智能配电分布式电源并网智能电网区别于传统电网的一个根本特征是支持分布式电源(DistributedEnergyResources,DER)的大量接入。满足DER并网的需要,是智能电网提出并获得迅速发展的根本原因。本讲介绍分布式电源的基本概念及其并网技术,作为读者学习、了解智能电网技术的基础知识。
1分布式电源的概念
分布式电源指小型(容量一般小于50MW)、向当地负荷供电、可直接连到配电网上的电源装置。它包括分布式发电装置与分布式储能装置。
分布式发电(DistributedGeneration,DG)装置根据使用技术的不同,可分为热电冷联产发电、内燃机组发电、燃气轮机发电、小型水力发电、风力发电、太阳能光伏发电、燃料电池等;根据所使用的能源类型,DG可分为化石能源(煤炭、石油、天然气)发电与可再生能源(风力、太阳能、潮汐、生物质、小水电等)发电两种形式。分布式储能(DistributedEnergyStorage,DES)装置是指模块化、可快速组装、接在配电网上的能量存储与转换装置。根据储能形式的不同,DES可分为电化学储能(如蓄电池储能装置)、电磁储能(如超导储能和超级电容器储能等)、机械储能装置(如飞轮储能和压缩空气储能等),热能储能装置等。此外,近年来发展很快的电动汽车亦可在配电网需要时向其送电,因此也是一种DES。
2分布式电源的发展
2.1分布式发电技术的发展
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。引起这一变化的原因主要有以下几个方面。
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[FS:PAGE]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。
2.2分布式储能技术的发展
能量储存是电力系统调峰的有效手段,作为一种成熟的储能技术,抽水蓄能电站获得了大量应用。近年来,作为补偿DG输出间歇性、波动性的有效手段,分布式储能技术受到了人们的重视。
蓄电池是一种传统储能技术。钠硫电池具有大容量、高效率、结构紧凑、易扩展、对环境影响小等优点,技术进一步成熟后可用于城市电网和可再生能源发电补偿。超级电容器容量大、使用寿命长、环保,目前已有市场化应用。2005年,美国加利福尼亚州建造了一台450kW的超级电容器储能装置,用以减轻950kW风力发电机组向电网输送功率的波动。飞轮储能效率高、寿命长,德国、美国等都在投资研制用于电网调峰的飞轮储能装置。超导磁能储能具有效率高、响应快等优点,目前已在风力发电系统中得到了应用。
总体来说,分布式储能技术还在发展之中,还没有实现大规模产业化,需要国家在政策上给于引导和扶持。
3分布式电源并网对配电网的影响
3.1分布式电源并网的作用
分布式发电装置并网后会给配电网带来一系列积极的影响。
1)提高供电可靠性。DER可以弥补大电网在安全稳定性上的不足。含DER的微电网可以在大电网停电时维持全部或部分重要用户的供电,避免大面积停电带来的严重后果。
2)提高电网的防灾害水平。灾害期间,DER可维持部分重要负荷的供电,减少灾害损失。
3)DER启停方便,调峰性能好,有利于平衡负荷。
4)DER投资小、见效快。发展DG可以减少、延缓对大型常规发电厂与输配电系统的投资,降低投资风险。
5)可以满足特殊场合的用电需求。如用于大电网不易达到的偏远地区的供电;在重要集会或庆典上,DER处于热备用状态可作为移动应急发电。
6)减少传输损耗。DER就近向用电设备供电,避免输电网长距离送电的电能传输损耗。
分布式储能装置并网后,可在负荷低谷时从电网上获取电能,而在负荷高峰时向电网送电,起到对负荷削峰填谷的作用,提高电网运行效率。其另一个重要作用,是与风能、太阳能等可再生能源发电装置配合使用,可就地补偿可再生能源发电装置功率输出的间歇性。
3.2分布式电源并网带来的技术问题
DER的大量接入改变了传统配电网功率单向流动的状况,这给配电网带来一系列新的技术问题。
1)电压调整问题。配电线路中接入DER,将引起电压分布的变化。由于配电网调度人员难以掌握DER的投入、退出时间以及发出的有功功率与无功功率的变化,使配电线路的电压调整控制十分困难。
2)继电保护问题。DER的并网会改变配电网原来故障时短路电流水平并影响电压与短路电流的分布,对继电保护系统带来影响:
(1)引起保护拒动。DER对保护动作的影响如图1所示。如果一个DER接在线路的M处,当线路末端k处发生短路故障时,它向故障点送出短路电流并抬高M处的电压,因此使母线处保护R检测到的短路电流减少,从而降低保护动作的灵敏度,严重时会引起保护拒动。
(2)引起配电网保护误动。在相邻线路发生短路故障时,DER提供的反[FS:PAGE]向短路电流可能使保护误动作。
(3)影响重合闸的成功率。在线路发生故障时,如果在主系统侧断路器跳开时DER继续给线路供电,会影响故障电弧的熄灭,造成重合闸不成功。如果在重合闸时,DER仍然没有解列,则会造成非同期合闸,由此引起的冲击电流使重合闸失败,并给分布式发电设备带来危害。
(4)影响备用电源自投。如果在主系统供电中断时,DER继续给失去系统供电的母线供电,则由于母线电压继续存在,会影响备用电源自投装置的正确动作。
3)对短路电流水平的影响。直接并网的发电机都会增加配电网的短路电流水平,因此提高了对配电网断路器遮断容量的要求。
4)对配电网供电质量的影响。风力发电、太阳能光伏发电输出的电能具有间歇性特点,会引起电压波动。通过逆变器并网的DER,不可避免地会向电网注入谐波电流,导致电压波形出现畸变。
3.3分布式电源并网对配电网运行管理的影响
1)DER的接入,会增加配电网调度与运行管理的复杂性。风力发电、太阳能光伏发电等输出的电能具有很大的随机性,而用户自备DER一般是根据用户自身需要安排机组的投切;这一切给合理地安排配电网运行方式、确定最优网络运行结构带来困难。
2)DER的接入,给配电网的施工与检修维护带来了影响。由于难以对众多的DER进行控制,停电检修计划安排的难度增加,配电网施工安全风险加大。
3.4分布式电源对配电网规划建设与经营的影响
DER的大量应用,给配电网的规划建设与经营带来了新挑战。
1)对配电网规划设计、负荷预测的影响。由于大量的用户安装DER为其提供电能,使得配电网规划人员难以准确地进行负荷预测,进而影响配电网规划的合理性。
2)分布式发电并网的经济问题。由于DER的接入,特别是对于自备DER的用户,为保证其自备DER停运时仍能正常用电,供电企业需要为其提供一定的备用容量,这就增加了供电企业的设备投资与运行成本,这些费用理应有一部分由DER业主来分担。因此,需要完善电价政策,合理地调整供电企业与DER业主的利益。
4分布式电源并网技术
4.1分布式电源并网基本技术要求
为确保配电网的安全运行和供电质量,DER并网要满足以下基本要求。
1)保证配电网电压合格,所引起的电压偏移不超过允许的范围。
2)配电设备正常运行电流不超过额定值,动热稳定电流不超过允许值。
3)短路容量不超过开关、电缆等配电设备的允许值。
4)电能质量合格,所引起的电压骤升、骤降、闪变、谐波不超过规定值。
4.2分布式电源接入方案的选择
DER并网对配电网的影响与DER的容量以及接入配电网的规模、电压等级有关。一般情况下,DER容量在250kVA以内的接入380V/400V低压电网;DER容量在1～8MVA的接入10kV等级中压电网;DER容量更大一些的则接入更高电压等级的配电网。具体接入方式一般是大容量的DER通过联络线接到附近变电所的母线上。对于小型的DER,为减少并网投资,就近并在配电线路上。
美国电气电子工程师协会(IEEE)的第21标准化工作组起草的DER并网系列标准中,定义了以下两个参数来衡量DER并网对配电网的影响。
1)刚度系数,指配电网中DER接入点的设计短路电流与DER额定电流的比值。
2)短路电流贡献比,指配电网在DER接入点发生短路时,来自DER的短路电流与来自配电网的短路电流的比值。
刚度系数越大,短路电流贡献比越小,则配电网运行电压与短路电流受DER并网的影响越小。一般认为,如果刚度系数大于20,则DER并网不会对配电网运行带来实质性影响。
在我国,热电联产发电与小水力发电有着很广泛的应用,它[FS:PAGE]们一般是并到配电变电所的母线上。这些DER(小电源)的并网以及保护控制技术已比较成熟,有大量的技术标准、规程可供参考。近年来,太阳能光伏发电、微型燃气轮机发电等容量在数百千瓦及以下的小型分布式电源有了很大发展,为降低成本,它们一般是就近接到配电线路上,这些小型DER的并网及其保护控制技术还需进一步探讨。
为减少投资、简化工作程序与运行管理,一些国家的供电企业对于小型DER并网采取“即接即忘(ConnectandForget)”的原则,即忽略其对配电网安全性、供电质量与保护控制方式的影响。为达到这一目的,需要对DER的接入容量做出严格限制。例如,美国对于小型(容量小于200kVA)DER的并网,供电企业要求接入线路的DER总容量小于线路最小负荷的10%。
4.3分布式电源并网保护
分布式电源并网保护除分布式电源机组的保护外,主要是配备孤岛运行保护,简称孤岛保护。
“孤岛”是指配电线路或部分配电网与主网的连接断开后,由分布式电源独立供电形成的配电网络。如图2(a)中,变压器低压侧断路器QF1跳开后,分布式电源和母线上其他线路形成的独立网络就是一个孤岛。这种意外的孤岛运行状态是不允许的,因为其供电电压与频率的稳定性得不到保障,并且线路继续带电会影响故障电弧的熄灭、重合闸的动作,危害事故处理人员的人身安全。对于中性点有效接地系统的电网来说,一部分配电网与主网脱离后,可能会失去接地的中性点,成为非有效接地系统,这时孤岛运行就可能引起过电压,危害设备与人身安全。
在DER与配电网的连接点上,需要配备自动解列装置,即孤岛保护。在检测出现孤岛运行状态后,迅速跳开DER与配电网之间的联络开关。一般来说,在孤岛运行状态下,DER发电量与所带的负荷相比,有明显的缺额或过剩,从而导致电压与频率的明显变化,据此可以构成孤岛运行保护。孤岛保护的工作原理主要有以下3种。
1)反应电压下降或上升的欠压/过压保护。
2)反应频率下降或上升的频率变化率保护。
3)反应前后两个周波电压相量变化的相量偏移保护。
反映频率变化率的孤岛保护在电力系统功率出现缺额导致频率下降时也可能动作,这导致在电力系统最需要功率支持的时候切除DER,使电网情况更为恶化。因此,实际应用中不宜将低频解列保护整定得过于灵敏,以避免这种不利局面的发生。
在线路故障切除后,重合闸时间需要与孤岛运行保护配合,其等待时间要确保DER解列并留有足够的故障点熄弧时间。
4.4DER并网技术标准
一些工业发达国家已对DER并网的技术标准进行制定。英国电力协会(ElectricityAssocia2tion)早在1991年就发布了《G59/1嵌入式发电并入地区配电网的推荐技术标准》;国际电气电子工程师协会(IEEE)于2003年6月发布了“DER并网技术标准IEEEStd.1547”,2003年10月该标准被批准为国家标准。在我国,上海市电力公司和上海燃气集团公司联合制定了《分布式供能系统工程技术规程》,上海市政府于2005年8月发文要求在全市范围内贯彻实施这一规程。但总体来说,我国在这方面的工作还比较滞后。特别是接入配电线路的DER的并网问题,没有可供参考的技术标准、规范,急需启动有关标准的制定工作。
5分布式电源并网技术的发展
以上介绍的DER并网技术是“有限接入”,即对于接入容量等做出严格限制。为了充分利用可再生能源,必须实现DER并网的“宽限接入”和大量接入,这也是智能电网概念提出的根本原因之一,智能电网技术的发展,将使这问题能得到较好地解决。随着DER的大量接入,配电网就由传统的无源网络将发展成为有源网络,当前,涉及这方面的技术研究主要有微电网技术与虚拟发电厂技术。
5.1有源网络的基本概念
[FS:PAGE]
有源网络(ActiveNetwork)指的是分布式电源高度渗透、功率双向流动的配电网络。所谓“高度渗透”是指接入的DER对配电网的潮流、短路电流产生了实质性的影响,使得传统配电网的规划设计、保护控制、运行管理方法不再有效。有源网络的概念是针对并网技术对DER接入容量做出严格限制的配电网而提出的。
有源网络不再单纯地为了不影响现有配电网而严格限制DER的接入,而是让DER尽可能地多发电(特别是对可再生能源)、充分地发挥其对配电网的积极作用以及节省电力系统的整体投资。DER的容量客观上是可以替代一部分配电容量的,从而减少对发、输、配电系统的投资。因此,考虑DER对配电容量的替代作用,也是有源网络的一个重要的特征。
有源网络给配电网的保护控制、运行管理提出了新挑战,它包括电压控制、继电保护、短路电流限制、故障定位与隔离、DER调度管理等方面的问题。
5.2微电网技术
微电网(MicroGrid)简称微网,是指由DG、DES装置和监控、保护装置汇集而成的并为相应区域供电的小型发配电系统,能够不依赖大电网而正常运行,实现区域内部供需平衡。一般来说,微网是一个用户侧的电网,它通过一个公共连接点(PointofCommonConnection,PCC)与大电网连接。
按照常规的做法,DER必须配备孤岛保护,在大电网停电时自动与主网断开。而微网可以在与大电网脱离后独立运行,由DER维持区域内所有或部分重要负荷的供电,能够发挥出DER在提高供电可靠性方面的作用。
微网仅在PCC点与大电网连接,避免了多个DER与大电网直接连接。通过合理地设计,可使微网中DER主要用于区域内部负荷的供电,做到不向外输送或输送很小的功率,使得大电网可以不考虑其功率输出的影响,继续采用“即接即忘”的并网方法。这样,就较好地解决了DER大量接入与不改变配电网现有保护控制方式之间的矛盾。
就微网本身来说,它是一个“有源网络”,需要解决功率平衡、稳定控制、电压调整、继电保护等一系列问题。微网技术还在研究发展之中,是智能配电网的重要研究内容。
5.3虚拟发电厂技术
虚拟发电厂(VirtualPowerPlant,VPP)技术是将配电网中分散安装的DER通过技术支撑平台实现统一调度并将其等效为一个发电区,实现分布式电源大量并网,达到DER的优化利用、降低电网峰值负荷、提高供电可靠性的目的。
VPP的调度对象主要是可随时启动并且功率可调节的DER,如热电联产微型燃气轮机、应急供电柴油发电机组以及各种DES等。对于风能、太阳能发电等可再生能源发电来说,其输出具有不确定性,且一般需要在具备条件时让其足额发电,因此不能对其进行有效地调度。
实施VPP要有配网自动化系统(DAS)作为技术支撑平台。VPP是DAS的一个高级应用功能。DAS需要采集、处理分布式电源的实时运行数据,并能够对其进行调节、控制。
除技术问题外,实施VPP还涉及电价、政策法规等一系列问题,目前处于研究探讨阶段,还缺少成熟的经验。( 责任编辑：管理员 ) |
|
