APEC报告-分布式电源及智能配用技术的现状及发展

APEC研究报告分布式电源及智能用电技术的现状及发展2012年6月13日2研究团队：孙嘉平、张建华、刘文霞、刘念、曾博、张敏、吴林伟、朱星阳、蒋程编写：张建华审核：孙嘉平3目录第一章分布式电源及智能配用电技术的现状和趋势........................11.1分布式电源和微电网的研究现状....................................................................................11.2智能配用电技术的应用现状及未来趋势......................................................................101.3微网及其构建的智能配用电系统中的关键技术及相关研究内容..............................14第二章分布式电源的工作原理..........................................................262.1双馈风力发电机.....................................................................................................262.2燃气轮机.................................................................................................................362.3燃料电池.................................................................................................................442.4太阳能光伏发电.....................................................................................................492.5储能元件.................................................................................................................552.6分布式电源逆变器控制模型.................................................................................66第三章智能配用电系统的功能和规划..............................................683.1智能配用电系统的基本概念........................................................................................683.2智能配用电系统的基本构成及功能............................................................................683.3智能配用电系统的集成规划........................................................................................71第四章日本分布式电源和智能配用电技术的发展............................774.1有关政策和智能配用电技术.................................................................................784.2可再生能源的影响及解决方法.............................................................................814.3智能电表.................................................................................................................824.4新一代能源.............................................................................................................834.5小结.........................................................................................................................84第五章中国微电网示范园区的系统设计及仿真................................855.1微电网示范园区简介.............................................................................................855.2微电网示范园区系统设计.....................................................................................865.3微电网示范园区运行仿真分析.............................................................................87第六章结论.....................................................................................921第一章分布式电源及智能配用电技术的现状和趋势1.1分布式电源和微电网的研究现状欧洲、美国及日本等发达国家和地区目前都已经完成微电网及智能配用电系统的基础理论研究，初步建立了分布式能源和微电网的模型和仿真分析工具，完成了微电网及所构建的智能配用电系统的控制和保护策略、通信协议等，并且通过实验室测试和智能配用电系统示范小区进行了验证，解决了微电网及智能配用电系统的运行、保护和经济性分析的基本理论问题。未来的研究目标是发展高级控制策略，整合多个微电网同智能配电管理系统（DMS）的相互作用，进行标准化设计，实现现场实验以进一步验证控制策略在实际微网构建的智能配用电系统中的运行效果，以及微电网对电力系统运行和规划的影响评估等。目前各国一些典型微网构建的智能配用电系统试验工程调研情况如下。（1）北美的微电网及其构建的智能配用电系统研究首先，由美国可靠性技术解决方案协会（CERTS）最早提出的微电网概念，是所有微电网概念中最具代表性的一个。美国CERTS在其微电网概念报告中，对微电网的主要思想以及关键性技术问题进行了2详细的概述，说明CERTS微电网两个主要部件：静态开关和自治微型电源，并系统阐述了微电网的结构，控制方式，继电保护以及经济性评价等相关问题。目前，美国CERTS微电网的初步理论和方法已在美国电力公司沃纳特／Walnut微电网测试基地得到了成功验证。有美国北部电力系统承接的曼德瑞沃/MadRiver微电网是美国的第一个微电网的示范性工程，检验了微电网的建模和仿真方法、保护和控制策略以及经济效益等，并初步探讨制定关于微电网的管理条例和法规，成为美国微电网工程的成功范例。同时美国能源部（USA.DepartmentofEnergy）在“Grid2030”发展战略中，已经提出一个以微电网的形式安放和利用微型分布式发电系统得阶段性计划，对今后的微电网的发展规划进行较为详尽的阐述。此外，加拿大BC和Quebec两家水电公司已经开始开展“微电网”示范性工程的建设，特别对于微电网的主动孤网运行进行测试，项目的目标是通过合理地安置独立发电装置IPP(IndependentPowerProducer)改善用户侧供电可靠性。美国的微电网由美国能源部（DOE）和加州能源委员会（CEC）共同资助，从2003年起开始正式研究。美国电力可靠性技术解决方案协会（CERTS）是最著名的微电网研究机构，在2003年为美国能源部和加州能源委员会编写的《微电网概念》白皮书中最早提出了微电网的概念。这个概念已经在威斯康辛大学实验室的试验平台中成功得到了检验。为了进一步验证概念的准备性与合理性，CERTS于2006年11月份开始进行微电网的示范小区，在美国电力公司的多兰技术中心搭建微电网构建的智能配用电系统试验平台，如图1.1所示。3图1.1多兰技术中心微电网试验平台布局（2）日本分布式电源和微电网的研究日本根据本国资源日益缺乏、负荷需求增长迅速的发展现状，开展了微电网的研究。目前，日本已在国内建立了多个微电网工程。近年来，可再生能源和新能源一直是日本电力行业关注的重点之一，为此，新能源与工业技术发展组织（NEDO）大力支持一系列微电网示范性工程，并鼓励可再生和分布式发电技术在微电网的应用。日本在微电网的网架拓扑结构以及微电网集成控制、热电冷综合利用等方面开展的一系列研究，为分布式发电系统及基于可再生电源的大规模独立系统的应用提供了较为广阔的发展空间。NEDO在2003年启动了含可再生能源的地区配电网项目，并分别在青森县、爱知县和京都县建立了3个微电网示范小区。位于青森县八户市的示范小区如图1.2所示。这个工程全部采用可再生能源（风能、太阳能和生物质能）供给电能和热能。该工程电源包括生物质燃4气发电机3×170kW，铅酸蓄电池组2×50kW，光伏发电80kW，风力发电20kW，共710kW。负荷包括：市政厅360kW，4所中小学205kW，八户供水管理局38kW，共603kW。整个微电网通过公共联结点（PCC）与外部大电网连接。在9个月的运行期间，由于建立微电网使可再生能源利用系数增加，系统从大电网的购电量减少，CO2排放也大幅度降低。在为期1周的独立运行期间，系统频率基本维持在50±0.5Hz范围内，较好地实现了系统的稳定运行。图1.2青森县微电网构建的智能配用电系统示范小区日本在京都县建立了京都经济能源工程，于2005年12月开始运行。这个系统的电源包括：光伏发电50kW，风力发电50kW，生物发电5×80kW，一个250kW的熔融碳酸盐燃料电池（MCFCs）和一个100kW的蓄电池组。能量控制中心通过电信网络与分布式电源进行通信，从而控制能量平衡的供需要求。一旦出现能量的不平衡，可以在5分钟内进行调节，而且计划未来要进一步缩短时间。5在仙台，新能源产业技术综合开发机构（NEDO）也建立了一个电能质量可靠性服务的智能配用电系统示范小区，已在2006年完成。这个工程旨在研究多个电能质量的可靠性可以同时满足一系列用户的需求。除此之外，私人企业和部门也展开了微电网的研究。例如清水公司与东京大学联合开发微电网的控制系统，已经在东京的研究中心建立试验工程。在日本，微电网的技术体系主要集中在当维持传统电网供电时如何利用新能源发电，以及如何提供多重的电能质量可靠性。微电网的多领域研究正在检验微电网技术的可行性，但是清洁经济和环境效益还没有被考虑进去。微电网的经济评价方面仍然面临许多挑战。（3）欧盟的微电网研究从电力市场自身需求、电能安全供给以及环境保护等方面综合考虑，欧洲在2005年提出“智能电网”（SmartGrid）的目标，并在2006年出台该计划的技术实现方案。作为欧洲2020年及后续的电力发展目标，该计划指出未来欧洲电网具有灵活、可接入、可靠和经济等特点。基于这些特点，欧洲提出要充