微电网技术的研究与应用前景

力系统的运营成本 , 确保电力系统的运行更安全 和更经济。描述 了微电网产 生的背景、 定义、 优势 ; 介绍了 美 国、 欧洲、 日本等发达国家和地区发展微电网的特点、 研 究现状与发 展方向 ; 阐述了我 国微电网 发展的特点 与 现状 ; 对我国发展微电网面临的关键问题 , 如微电网的定位、 与现有 配电网的 协调、 微 电网发展 自身的技术 等 问题进行了分析与探讨 , 并对我国微电网的应用 作了展望。 关键词 : 分布式电源 ; 微电网 ; 供电可靠性 ; 电网智能化 中图分类号 : T M 727 文献标志码 : B 文章编号 : 2095- 1256( 2011) 02- 0124- 04
Microgrid Research and Application Prospects
L I L i hua 1 , L I Bi nai 2
( 1. East China Elect ric P ow er T est & Resear ch Institute Company L imited, Shang hai 200437, China; 2. East China G rid Company L imited, Shang hai 200002, China)
装和运行的检验( 由美国国家可再生能源实验室 承担 ) , 这些研究工作都极大地促进了美国微电网 的发展。 2. 2 日本对微电网的研究 日本对微电网的研究, 主要目标是能源供给 多样化、 减少污染、 满足用户的个性化电力需求。 例如 : 三菱公司根据微电网的规模 , 将其分为三 类, 如表 1 所示
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3. 1. 1 城市片区微电网 城市片区微电网一般按照居民小区、 宾馆、 医 院、 商场及办公楼等建设 , 正常情况下主要通过大 电网供电。大电网故障时 , 将城市片区微电网断 开, 进入孤岛运行模式, 用以保证所接重要负荷的 供电可靠性和电能质量。一般接在 10 kV 中压 配网 , 容量为数百千瓦至 10 M W 等级。 3. 1. 2 偏远地区微电网 偏远地区微电网主要指农村微电网和企业微 电网。目前, 在农村、 草原等偏远地区, 供电困难, 居民无法用电。解决的方案是不延伸电力系统, 以较低的成本利用当地可再生能源供电。企业微 电网一般接在 10 kV 及以上中压配网, 容量在数 百千瓦至 10 M W 。企业微电网一般分布在城市 郊区 , 如石化、 钢铁等大型企业 , 利用传统电源满 足企业内部的用电需求。 3. 2 发展微电网要解决的关键问题 3. 2. 1 微电网与现有配电网的协调发展 微电网与现有配电网的协调发展 , 主要是指 更新改造现有配电网还是全新建设配电网。例如 一些新兴科技园区引入了太阳能发电等分布式能 源, 同时保持与原有配电网的联系 , 微电网雏形的
速增长与电网规模的不断扩大, 构建大电网建设 成本高、 运行难度大 , 并且在适应电力用户的高要 求、 高可靠性和供电需求方面 , 也还存在诸多瓶颈 问题。近些年来一些发达国家发生的大面积停电 事故 , 已经暴露出大电网的脆弱。 分布式发 电具有传统电力 系统不具 备的优 点, 如可靠性高、 清洁和能效高。同时 , 分布式电 源位置灵活和分散的特点 , 延缓了输配电网升级 改造所需的高额投入 , 可通过和大电网的相互备 用进一步提高供电可靠性。为此, 一些发达国家 正在深入研究分布式发电系统。 目前 , 分布式电源单 机接入成 本高, 控制困 难。为缓冲分布式电源对大电网的冲击 , 一旦电 力系统发生故障, 分布式电源必须迅速退出电网 运行 , 这也限制了分布式电源的应用优势。 为了减少分布式电源的诸多不利影响, 发挥 其积 极 作 用, 较 好 的 解 决 方 案 是 采 用 微 电 网 ( M icrog rid) 。 1. 2 微电网的定义 [ 1 5] 微电网是一种较小规模的分散独立系统, 由
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缺少的重要设备, 其削峰填谷的作用, 可以提高间 歇式能源的利用效率。我国先后研制出 650 Ah 钠硫电池单体、 100 kW/ 200 kW 的全钒液流电池 系统。另外, 飞轮储能技术的应用也取得了很大 的进展。 4) 协调继电保护和无功补偿技术 微电网 的保护方法与传统配电网的保护方法不同 , 主要 是微电网的多电源特性, 使得两者区别很大 , 主要 难点在潮流的双向流动、 并网和孤立运行时短路 容量的变化方面。因此 , 传统配电网在低压侧集 中无功补偿的方法已经不适合微电网。 5) 监测技术 微电网的特殊结构, 改变了传 统配电网的供电模式 , 因此先进的监测技术成为 微电网有效管理的基础。 3. 2. 3 微电网的仿真试验及示范应用 微电网的仿真及试验工作, 主要包括数字仿 真技术研究、 数字仿真与物理建模仿真接口的研 究、 数字仿真与物理动模仿真混合仿真的开发等 工作 , 而示范工程的建设 , 是微电网走向实际应用 的桥梁与检验。
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国外对微电网的研究
由文献得知 , 目前发达国家正在深入研究微
电网 , 竞相报道有关微电网的技术成果 , 由于各国 电力系统存在的实际问题和可持续发展能源的目 标不同, 所以呈现出不同的理念与特色。 2. 1 美国对微电网的研究 微电网的概念是由美国 CERT S( 可靠性技术 解决方案协会) 最早提出的, 这种微电网主要由基 于电力电子技术且容量小于等于 500 kW 的小型 微电 源 与 负 荷 构 成。 电 力 电 子 技 术 是 美 国 CERT S 微电网实现智能和灵活控制的重要技术 支撑。美国微电网的发展重点是提高重要负荷的 供电可靠性、 满足用户定制的多种电能质量需求、 降低电网成本和实现电网智能化。对微电网进行 深入研究 , 是美国电力系统今后发展和规划电源 的重要课题之一。 美国 CERT S 对微 电网的 初步理 论研 究成 果, 得到了实验室微电网平台的成功检验。微电 网在 2005 年已经从仿真分析和实验阶段进入现 场示范运行阶段。美国第一个微电网示范工程是 由北部电力系统承建的 Mad River 微电网 , 用以 检验微电网建模和仿真方法、 保护和控制策略以及 经济效益, 并形成微电网的管理政策和相应法规。 美国还开展了分布式效能集成测试平台的建 设( 由加州能源委员会资助 ) 、 佛蒙特州微电网安
特征十分明显。但是 , 大多数配电网用户要实现 微电网供电, 只能考虑对现有供电网络进行改造, 而且技术难度较大。 3. 2. 2 微电网技术 微电网目前存在许多需要进一步研究和攻克 的技术难题, 主要包含新能源发电技术、 电力电子 技术、 储能技术和通信技术等
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1) 新能源和可再生能源发电技术 该类核 心技术被少数先进国家掌握, 其成本造价相对于 传统能源发电的优势并不明显。因此这些新的低 碳发电技术, 降低成本、 市场化非常关键。 2) 电力电子控制装置 微电网的灵活运行 方式 , 是基于先进的电力电子接口 , 微电网不仅可 以灵活地接入主网 , 而且还可以使得各个微电源 实现 即插即用 。 3) 储能关键技术 储能装置是微电网不可
图1
微电网结构方框图
1. 3
微电网的优势 微电网与传统集中式能源系统相比具有许多
优势。 1) 微电网接近负荷 , 线损显著减少, 建设投 资和运行费用较省。 2) 分布式能源具备发电、 供热、 制冷等多种
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服务功能 , 可实现更较高的能源综合利用效率。 3) 有利于各类可再生能源 ( 太阳能发电、 风 力发电、 生物质发电等) 的利用 , 减少了排放总量、 征地、 电力线路走廊用地和高压输电线的电磁污 染, 缓解了环保压力。 4) 可以解决部分调峰和备用问题, 做到与季 节性和地域性的电力需求变化相适应 , 使得电力 系统的经济性和安全性达到最佳平衡。 5) 可以提高供电可靠性、 供电质量和电网的 安全性。 6) 发展微电网技术可形成和谐多元化的电 网格局。 微电网的最大优势是提高了电力系统面临突 发灾难时的抗灾能力。大电网中超大型电站与微 电网中分散微型电站的结合, 可以减少电力输送 距离、 降低输电线路的投资和电力系统的运营成 本, 确保电力系统的运行更安全和更经济。
3
3. 1
我国发展微电网要解决的关键问题
我国微电网特点
大力发展可再生能源发电的形势、 提高电网 抗灾能力的迫切需求、 电力系统自身发展的需求 等, 都是我国发展微电网的主要原因。 我国发展微电网, 是基于我国电力系统的特 点为基础 , 提出不同区域的针对性解决方案。按 照运行特点, 主要分为城市片区微电网和偏远地 区微电网 ( 即农村微电网及企业微电网 )
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电力与能源
第 32 卷第 2 期 2011 年 4 月
微电网技术的研究与应用前景
李莉华1 , 李宾皑2
( 1. 华东电力试验研究院有限公司 , 上海 摘 200437; 2. 华东电网有限公司 , 上 海 200002) 要 : 微电网可以提高电力系统面临突发灾难 时的抗灾能力 , 减少电力输送距离 , 降低输电线路的投资和电
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李莉华 , 等 : 微电网技术的研究与应用前景
传统集中式、 大规模电网的挑战, 更是电力行业对 能源的利用、 环保、 服务意识的提高。微电网是对 大电网的有益补充, 是未来电网实现高效、 环保和 优质供电的一个重要手段。 美国 P ikeResearch 研 究机构在最近 的一份 研究报告中指出, 未来几年电网的发展趋势将集 中在微电网上, 到 2015 年全世界微电网容量将达 到 3 GW, 为此将有 38 亿美元投 资微电网, 平均 每年 21 亿美元。未来几年, 北美将成为微电网的 最大市场 , 拥有占世界 24% 的微电网容量 , 欧洲 和亚洲将紧随其后。
规模 大 中 发电容量 / MW 1 000 100
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燃料 石油或煤 应用场合 工业区 工业园 市场规模 10~ 20 100
表 1 日本三菱公 司对微电网的分类
石油或煤、 可再生能源
小
10
小型区域电网、 可再生能源 住宅楼、 岛屿和 偏远地区
3 000
由表 1 可知, 日本拓展 了美国 CERT S 对微 电网的定义范围, 将传统电源的独立电力系统, 也 纳入微电网的研究范畴, 已建立多个微电网工程。 微电网的实现形式之一 , 是由日本学者提出的灵 活、 可靠和智能能量供给系统 , 即在配电网中加入 灵活交流输电系统( FACT S) 装置, 实现对配电网 能源结构的优化, 用以满足用户对多种电能质量 的不同需求。 日本 成 立了 新 能 源 与 工 业 技术 发 展 组 织 ( NEDO) , 用来与高校协调, 与企业协调, 与国家 重点实验室协调研 究课题。 NEDO 建立的第一 个微电网示范工程是 2005 年投入日本爱知世博 会时使用的爱知微电网 。 2. 3 欧洲对微电网的研究 2005 年 , 欧洲从电力市场需求、 电能安全供 给及环保等角度出发, 提出 Smart Gr id 计划 , 即 未来欧洲电网要具有灵活性、 可接入性、 可靠性和 经济性等特点 , 并具有智能性、 能量利用多元化等 特点。 欧洲已初步提出有关了微电网的运行、 控制、 保护、 安全及通信等理论 , 并在实验室微电网平台 上对这些理论进行了验证。目前, 欧洲的微电网 示范工程主要有希腊基斯诺斯岛微电网、 德国曼 海姆 Wallst adt 居民区示范工程、 西班牙 LABEIN 项目、 葡萄牙 EDP 项目、 葡萄牙 Cont inuon 项目、 意大利 CESI 项目、 丹麦 EL T RA 项目等。 2. 4 国外微电网应用展望 各国对微电网的研究、 形成与发展 , 不仅是对
1Leabharlann Baidu
1. 1
微电网概况
微电网产生的背景 社会经济的快速发展, 带动了电力需求的快
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负荷和微电源组成。它采用了大量的先进电力技 术, 将燃气轮机或者风电、 光伏发电、 燃料电池和 储能设备等装置整合在一起, 直接接入用户侧, 如 图 1 所示。微电网可视为大电网中的一个可控单 元, 它可在数秒内动作, 提高供电区域的供电可靠 性、 降低损耗、 稳定电压 , 还可以提供不间断电源 满足用户的特定需求。微电网和大电网的互为备 用, 可以提高供电的可靠性。由图 1 可知, 微电网 可以包括光伏发电、 风能或者燃料电池等微电源, 有的微电源还连接热负荷 , 同时为当地用户提供 热源。