分布式发电与微电网剖析

分布式发电、储能与微电网控制孙衢自动化学院主要内容•认识电力系统•分布式发电•微电网及其控制•储能技术-1-认识电力系统•认识“电”–电是一种特殊的商品（质量、数量）–电能不能大规模存储–每一瞬间电能的生产和消耗保持平衡–负荷曲线（削峰填谷）-2-认识电力系统•认识电网–发电、输电（变电、配电）、用电–电厂（水电站、火电站、核电站、风电场……)–钢铁企业……..–电网•输电网（供电网）220KV,110KV,35KV,750KV•配电网10KV-3-GenerationTransmissionDistributionLoadHydroelectricplantFossil-fuelledplantNuclearplant认识电力系统-4-电力系统稳定性与控制•稳定性•电力系统稳定性–功角稳定性•小干扰稳定性（电源、负荷）•暂态稳定性（三相短路）–电压稳定性（无功平衡）–频率稳定性（有功平衡）-5-单机无穷大系统-6-单机无穷大系统传递函数框图-7-电力系统稳定性与控制•送端关注功角稳定性（发电机）•受端关注电压稳定性（负荷）•振荡稳定性及控制–低频振荡(0.2~2Hz)–次同步振荡(略低于50Hz)–抑制措施•PSS•HVDC•FACTS-8-FACTS控制器-9-电网分析的相关内容•网络拓扑•潮流计算•状态估计•稳定性分析•短路计算•……….－－“电力系统博大精深！”-10-电网的发展方向•区域电网互联－－坚强智能电网•微型电网（微电网）–接入配电网–分布式发电（风力、太阳能、生物质…….)–分布式储能-11--12-微电网典型结构-13-1术语和基本概念(1)分布式发电(2)新能源发电(3)微电网-14-分布式发电的定义•国内：–分布式发电（DistributedGeneration）是指功率不大（一般几十kW到几十MW）、建设在负荷中心附近的、模块式采用先进信息控制技术的、清洁环保、经济、高效、可靠的自主智能发电形式。•国外：–DR(DistributedResource)-分布式电源，非直接接入大输电系统的电源，包括发电机和储能–DG(DistributedGeneration)-分布式发电，是分布式电源DR的一个子集–DG（DispersedGeneration)—分散式发电-15-分布式发电的特点•分布式发电(DG)或分布式能源(DER)是一种分散、非集中式的发电方式，具有以下特点–接近终端用户–容量很小（几十kW至几十MW）–以孤立方式或与配电网并网方式，运行在380V或10kV–采用洁净或可再生能源(天然气、沼气、太阳能、生物质能、风能—小风电、或水能—小水电)新能源发电VS.分布式发电•新能源发电→分布式发电：概念和内容上有发展–DG大多利用新的能源和新型发电技术；–利于环保；–电源容量小，电压等级低；–接近负荷中心，接入配电网；–电力生产者和消费者合一，功率双向流动；–运行方式灵活，可连接于配电网，也可不联网；–比集中发电更可靠；在一批小型发电机组成的系统中发生大的停电（高负荷、风暴、地震、恐怖袭击、战争）几率较小；-17-具有分布式发电的示范配电系统-18-微电网的定义微电网是以分布式发电技术为基础，以靠近分散型资源或用户的小型电站为主，结合终端用户电能质量管理和能源梯级利用技术形成的小型模块化、分散式的供能网络。微电网是智能电网的重要组成部分，能实现内部电源和负荷的一体化运行，并通过和主电网的协调控制，可平滑接入主网或独立自治运行，充分满足用户对电能质量、供电可靠性和安全性的要求。-19-微电网基本结构微电网的结构示意图如图所示，它可能组成中压或低压配电网的一部分，负荷通过分布式电源供电。根据微电网的运行特性，微电网可能通过PCC连接到大电网并网运行，也可与之断开进入孤网运行模式（IsolatedGrid，IG）。当微电网并网的时候，微电网的运行和控制模式也在两种状态之间转换，即依赖于大电网的模式（GridDependent，GD）和独立于大电网的模式（GridIndependent，GI）。GD与GI模式的区别在于微电网与大电网之间是否有功率交换。-20-微电网按照结构可以分为三种类型：片区微网、工商业微网、偏远地区微网微电网基本结构片区微网片区微电网有两种，一种是城市网络，另一种则是农村的馈线。前者主要用于城市的繁华地区，后者则用于农村电网的计划解列。片区电网的发展动力是停运管理和整合可再生能源发电的需求。片区微电网的主要作用在于降低温室气体的排放；提供对用户多种能源方式的供给；阻塞管理；延缓电力网络的升级等。另外，片区微电网能提供当地无功电压支撑和较高的电能质量等辅助服务。-21-工商业微网微电网基本结构工商业微网的用户一般定义为关键负荷或者敏感负荷，即需要较高等级的供电可靠性和电能质量。该类微电网能够提供对多个工商业区域的负荷需求，如大学校园、购物中心或工业设备。该类微电网同样可以供给小型的居民负荷，如一组城市用房或者独立公寓，也可以成为居民区微电网。该类微电网能够提供便利且可靠的能量供给，并且能够提供用户定制的多种分布式电源供电。该类微电网的主要作用是提供较高的电能质量；提供不同水平的电能可靠性水平；整合CHP和需求侧管理。运行方式有GD、GI和IG，当大电网故障或者电能质量不满足要求、电价较高或者系统维修时从GI模式切换到IG模式。-22-微电网基本结构偏远地区微网利用微电网对这些偏远地区微电网进行供电，可以利用可再生能源发电或其他分布式电源来形成孤立的电网或者独立的微电网来为偏远地区的居民或者商业用户供电或热。该类微电网的主要目的就是为偏远地区供电，并降低传统化石燃料的消耗。它具有如下好处：整合可再生能源发电、降低温室气体排放和需求侧管理。主要运行方式为IG。-23-2分布式发电和微电网的兴起和发展（1）DG兴起的原因（2）DG的发展现状（3）微电网研究和应用现状-24-大机组、大电厂、大系统、高电压，资金密集，技术密集，高度信息化；复杂系统特性突出，石化能是主要一次能源分散式，小容量发电机，低电压，小系统，交、直流输电和谐、可持续发展成为发展目标，传统发电方式追求清洁高效，新发电方式应用高技术获得发电、环保、经济的综合效益电力工业发展的历史产生与兴起阶段现代化工业阶段可持续发展阶段-25-电力工业发展的轨迹•能源利用多样化，新发电方式层出不穷，朝着可持续能源利用方向发展；•小机组、小电厂、小系统→集中发电大机组（高参数）、大电厂、高电压、大系统（互联）→分散的小发电系统、微型电网（联网或不联网）快速发展，成为现代电力系统的有力补充；•简单技术→先进技术→高技术•电力生产者和消费者的分离与结合；•电网由单一的供电网，单向输电→混合能源网，双向输电-26-DG兴起的现实原因（1）电力用户对供电可靠性的更高的要求–传统的电网不能提供超过”3个九或4个九”的供电可靠性，这种限制主要是电力系统不确定、不可控制的事件如天气和设计电网的成本。–家庭用户希望达到99.9999%(“6个九”)的可靠性，也就是平均一年停电30秒–某些灵敏的电子设备，需要至少99.9999999%%(“9个九”)的供电可靠性分布式发电和传统的电网结合起来达到更高的可靠性是可能的；（2）新材料和新型的发电技术为分布式发电提供了技术上的支持；（3）解决能源危机的一个途径；（4）环保要求；（5）电力市场要求进行分布式发电，打破垄断-27-DG的优点（1）投资和风险：分布式发电本身投资和风险都要很小；（2）安全及可靠性：与电网配合，可以大大提高供电的可靠性，在电网崩溃或者发生意外灾害（战争、台风、地震、恐怖活动等）的情况下，继续维持重要用户的供电。分布式发电可以满足特殊场合的需求，如在大型集会或庆典场合，安排处于热备用状态的移动分散式发电车，则可以大大提高供电可靠性。（3）环保（4）电力市场：适应电力市场发展需要，多家办电，打破电力部门垄断-28-分布式发电优点（续）（5）经济：能源综合利用，提高能源利用效率（60%-90%）。电、冷、热三联产，为能源的综合利用提供了可能，具有较高的能源利用率。（6）由于分散式发电装置工作流程简单，参与运行的系统少，因而启动和停机快速，与电网配合使用时具有良好的调峰性能，且便于实现全自动控制。（“即用即插式”，“友好发电方式”）（7）扶贫：解决边远地区供电困难•相对于化石能源而言，可再生能源密度较低、分散性强，不太方便作为集中供电的能源，已开发的可用电量有限。-29-Figure4:RenewablePowerCapacitiesin2005(GW)forDevelopingCountries,EU,andTopSixIndividualCountries(excludinglargehydropower)图4：2005年可再生能源容量(GW),发展中国家，欧盟和前6名国家(不含大水电)020406080100120140160180200Worldtotal世界Developingcountries发展中国家EU-25欧盟25国China中国Germany德国USA美国Spain西班牙India印度Japan日本SolarPV(grid)太阳能光伏电池（并网）Geothermal地热Biomass生物能Wind风能Smallhydro小水电Source:REN21RenewablesGlobalStatusReport2006Update,年可再生能源容量（GW）-30-世界风电发展快速-31-Figure3:SolarPV,ExistingWorldCapacity,1990-2005(MW)图3：世界太阳能光伏电池容量，1990-2005（MW）01000200030004000500060001990199119921993199419951996199719981999200020012002200320042005Total总量Grid-connectedonly仅并网量Source:REN21RenewablesGlobalStatusReport2006Update,年太阳能光伏电池容量（MW）-32-Figure6:SolarHotWater/HeatingCapacityExistingin2005(Total=88GWth)图6：2005年太阳能热水器/供热容量（总容量＝88GWth）China中国63.1%EU欧盟12.7%Turkey土耳其6.5%Japan日本6.0%Brazil巴西1.8%USA美国1.8%Australia澳大利亚1.4%India印度1.3%Other其他1.3%SouthAfrica南非0.5%Israel以色列3.8%Source:REN21RenewablesGlobalStatusReport2006Update,年太阳能热水器/供热容量（总容量=88GWth）-33-微网示范工程地理位置说明CERTS试验基地美国俄亥俄480V系统，包括3个60kWMT，有三条馈线，其中两条含有微电源并能孤网运行。这两条中的一条馈线上带有两个微电源，通过170m电缆间隔；另一条馈线上带有一个微电源，这样可以进行微电源并行运行的测试。该系统用于测试微电网各部分的动态特性。MadRiver公园美国范特蒙特6个商业和工业厂区，12个居民区，280kW、100kW发电机，30kWMT，PV。接入7.2kV配网。既可孤网运行，也可联网运行。LABEIN微网中心西班牙通过两个1000kVA和451kVA的变压器连接到30kV中压网络，0.6kW和1.6kW单相PV，3.6kW三相PV，2组55kW柴油机，50kWMT，6kW风力发电机；250kVA飞轮储能，2.18MJ超级电容，1120Ah和1925Ah蓄电池储能；55kW和150kW电阻负荷，2个36kVA电感负荷。用于测试联网运行时集中和分散控制策略及电力市场中的能量交易。Kythnos