智能光伏微电网的特点与构建概要

智能光伏微电网的特点与构建

一、前言

随着国务院 [2013]第 24号文的发布,我国建设分布式光伏电站的高潮即将到来。针对光伏发电的技术和应用特点, 本文指出, 要使分布式光伏电站能够顺利健康地发展, 必须结合智能微网技术,建设以光伏为主、多种新能源为辅、储能与发电结合、信息与控制系统完备的智能光伏微电网, 才能够充分发挥光伏发电的优点, 避免光伏发电不稳定的缺点, 保障供电的稳定性和可靠性,促进光伏发电的全面普及。

二、光伏发电的特点

光伏发电具有清洁、无限量、不受地域限制、运行维护量小等优点,因此,相对风电、核电、生物智能等可再生能源来说,优势比较明显。但是,光伏发电的缺点同样也很明显。过去,限制光伏发电的主要因素是成本高,这也是导致早期光伏发电难以推广的主要缺点。但自从 2006年光伏产业发展以来, 光伏发电的装机成本已经从每峰瓦 60元人民币, 下降到了现在的约 8元人民币。成本的下降促进了光伏装机容量的迅猛上升。

但随着光伏装机容量的上升, 光伏发电的其它一些技术弱点也逐渐变得明显而不能被忽视。

首先,是光伏发电的不稳定性。光伏发电的不稳定并非是光伏发电系统自身的不稳定, 而是源于日照的不稳定。例如, 夜晚完全不能发电, 而天气的影响对光伏发电量的影响也很大,更严重的是晴天有云的时候,一朵云彩的飘过会造成发电量的巨幅波动。从电力供应的角度来说,这是一个很大的弊端。目前,采取发电侧并网的地面电站,完全依赖主干电网进行调节, 当光伏发电的容量逐步增大时, 瞬间的大容量波动会给电网造成较大的冲击。我国的电网设计容许的波动,通常不超过 15%,

这也意识着如果光伏发电的容量比重超过这个比例,那么,发电量的不稳定有可能造成电网的崩溃。

其次, 是光伏发电的能量密度较低。这源于日照强度的特性和光伏发电的光电转换效率,通常,每平方米的组件的峰值功率上限目前大约在 150瓦以下,大部分时间在 100瓦左右。这会导致光伏发电的占地面积较大,因此,大型地面电站仅在荒漠和戈壁比较适宜, 而在我国东部、特别是东南沿海, 几乎不可能建造大型地面电站。这就是为什么要鼓励发展分布式光伏发电的原因, 尽量利用建筑物的顶部而不占用土地进行发电。由于负载的特性大多也是分布式的,因此,分布式发电是一种与负载分布形式匹配的发电方式。

第三,光伏发电的功率可调性差。当负载增加时,光伏发电无法提供更多的电力,当负载下降的时候,光伏发电也无法根据负载降低功率。所以,在利用光伏发电的时候,要么采用与主干网并网的方式,将主干网作为功率调节池,要么就要采用其它能源进行补充, 同时,还必须采用储能的方式,将负载下降时产生的多余能量存储起来。

随着光伏发电的规模的增加, 上述弱点将越来越明显, 对光伏发电的阻碍和限制也越来越大。为了保证光伏发电的健康发展,促进光伏这个具有明显优势的清洁能源的推广应用, 无论是地面光伏电站还是分布式光伏发电系统,必须要设法通过各种技术手段解决上述缺点,保障光伏能够提供进行大规模稳定的电力供应。

智能光伏微电网是解决这个问题的唯一手段。

三、智能光伏微电网的特点

微电网,又称微网,是相对传统大电网的一个概念,它是指多个分布式电源、负载、储能系统和控制装置按照一定的拓扑结构组成的电力网络。在微电网内部, 电源和负荷能够基本匹配,并能够实现自我控制、保护和管理,可以孤立运行,同时,也可以与外部电网并网运行。

由于微电网的概念是将发电系统即电源与负荷置于同一个区域内, 因此, 特别适合光伏发电等能量密度较低的新能源进行分布式发电。同时, 微网内部采取多种电源形式的高可靠供给, 可以完全克服光伏发电不稳定的弱点, 充分促进光伏发电及其它可再生能源的大规模接入,有利于促进传统电网向智能电网的过渡。

智能光伏微电网指的是,采用光伏发电作为白天的主要供电电源,同时利用其它能够与光伏互补的各种可再生能源的同时接入来满足不同气候条件下的电力供应,并利用储能系统和包括微型燃气轮机等清洁能源作为供电的调节手段,通过先进的自动控制技术和信息网络技术实现网内的智能控制和网间的远程调度,保障在负荷与电源发生变化时的供电稳定性。总结出十六字方针,就是“光伏为主、多能互补、发储结合、智能调控” 。

智能光伏微电网的特点主要有以下四点:

1 多种新能源的结合

由于光伏发电仅能够在白天天气较好的情况下进行供电, 即便与主干网相连, 当光伏发电的容量增大, 在某一地的局部对当地电网有可能形成较大的冲击。因此, 在一个微电网的范围内采取多种形式的新能源相结合,是缓和光伏发电的波动性、稳定电力的必要手段。能够作为微电网的电源的其它可再生能源有如下几种:

微型风力发电。主要是微风风力发电, 在风力条件能够满足发电的条件下, 可以作为光

伏发电的补充。微风电站适合风力条件满足的村镇和高层建筑。

小型水力电站。指在有条件的村镇附近, 可采用小型水电站或抽水蓄能电站的方式, 作为微电网的补充能源。

生物质能电站。可在村镇或者小型城市周边, 利用沼气进行发电, 作为微电网的补充能源。沼气发电可与垃圾处理、有机肥的生产相结合。

微型燃气轮机。微型燃气轮机采用天然气发电,适用于城市社区和农村。

各种形式的新能源综合使用, 可以大大减少光伏发电的波动性, 尤其是在光伏发电量下降的时候对光伏发电进行补充, 同时, 也能够因地制宜, 充分利用微电网所在地区的各种可再生能源和资源。

2 储能技术

无论是采用何种新能源, 都不能完全保证微电网的供电绝对稳定。另外, 在电源事故或电网故障的情况下,为了保证用电负荷的安全,储能系统作为备用电源也是必不可少的。目前, 储能技术较为成熟的是铅酸蓄电池, 但有寿命短和铅污染的问题。能够适用于智能光伏微电网的新型储能系统有如下几种:

钒流体电池。该技术采用钒化合物作电解质, 通过钒的不同电价的转换进行充放电。优点是容量大、电流密度大、供电稳定、充放电次数多 (使用寿命长、充放电效率高 ; 缺点是, 且目前成本较高,产业化不够成熟,市场规模受钒资源限制。

飞轮储能。优点是充放电次数多、电流密度大、供电稳定、无化学反应 ; 缺点是自放电较严重。

超级电容。优点是电流密度大、充放电次数多、寿命长、无化学反应 ; 缺点是自放电严重,单次储能时间较短,产业化程度不够。

以上各种新型储能技术目前均存在成本较高的情况。但随着产业化程度的不断成熟, 相信产品的质量、性能、稳定性均将有大幅提高,成本也可以大幅度下降。

微电网的储能系统要满足以下三种情况的要求:1 在电源或电网事故情况下, 储能系统能够迅速替代电源,为微电网内部的负荷供电 ; 这种情况,储能系统相当于紧急备用电源的角色,要求电流密度大 ;2 在微网内大型负荷启动时,由于电流往往数倍于运行电流,因此, 可能正常电源的容量不足以满足负荷的启动要求,需要储能系统提供瞬时大电流 ;3 在光伏以及其它电网发电不足时,起到为微网内负荷供电的功能。

目前, 上述各种储能技术难以同时满足以上三个要求, 可考虑各种不同储能方式的结合, 例如, 钒流体电池与飞轮或超级电容结合使用, 即可避开各自的缺点, 而满足微电网的储能

需求。