智能配电网基础与关键技术研究

2010-12-21智能配电网关键技术研究智能配电网关键技术研究冯庆东冯庆东20102010年年1111月月2929日日2010-12-22主讲内容：•1.背景•2.国外智能配电网研究与发展•3.中国配电网的基础条件和存在问题•4.智能配电网关键技术与设备•5.智能配电网解决方案•6.有关的物联网技术•7.技术标准体系研究•8.工程实践及案例分析2010-12-23•••背景背景2010-12-24背景背景全球气候变化、自然灾害频发…温室效应、“低碳”经济、冰川融化…环节污染严重、沙漠化城市面临挑战…环境：2010-12-25背景背景金融危机，拉动内需,促进就业各国政府纷纷出台智能电网相关政策…智能电网是降低复杂大电网风险、提高供电可靠性、实现能源转型的根本战略。节能减排、降低化石能源的比重，提高新能源、可再生能源比重。国家能源安全、可持续发展经济：能源：技术：2010-12-26•••国外智能配电网研究与发展国外智能配电网研究与发展2010-12-27美国智能配电网研究与发展•2001年美国电科院EPRI起动的IntelliGrid研究计划，致力于开发智能电网架构，目标是为未来的电网建立一个全面、开放的技术体系，支持电网及其设备间的通信与信息交换。•2004年，完成了集成能源及通信系统体系结构（IECSA）研究（4卷）；•2005年发布的成果中包含了EPRI称为“分布式自治实时架构（DART）”的自动化系统架构。•特点：配电和用电的研究越来越呈现出相互耦合配电和用电的研究越来越呈现出相互耦合••密不可分的倾向。密不可分的倾向。••驱动力：采用新技术改造老旧的电力实施驱动力：采用新技术改造老旧的电力实施••切入点：配电网、智能电表切入点：配电网、智能电表2010-12-28美国智能电网研究的主要内容ADOTechnologyandApplication•Advancedgridcomponentsfordistribution先进配电网架及元件（基础）•DistributionManagementSystemwithadvancedsensors具有先进传感器的配电管理系统（前提）•AdvancedOutageManagement(realtime)先进的停电管理系统（提升）•DistributionGeographicInformationSystem配电地理信息系统（丰富）•Advancedprotectionandcontrol先进的控制和保护（关键）•Micro-girdoperation(ACandDC)微电网运行优化控制（核心）•DEROperation分布式电源和储能的运行（必须的！）2010-12-29欧洲智能配电网研究与发展•欧洲的《《20/20/2020/20/20计划计划》》在2020年可再生能源增加20%，碳排放量减少20%，能源效率提高20%。2008年9月发布的《欧洲未来电网发展策略》提出了欧洲智能电网的发展重点和路线图。优先关注的重点领域包括：•1)优化电网的运行和使用；•2)优化电网基础设施；•3)大规模间歇性电源接入；•4)信息和通讯技术；•5)主动的配电网；•6)电力市场和能效（通•过虚拟电厂提高能源利用效率）2010-12-210•••中国配电网基础条件与存在问题中国配电网基础条件与存在问题2010-12-211先期配电网自动化基础与实践先期配电网自动化基础与实践2010-12-212环网柜2010-12-213配电网自动化存在的问题配电网自动化存在的问题(2)(2)•（5）模拟仿真系统不完善、速度慢或离线状态(不实用)。•（6）软硬件研发队伍不够稳定。•（7）配网网架结构薄弱(以辐射状为主,缺少分布电源和储能支撑)，•不能灵活转供电，更谈不上自愈。•（8）配网自动化应用范围小，实用化水平低。•（9）配电网相关技术标准、规范不完善，配网相•关专业术语的缺乏统一和规范。•（10）基础数据管理欠缺，信息化手段有待提高。•(11)没有专业的配电网主站平台(EMS移植,后续开•发受到限制，谈不上实现能量,信息,业务一体化)。•(12)GIS不够完善,厂商对流程不懂，没有从数据库•底层做起，不能满足动态应用需求。2010-12-214柱上开关2010-12-215•••智能配电网关键技术与设备智能配电网关键技术与设备2010-12-216智能配电网要实现的目标•（1）自愈：通过快速预测、快速检测、快速响应（解决反应延迟问题）。避免出现紧急状态。降低大面积停电风险。要求具有灵活的、可重构的网络拓卜、新型保护和控制仪表。•（2）互动：配电网与用户、设备、环境互通信息。•（3）优化：安全、优质、低耗、清洁多目标自趋优。闭环控制、协同，以提高设备和资产（分布式发电、储能和需求响应）利用率。提高供电可靠性、电能质量、降低网损。•（4）预测：提前把系统从不安全状态调整回安全状态，不只是对紧急情况做出反应。自愈的主要内容。•（5）鲁棒性：系统的抗扰动能力。满足弹性负荷需求、电动汽车充电、突发故障、微电网接入和退出对系统的冲击。2010-12-217智能配电网关键技术（1）•智能配电网的关键技术主要围绕如何提高配电系统的能观性/能控性。•目标是把配电网从静态运行结构转变为灵活的，可主动运行的“智能”结构。•（1）灵活的网络结构：通过环网式或网格式提高转供的灵活性。•（2）通过先进（SOC/SOD/嵌入式）的RTU/FTU/DTU/TTU，提高对配电网的可观测性。•（3）通过智能表计/智能插座，增强对配电网的可观测性，而不是像现在这样信息不全，对负荷情况不掌握进行的操作。•（4）通过快速仿真（D-FSM），对电网进行脆弱性评估，分析潜在的故障。2010-12-218智能配电网关键设备2010-12-219智能配电网需要:目前，物理储能技术比化学储能技术成熟，储热比储电，响应速度快，易于调度，适合大容量储能。2010-12-220储能技术(大容量储能与分布式储能)•传统理论认为，电能几乎无法存储。•（1）短时储能技术，例如超级电容器、飞轮储能（电力机车瞬时通过）等主要用于其他场合。•（2）在大规模储能应用中，NaS电池和VRB全钒氧化还原液流电池是更加高效的选择。可用于风能、太阳能发电及电网削峰填谷。•存在的问题：安全问题，储能密度问题，转换效率问题，价格问题，运行经验问题，距实用化尚有距离。•（3）锂离子电池多用于高功率、循环特性良好以及便携等需求的场合，如在混合式电动汽车（PHEV）和纯电动汽•车的应用。•存在的问题：安全问题，效率问题，成本•问题，电池一致性问题，统一标准问题，•需要运行经验，距实用化尚有距离。2010-12-221日本用日本用400kW400kW钠硫电池系统抑制钠硫电池系统抑制500kW500kW风机风机日本日本NGKNGK是目前世界上唯一能够生产和应用钠硫电池，它是目前世界上唯一能够生产和应用钠硫电池，它生产的商业电池使用寿命生产的商业电池使用寿命1515年，循环寿命年，循环寿命25002500次（次（100100％％深度充放电）、深度充放电）、45004500次（次（9090％放电条件％放电条件，是铅酸电池的，是铅酸电池的近近1010倍），能源转换效率倍），能源转换效率83%83%，根据应用对功率和储能，根据应用对功率和储能要求的不同，钠硫电池模块可以组合构成大的储能系统。要求的不同，钠硫电池模块可以组合构成大的储能系统。目前在全世界已经开展了目前在全世界已经开展了200200多个多个钠硫电池储能系统示范钠硫电池储能系统示范应用。应用。2010-12-222全钒液流电池储能系统在风电站的应用全钒液流电池储能系统在风电站的应用••日本住友电工日本住友电工制造的制造的150kW/900kWh150kW/900kWh全钒液流电池储能系全钒液流电池储能系统用于北海道风电场，用于平衡风力发电与负荷的需求。统用于北海道风电场，用于平衡风力发电与负荷的需求。20062006年，又在北海道的占前年，又在北海道的占前(Tomamae)30MW(Tomamae)30MW风电场内，风电场内，以功率的以功率的2020％配比安装％配比安装4MW/6MWh4MW/6MWh全钒液流电池储能系统全钒液流电池储能系统用于平滑风力风电机组输出。用于平滑风力风电机组输出。2010-12-223锂离子电池储能问题：锂离子电池储能系统需要解决成组的技术问题。单体电池标准循环寿命已经超过1000次，仅从电池单体的角度来看，锂离子电池的比能量和循环寿命已基本满足储能应用的需求；但在锂离子电池成组应用时，循环寿命只有400～600次，甚至更低，严重制约锂离子电池储能应用。工作原理：（1）锂离子在电极间移动；（2）电子在外回路流动，以补偿电荷的移动。2010-12-224储能的合理布局、节点优化接入、复合储能和协调控制策略•（1）单一的储能技术很难同时满足能量密度、功率密度、储能效率、响应时间、使用寿命、环境特性以及成本等性能指标。•（2）在智能电网应用中，要实现系统的稳定控制，电能质量改善和削峰填谷等多时间尺度上的功率平准控制，可以将超导储能、飞轮储能或超级电容器等功率密度高、储能效率高，响应时间快，以及循环寿命长的储能技术，与铅酸电池、液流电池或钠硫电池等能量密度高，但受制于电化学反应过程，响应时间慢的储能技术相结合。•（3）将两种或以上性能互补性强的储能技术相结合，组成复合储能是未来的研究方向。日本在建的5MW并网光伏示范项目将采用1.5MW钠硫电池和1.5MW超级电容器的复合储能技术。2010-12-225•••智能配电网中电力电子设备智能配电网中电力电子设备2010-12-226智能万用变压器智能万用变压器(IUT)(IUT)（未来的智能设备）（未来的智能设备）2010-12-227同传统变压器相比IUT具备的功能•(1)无铁芯无油。•(2)可在一条单相线路上传递三相功率•(3)可滤除谐波•(4)具有动态无功补偿功能，可进行电压下陷校正•(5)具有远方通讯功能•(6)可辅助监视配电系统的运行条件•(7)具备短时间储能功能•(8)既是变压器又是变频器，可提供直流、工频、高频电力•(9)可改变接线组别（由单相到三相、三相变两相、三相变四相）•(10)当需要时，可作为折断潮流的可控开关。2010-12-228•••新能源接入技术新能源接入技术2010-12-229风力发电发展趋势额定容量叶轮直径轮毂高度2010-12-230海上风电•海上风力比陆地风力强劲。海上风电场可以多发出50%-70%的能量。但是，据测算，在离内陆30—60KM的地方，风速开始下降。•条件：强劲稳定风、浅水（最理想2—30M；目前实际10—20M）、低浪高。•对环境的影响：（1）海浪形式、天气模式；（2）船舶航行；（3）鱼类活动；（4）鸟类活动；（5）水下生态等•成本：比陆地高50%—100%•能量传输：交流（690V）、直流（IGBT)、制氢(不经济）•设计考虑：受力（海浪、洋流、风）、腐蚀（材料、元件、密封和漆必须满足20—25年的寿命）2010-12-231VSC-HVDC在海上风电场的应用近期开展了上海南汇风电场柔性直流输电并网示范工程的建设。工程将建设输送容量为18MW的一回+30kV柔性直流输电线路用于南汇风电场的并网，计划于2010年底前建成。2010-12-232风电接入对配电网的影响•（1）风电对电网电能质量的影响：风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性使风电机组的输出功率是波动的，会造成电压波动和闪变。•风电系统中谐波产生的途径主要包括风机本身配备电力电子装置和风机的并联补偿电容器与线路电抗发生谐振产生的谐波。•（2）风电对电网继电保护装置的影响：并网运行的异步发电机没有独立的励磁机构，在电网发生短路故障时由于机端电压显著降低，风力发电机应具备一定的低电压维持能力，在保护配置上应设置低电压保护，在低电压保护动作之前，应根据相应的判距自动投切无功补偿装置，尽可能降低无功缺额，维持风力发电机组的稳定运行。2010-12-23