智能微網(wǎng)在分布式能源接入中的作用與挑戰(zhàn)

2017-10-30 09:07:44 分布式能源　點擊量：評論 (0)

1智能微網(wǎng)的概念及其在分布式能源接入中的作用隨著經(jīng)濟和社會發(fā)展對能源需求的不斷增長，分布式可再生能源發(fā)電由于靠近用戶側(cè)直接供能且便于實現(xiàn)多種能源形式的互補而越來越受到重視。但一方面，分布式可再生能源

2.3日本的微網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

日本是亞洲研究和建設(shè)微網(wǎng)較早的國家，由于日本本土資源匱乏，能源緊缺，其對可再生能源的重視程度高于其他國家。自2003年開始，日本新能源與工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織（NEDO）就協(xié)調(diào)高校、科研機構(gòu)和企業(yè)先后在八戶市、愛知縣、京都市和仙臺市等地區(qū)建設(shè)了微網(wǎng)示范工程，研究、驗證了一批微網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)微網(wǎng)發(fā)展和建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)。

日本擁有全球最多的海島獨立電網(wǎng)，因此發(fā)展集成可再生能源的海島微網(wǎng)，替代成本高昂、污染嚴重的內(nèi)燃機發(fā)電是日本微網(wǎng)發(fā)展的重要方向和特點。日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省資源能源廳于2009年啟動了島嶼新能源獨立電網(wǎng)實證項目，通過提供政府財政補貼，委托九州電力公司和沖繩電力公司在鹿兒島縣和沖繩縣地區(qū)的10個海島上完成了海島獨立電網(wǎng)示范工程的建設(shè)，包括由東芝集團負責建設(shè)的宮古島大型海島電網(wǎng)和由富士電機株式會社負責建設(shè)的9個中小型海島微網(wǎng)。

日本在微網(wǎng)方面的研究更注重可再生能源的控制與電儲能，主要著眼于能源供給多樣化、滿足用戶的個性化電力需求和減少對環(huán)境的污染，同時注重微網(wǎng)與傳統(tǒng)配電網(wǎng)的融合，為微網(wǎng)的大規(guī)模發(fā)展提供了廣闊的空間。

2.4我國微網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

結(jié)合目前我國正處在工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的進程中，能源需求持續(xù)增長，能源對外依存度高，環(huán)境治理壓力大的國情，大力發(fā)展可再生能源和微網(wǎng)有利于解決資源和環(huán)境的雙重壓力。在《中華人民共和國可再生能源法》等一系列國家政策法規(guī)的鼓勵引導(dǎo)下，在國家科技部“973”項目、“863”項目及國家自然科學(xué)基金等資金支持下，國內(nèi)眾多高校、科研機構(gòu)和企業(yè)投入到可再生能源和微電網(wǎng)的研究開發(fā)和應(yīng)用實踐中，在理論研究、實驗室建設(shè)和示范工程建設(shè)方面取得了一系列的成果，建成了一批微網(wǎng)示范工程。我國的微網(wǎng)研究以提高分布式能源利用效率和電網(wǎng)接納能力為目標，充分利用分散型能源，結(jié)合終端用戶電能質(zhì)量管理和能源梯級利用技術(shù)形成的小型模塊化、分散式的供能系統(tǒng)。我國微網(wǎng)示范工程大致可分為三類：邊遠地區(qū)微網(wǎng)、海島微網(wǎng)和城市微網(wǎng)。

（1）邊遠地區(qū)微網(wǎng)。我國邊遠地區(qū)人口密度低、生態(tài)環(huán)境脆弱，擴展傳統(tǒng)電網(wǎng)成本高，采用化石燃料發(fā)電對環(huán)境的損害大。但邊遠地區(qū)風、光等可再生能源豐富，因此利用本地可再生分布式能源的獨立微網(wǎng)是解決我國邊遠地區(qū)供電問題的合適方案。目前我國已在西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古等省的邊遠地區(qū)建設(shè)了一批微網(wǎng)工程，解決當?shù)氐墓╇娎щy。

（2）海島微網(wǎng)。考慮到向海島運輸柴油的高成本和困難性以及海島所具有的豐富可再生能源，利用海島可再生分布式能源、建設(shè)海島微網(wǎng)是解決我國海島供電問題的優(yōu)選方案。從更大的視角看，建設(shè)海島微網(wǎng)符合我國的海洋大國戰(zhàn)略，是我國研究海洋、開發(fā)海洋、走向海洋的重要一步。

（3）城市微網(wǎng)。我國還有許多城市微網(wǎng)示范工程，重點示范目標包括集成可再生分布式能源、提供高質(zhì)量及多樣性的供電可靠性服務(wù)、冷熱電綜合利用等。另外還有一些發(fā)揮特殊作用的微網(wǎng)示范工程，例如江蘇大豐的海水淡化微網(wǎng)項目。

值得指出的是，我國目前的微網(wǎng)發(fā)展重點關(guān)注新技術(shù)的探索和應(yīng)用，對于微網(wǎng)的運營模式、市場推廣機制、引導(dǎo)推動政策等方面的研究還比較少，而這些正在成為微網(wǎng)技術(shù)獲得廣泛推廣應(yīng)用的瓶頸。

3基于分布式可再生能源接入的智能微網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及挑戰(zhàn)

微網(wǎng)的最終目標是實現(xiàn)各種分布式能源的無縫接入并發(fā)揮其最大潛力。要實現(xiàn)這一目標需要很好地解決與微網(wǎng)相關(guān)的一系列關(guān)鍵技術(shù)，包括：規(guī)劃設(shè)計、控制與保護、電能質(zhì)量監(jiān)測與治理、能量優(yōu)化管理、能源系統(tǒng)信息-物理融合、智能化接入與需求互動響應(yīng)、直流微網(wǎng)及多微網(wǎng)間直流互聯(lián)等各個方面。

3.1微網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計

微網(wǎng)規(guī)劃的目標是在滿足用戶對電、熱、冷用能需求的前提下，合理地利用能源，特別是盡可能利用風、光等可再生能源，獲得最佳的投資效益，保證微網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟運行等。要實現(xiàn)含分布式可再生能源的微網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計，需要綜合考慮多方面因素，尤其是：

（1）需要考慮微網(wǎng)中能源結(jié)構(gòu)和運行方式，包括分布式可再生能源的電、熱、冷生產(chǎn)靈活匹配與協(xié)調(diào)運行。

（2）需要考慮可再生能源波動性和間歇性，合理預(yù)測可再生能源生產(chǎn)，并規(guī)劃能源互補能力及微網(wǎng)獨立運行能力的保障等問題。

3.2微網(wǎng)運行控制與保護

實現(xiàn)微網(wǎng)與大電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運行控制以及對大電網(wǎng)安全穩(wěn)定的支撐，是微網(wǎng)區(qū)別于一般分布式可再生能源并網(wǎng)的重要技術(shù)特征。相對于常規(guī)電力系統(tǒng)而言，一方面，分布式可再生能源容量一般不大，采用電力電子裝置的逆變方式并網(wǎng)，自身運行亦不穩(wěn)定；另一方面，微網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備種類繁多，各類可再生能源運行特性不一、控制方式不同，導(dǎo)致微網(wǎng)的運行控制與保護問題比較復(fù)雜。

（1）電壓和頻率的穩(wěn)定控制。可再生能源的并/離網(wǎng)、波動等都會造成微網(wǎng)電壓波動，同時可再生能源大多為電力電子裝置并網(wǎng)，導(dǎo)致系統(tǒng)慣性小，離網(wǎng)獨立運行模式下頻率變化迅速，因此如何保證系統(tǒng)在不同運行模式下電壓和頻率的穩(wěn)定控制是微網(wǎng)內(nèi)分布式電源協(xié)調(diào)運行控制的首要關(guān)鍵技術(shù)。

（2）故障下的運行模式無縫切換。部分微網(wǎng)具有聯(lián)網(wǎng)運行和獨立運行兩種模式，需要重點解決在多類型分布式可再生能源接入下微網(wǎng)的故障快速檢測、基于內(nèi)外部故障信息的微網(wǎng)自動解列和無縫切換、微網(wǎng)再并網(wǎng)自同期技術(shù)。

（3）控制保護架構(gòu)。目前國內(nèi)外針對微網(wǎng)的控制保護架構(gòu)提出了三種模式：對等控制模式、主從控制模式和基于多Agent代理的分層控制模式。現(xiàn)有的分布式可再生能源如光伏、風電等并網(wǎng)逆變器產(chǎn)品及相關(guān)技術(shù)尚不足以滿足微網(wǎng)可靠靈活運行的要求，還需要更加具有針對性的研究和開發(fā)工作。

3.3微網(wǎng)的電能質(zhì)量監(jiān)測與治理

在微網(wǎng)中，間歇式電源的頻繁啟停和功率輸出的變化，會給用戶帶來電壓波動、閃變等電能質(zhì)量問題；微網(wǎng)內(nèi)的電源往往采用電力電子技術(shù)，會產(chǎn)生諧波污染；單相分布式電源和單相負荷的存在，增加了系統(tǒng)的三相不平衡水平。

目前用于治理微網(wǎng)電能質(zhì)量的技術(shù)包括無源濾波器、靜止無功補償裝置（SVC）等，隨著高性能電力電子元件的出現(xiàn)以及微處理技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，滿足用戶定制電力需求的電能質(zhì)量治理技術(shù)還需要進一步發(fā)展。

3.4微網(wǎng)能量優(yōu)化管理

微網(wǎng)集成了多種能源輸入（太陽能、風能、生物質(zhì)能等）、多種產(chǎn)品輸出（冷、熱、電等）、多種能源轉(zhuǎn)換單元（燃料電池、微型燃氣輪機、儲能系統(tǒng)等），微網(wǎng)內(nèi)能量的不確定性和時變性更強，需要全面利用各種控制和調(diào)節(jié)手段，實現(xiàn)對微網(wǎng)內(nèi)能量管理與經(jīng)濟調(diào)度，提高微網(wǎng)整體運行效率。

微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)主要有集中調(diào)度和分散控制兩種模式。集中調(diào)度模式由上層中央能量管理系統(tǒng)和底層分布式電源、負荷等就地設(shè)備控制器組成，兩層之間要求雙向通訊。分散控制模式中，微網(wǎng)內(nèi)能量優(yōu)化的任務(wù)主要由分散的設(shè)備層控制器完成，每個設(shè)備層控制器的主要功能并不是最大化該設(shè)備的使用效率，而是與微網(wǎng)內(nèi)其他設(shè)備協(xié)同工作，以提高整個微網(wǎng)的效能。集中調(diào)度模式技術(shù)上相對成熟，目前應(yīng)用得也較為廣泛，但距離真正實現(xiàn)微網(wǎng)運行的優(yōu)化還有很大的挖掘潛力。

3.5微網(wǎng)能源系統(tǒng)的信息-物理融合

目前的分布式能源系統(tǒng)只是一個單一的能源生產(chǎn)系統(tǒng)，遠遠不能滿足當下對物理設(shè)備可控制、可交互、可通信、可擴展等眾多應(yīng)用需求。尤其是微網(wǎng)中包含大量的太陽能發(fā)電、風力發(fā)電等可再生能源，使得其在電源側(cè)和負荷側(cè)的隨機性、間歇性、波動性都遠遠大于傳統(tǒng)配電網(wǎng)，傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)缺乏系統(tǒng)的感知能力且信息共享能力差，運行控制實時性也很難滿足需要。因此，在環(huán)境感知基礎(chǔ)上，將信息與計算嵌入微網(wǎng)能源，實現(xiàn)人、機、物互聯(lián)互通與深度融合是微網(wǎng)能源系統(tǒng)的發(fā)展方向，而信息-物理融合系統(tǒng)（Cyber-PhysicalSystem,CPS）是其中最為關(guān)鍵的技術(shù)體系。信息-物理融合系統(tǒng)是一個綜合計算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，核心概念是“3C”（Computation、Communication、Control），即將計算進程與物理進程良好地結(jié)合到一起，通過人機交互接口來實現(xiàn)與物理進程的交互，使用傳感器網(wǎng)絡(luò)以實時、可靠、遠程、安全的方式監(jiān)控一個物理實體的具體動作行為。

在信息物理融合系統(tǒng)的帶動下，未來的微網(wǎng)將是一個綜合計算、網(wǎng)絡(luò)、能源和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過計算、通信、控制技術(shù)的有機融合與深度協(xié)作，實現(xiàn)用戶側(cè)分布式能源系統(tǒng)及微網(wǎng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)。

3.6微網(wǎng)智能化接入電網(wǎng)及需求互動響應(yīng)

開放互動是智能電網(wǎng)的重要特征之一，通過構(gòu)建開放統(tǒng)一、競爭有序的電力市場體系，實現(xiàn)信息和電能雙向互動，可以為用戶提供參與多種類型互動的供用電新模式。智能電網(wǎng)與用戶之間的互動主要方式之一是通過部署各類需求響應(yīng)（DemandResponse,DR）項目來實現(xiàn)。需求側(cè)響應(yīng)作為用電環(huán)節(jié)與其他各環(huán)節(jié)實現(xiàn)協(xié)調(diào)發(fā)展、友好交互的關(guān)鍵支撐手段和重要方式，一方面能夠使用戶參與電網(wǎng)優(yōu)化運行和優(yōu)化能源配置，另一方面可以滿足用戶多樣化的電力需求，提高用戶體驗。微網(wǎng)具有單獨的能量管理系統(tǒng)，可以作為一個整體組織內(nèi)部電力生產(chǎn)、傳輸、交易，因此微網(wǎng)的能力并不僅僅限于集成分布式能源和并網(wǎng)等功能，其一方面能夠更好地自動化和智能化組織分布式能源以微網(wǎng)形式參與需求互動，另一方面能夠為用戶提供更加智能化的能源-用戶服務(wù)。

3.7直流微網(wǎng)及多微網(wǎng)間直流互聯(lián)

為與目前交流電網(wǎng)相適應(yīng)，目前微網(wǎng)主要是交流供電方式，但是光伏等分布式能源大部分為直流形式，需要通過DC/AC變換環(huán)節(jié)接入交流微網(wǎng)，同時配電網(wǎng)中的電動汽車、LED照明、大量各類電子設(shè)備等直流負荷也逐漸占越來越大的比重。當采用直流微網(wǎng)集成可再生能源能源等分布式發(fā)電系統(tǒng)時，能夠通過AC/DC或者DC/DC接入直流母線，與交流微網(wǎng)相比使得分布式發(fā)電單元更易于接入系統(tǒng)，不僅能夠減小能量轉(zhuǎn)換次數(shù)，而且降低了成本、提高效率。

除此之外，采用直流微網(wǎng)集成可再生能源分布式發(fā)電單元具有無需考慮頻率、相位、集膚效應(yīng)以及無功補償設(shè)備等優(yōu)勢，而且控制結(jié)構(gòu)更加簡單。因此直流微網(wǎng)集成可再生能源的新型解決方案具有著重要的現(xiàn)實意義和廣泛應(yīng)用前景。

其關(guān)鍵技術(shù)主要包括：（1）可再生能源及儲能系統(tǒng)直流并網(wǎng)變換器技術(shù)；（2）直流微網(wǎng)的運行控制和能量管理技術(shù)；（3）直流微網(wǎng)的故障保護技術(shù)；（4）微網(wǎng)多端直流互聯(lián)技術(shù)。