微电网国内外研究现状综述

微电网国内外研究水平综述微电网已成为一些发达国家解决电力系统众多问题的一个重要辅助手段，所以分布式发电是21世纪电力行业发展的重要方向。随着电网中分布式发电系统数量的日益增多，尤其是基于可再生能源的并网发电装置在分布式发电系统中应用的日益广泛，随着世界科技的不断进步，当今电网的负荷越来越大，随之而来的是问题不断的增多。解决当今电力系统中存在的诸多问题已经成为研究者们头等的问题。长期以来，电力系统向大机组、大电网、高电压的方向发展。进入20世纪80年代，各种分散布置的、小容量的发电技术又开始引起人们的关注，经过20多年的发展，分布式发电已成为一股影响电力工业未来面貌的重要力量。1)应对全球能源危机的需要。随着国际油价的不断飙升，能源安全问题日益突出，为了实现可持续发展，人们的目光转向了可再生能源，因此，风力发电、太阳能发电等备受关注，快速发展并开始规模化商业应用，而这些可再生能源的发电大都是小型的、星罗棋布的。2)保护环境的需要。CO2排放引起的全球气候变暖问题，已引起各国政府的高度重视，并成为当今世界政治的核心议题之一。为保护环境，世界上工业发达国家纷纷立法，扶持可再生能源发电以及其他清洁发电技术(如热电联产微型燃气轮机)，有利地推动了DG的发展。3)天然气发电技术的发展。对于天然气发电来说，机组容量并不明显影响机组的效率，并且天然气输送成本远远低于电力的传输，因此比较适合采用有小容量特点的DG。4)避免投资风险。由于难以准确地预测远期的电力需求增长情况，为规避风险，电力公司往往不愿意投资大型的发电厂以及长距离超高压输电线路。此外，高压线路走廊的选择也比较困难。这都促使电力公司选择一些投资小、见效快的DG项目来就地解决供电问题。在国际上，DG的发展方兴未艾。在美国，1978年修改了《公共事业法》，以法律的形式要求各电力公司接受用户的小型能源系统，特别是热电机组并网;2000年，热电联产装机容量已占总装机容量的7%，预计到2010年将占其总装机容量的14%;2008年，风力发电装机容量达2500万kW;太阳能装机容量达87万kW。欧洲在世界上最早开始应用DG。目前，丹麦、芬兰、挪威等国的DG容量均已接近或超过其总发电装机容量的50%;欧洲DG应用规模最大的德国，2008年末风电装机容量达到2300万kW，太阳能发电装机容量达540万kW。我国应用的DG原来主要以小水电为主，风电、光伏发电等起步相对较晚。2003年以来，国家强力推进节能减排，颁布了《可再生能源法》并制定了一系列促进可再生能源利用与提高能效技术发展的政策。到2008年底，我国风力发电装机容量达到1200万kW，跃居世界第三位;光伏发电装机容量达到14万kW。近年来，各国政府对能源安全与环境问题高度重视。美国、欧盟都提出2020年应用可再生能源占总能源消费的比例超过20%;我国也制定了2020年应用可再生能源占消费总能源的比例达15%的目标。目前，各国可再生能源发电容量在总发电装机容量中的比例远低于这些目标，可见DG的发展空间巨大。目前，风力发电等可再生能源发电的成本还远高于常规燃煤发电，只有国家实行优惠的税收政策并给予一定的财政补贴，才能调动投资者发展DG的积极性。其次，DG并网技术也是制约DG发展的重要因素，因此，智能电网的提出，从技术上为解决这一问题创造了条件。1.微电网在美国的发展美国CERTS最早提出了微电网的概念,并且是众多微电网概念中最权威的一个。美国CERTS提出的微电网主要由基于电力电子技术且容量小于等于500KW的小型微电源与负荷构成,并引人了基于电力电子技术的控制方法。电力电子技术是美国CERTS微电网实现智能、灵活控制的重要支撑,美国CERTS微电网正是基于此形成了“即插即用”plugandplay与“对等”(peerandpeer)的控制思想和设计理念。美国CERTS对其微电网的主要思想及关键问题进行了描述和总结,系统地概括了美国CERTS微电网的定义、结构、控制、保护及效益分析等一系列问题。目前,美国CERTS微电网的初步理论研究成果已在实验室微电网平台上得到了成功检验。由美国北部电力系统承建的MadRiver微电网是美国第一个微电网示范工程,学者们希望通过该工程进一步加深对微电网的理解,检验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,并初步形成关于微电网的管理政策和法规等,为将来的微电网工程建立框架。美国的微电网工程得到了美国能源部的高度重视。2003年布什总统提出了“电网现代化gridmodernization”的目标指出要将信息技术、通信技术等广泛引入电力系统实现电网的智能化。在最后出台的“Grid2030”发展战略中美国能源部制定了美国电力系统未来几十年的研究与发展规划微电网是其重要组成部分之一。在2006年的美国微电网会议上,美国能源部对其今后的微电网发展计划进行了详细剖析.从美国电网现代化角度来看,提高重要负荷的供电可靠性、满足用户定制的多种电能质量需求、降低成本、实现智能化将是美国微电网的发展重点。CERTS微电网中电力电子装置与众多新能源的使用与控制,为可再生能源潜能的充分发挥及稳定、控制等问题的解决提供了新的思路。2.微电网在日本的发展日本立足于国内能源日益紧缺、负荷日益增长的现实背景,也展开了微电网研究,但其发展目标主要定位于能源供给多样化、减少污染、满足用户的个性化电力需求。对于微电网的定义,日本三菱公司将微电网从规模上分为三类,具体如表1所示。表1.三菱公司对微电网的分类从表中可看出,以传统电源供电的独立电力系统也被归人微电网研究范畴,大大扩展了美国CERTS对微电网的定义范围。基于该框架,目前日本已在其国内建立了多个微电网工程。此外,日本学者还提出了灵活可靠性和智能能量供给系统FRIENDS-----flexiblereliabilityandintelligentelectricalenergydeliverysystem,其主要思想是在配电网中加人一些灵活交流输电系统(FACTS)装置,利用FACTS控制器快速、灵活的控制性能,实现对配电网能源结构的优化,并满足用户的多种电能质量需求。目前,日本已将该系统作为其微电网的重要实现形式之一。多年来,新能源利用一直是日本的发展重点。为此,日本还专门成立了新能与工业技术发展组织(NEDO)统一协调国内高校、企业与国家重点实验室对新能源及其应用的研究。NEDO在微电网研究方面已取得了很多成果。日本对微电网定义的拓宽以及在此基础上所进行的控制、能源利用等研究,为小型配电系统及基于传统电源的较大规模独立系统提供了广阔的发展空间。3.微电网在欧洲以及其它各国的发展电力市场需求、电能安全供给及环保等角度出发,欧洲于2005年提出“聪明电网”计划,并在2006年出台该计划的技术实现方略。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需具备以下特点a灵活性。在适应未来电网变化与挑战的同时,满足用户多样化的电力需求。b可接人性。使所有用户都可接人电网,尤其是推广用户对可再生、高效、清洁能源的利用。c可靠性。提高电力供应的可靠性与安全性以满足数字化时代的电力需求。d经济性。通过技术创新、能源有效管理、有序市场竞争及相关政策等提高电网的经济效益。基于上述特点,欧洲提出要充分利用分布式能源、智能技术、先进电力电子技术等实现集中供电与分布式发电的高效紧密结合,并积极鼓励社会各界广泛参与电力市场,共同推进电网发展。微电网以其智能性、能量利用多元化等特点也成为欧洲未来电网的重要组成。欧盟资助的第6个框架计划2002年-2006年名为“AdvancedArchitecturesandControlConceptsforMOREMICROGRIDS”的项目，对微电网的设计进行进一步细化。要求微电网具有灵活可变的多种拓扑连接方式，以适应在多种运行状态下可靠性、经济性和供电电能质量的综合最优]。目前,欧洲已初步形成了微电网的运行、控制、保护、安全及通信等理论，并在实验室微电网平台上对这些理论进行了验证。其后续任务将集中于研究更加先进的控制策略、制定相应的标准、建立示范工程等为分布式电源与可再生能源的大规模接人及传统电网向智能电网的初步过渡做积极准备。除美国、日本、欧洲外加拿大、澳大利亚等国也展开了微电网研究。从各国对未来电网的发展战略和对微电网技术的研究与应用中可清楚看出,微电网的形成与发展绝不是对传统集中式、大规模电网的革命与挑战而是代表着电力行业服务意识、能源利用意识、环保意识的一种提高与改变。微电网是未来电网实现高效、环保、优质供电的一个重要手段,是对大电网的有益补。下表2是国外几家实验室的微电网研究对比。表2.微电网研究对比4.微电网在我国的发展分布式发电在电力系统中所古的份额还比较小但是随着电力负荷的快速增长，电力市场的推行，以及分布式发电技术和电力电子技术的发展，分布式发电在未来十年内将会有实质性的发展，主要体现在以下几个方面：a为城市配电网的工业、商业、企事业以及居民等用户提供电力主要发电形式为小型燃气轮机、燃料电池以及太阳能发电等。b为农业、山区、牧区以及偏远用户提供电力主要发电形式为小型燃气轮机、风力发电、化学能发电以及太阳能发电等。c用于能源的综合利用在城市主要表现在为居民小区、商用楼宇等提供制冷、供热以及供电等综合的能源解决方案;在农村主要表现在为住户实现废物处理利用、供气以及供电等生态能源循环体系的建立。d利用分布式发电启动快、分布广、发电调节容易等特点，为电力系统的紧急控制提供后备容量以及事故后的支撑点和启动点，通过分布式电源与大电网的相互补充、协调能够有效地提高系统的鲁棒性。中国尚未提出明确的微电网概念,但微电网的特点适应中国电力发展的需求与方向,在中国有着广阔的发展前景,具体体现在a微电网是中国发展可再生能源的有效形式。“十一五”规划已将积极推动和鼓励可再生能源的发展作为中国的重点发展战略之一。一方面充分利用可再生能源发电对于中国调整能源结构、保护环境、开发西部、解决农村用能及边远区用电、进行生态建设等均具有重要意义另一方面,中国可再生能源的发展潜力十分巨大。据专家估计,中国新能源和可再生能源的可获得量是每年7.3×102标准煤,而现在的每年开发量不足4×107标准煤。中国制定的2020年可再生能源发展目标也已将可再生能源发电的装机容量定位为100GW。然而,可再生能源容量小、功率不稳定、独立向负荷提供可靠供电的能力不强以及对电网造成波动、影响系统安全稳定的缺点将是其发展中的极大障碍。如前所述,若能将负荷点附近的分布式能源发电技术、储能及电力电子控制技术等很好地结合起来构成微电网,则可再生能源将充分发挥其重要潜力。例如,对于中国未通电的偏远地区,充分利用当地风能、太阳能等新能源,设计合理的微电网结构,实现微电网供电,将是发挥中国资源优势、加快电力建设的重要举措。日本已对中国多个偏远地区和较发达市区利用新能源发展的潜力与效益进行了分析,并已在中国新疆维吾尔自治区建设了微电网工程。中国也应尽快加紧在这方面的研究与开发。b微电网在提高中国电网的供电可靠性、改善电能质量方面具有重要作用。中国的经济已进人数字化时代,优质、可靠的电力供应是经济高速发展的重要保障。在大电网的脆弱性日益凸显的情况下,将地理位置接近的重要负荷组成微电网,设计合适的电路结构和控制,为这些负荷提供优质、可靠的电力，不仅可省去提高整体可靠性与电能质量所带来的不必要成本还可减少这些重要负荷的停电经济损失，吸引更多的高新技术在中国发展。c微电网对于在中国发展热电联供有极大的指导意义。目前，中国已建立了许多热电联供项目而微电网研究中心的资源配置与经济化思想非常值得借鉴。如何就近选择合适容量的热力用户与电力用户组成微电网并进行最佳的发电技术组合，对于中国提高能源利用效率、优化能源结构、减少环境污染等具有重要意义。d微电网与大电网间灵活的并列运行方式可使微电网起到削峰填谷的作用从而使整个电网的发电设备得以充分利用，实现经济运行。此外，