分布式发电、微网与智能配电网的发展及挑战-王成山

分布式发电、微网与智能配电网发展及挑战王成山[e-mail]天津大学电气与自动化工程学院分布式发电:DDistributedistributedGGeneration(eneration(DGDG))微网:MMicroicroGGrid(rid(MGMG))智能电网:SSmartmartDDistributionistributionGGridrid(SDG)——““33GG””发展面临的机遇与挑战发展面临的机遇与挑战分布式发电（分布式发电（DGDG））分布式发电系统（DG）:利用各种分散存在的能源进行发电的系统。如:„风能等可再生能源发电系统；„天然气为燃料的冷/热/电联供系统（简称：CCHP）优点：可利用丰富的清洁和可再生能源。缺点：一些可再生能源具有间歇性和随机性。优点：可利用丰富的清洁和可再生能源。缺点：一些可再生能源具有间歇性和随机性。海洋能海洋能其他形式其他形式新能源新能源太阳能太阳能天然气天然气风能风能生物质能生物质能分布式能源(分布—集中)用户侧分布式电源的大规模接入大量可再生能源发电(风电/太阳能发电)并入配电网，不仅改变了配电网的运行模式，同时其波动性对电网运行产生不利影响丹麦德国西班牙大型电厂升压变配电变压器枢纽变电站配电变压器常规电网配电变压器工厂企业内燃机居民光伏电池燃料电池商业建筑商业建筑内燃机飞轮储能燃气轮机燃气轮机分布式电源接入常规电网并网运行，易满足负分布式电源接入常规电网并网运行，易满足负荷需求，有助于可再生能源高效和规模化利用荷需求，有助于可再生能源高效和规模化利用时间轴时间轴/h/h01234567891011121314151617180123456789101112131415161718192021222324192021222324KWKW100010002000200030003000400040000050005000负荷需求曲线负荷需求曲线DG输出功率DG输出功率常规电网补充功率差额常规电网补充功率差额分布式电源并网运行面对的问题分布式电源并网运行面对的问题电源特性决定：电源特性决定：„„不可调度（可再生能源）不可调度（可再生能源）„„功率波动（电源间歇性）功率波动（电源间歇性）„„需要备用（不提供备用）需要备用（不提供备用）双向潮流导致：双向潮流导致：„„电压调节电压调节„„保护协调保护协调„„能量优化能量优化分布式电源并网技术分布式电源并网运行方式分布式电源并网运行方式优点：接入方便，运行简单缺点：„系统故障退出运行„间歇性影响周边用户„能源综合优化困难„对电网运行调度提出了挑战上述缺点将制约了DG的发展以分布式电源（DG）为单元输电网络高压配网110KVGGGG中压配网35/10KV低压配网0.4KV负荷负荷DGDGDGDGDG微网（微网（MGMG））微网（MG）结构示意（能量交换，独立运行）太阳能太阳能储能储能装置装置风电光伏储能冷热电联供冷热电联供公共电网热、冷热、冷中央控制(Sorce:EPRI)„„可提高分布式电源的有效运行时间；可提高分布式电源的有效运行时间；„„电网灾变情况下重要用户持续供电；电网灾变情况下重要用户持续供电；„„可避免间歇式电源对周围用户影响；可避免间歇式电源对周围用户影响；„„可再生能源综合优化利用可再生能源综合优化利用；；„„…………经济与社会意义巨大经济与社会意义巨大!!微网方式运行的优点：微网方式运行的优点：„多种能源输入(光、风、氢、天然气等）„多种产品输出（电、冷、热）„多种转换单元（光/电、热/电、风/电；直流/交流）„多种运行状态（并网，独立）„一些电源的间歇性和随机性„认识微网复杂动态行为是揭示相互作用机理的基础问题1：微网运行特性太太阳阳能能储储能能装装置置风电光伏储能冷热电联供冷热电联供微网边界热、冷热、冷中央控制微网复杂性:问题2：微网优化设计问题3：微网保护与控制实时能量功率控制用户负荷间歇电源当前信息当前信息预测预测输入输出功率控制分布式电源控制负荷响应控制配网层面DG层面负荷层面问题3：微网保护与控制„控制必须保证各状态间的平滑过渡；„必须保证微网并网与独立运行状态的电能质量要求；„分布式电源的多样性、电源的间歇性等增加了困难性，而多微网的协调控制更加困难；问题3：微网保护与控制目前采用防孤岛保护和控制，不允许微网独立运行，这将降低微网的独特优势，尤其在大面积停电情况下，微网难以发挥作用。DGDGDGDG问题4：微网仿真(1)模拟仿真：依托实物(2)数字仿真：单纯算法(3)混合仿真：模拟+数字(1)多时间尺度仿真算法（速度+精度）(2)数字信号与功率级物理信号交接转化(3)物理建模的局限性+数字模型的可信性问题难度目的：全系统能源利用效率最大化。思路：在满足运行约束条件下，最大限度利用可再生能源，保证整个微网运行的经济性。在微网高渗透率情况下，通过对微网输出的有效控制，降低配电系统损耗。问题5：微网能量优化与管理能量损耗商品生物燃料就地的生物燃料地热天然气、丙烷和液体燃料热能存储热电联产电能向电网出售太阳能发电太阳能发热新型燃料汽车电能存储购买的能源其他能源仅电能冰箱和建筑制冷建筑用热热水仅燃气或液体燃料终端用户source:ChrisMarnay发展趋势:„微网结构多样化简单微网—复杂微网；用户微网—公共微网；交流微网—直流微网—混合微网。„微网控制智能化能量互补控制；电源即插即用控制；可调度控制；电能质量控制„微网概念扩大化微网将成为智能配电系统重要部分„微网功能复杂化供电/热/冷；直流/交流；定制电力；风/光/气/氢+储能（电/热/冷）智能配电系统（智能配电系统（SDGSDG））IIntelligentntelligentIInteractiventeractiveIIntegratedntegrated——““33II””未来需求：„更高的供电可靠性„更优质的电能质量„更好的兼容性„更强的互动能力„更高的电网资产利用率„更加集成化的信息服务系统智能配电系统技术研究方向：（1）灵活多样化的智能配电系统结构及配电模式„网格状闭环配电系统运行结构„交直流混合的配电模式„灵活可控的配电系统运行模式„冷/热/电负荷需要综合考虑„可再生能源的间歇性随机性„配电系统变为电力交换系统„分布式能源的多样性„……规划工作：„分布式电源接入„微网接入位置„电动汽车充电站„……„配电系统综合优化新型配网新型配网技术难度：附加困难附加困难„需要有助于可再生能源高渗透率接入，有助于高效运行MGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMGMG智能配电系统的规划理论与方法（2）智能化配电设备及柔性配电技术„智能化配电设备：（1）数字化处理+自我检测诊断+自适应控制+信息交互通信（2）电气量信息+局放信息+噪音信息+温度信息+……„柔性配电技术：（1）配电系统电能质量相关技术，如：静止无功补偿器（SVC），静止同步补偿器（D-STATCOM），有源滤波器（APF），动态电压恢复器（DVR）等；（2）固态电力设备，如：电力电子开关、电力电子限流器、电力电子变压器等；（3）柔性潮流控制技术，如：统一潮流控制器，潮流路径开关等。（3）智能配电系统优化运行与自愈控制„高级配电自动化„快速仿真与模拟„自愈控制„综合智能调度„分布式电源、微网„电动汽车充放电设施„智能化配电设备„柔性配电设备„可调度负荷„功率双向流动的监控ssVδ∠DCVDCPfxffVδ∠ssVδ∠ψ,mACACQP,sVACPDGPSDPDCloadP智能配电系统控制问题„分布式电源与接入大电网的电源特性明显不同，后者为同步发电机，具有自同步性，前者很多采用电力电子逆变装置上网，不具自同步性。储能单元影响。„微网中负荷波动对电源输出影响更大，而大电网中负荷波动相对冲击小。„微网的运行状态多变，要求状态转换时无缝切换，大电网没有类似问题。„微网与大电网网络结构和规模完全不同，控制方法完全不同。„二者间的控制目标完全不同，大电网侧重于安全稳定性，微网还要同时关注电能质量问题。„控制成本上微网需要更加经济。相对大电网而言，微网中许多保护控制问题是独有的，需要独立研究。含DG/MG的智能配电系统保护的特殊性„DG/MG的存在导致配电线路中的潮流双向性；„配电系统结构复杂，SG的网络再组合导致运行方式多变；„配电系统通讯系统远不如输电系统那样完备；„配电系统的保护数量多，保护区域有限，经济性应格外关注；„不同DG/MG技术本身的影响，如通过感应电机、同步电机和电力电子装置并网的不同影响；„……这些问题应在设计阶段加以考虑并解决以满足前面对保护系统可依赖性、安全性和速动性的要求。（4）高度集成化的配电信息系统„层次分明、按需共享、完整高效的信息体系与架构；„实现智能电网各种信息子系统有效集成与数据共享；如：智能配电网优化规划系统、智能化监控系统、能量综合管理系统、用电信息系统等。„在统一模型、统一接口的基础上实现海量数据的信息融合和数据挖掘；„建立高度安全、可靠的运行环境，为配电运行与管理人员提供决策数据支持，实现关键业务子系统稳定运行。智能配电系统中与DG/MG相关的问题„微网与智能电网的结构优化„含MG、DG的SG建模和运行仿真„高级电压和频率控制„高级配电自动化与通讯系统„新型保护方法（双向、数据挖掘、通讯）„快速系统孤岛保护与网络重构„„智能配电系统示范工程建设