微电网发展动态研究报告.docx
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微电网发展动态研究报告
微电网发展动态研究报告
2010-1-7
jite
陈章玉
目录
1微电网产生的背景4
1.1分布式发电4
1.2从分布式发电到微电网4
2微电网概念5
2.1微网的定义5
2.2典型微电网的结构7
2.3微电网的运行方式8
3国内研究进展10
3.1分布式发电供能系统相关基础研究-国家973计划项目10
3.1.1项目概述10
3.1.2项目目标10
3.1.3研究内容及课题组设置11
3.2光伏发电微网实证研究项目——杭州电子科技大学11
3.2.1项目概述11
3.2.2系统组成12
3.2.3投资效益分析13
3.3南网863项目—微网系统并网关键技术研究与工程示范13
3.4青海省玉树州水光互补微网发电示范项目14
3.5合肥工业大学分布式发电示范系统14
4国外研究进展16
4.1美国16
4.1.1主要研究机构及项目16
4.1.2美国示范工程16
4.2欧盟18
4.2.1主要研究项目18
4.2.2欧洲示范工程19
4.3日本20
5微电网关键技术及主要研究方向22
5.1关键技术22
5.1.1微电网的控制22
5.1.2微电网孤岛监测与保护23
5.1.3微电网电能质量23
5.1.4微电网的经济性23
5.1.1储能技术24
5.2主要研究方向25
5.2.1基础理论25
5.2.2设备研制28
5.2.3实践应用—示范工程28
5.2.4市场化推动28
6适合发展微网的市场空间28
7JITE的切入点29
7.1期望可切入的课题29
7.2下一步工作29
8参考文献30
1微电网产生的背景
1.1分布式发电
●可再生能源的发展需求
据预测,全世界石油储量只够开采30~40年,天然气约60年,人类经济发展面临着能源危机;
石油、煤炭资源的大量使用产生了日益严重的环境污染问题,使人类的生存受到威胁。
能源问题和环境问题成为制约人类可持续发展的的重大问题,开发利用清洁高效的可再生能源,优化能量结构、发展新型能源和扩大可再生能源利率,是解决未来世纪能源问题的主要出路。
●传统集中大规模电网存在忧患
二十世纪初以来电力行业流行的观点是,发电机组容量越大,则效率越高,单位功率投资越低,发电成本也越低,因而集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是目前电能生产、输送和分配的主要方式。
但是,这种模式缺乏灵活性,一旦出现故障,对社会经济发展的影响将是巨大的(2003美国加州的停电事故、2008中国南方雪灾等,都发生大面积停电事故)。
因此,灵活方便的分布式供电是目前集中供电模式不可缺少的重要补充。
分布式发电(DistributedGeneration,DG)是相对于传统的集中式供电方式而言,是指位于或接近负荷的发电功率为数千瓦至几十兆瓦,独立运行或者接在配电网上,经济、高效、可靠的发电。
分布式发电由于采用丰富的可再生能源向用户提供电力,是“绿色电力’,是解决能源危机、环境保护、经济可持续发展的必然选择。
1.2从分布式发电到微电网
分布式电源接在用户侧,靠近负荷中心,具有低污染、可靠性高、能源利用效率高等特点;同时分布式电源位置灵活、分散的特点极好地适应了分散电力需求和资源分布,延缓了输、配电网升级换代所需的巨额投资,它与大电网互为备用也使供电可靠性得以改善。
尽管分布式电源优点突出,但本身存在诸多问题,如分布式电源单机接入成本高、控制困难等。
另外,为减小分布式电源对大电网的冲击,大系统往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源,当电力系统发生故障时,分布式能源必须马上退出运行。
这就大大限制了分布式能源的充分发挥,也间接限制了对新能源的利用。
为了降低DG带来的不利影响,同时发挥DG积极的辅助作用,并尽量减少其对主网的冲击,美国CERTS首先提出了微电网的概念,将发电机、负荷、储能装置及控制装置等结合,形成一个单一可控的单元,同时向用户供给电能和热能。
在微电网中的分布式电源(DistributedEnergySource,DER)可以是以前的分布式发电(DG),可以是分布式储能装置(DistributedStorage,DS),还可以是由分布式发电和分布式储能组成的混合单元。
微电网既可与大电网联网运行,也可在电网故障或需要时与主网断开单独运行。
因此,开展微网技术的研究不但有利于推动新能源和可再生能源的开发与利用,对电力工业本身的发展也具有重要的现实意义。
2微电网概念
2.1微网的定义
国际上对微型电网的定义各不完全相同:
1)CERTS:
美国电气可靠性技术解决方案联合会(CERTS—ConsortiumforElectricReliabilityTechnologySolutions)给出的定义为:
微电网是一种由负荷和微型电源共同组成系统,它可同时提供电能和热量;微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换,并提供必需的控制;微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元,并可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求(如增加本地可靠性、降低馈线损耗、保持本地电压稳定、通过利用余热提高能量利用的效率及提供不间断电源等)。
2)欧盟:
微电网项目(EuropeanCommissionProjectMicro—grids)给出的定义:
利用一次能源;使用微型电源,分为不可控、部分可控和全控三种,并可冷、热、电三联供;配有储能装置;使用电力电子装置进行能量调节。
3)美国威斯康辛麦迪逊分校(UniversityofWisconsin—Madison)的R.H.Lasseter给出的概念是:
微电网是一个由负载和微型电源组成的独立可控系统,对当地提供电能和热能,可提供较高质量的电能,能够脱离配电网独立运行。
这种概念提供了一个新的模型来描述微电网的操作;微电网可被看作在电网中一个可控的单元,它可以在数秒钟内反应来满足外部输配电网络的需求;对用户来说,微电网可以满足他们特定的需求:
增加本地可靠性,降低馈线损耗,保持本地电压,通过利用余热提供更高的效率,保证电压降的修正或者提供不问断电源。
4)中国科学院电工研究所:
能量来源主要为可再生能源;发电系统类型可为微型燃气轮机(Micro—Turbine)、内燃机(GasEngine)、燃料电池(FuelCel1)、太阳能电池(PVPane1)、风力发电机(WindGenerator)、生物质能(BiomassEnergy)等;系统容量为20kw~10MW;网内的用户配电电压等级为380V,或者包括10.5kV;如与外部电网进行能量交换,电压等级由微电网的具体应用等情况而定。
不同的实验室和机构提出的微型电网的概念不完全相同,归纳起来有如下特点:
●所有的方案一致认为微型电网应该具有独立运行能力,并且应能实现即插即用和无缝切换;
●大多数方案把联网运行列为必要条件,而其它方案也推荐能够联网运行;
●多数方案认为微型电网应该具有中央管理单元,能够实现本地管理自治运行,应该备有储能设备,具有可实现热电联供的能力;
●除上述概念比较相同外,所提出的十一个方案在微型电网是否与公共电网单点连接、潮流是否双向流动等方面看法不尽相同。
简单概括:
微网是一个小型电力系统,由一组微电源、负荷、储能系统和控制装置构成,形成一个可独立控制的单元(实现自我控制、保护和管理的子系统),可与大电网联网运行,也可独立运行。
●结构:
微网由微型电源、储能装置、负荷和电力电子功率变换系统组成。
●电源:
微网的电源属于微型分布式电源,容量较小,单电源容量约为l—100kW。
微网主供电电源以可再生能源发电为主(光伏发电、风力发电等),承担微网基荷:
部分电源也消耗常规能源(微型燃气轮机、内燃机等),通常作为参与调峰的备用电源。
●负荷:
负荷类型较多且功率较小,通常需要实现冷、热、电三联供。
●电力电子器件:
为微电源与交流微网提供接口,实现能量的转换及控制。
●电能质量:
能够依靠自身调节能力保证较高的电能质量,满足微网负荷需求并维持与配电网功率连接点的电压与频率稳定。
●运行方式:
能与配电网并联运行,也可独立运行,其运行方式的切换属于微网正常调度范畴。
微网与配电网功率连接点的功率是双向流动的,但在某一运行时段微网总体呈现出一个电源或负荷特性,且在该时段内连接点的功率是恒定的。
2.2典型微电网的结构
1)CERTS微电网结构
上图,是美国CERTS给出的微电网结构。
图中,微电网整体呈辐射状结构,在公共耦合点(PCC点)通过一个静态开关(StaticSwitch)与主电网相连,实现由孤岛运行模式向并网运行模式的无缝切换。
微电网中的发电装置一般都是混和的,可能包含微型燃气轮机(MicroTurbine)、内燃机(GasEngine)、燃料电池(FuelCell)、太阳能电池(PVPanel)、风力发电机(WindGenerator)、生物质能,(BiomassEnergy)等多种发电装置。
此结构中包含了光伏电池、燃料电池、微型燃气轮机三种微电源,靠近热力用户的微电源还可以为本地用户提供热源(热电联供,提高利用率),从而保证了能量的充分利用。
负荷有敏感负荷、可调节负荷、可中断负荷三种;针对负荷对供电质量要求的不同,CERTS微电网有不同的供电方案,如上图.对于敏感负荷:
采用光伏电池(PVCell)、微型燃气轮机(Micmturbine)和燃料电池(Fuelcell)的混和供电,实现可靠性供电以及热电联供;可调节负荷:
采用微型燃气轮机(Microturbine)供电;而对于可中断负荷则没有专门的微电源,而是由配电网直接供电。
整个微网配置了能量管理器(EnergyManager),每个微源配置了潮流控制器(PowerFlowController).能量管理器用于实现整个微电网的综合分析控制,潮流控制器用于对微电源的就地控制。
当负荷变化时,潮流控制嚣可根据本地频率及电压信息进行潮流调节,调节DG的功章输出以保持功率平衡。
能量管理器则综合解决电压控制、潮流控制和解列时的负荷分配、稳定及所有运行问题。
CERTS的微电网设计理念是不采用快速电气控制(ETRS微电网所接入的DERs都是峰值小于2MW的小机组,这就避免了采用快速却昂贵的控制,并且使得系统具有很好的鲁棒性)、单点并网不上网、提供多样化的电能质量与供电可靠性、随时可接入的DERs(即插即用)等。
这些突出的特点使它成为世界上所提出的微电网中最权威、认可度最高的一个。
CERTS只是微电网结构的一种形式,具体的结构随负荷等方面的需求而不同,如敏感负荷对电能质量和可靠性要求更高等。
但是基本单元应包含微能源、蓄能装置、管理系统以及负荷。
其中大多数微能源与电网的接口都要求是基于电力电子的,以保证微电网以单个系统方式运行的柔性和可靠性。
2.3微电网的运行方式
微电网系统有与外部电网并网和独立运行两种模式。
当电网并网时,微电网内的负荷根据用户的情况从电网内部以及外部吸收能量。
由于电压降落、故障、停电检修等原因造成外部电网连接中断,微电网需要从并网平滑过渡到独立运行状态。
与外部电网隔离后,微电网进入独立运行模式。
通过德国微网实验系统运行证明:
微网系统在合理的控制下可以实现并网运行和孤立运行,并可实现两种运行模式的平滑过渡
并网运行:
对微电网自身来说,并网运行方式是其正常工作方式之一。
由于下列问题:
在电网内部,由于某个发电单元故障、检修等原因退出运行或者负荷急剧增加,致使供电功率不足需要与外电网并联引进功率;或者由于在某种极限情况,在满足负荷和储能需求后,仍有功率富余,可与外电网并联向外送出能量。
并网运行时,微网和传统配电网类似,服从系统调度,可同时利用微网内DG发电和从大电网吸取电能,并能在自身电力充足时向大电网输送多余电能。
孤岛运行:
孤立运行的能力是微网最重要的特点。
在由于母线电压降落、外部电网发生故障或并网联络线突然跳闸等造成外部电网连接中断,微电网需要平滑地从并网运行模式到独立运行模式。
孤岛运行模式下,即与配电网断开后,微电网继续向网内负荷供电,需要运行在稳定的电压和频率下,此时要求微电网的各电源之间相互配合,采用不同的控制方法,来保持微电网运行于额定的电压和频率下,并保证微电网内部的功率平衡和电能质量。
而孤岛运行时,微电网的控制策略直接影响供电的可靠性。
现今微电网常用的控制策略主要有两种:
对等型和主从型。
对等型,微电网中的各个微电源之间都是平等的,不存在从属关系。
此方法主要基于外特性下降法(P.f,Q.v曲线),实现电压、频率的自动调节而无须借助于通信。
主从型,即一个(或几个)微电源为主,检测电网中的各种电气量,根据电网的运行情况采取相应的调节手段,而其他电源为辅,根据需要控制输出的功率和电压来维持微电网内部的功率平衡,需要借助通信实现。
两种方法各有优缺点,可根据不同的需要选择。
3国内研究进展
我国对微电网的研究尚处于起步阶段。
当前主要一些高校及研究及机构,围绕国家科技支撑计划、973、863计划、国家自然科学基金等自主地项目开展,资助31项有关微电的研究项目。
主要包括:
天津大学、合肥工业大、华中科技大学、清华大学、中国科学院电工研究所、上海交大等。
整体表现为:
关键技术自给率低,缺少原创性技术成果;论文多,关键装备研发少;研究项目多,示范工程少。
3.1分布式发电供能系统相关基础研究-国家973计划项目
3.1.1项目概述
“分布式发电供能系统相关基础研究”是国家973计划在能源领域支持的一个项目。
项目主要承担单位包括:
天津大学、华中科技大学、合肥工业大学、西安交通大学、上海交通大学、湖南大学、华北电力大学、南方电网公司技术中心。
天津大学的王成山教授担任项目首席科学家, 该项目于2009年2月28日,在天津大学正式召开启动会。
分布式发电供能系统,是指利用各种可用的分散存在的能源,包括可再生能源(太阳能、生物质能、小型风能、小型水能、波浪能等)和本地可方便获取的化石类燃料(主要指天然气)进行发电供能的系统。
将分布式发电供能系统以“微网”的形式接入到大电网并网运行,与大电网互为支撑,是发挥分布式发电供能系统效能的最有效方式。
本项目即以分布式发电供能系统组成的“微网”及其所接入的“大电网”为研究对象,以保证微网与大电网的安全稳定和经济高效运行为目标,针对“高渗透率微网的复杂动态行为及安全高效运行理论”这一科学问题开展研究工作。
分布式发电供能系统相关基础研究项目工作组网站:
3.1.2项目目标
通过对分布式发电供能系统基础理论和关键技术的研究,建立分布式发电供能系统相关的理论体系和分析方法,在一些关键科学技术问题上取得突破。
创立微网分析的理论体系,包括:
微网与大电网相互作用机理,分布式储能在微网中的作用机理,微网全过程仿真理论,含微网新型配电系统的规划理论,微网优化运行理论。
解决保证微网安全可靠运行的关键技术问题,包括:
微网和含微网配电系统的保护技术,微网中分布式电源协调控制技术,电能质量综合监控技术,分布式储能系统控制技术,含微网配电系统的数字仿真系统,含微网配电系统的规划辅助决策系统,微网物理与数字综合仿真实验平台。
3.1.3研究内容及课题组设置
1)高渗透率下微网与大电网相互作用机理研究:
由华中科技大学和天津大学共同承担,华中科技大学的段献忠教授任课题负责人;
2)分布式储能对微网安全稳定运行的作用机理研究:
由华中科技大学和合肥工业大学共同承担,华中科技大学的毛承雄教授任课题负责人;
3)含微网新型配电系统的优化规划:
由上海交通大学和天津大学共同承担,上海交通大学的程浩忠教授任课题负责人;
4)微网及含微网配电系统的保护原理与技术:
由天津大学和西安交通大学共同承担,天津大学的李永丽教授任课题负责人。
5)微网并网控制及微网中多分布式电源协调控制:
由西安交通大学和合肥工业大学共同承担,西安交通大学的刘进军教授任课题负责人。
6)微网及含微网配电系统的电能质量分析与控制:
由湖南大学和华北电力大学共同承担,湖南大学的罗安教授任课题负责人。
7)分布式发电供能微网系统综合仿真:
由天津大学和南方电网技术研究中心共同承担,天津大学的王成山教授任课题负责人。
8)微网经济运行理论与能量优化管理方法:
由合肥工业大学和天津大学共同承担,合肥工业大学的茆美琴教授任课题负责人。
3.2光伏发电微网实证研究项目——杭州电子科技大学
3.2.1项目概述
并网光伏发电微网系统实证研究项目是中日两国政府可再生能源科技合作项目之一,2007年9月,国家发改委、浙江省发改委和日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)签订项目基本协议,日本NEDO提供项目建设和实证研究资金,中方提供场地和配套设施,并确定由杭州电子科技大学和日本清水建设(株)公司共同实施,中日双方就并网光伏发电微网系统的关键技术开展合作研究。
总投资5亿日元(约3700万)。
本项目是国内第一个光伏发电微型电网实验研究系统,也是目前国际上唯一的太阳能光电比例达50%、电源容量240KW的实验微型电网,具有国际先进水平,填补了我国在光伏发电微型电网实验研究系统的空白,同时具有工程示范性。
杭州电子科技大学光伏发电微网系统课题组,自2006年6月与日本清水建设研究所合作,共同完成了项目可行性论证、负荷调研、微网系统设计、微网并网和独立运行的控制和保护、微网系统与配电网连接等系统建设等。
课题组成员先后两次赴日本就大型光伏发电并网系统、微网系统交流学习。
通过中日合作项目的研究,课题组将消化吸收日本在光伏发电微网系统的先进技术,结合国内、浙江的实际,开发具有自主知识产权的光伏发电微网系统的关键技术。
本项目2007年12月1日正式开工建设,2008年9月完成系统建设工程,现已经开始并网发电行,并成功供应两幢教学楼的用电。
3.2.2系统组成
光伏发电微网实验室是由120千瓦太阳能光伏发电、120千瓦柴油机发电、蓄电池储能系统、超级电容(EDLC)补偿系统、电能质量调节器(PQC)、瞬间电压跌落补偿器(DVC)、干扰发生装置和电能供需控制系统(PowerDemand&SupplyControlSystem)组成的并网光伏发电微网系统。
在杭州电子科技大学的6号与8号教学楼顶安装728块光伏板,总面积946平方米。
3.2.3 投资效益分析
该系统的太阳光年发电量预期在12万度(kwh)/年,基本满足两幢教学楼的用电需求。
按每生产1度电,按0.4kg标准煤。
这表明120kWp太阳光发电系统,每年可节约48吨标准煤(折合原煤77吨),减少碳粉尘排放32.6吨、二氧化碳CO2120吨、二氧化硫SO23.6吨、氮氧化物NOx1.8吨,具有明显的经济社会效益。
目前,因为光伏板成本高,所以整个太阳能发电的成本也很高,每千瓦电的成本在三万到五万元左右,还不适合普通家庭使用。
3.3南网863项目—微网系统并网关键技术研究与工程示范
2007年:
南方电网公司联合有关单位(天大)向国家科技部申报了国家科技部863计划,科研课题(MW级燃气轮机分布式冷电联供技术集成与示范研究”课题与“兆瓦级冷热电联供分布式能源微网系统并网关键技术研究与工程示范),并获得批准。
这是我国首次由电网公司承担的分布式发电与微网技术类国家级科研任务,同时也是国内首次由电网公司出资承建的分布式能源利用与微网系统示范工程项目;
2008年11月,课题示范工程技术方案通过专家评审。
“MW级燃气轮机分布式冷电联供系统”示范工程主设备开始招标,将在广东佛山建设示范工程;微网系统完成相关重要软件的设计、测试工作。
2009年6月,签合同,广东电网公司佛山供电局与广东省电力设计院正式签订了“国家863计划分布式供能课题示范工程”EPC总承包合同。
佛山供电局为示范点建设和运行的实施单位,广东电网公司为示范点建设的管理单位,南方电网公司为本示范工程的项目负责单位,计划在2010年1月投入运行。
2009年8月24~25日,示范工程方案评审会:
南方电网公司在广东省电力设计研究院组织召开了国家863计划分布式供能课题示范工程主设备集成与控制策略研究报告方案评审会,以佛山市供电局建筑楼群为依托,建成一个具有典型代表性的基于兆瓦级燃气轮机的高效天然气电冷联供示范系统。
3.4青海省玉树州水光互补微网发电示范项目
青海省将建首个国家级太阳能综合研究与示范基地。
国家级太阳能综合研究与示范基地的建设将分为三大部分,其测试研究中心将建在西宁,在格尔木市、青南地区等适合发展太阳能的地区建设太阳能示范工程。
2009年12月,按照《金太阳示范工程财政补助资金管理暂行办法》的支持范围,青海省制定了《青海省金太阳示范工程实施方案(2009年—2011年)》,积极组织项目申报。
最终,财政部会同科技部、国家能源局审核确定了8个项目纳入金太阳示范工程,总装机容量达到26.19MWp:
●用户侧并网2个
青海华硅能源有限公司300KWp光伏并网发电示范项目
青藏高原农副产品集散中心430KWp光伏并网发电示范项目
●偏远无电地区光伏、风光互补、水光互补发电示范项目3个
青海玉树州2MWp水光互补微网发电示范项目(解决冬天冰冻发电不足的问题)
青海玉树州无电地区3.46MWp独立光伏发电示范项目
青海省无电地区5MWp户用光伏发电示范项目;
●大型并网光伏发电示范项目3个
海西州都兰县5MWp光伏并网发电项目
格尔木市南出口5MWp光伏并网发电示范项目
海南州共和县5MWp光伏并网发电示范项目
2009年12月31,对该项目系统集成与主要设备总承包进行国内公开招标,招标范围为青海省玉树州水光互补微网发电示范项目系统集成与关键设备,主要包括光伏组件、逆变器、充电控制器、蓄电池、升压并网监测监控系统、装置性材料及设计、建筑施工、安装调试和售后服务等。
3.5合肥工业大学分布式发电示范系统
合肥工业大学设立了一个教育部光伏系统工程研究中心,在光伏技术产业化上积累了一定的经验。
合肥工业大学分布式发电实验室建立了一个基于互补能源的分布式微网系统,包含光伏发电系统、风力发电系统、火力机组模拟系统、水力机组模拟系统、燃料电池、超级电容和蓄电池储能系统等。
目前正开展一些微网方面的项目,比如863计划的“多功能互补微型电网的并网、控制和能量管理技术”2008-2010,100万。
下图是该试验系统的相关示意图:
4国外研究进展
4.1美国
4.1.1主要研究机构及项目
序号
机构
主要内容
资助
参考资料
1
CERTS
1、最先提出微电网概念和定义
2、重点主要集中在满足多种电能质量的要求(敏感、可调节、可中断)、提高供电的可靠性、降低成本和实现智能化(结构设计)
3、在威斯康星大学麦迪逊分校建立了微电网实验室,目前系统容量为200kW,电压等级为280V/480V
4、微电网的全面测试
1、美国能源部
2、加州能源委员会
http:
//certs.lbl.gov/官方网站上有完整的研究资料,包括基于试验床的CERTS微电网实验全过程资料、2000~2009年各类发表刊物及成果
2
GE
目标:
是开发出一套微电网能量管理系统(MEM),向微电网中的器件提供统一的控制、保护和能量管理平台。
内容:
1、包括基础的控制技术和能量管理技术方面进行研究
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