，需要有鋼或鐵制的飛輪組成，并且需要由一套復(fù)雜的電力電子裝置大大限制了其使用，目前隨著技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲能方式，有望解決傳統(tǒng)飛輪儲能的缺點(diǎn)，相信隨著技術(shù)的發(fā)展還將會涌現(xiàn)技術(shù)更為可靠的儲能技術(shù)。電網(wǎng)傳統(tǒng)并網(wǎng)接口主要以同步發(fā)電機(jī)為主，但微電網(wǎng)由于其分布式發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)的關(guān)系，一般多采用異步發(fā)電機(jī)以及電力電子變化設(shè)備特別是逆變器并網(wǎng)，而拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則是逆變器的關(guān)鍵部分，但目前逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)普遍存在模塊化集成帶來的寄生參數(shù)問題，高頻化帶來的效率降低問題［3］等，而且傳統(tǒng)的逆變器往往為隔離型，取用傳統(tǒng)的工頻變壓器，往往造成體積大成本高等缺點(diǎn)，除上述問題外，如何提高輸出電壓波形質(zhì)量也是需要研究的一個重點(diǎn)問題。因此研究非隔離型簡化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變器，并增大允許的直流電壓輸入范圍，研究應(yīng)用軟開關(guān)逆變技術(shù)等將是微電網(wǎng)并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展方向。由于微電網(wǎng)以分布式發(fā)電電源為主，每個分布式電源的容量都不是很大，但往往數(shù)量眾多，這就使微電網(wǎng)的控制不會像常規(guī)電網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)由電網(wǎng)調(diào)度中心統(tǒng)一控制及故障處理，這就對微電網(wǎng)的運(yùn)行及控制技術(shù)產(chǎn)生了新的要求。這些要求主要包括:能夠根據(jù)電網(wǎng)的需求以及故障情況，自主實(shí)現(xiàn)與主網(wǎng)的并網(wǎng)、解列或者是兩者的過渡轉(zhuǎn)換運(yùn)行，同時能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立的有功與無功控制，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行以及對大電網(wǎng)的安全支撐。由于微電網(wǎng)分布式電源的引入，改變了電網(wǎng)配電線路中有功與無功功率的方向，使得配電系統(tǒng)成為一個多電源系統(tǒng)，并且出現(xiàn)新的接點(diǎn)類型，這就使傳統(tǒng)電網(wǎng)運(yùn)行及控制所采用的潮流計(jì)算方法變得更為復(fù)雜，同時還存在分布式電源的建模問題，因此對微電網(wǎng)的運(yùn)行控制除了涉及控制理論及控制設(shè)備外，還涉及到新的電網(wǎng)分析及仿真建模技術(shù)。傳統(tǒng)電網(wǎng)特別是配電網(wǎng)的特點(diǎn)是呈輻射形，由單側(cè)電源供電，配電網(wǎng)的保護(hù)以此為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)置。但當(dāng)分布式電源接入后，配電網(wǎng)電路結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，此時發(fā)生故障后，除原系統(tǒng)向故障點(diǎn)提供電流外，分布式電源也將向故障點(diǎn)提供故障電流，這就改變了配電網(wǎng)的接點(diǎn)短路水平，同時并網(wǎng)情況下的微電網(wǎng)具有雙向?qū)ㄐ?，極大的顛覆了利用傳統(tǒng)單向潮流計(jì)算進(jìn)行保護(hù)整定的保護(hù)配置形式，而分布式電源的類型、安裝數(shù)量以及容量等因素都會對配電網(wǎng)保護(hù)的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，這勢必影響原有傳統(tǒng)配電網(wǎng)的繼電保護(hù)配置，并且會來帶保護(hù)誤動、拒動、乃至重合閘裝置不成功等情況產(chǎn)生，極大的影響配電網(wǎng)的安全，同時由于孤網(wǎng)運(yùn)行時，微網(wǎng)內(nèi)分布式電源的故障電流往往較小，傳統(tǒng)的電流保護(hù)裝置很難做出正確及及時的相應(yīng)，已經(jīng)無法滿足微網(wǎng)保護(hù)的要求。針對目前微電網(wǎng)保護(hù)存在的上述問題，解決的主要途徑包括區(qū)分微電網(wǎng)為孤網(wǎng)還是并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，如果是處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)則對進(jìn)行孤島處理，根據(jù)故障及負(fù)荷重要性將微電網(wǎng)劃分為不同的孤島，以進(jìn)入孤島運(yùn)行方式，保證大電網(wǎng)故障時微電網(wǎng)的正常運(yùn)行[4-6]，當(dāng)然這對孤島的劃分及優(yōu)化策略又提出了新的要求。另外就是針對微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行新的保護(hù)理論及算法優(yōu)化并采用新的保護(hù)方式(如采取方向性保護(hù)元件等)以解決分布式電源接入后對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及與運(yùn)行的影響，以保證電網(wǎng)繼電保護(hù)的選擇性、快速性以及可靠和靈敏性，保護(hù)技術(shù)將直接關(guān)系著微電網(wǎng)能否大規(guī)模并網(wǎng)運(yùn)行以及并網(wǎng)后的運(yùn)行安全，這也是微電網(wǎng)影響發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。除了上述問題外，分布式發(fā)電和微電網(wǎng)的發(fā)展還涉及到分布式發(fā)電的設(shè)計(jì)及規(guī)劃、微電網(wǎng)能量管理及負(fù)荷預(yù)測、微電網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范制定、微電網(wǎng)系統(tǒng)試驗(yàn)、分布式發(fā)電及微電網(wǎng)通信等等諸多問題與