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什么是微電網?

  1.微電網背景

 

  今天的電網架構和它一百多年前誕生之初并沒有什么本質的不同。它的設計基于集中式結構,幾個大型的發電廠生產電力,再通過電網輸送到幾百數千公里外的用戶側。

 

   盡管有成熟的電力技術、復雜的網狀拓撲結構和備用設備作為保障,這種集中式的電網結構在系統的靈活性和可靠性方面還是有所不足。在集中式的電網結構中,監測和控制調節系統在配電網層面相對較為薄弱,更何況在單個用戶的層面,所以這種中心網絡模型從根本上來說缺少必要的對于用戶側的智能控制和管理能力。 

其次,發電側和用電側的變化也給電網帶來了巨大的挑戰,例如新能源的大規模并網,電動汽車,直流電源或負載等,這些因素在當初電網設計的時候沒有得到充分的考慮,其引發的不良后果已經顯現。以美國電力市場為例,如果僅僅在現有電網的基礎上大規模并入綠電,網絡擁塞是一個大問題,會導致某些區域市場的邊際價格驟然增高,從而阻礙了風電、家用光伏等新能源的進一步并網。

再者,對于如此復雜龐大的電網,需要承擔高額的運行和維護費用,尤其是在電網基礎設施老化的情況下。電網老化主要體現在四個方面:電器設備老化(例如美國有超過50%的變電所變壓器運行時間超過35)系統布局老舊,施工管理過時,陳舊的問題解決方案。 

對于以上問題,小型分布式發電并入電網是一個解決方案。事實上,這并不是它第一次出現在公眾的視野。19世紀末期電氣化的初始階段,愛迪生提出了建設小型直流電網的概念,但是由于當時的技術難以實現,特斯拉的交流電網最終勝出,廣為流傳。現在微電網的回歸,相較于當年愛迪生的版本,運行靈活性、效率和可靠性都有顯著的提升,同時初投資和運行費用也降低了不少。此外,還增加了之前設計所不具有的技術,例如:電力電子接口,儲能設備,需求側管理以及智能控制。其中,電力電子技術可以說是現代微網的關鍵實現技術。

 

2.微電網的基本組成

 

    微電網是指由分布式電源、用電負荷、配電設施、監控和保護裝置等組成的小型發配用電系統(必要時含儲能裝置)。分為并網型微電網和獨立型微電網,可實現自我控制和自治管理。并網型微電網既可以與外部電網并網運行,也可以離網獨立運行;獨立型微電網不與外部電網連接,電力電量自我平衡。根據建設目的和經濟環境的不同,微網的形狀結構可能各不相同,但是它們的技術架構大體類似。下面簡要探討下微網的基本組成。

     電源:在所有微電網系統中,最基本的組成部分是電源。電源要滿足微網內負荷的需求,例如容量,以及其他技術層面、經濟層面的種種考慮。其中,分布式光伏受到廣泛關注。尤其是近年來光伏電池模塊價格的下降,讓基于分布式光伏的微網的經濟可行性上升。

    對于位于偏遠地區的基于光伏的微網來說,挑戰主要來自系統的維護和儲能系統的要求。一方面,當暴露在高溫高濕的環境中時,光伏電池的性能會下降。另一方面,由于能量來源(太陽光)具有間斷性,儲能設備便必不可少,而它的投資占系統支出的很大一部分,對系統經濟性影響較大,并且光伏電池裝機容量越大,儲能系統容量也要相應增大。 

    除了分布式光伏,常見的能量來源還包括:分布式風能,燃料電池微型渦輪機往復式內燃機,以及其他分布式發電技術(小型水電,小型潮汐發電,小型波浪發電,地熱發電,分布式核能發電等)

 電力管理系統

電力管理系統主要負責電力從電源輸送到用電設備。具體功能包括:一是,將電源處各形式的電能轉換成符合出所需要的形式,例如使用逆變器將光伏產生的直流電轉換成通常負荷所需要的50Hz交流電。二是,作為儲能設備的界面,來使微網內的電力供需達到平衡。現代微網通常融入了軟件和控制系統,例如智能電表,從而實現微網的高效和穩定運行。

 儲能系統:

儲能系統對微網的重要性不言而喻。它可以讓微網實現內部的電力供需平衡,從而維持電壓和頻率的穩定。也可保證用戶的用電需求隨時能得到滿足。微網系統中常見的儲能設備為:電池,燃料電池+電解池,超級電容以及飛輪等。

 用電設備:

微網中用電設備的電力來源是系統中全部的發電和儲能設備。綜合考量用電設備是很有必要的,因為它們決定了用電負荷在微網中的位置,相應地也會影響發電裝機容量以及對儲能系統的要求。例如,對一個基于分布式光伏發電的微網來說,為手機充電的負荷對系統影響微乎其微,而開啟電冰箱這樣的有長期穩定的用電設備則對系統管理用電負荷帶來了一定的困難。

 對外連接:

微網通常與大電網相連,從而實現之間的電力交換。這種類型的微電網在校園和醫院中十分常見。此外,電網的發展趨勢之一是使用先進的監測和控制系統,將很多個微電網連接起來。

 3.微電網的作用

 (1)就近消納,提高能源效率。微電網內部的電來自于天然氣、光伏及風電等分布式能源。在西北之類風光資源充足的地方,修建大型風電場、光伏電站,用戶(工業園區、商業區、學校、醫院甚至大型的地產項目)在接入小型的風機、光伏、儲能、燃氣輪機等電源設備時,就能使電能就近消納,省去了在電網中傳輸的損耗,提高了能源的使用效率。 

(2)單點連接,減少對大電網沖擊。微電網與電網系統之間電能交流,是通過微電網與電網系統的公共連接點連接,避免了多個分布式電源與電網系統直接連接。微電網主要用于區域內部的供電,不向外輸送或輸送很小的功率,對電網系統的影響可以忽略不計。

(3)提高供電可靠性,解決電能需求。微電網采用先進的控制方式以及大量電力電子裝置,將分布式電源、儲能裝置、可控負荷連接在一起,使得它對于電網系統成為一個可控負荷,并且可以施行并網和獨立兩種運行方式,充分維護了微電網和大電網的安全穩定運行。

4.微電網如何運行?

 微電網存在兩種典型的運行模式:正常情況下微電網與常規配電網并網運行,稱為聯網模式;當檢測到電網故障或電能質量不滿足要求時,微電網將及時與電網斷開而獨立運行,稱為孤島模式。兩者之間的切換必須平滑而快速。微電網相對于外部大電網表現為單一的受控單元,并可同時滿足用戶對電能質量和供電安全等方面的要求。微電網內部的電源主要由電力電子器件負責能量的轉換,并提供必要的控制。

(1)并網運行

 

 

    并網運行就是微電網與公用大電網相連,微網斷路器閉合,與主網配電系統進行電能交換。光伏系統并網發電。儲能系統可進行并網模式下的充電與放電操作。并網運行時可通過控制裝置轉換到離網運行模式。

 (2)離網運行

離網運行也稱孤島運行,是指在電網故障或計劃需要時,與主網配電系統斷開,DG、儲能裝置和負荷構成的運行方式。儲能變流器PCS工作于離網運行模式為微網負荷繼續供電,光伏系統因母線恢復供電而繼續發電,儲能系統通常只向負載供電。

 5.微電網核心技術

 目前,有三種比較常見的微電網控制方式:

(1)基于電力電子技術等概念的控制方法。該方法根據微電網的控制要求與發電機的下垂特性將不平衡功率動態分配給各機組承擔,具有簡單、可靠、易于實現的優點。

(2)基于能量管理系統的控制。該方法采用不同的控制模塊分別對有功和無功進行控制,很好地滿足了微電網的多種控制要求,此外該方法針對微電網中對無功的不同需求,功率管理系統采用了不同的控制方法從而提高了控制性能。

 (3)基于多代理技術的微電網控制。該方法將計算機領域的多代理技術應用到微電網,代理的自治性、自發性等特點能夠很好地適應和滿足微電網分散控制的要求。

    微電網的保護方法與傳統配電網的保護方法不同,主要是微電網的多電源特性,使得兩者區別很大。主要難點在潮流的雙向流動、并網和孤立運行時短路容量的變化方面。因此,傳統配電網在低壓側集中無功補償的方法已經不適合微電網。

     大部分的新能源發電技術所發出的電能在頻率和電壓水平不能滿足現有互聯電網的要求,因此無法直接接入電網,需通過電力電子設備才能接入。為此要大力加強對電力電子技術的研究,研制一些新型的電力電子設備作為配套設施,如并網逆變器、靜態開關和電能控制裝置

6.微電網與售電

20174月,中國國電集團所屬龍源電力集團股份有限公司承建的吐魯番新能源城市微電網示范項目獲得售電許可,成為我國首個獲得電力業務許可證(供電類)的微電網。

   據電力有關負責人介紹,吐魯番新能源城市微電網是我國首個微電網示范項目,2013年底建成投產。項目在293棟居民樓頂建設屋頂光伏8.7瓦,同期建設110千伏開關站及監控中心、11兆瓦儲能裝置、1座公交充電站等,通過微電網系統向區域內5700多戶居民及機關事業單位、商業用戶、地緣熱泵等用戶供電。

 該項目實行“自發自用、余量上網、電網調劑”的運營機制,項目公司在微電網區域內具有經營權、管理權和售電權。電力業務許可證的取得,標志著負責該項目的龍源吐魯番新能源有限公司順利取得配售電業務資質,成為擁有配電網運營權的售電公司。

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