智能微網(wǎng)在分布式能源接入中的作用與挑戰(zhàn)

2017-10-30 09:07:44 分布式能源　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

1智能微網(wǎng)的概念及其在分布式能源接入中的作用隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展對(duì)能源需求的不斷增長(zhǎng)，分布式可再生能源發(fā)電由于靠近用戶側(cè)直接供能且便于實(shí)現(xiàn)多種能源形式的互補(bǔ)而越來(lái)越受到重視。但一方面，分布式可再生能源

2.3日本的微網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

日本是亞洲研究和建設(shè)微網(wǎng)較早的國(guó)家，由于日本本土資源匱乏，能源緊缺，其對(duì)可再生能源的重視程度高于其他國(guó)家。自2003年開(kāi)始，日本新能源與工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織（NEDO）就協(xié)調(diào)高校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)先后在八戶市、愛(ài)知縣、京都市和仙臺(tái)市等地區(qū)建設(shè)了微網(wǎng)示范工程，研究、驗(yàn)證了一批微網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)微網(wǎng)發(fā)展和建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)。

日本擁有全球最多的海島獨(dú)立電網(wǎng)，因此發(fā)展集成可再生能源的海島微網(wǎng)，替代成本高昂、污染嚴(yán)重的內(nèi)燃機(jī)發(fā)電是日本微網(wǎng)發(fā)展的重要方向和特點(diǎn)。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省資源能源廳于2009年啟動(dòng)了島嶼新能源獨(dú)立電網(wǎng)實(shí)證項(xiàng)目，通過(guò)提供政府財(cái)政補(bǔ)貼，委托九州電力公司和沖繩電力公司在鹿兒島縣和沖繩縣地區(qū)的10個(gè)海島上完成了海島獨(dú)立電網(wǎng)示范工程的建設(shè)，包括由東芝集團(tuán)負(fù)責(zé)建設(shè)的宮古島大型海島電網(wǎng)和由富士電機(jī)株式會(huì)社負(fù)責(zé)建設(shè)的9個(gè)中小型海島微網(wǎng)。

日本在微網(wǎng)方面的研究更注重可再生能源的控制與電儲(chǔ)能，主要著眼于能源供給多樣化、滿足用戶的個(gè)性化電力需求和減少對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)注重微網(wǎng)與傳統(tǒng)配電網(wǎng)的融合，為微網(wǎng)的大規(guī)模發(fā)展提供了廣闊的空間。

2.4我國(guó)微網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

結(jié)合目前我國(guó)正處在工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的進(jìn)程中，能源需求持續(xù)增長(zhǎng)，能源對(duì)外依存度高，環(huán)境治理壓力大的國(guó)情，大力發(fā)展可再生能源和微網(wǎng)有利于解決資源和環(huán)境的雙重壓力。在《中華人民共和國(guó)可再生能源法》等一系列國(guó)家政策法規(guī)的鼓勵(lì)引導(dǎo)下，在國(guó)家科技部“973”項(xiàng)目、“863”項(xiàng)目及國(guó)家自然科學(xué)基金等資金支持下，國(guó)內(nèi)眾多高校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)投入到可再生能源和微電網(wǎng)的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用實(shí)踐中，在理論研究、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和示范工程建設(shè)方面取得了一系列的成果，建成了一批微網(wǎng)示范工程。我國(guó)的微網(wǎng)研究以提高分布式能源利用效率和電網(wǎng)接納能力為目標(biāo)，充分利用分散型能源，結(jié)合終端用戶電能質(zhì)量管理和能源梯級(jí)利用技術(shù)形成的小型模塊化、分散式的供能系統(tǒng)。我國(guó)微網(wǎng)示范工程大致可分為三類：邊遠(yuǎn)地區(qū)微網(wǎng)、海島微網(wǎng)和城市微網(wǎng)。

（1）邊遠(yuǎn)地區(qū)微網(wǎng)。我國(guó)邊遠(yuǎn)地區(qū)人口密度低、生態(tài)環(huán)境脆弱，擴(kuò)展傳統(tǒng)電網(wǎng)成本高，采用化石燃料發(fā)電對(duì)環(huán)境的損害大。但邊遠(yuǎn)地區(qū)風(fēng)、光等可再生能源豐富，因此利用本地可再生分布式能源的獨(dú)立微網(wǎng)是解決我國(guó)邊遠(yuǎn)地區(qū)供電問(wèn)題的合適方案。目前我國(guó)已在西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古等省的邊遠(yuǎn)地區(qū)建設(shè)了一批微網(wǎng)工程，解決當(dāng)?shù)氐墓╇娎щy。

（2）海島微網(wǎng)?？紤]到向海島運(yùn)輸柴油的高成本和困難性以及海島所具有的豐富可再生能源，利用海島可再生分布式能源、建設(shè)海島微網(wǎng)是解決我國(guó)海島供電問(wèn)題的優(yōu)選方案。從更大的視角看，建設(shè)海島微網(wǎng)符合我國(guó)的海洋大國(guó)戰(zhàn)略，是我國(guó)研究海洋、開(kāi)發(fā)海洋、走向海洋的重要一步。

（3）城市微網(wǎng)。我國(guó)還有許多城市微網(wǎng)示范工程，重點(diǎn)示范目標(biāo)包括集成可再生分布式能源、提供高質(zhì)量及多樣性的供電可靠性服務(wù)、冷熱電綜合利用等。另外還有一些發(fā)揮特殊作用的微網(wǎng)示范工程，例如江蘇大豐的海水淡化微網(wǎng)項(xiàng)目。

值得指出的是，我國(guó)目前的微網(wǎng)發(fā)展重點(diǎn)關(guān)注新技術(shù)的探索和應(yīng)用，對(duì)于微網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)模式、市場(chǎng)推廣機(jī)制、引導(dǎo)推動(dòng)政策等方面的研究還比較少，而這些正在成為微網(wǎng)技術(shù)獲得廣泛推廣應(yīng)用的瓶頸。

3基于分布式可再生能源接入的智能微網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及挑戰(zhàn)

微網(wǎng)的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)各種分布式能源的無(wú)縫接入并發(fā)揮其最大潛力。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要很好地解決與微網(wǎng)相關(guān)的一系列關(guān)鍵技術(shù)，包括：規(guī)劃設(shè)計(jì)、控制與保護(hù)、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理、能量?jī)?yōu)化管理、能源系統(tǒng)信息-物理融合、智能化接入與需求互動(dòng)響應(yīng)、直流微網(wǎng)及多微網(wǎng)間直流互聯(lián)等各個(gè)方面。

3.1微網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)

微網(wǎng)規(guī)劃的目標(biāo)是在滿足用戶對(duì)電、熱、冷用能需求的前提下，合理地利用能源，特別是盡可能利用風(fēng)、光等可再生能源，獲得最佳的投資效益，保證微網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等。要實(shí)現(xiàn)含分布式可再生能源的微網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)，需要綜合考慮多方面因素，尤其是：

（1）需要考慮微網(wǎng)中能源結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式，包括分布式可再生能源的電、熱、冷生產(chǎn)靈活匹配與協(xié)調(diào)運(yùn)行。

（2）需要考慮可再生能源波動(dòng)性和間歇性，合理預(yù)測(cè)可再生能源生產(chǎn)，并規(guī)劃能源互補(bǔ)能力及微網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行能力的保障等問(wèn)題。

3.2微網(wǎng)運(yùn)行控制與保護(hù)

實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)與大電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行控制以及對(duì)大電網(wǎng)安全穩(wěn)定的支撐，是微網(wǎng)區(qū)別于一般分布式可再生能源并網(wǎng)的重要技術(shù)特征。相對(duì)于常規(guī)電力系統(tǒng)而言，一方面，分布式可再生能源容量一般不大，采用電力電子裝置的逆變方式并網(wǎng)，自身運(yùn)行亦不穩(wěn)定；另一方面，微網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備種類繁多，各類可再生能源運(yùn)行特性不一、控制方式不同，導(dǎo)致微網(wǎng)的運(yùn)行控制與保護(hù)問(wèn)題比較復(fù)雜。

（1）電壓和頻率的穩(wěn)定控制?？稍偕茉吹牟?離網(wǎng)、波動(dòng)等都會(huì)造成微網(wǎng)電壓波動(dòng)，同時(shí)可再生能源大多為電力電子裝置并網(wǎng)，導(dǎo)致系統(tǒng)慣性小，離網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行模式下頻率變化迅速，因此如何保證系統(tǒng)在不同運(yùn)行模式下電壓和頻率的穩(wěn)定控制是微網(wǎng)內(nèi)分布式電源協(xié)調(diào)運(yùn)行控制的首要關(guān)鍵技術(shù)。

（2）故障下的運(yùn)行模式無(wú)縫切換。部分微網(wǎng)具有聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行兩種模式，需要重點(diǎn)解決在多類型分布式可再生能源接入下微網(wǎng)的故障快速檢測(cè)、基于內(nèi)外部故障信息的微網(wǎng)自動(dòng)解列和無(wú)縫切換、微網(wǎng)再并網(wǎng)自同期技術(shù)。

（3）控制保護(hù)架構(gòu)。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)微網(wǎng)的控制保護(hù)架構(gòu)提出了三種模式：對(duì)等控制模式、主從控制模式和基于多Agent代理的分層控制模式?，F(xiàn)有的分布式可再生能源如光伏、風(fēng)電等并網(wǎng)逆變器產(chǎn)品及相關(guān)技術(shù)尚不足以滿足微網(wǎng)可靠靈活運(yùn)行的要求，還需要更加具有針對(duì)性的研究和開(kāi)發(fā)工作。

3.3微網(wǎng)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理

在微網(wǎng)中，間歇式電源的頻繁啟停和功率輸出的變化，會(huì)給用戶帶來(lái)電壓波動(dòng)、閃變等電能質(zhì)量問(wèn)題；微網(wǎng)內(nèi)的電源往往采用電力電子技術(shù)，會(huì)產(chǎn)生諧波污染；單相分布式電源和單相負(fù)荷的存在，增加了系統(tǒng)的三相不平衡水平。

目前用于治理微網(wǎng)電能質(zhì)量的技術(shù)包括無(wú)源濾波器、靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC）等，隨著高性能電力電子元件的出現(xiàn)以及微處理技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，滿足用戶定制電力需求的電能質(zhì)量治理技術(shù)還需要進(jìn)一步發(fā)展。

3.4微網(wǎng)能量?jī)?yōu)化管理

微網(wǎng)集成了多種能源輸入（太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等）、多種產(chǎn)品輸出（冷、熱、電等）、多種能源轉(zhuǎn)換單元（燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)、儲(chǔ)能系統(tǒng)等），微網(wǎng)內(nèi)能量的不確定性和時(shí)變性更強(qiáng)，需要全面利用各種控制和調(diào)節(jié)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)微網(wǎng)內(nèi)能量管理與經(jīng)濟(jì)調(diào)度，提高微網(wǎng)整體運(yùn)行效率。

微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)主要有集中調(diào)度和分散控制兩種模式。集中調(diào)度模式由上層中央能量管理系統(tǒng)和底層分布式電源、負(fù)荷等就地設(shè)備控制器組成，兩層之間要求雙向通訊。分散控制模式中，微網(wǎng)內(nèi)能量?jī)?yōu)化的任務(wù)主要由分散的設(shè)備層控制器完成，每個(gè)設(shè)備層控制器的主要功能并不是最大化該設(shè)備的使用效率，而是與微網(wǎng)內(nèi)其他設(shè)備協(xié)同工作，以提高整個(gè)微網(wǎng)的效能。集中調(diào)度模式技術(shù)上相對(duì)成熟，目前應(yīng)用得也較為廣泛，但距離真正實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)運(yùn)行的優(yōu)化還有很大的挖掘潛力。

3.5微網(wǎng)能源系統(tǒng)的信息-物理融合

目前的分布式能源系統(tǒng)只是一個(gè)單一的能源生產(chǎn)系統(tǒng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)下對(duì)物理設(shè)備可控制、可交互、可通信、可擴(kuò)展等眾多應(yīng)用需求。尤其是微網(wǎng)中包含大量的太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源，使得其在電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)的隨機(jī)性、間歇性、波動(dòng)性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)配電網(wǎng)，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)缺乏系統(tǒng)的感知能力且信息共享能力差，運(yùn)行控制實(shí)時(shí)性也很難滿足需要。因此，在環(huán)境感知基礎(chǔ)上，將信息與計(jì)算嵌入微網(wǎng)能源，實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物互聯(lián)互通與深度融合是微網(wǎng)能源系統(tǒng)的發(fā)展方向，而信息-物理融合系統(tǒng)（Cyber-PhysicalSystem,CPS）是其中最為關(guān)鍵的技術(shù)體系。信息-物理融合系統(tǒng)是一個(gè)綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，核心概念是“3C”（Computation、Communication、Control），即將計(jì)算進(jìn)程與物理進(jìn)程良好地結(jié)合到一起，通過(guò)人機(jī)交互接口來(lái)實(shí)現(xiàn)與物理進(jìn)程的交互，使用傳感器網(wǎng)絡(luò)以實(shí)時(shí)、可靠、遠(yuǎn)程、安全的方式監(jiān)控一個(gè)物理實(shí)體的具體動(dòng)作行為。

在信息物理融合系統(tǒng)的帶動(dòng)下，未來(lái)的微網(wǎng)將是一個(gè)綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、能源和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算、通信、控制技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)分布式能源系統(tǒng)及微網(wǎng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)。

3.6微網(wǎng)智能化接入電網(wǎng)及需求互動(dòng)響應(yīng)

開(kāi)放互動(dòng)是智能電網(wǎng)的重要特征之一，通過(guò)構(gòu)建開(kāi)放統(tǒng)一、競(jìng)爭(zhēng)有序的電力市場(chǎng)體系，實(shí)現(xiàn)信息和電能雙向互動(dòng)，可以為用戶提供參與多種類型互動(dòng)的供用電新模式。智能電網(wǎng)與用戶之間的互動(dòng)主要方式之一是通過(guò)部署各類需求響應(yīng)（DemandResponse,DR）項(xiàng)目來(lái)實(shí)現(xiàn)。需求側(cè)響應(yīng)作為用電環(huán)節(jié)與其他各環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)發(fā)展、友好交互的關(guān)鍵支撐手段和重要方式，一方面能夠使用戶參與電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行和優(yōu)化能源配置，另一方面可以滿足用戶多樣化的電力需求，提高用戶體驗(yàn)。微網(wǎng)具有單獨(dú)的能量管理系統(tǒng)，可以作為一個(gè)整體組織內(nèi)部電力生產(chǎn)、傳輸、交易，因此微網(wǎng)的能力并不僅僅限于集成分布式能源和并網(wǎng)等功能，其一方面能夠更好地自動(dòng)化和智能化組織分布式能源以微網(wǎng)形式參與需求互動(dòng)，另一方面能夠?yàn)橛脩籼峁└又悄芑哪茉?用戶服務(wù)。

3.7直流微網(wǎng)及多微網(wǎng)間直流互聯(lián)

為與目前交流電網(wǎng)相適應(yīng)，目前微網(wǎng)主要是交流供電方式，但是光伏等分布式能源大部分為直流形式，需要通過(guò)DC/AC變換環(huán)節(jié)接入交流微網(wǎng)，同時(shí)配電網(wǎng)中的電動(dòng)汽車、LED照明、大量各類電子設(shè)備等直流負(fù)荷也逐漸占越來(lái)越大的比重。當(dāng)采用直流微網(wǎng)集成可再生能源能源等分布式發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，能夠通過(guò)AC/DC或者DC/DC接入直流母線，與交流微網(wǎng)相比使得分布式發(fā)電單元更易于接入系統(tǒng)，不僅能夠減小能量轉(zhuǎn)換次數(shù)，而且降低了成本、提高效率。

除此之外，采用直流微網(wǎng)集成可再生能源分布式發(fā)電單元具有無(wú)需考慮頻率、相位、集膚效應(yīng)以及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備等優(yōu)勢(shì)，而且控制結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。因此直流微網(wǎng)集成可再生能源的新型解決方案具有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣泛應(yīng)用前景。

其關(guān)鍵技術(shù)主要包括：（1）可再生能源及儲(chǔ)能系統(tǒng)直流并網(wǎng)變換器技術(shù)；（2）直流微網(wǎng)的運(yùn)行控制和能量管理技術(shù)；（3）直流微網(wǎng)的故障保護(hù)技術(shù)；（4）微網(wǎng)多端直流互聯(lián)技術(shù)。

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