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深度|一文了解微电网

北极星储能网  来源:大同日报    2020/11/23 9:05:35  我要投稿  

北极星储能网讯:1微电网的发展缘起

分布式发电就是利用各种可用和分散存在的能源,如:太阳能、风能等可再生能源和天然气为燃料的冷/热/电联供系统。分布式发电的特点主要表现为:位置灵活、分散,适应分散电力需求和资源分布;可以与大电网互为备份,改善供电可靠性;容易满足负荷需求,有利于可再生能源高效和规模化利用。我国可再生能源发电模式是集中发电远距离输电与分布式发电相结合的方式。

为协调大电网与分布式电源间的矛盾,充分利用分布式电源为电网和用户带来的价值和效益,提出了微网(微能源网)的概念。欧盟对于微电网的定义是:微网是利用分布式能源、储能装置和可控负荷共同组成的低压网络,容量范围从几百千瓦到几个兆瓦,能够与配电网并联运行,在上一级电网故障时可脱网独立运行,故障恢复后可重新并网。国网电科院对微电网的定义是:微网是由分布式电源、储能和负荷构成的可控储能系统,可平滑接入大电网和独立自治运行,是发挥分布式电源效能的有效方式。

2微电网的特征

微电网是指以分布式电源为主,利用储能和控制装置进行实时调节,实现网络内部电力电量平衡的小型供电网络,可并网运行也可离网运行。由于风电、光伏发电等分布式电源具有分散性和间歇性的特点,对电网的电能质量、控制保护、运行可靠性带来不利影响,随着储能和运行控制等技术的进步,本世纪初欧美部分学者提出了微电网概念。总结美国、欧洲、日本等国20个微电网试点工程,具备以下四个基本特征:

1.微型:微电网电压等级一般在10kV以下;系统规模一般在兆瓦级及以下;与终端用户相连,电能就地利用。

2.清洁:微电网内部分布式电源以清洁能源为主,或是以能源综合利用为目标的发电形式。天然气多联供系统综合利用率一般应在70%以上。

3.自治:微电网内部电力电量能实现基本自平衡,与外部电网的电量交换一般不超过总电量的20%。

4.友好:微电网对大电网有支撑作用,可以为用户提供优质可靠的电力,能实现并网/离网模式的平滑切换。

3未来电网与电气装备新技术

广义的电网是从发电设备到用电设备的各个环节的统一整体。目前,我国电网已经基本形成了“西电东送、南北互供、全国联网”的总体格局,已经覆盖了全国大部分地区,成为世界最大的电网之一。

现代电网的主要特征是交流模式、跨区互联、发电资源可调度、电源以大型发电厂为主,用户侧无电源,发-输-配-用各环节可通过自动调节设备实现供需平衡。它存在的主要问题是电网结构不合理问题、安全稳定性问题突出、电能质量和电网效率有待于改善。

可再生能源区别于化石能源的主要特征是受天气的影响,不可调度(间歇性、波动性);分散性,但负荷密集区却缺少能源;一般不能通过交通运输工具输送(生物质能除外);能源多样性(光、风、地热、水利、海洋能);发电方式差异较大;无法储存(生物质能除外,水利可短时储存);资源具有时空互补性;主要利用方式是发电。

由于可再生能源的资源特点及发电模式与常规能源具有很大区别,将对未来电网发展带来革命性的挑战,这就需要我们对未来电网运行模式进行重新思考。解决方式一般从三个方面着手:一是改变电网的结构和运行模式。任何一个体系的结构和运行模式对于其功能的影响是关键性的。例如,大同市有自己的治理结构。为了促进新能源产业,成立新的组织结构,以适应新的变化和需要。二是采用超导与新材料的电气设备,改善电网物理基础。材料是推动这个设备性能改造的源头性的东西,非常关键。三是采用信息技术提高电网的智能化程度。信息技术在飞速地发展,把信息技术融入其中,来促进电网技术的变革。

4综合能源系统

能源互联网是指能源系统的信息载体与网络可以实现统一与融合,不同的能源可以通过转化设备与热力网、电力网在物理层融合,用户可以借助市场和信息对能源需求做出自己的选择。能源和信息不一样。单一的信息没有太大价值,但信息和信息经过交换会增加新的价值。能源就不一样了,能源的转换和传输过程中都有衰减。当然能源的传输会有各种方案,但单一的把互联网构架拿来做能源系统是不太合理的。”

虽然可再生能源系统的硬成本在下降,但软成本的下降并不明显,导致目前软成本占到整个项目成本的比例在增加,这可能是未来能源系统发展的一个比较大的障碍。从资源角度来说,未来能源系统会从资源型向集成化智能化转变。从消费观看,未来能源系统把生产者和消费者结合在一起,形成一个新词——产销一体。比如这栋办公楼,原来是一个能源消费者。如果在屋顶加上光伏,不仅可以满足自我使用,同时也可以发电上网,就变成一个销售者。这样的变化会引发商业模式的改变。此外,多能综合能源系统与其他各个行业的渗透与储能有很大关系。

5微电网的基本形态

微电网主要是利用储能和控制装置,实现分布式电源与本地负荷电力电量自平衡的微型供电网络,是新技术在配电网中的应用,是智能电网的组成部分。分布式电源并网不一定要依靠微电网技术;但微电网必然包含分布式电源,同时配置能量管理系统、控制装置、储能装置等实现“自治”“友好”。

未来电网的基本形态是大电网与微网并存。所谓广域大电网就是有机整合各种可再生能源的时空互补性,并实现资源密集区的电力向负荷密集区的大容量远距离输送。分布式电源和微网是指就地利用分散资源,保障用户供电安全可靠性,并可向大电网“上传”多余电力。例如,广域风能时空互补后,无需配置储能或者配置很少容量的储能便能满足现行我国风电并网要求。

6电网运行模式的发展历史与现状

1879年,爱迪生发明了直流发电机,并提出了直流供电系统。1887年,特斯拉研制出世界上第一台无电刷交流感应马达;1897年,西屋公司在尼亚加拉水电站的首台交流发电机(10万马力)投入运行,并奠定了现代电网的基础。

人类最初的输电方式是直流输电。由于不能直接给直流电升压,于是三相交流发电机和变压器被相继发明。从此,交流输电普遍代替了直流输电,并确立了交流输电的主体地位,从而形成了今天普遍被采用的交流电网。然而电力系统的规模迅速扩大也使得交流大电网的安全稳定性问题日益突出。未来,能源结构的调整将使得电网规模较当前有成倍的增长。

未来的输配电网和分布式电网将逐步向以直流为主或交直流混合的运行模式方向发展。未来电网向直流运行模式的革命性转变也将催生大量的科技创新机遇和一大批战略性新兴产业,在技术方面却需要很大的突破。2013年4月美国麻省理工学院公布了未来可能改变世界的十大科学技术,“直流电超级电网”就是其中一项,并认为“直流电网使得遥远的可再生能源链接更加有效。”

2008年初,冰雪天气导致我国发生大面积停电,只有少数小电网在支撑重要用户运行。这暴露了我国现有的网架结构在保障用户供电方面所存在的薄弱环节同时也将微型电网的作用充分展示了出来,并促使我国加快了对微型电网的研究步伐。2009年,中国国家科技部通过“973”计划项目,专门资助了分布式发电供能系统的相关基础研究。2010年,中国国家科技部通过《国家高科技研究发展计划(863)》立项了近十个有关微电网方面的研究课题。“十二五”期间,我国将在太阳能、风能占优势的地区建设成微电网示范区,同时还将推动建设100座新能源示范城市。我国微电网的发展虽尚处于起始阶段,但微电网的特点适应我国电力发展的需求和方向,具有广阔的发展前景。

7微电网与多能互补的技术趋势

在能源的生产、运输和消费过程中,被浪费掉的电力才是最应该关注的部分。因此在未来的微电网设计中,首先应该考虑的是原有能源系统中有多少能效提升的可能,在规划新的电源和系统的时候也必须优先考虑能效提升后的转机需求,尽可能地降低系统的能源供应成本。

在目前各类微电网设计模型中,热电气多能互补模式是性价比最高的,没有之一。在当前的技术水平下,热电联产设备将成为微网系统的核心,同时在条件允许的地区,风电和光伏也将成为微网发电的重要组成部分。在美国的众多微电网项目实践中,热电联产通常占据80%的发电容量,风电和光伏承担剩下的20%。在未来,随着可再生能源发电成本的继续降低以及新技术的发展,可再生能源的发电占比还会继续提升。

可再生能源电力的优势自然是零排放的清洁电力,而且不需要额外构建燃料的运输渠道,缺点也十分明显,在缺乏足够的储能设备的情况下,能源供应的稳定性受到了很大的挑战。为了缓解微电网系统中由于风电和光伏的间歇性发电和负荷侧的波动,储能设备成为大多数微电网的标配。此处的储能设备不仅仅指代电池,还包括储热和储气等不同种类能源介质的储存。在电池作为大规模储能设备成本依然较高的情况下,其他类型的储能设备反而能够在多能互补的微电网项目中得到更多的应用。

目前,大多数微网项目的储能设备还是用于平滑用户负荷曲线、弥补日内和周内的发用电缺口。长期的季节性储能设备暂未有较好的整合方案。总体来看,微电网设计和规划必须全盘考虑当地的资源禀赋和用户的需求,以系统能源供应的安全性和可靠性为第一标准,在此基础上再考虑经济性和环境友好性。设计中不仅要考虑能源供需的平衡,还要考虑能够提供灵活性的设备与消耗灵活性的设备之间的平衡。

8微电网运行的特点

微电网是规模较小的分散的独立系统,它将由分布式电源、储能装置、能量装换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统,是能够实现自我控制、保护和管理的自治系统,既可以与外部电网运行,也可以孤立运行。微电网本身可看做是小型的电力系统,具备完整的运输配电功能,可实现可再生能源的安全消纳。同时微电网本身还是一个典型的分布式发电功能系统,可通过能源之间的调度,提高终端能源的利用率。

微电网的特征是以分布式发电技术为基础,融合储能、控制和保护装置;接入的电压是配电网电压等级;能够在联网和孤岛两种模式运行;分布式电源之间有一定地理距离。

微网方式运行的优点有以下几个方面:

1.提高分布式电源的有效运行时间;

2.在电网灾变情况下为重要用户持续供电;

3.降低用户对传统电网供电可靠性的要求;

4.实现可再生能源综合优化利用;

5.微电网是能源互联网的重要组成部分和细胞结构。因此,发展微电网技术对经济与社会意义巨大。

9微电网的作用

首先,微电网可以实现风、光等可再生分布式能源一体化并网,对无序接入分布式电源进行统一管控,提高电网接纳间歇性分布式电源的能力,解决规模光伏输出功率波动的问题,提升网内功率动态平衡能力。

第二,微电网通过协调控制,使微网内分布式电源通过有效配合来均衡负载、延缓电网升级、减小线路投资,解决因规模间歇性电源接入需要增加主网旋转备用容量的问题。

第三,微电网对内通过对不同类型分布式电源及负荷进行整合,对外可等效为一个可调度的单元,参与系统调峰,实现一定经济效益,提高大量分布式光伏接入的经济性。

第四,在用户端形成户用微电网,实现用户个性化、差异化服务,解决用户需求多样性的问题。

第五,以电为载体,形成微型的综合能源系统,实现多种能源联合优化运行。

10微电网是智能电网的重要组成

新时代对能源发展提出了清洁化、智能化、高效化以及安全可靠的要求,而随着可再生能源的大规模应用,互联网、物联网等信息技术的不断成熟,大力发展能源互联网成为不可逆转的趋势。和传统电网相比,微电网的最大特点是可以对分布式能源进行就地消化、就地平衡,同时也可以和大电网进行能量交换。正因如此,微电网被认为是智能电网领域的重要组成部分,在工商业区域、城市片区以及偏远地区有广泛的应用前景。随着分布式可再生能源储能微电网技术的进步、成本的降低、新型负荷的出现,结合售电侧改革,微电网将会有越来越多的电力市场份额。

当前我国新能源发展势头非常迅猛,按照规划,2050年风电和光伏的装机容量都将达到10亿千瓦。但与新能源发展相伴,弃风弃光现象非常严重。究其原因,是因为新能源发电具有不稳定性和间歇性,大规模开发和利用将使供需矛盾更加突出。从某种意义上说,储能技术应用的程度将决定新能源的发展水平。储能技术的发展,关键是电池技术的进步。可再生能源+储能”是新能源发展的必然选择,而储能应用场景的复杂性决定了储能电池技术的多元化发展方向。未来针对电力调峰储能的大容量电池和电力调频储能的大功率电池,还有待技术的创新突破。储能电池包括六大技术内涵,其中,电池材料是基础,但并不是储能电池技术研究的全部。

11微电网的集成及运营管理

微电网有两种运行模式,第一种是并网模式,正常情况下微网与常规配电网并网运行,成为联网模式;第二种是孤岛模式,当检测到电网故障或电能质量不满足要求时,微电网将及时与电网断开而独立运行,成为孤岛模式。

在电网发生大扰动和故障时,微电网仍能保持对用户的供电能力,而不发生大面积停电事故;在自然灾害和极端气候条件下造成外力破坏的情况下仍能保证电网的安全运行;具有确保信息安全的能力和破解计算机病毒破坏的能力。

微电网具有实时、连续的安全评估和分析能力,强大的预警控制系统和预防控制能力,自动故障诊断、故障隔离和系统自我恢复的能力。微电网支持可再生能源的正确、合理的接入,适应分布式发电的发展趋势,能使需求侧供电的功能更加完善和提高,从而实现与用户的交互和高效互动,满足用户多样化的电力需求。

微电网支持电力市场和电力交易的有效开展,实现资源的合理配置,进一步降低电网损耗,提高能源利用效率,为用户提供可承受电价水平的电力供应。微电网实现了电网信息的高度集成和共享,采用统一的平台和模型,实现标准化和精细化管理。微电网可以进一步优化资产的利用,降低投资成本和运行维护成本。

12分布式电源

各国分布式电源的发展是由其资源分布特点、政策激励和产业基础等决定。我国风能、太阳能资源主要富集在“三北”地区,主要以大规模发展为主,分布式开发条件不及欧美;天然气资源匮乏;小水电资源丰富,优于欧美。小水电、风电、生物质发电以及资源综合利用发电政策已较完备。光伏发电、天然气多联供政策相比欧美尚有欠缺。风电、光伏发电产业基础与国外相当,燃机产业基础与国外尚有差距。

分布式电源的大量接入会对现有配电网带来一系列挑战,穿透功率越大,挑战越大。建设坚强智能电网和发展电网友好型分布式电源技术是解决高穿透率分布式电源并网问题的关键。

13微电网的核心技术

智能微电网的关键技术主要包含以下几点:

1.可再生能源发电技术。目前智能微电网主要以多种可再生能源为主,电源输入主要为光伏、风力、氢能、天然气、沼气等多种成熟发电技术。

2.储能关键技术。储能是微电网中不可缺少的一部分,它在微电网中能够起到削峰填谷的作用,极大地提高间歇式能源的利用效率。随着科技的不断发展,现在的储能主要有蓄电池储能、飞轮储能、超导磁储能、超级电容器储能,目前较为成熟的储能技术是铅酸蓄电池,但有寿命短和铅污染严重的问题。未来高储能、低成本,优质性能的石墨烯电池市场化将给储能行业带来春天。储能技术目前发展成本较高,世界各国都在攻关这项技术,但是都有一个共同目的,那就是实现“低成本+高储能”的目标。

3.智能微电网能量优化调度技术。与传统电网调度系统不同,智能微电网调度系统属于横向的多种能源互补的优化调度技术,可充分挖掘和利用不同能源直接的互补替代性,不仅可以实现热、电、冷的输出,同时可以实现光/电、热/冷、风/电、直/交流的能源交换。各类能源在源-储-荷各环节的分层实现有序梯级优化调度,达到能源利用效率最优。

4.智能微电网保护控制技术。智能微电网中有多个电源和多处负荷,负载的变化、电源的波动,都需要通过储能系统或外部电网进行调节控制。这些电源的调节、切换和控制就是由微网控制中心来完成的。微网控制中心除了监控每个新能源发电系统、储能系统和负载的电力参数、开关状态和电力质量与能量参数外,还要进行节能和电力质量的提高。

14微电网的试点状况

2015年7月,国家能源局发布《关于推进新能源微电网示范项目建设的指导意见》,鼓励新能源微电网建设,推动形成分布式能源系统创新管理模式和先进技术体系。2017年5月,《关于新能源微电网示范项目名单的通知》发布,首批28个项目获批。2017年7月,《推进并网型微电网建设试行办法》正式发布,促进并规范微电网健康发展。

国内微电网起步相对较晚,但发展迅猛,已经初步建立了关键技术研究体系及一些示范工程,如:河南郑州财专分布式电源接入及微电网控制智能电网试点项目,电压等级为380V,容量规模为光伏350KW,电池储能200KW/200KWh。浙江分布式发电/储能及微电网接入控制试点项目,电压等级为380V,容量规模为光伏60KW、风电10kKW、双馈模拟系统30KW、柴油机250KW、蓄电池储能60KW/60KWH、飞轮储能250KW。河北承德围场县御道口村庄微电网试点项目,电压等级为380V,容量规模为光伏50KW、风电60KW、锂电池储能100KW/128KWH;中新天津生态城分布式电源接入及微电网建设项目,电压等级为380V,容量规模为光伏30KW、风电6KW、锂电池储能15KW/60KWH;陕西世园会微电网试点项目,电压等级为380V,容量规模为光伏50KW、风电12KW、锂电池储能25KW/50KWH。

未来微电网将向综合能源网发展,将电力、燃气、水务、热力、储能等资源捆绑为整体资源,实现电网络、热网络与冷网络三个彼此耦合,统一解决有关能源的有效利用和调峰问题。相较热网络和冷网络,电网络具有易互联、损耗小、传输快等特点,将成为来综合能源网的核心,也给电网发展带来机遇。

15微电网行业发展的障碍

目前,微电网的发展面临一个行业痛点,就是没有成熟的通用可拓展解决方案。单一可再生能源并网发电在消纳方面遇到较大障碍,难以支撑目前可再生能源的井喷式发展,需采用多种能源互补和相互转化,提升综合能源效率与供能质量及可靠性,这是未来的发展趋势;集中管理方案不够灵活,往往属于开发定制、不能适应多样性的能源接入、更不利于升级和拓展,运维复杂,智能化程度不高;目前各微网系统方案独立、不便形成合力,缺乏足够开放、灵活,拓展和兼容性足够强大的信息化平台出现,提升运维效率;缺乏统一、组态化、适应性强的能量综合管理算法和策略。

我国的微电网技术处于起步阶段,还不够成熟,涉及的先进的电力电子技术、计算机控制技术、通信技术等在微电网中的应用水平不高,且我国尚无统一、规范的微电网体系技术标准和规范,尤其对微电网接入、规划设计、建设运行和设备制造等环节,都缺乏相应的国家层面的技术标准与管理规范。微电网建设的投资成本较高成为了制约微电网发展的主要因素,微电网控制系统价格不菲,其储能系统投资成本较高,而储能系统仅占到整个微电网控制系统成本的三分之一,加上变配电设置和控制系统,以及后期的运营维护,都导致微电网成本居高不下。

16微电网的发展与面临的挑战

随着智能配电网的发展,越来越多的分布式发电/微网,储能,电动汽车,智能终端接入到其中,配电网已转变为集电能的收集、传输、存储与分配等多种功能于一体的新型能源系统,未来配电网需要主动地对这些接入设备进行优化与控制。

风、光等可再生能源所具有的随机性、间歇性要求配电网能够进行快速响应、及时调整,同时电动汽车的大量接入加剧了不同馈线负荷的不均衡;然而常规配电网依靠变压器分接头调整、开关操作等方式,其响应速度难以应对出力的突变,效果有限,在实际应用过程中,还涉及倒闸操作、合环电流冲击、安全性可靠性等问题,配电网缺乏对有功/无功以及电压快速、精准的调控手段,亟需新型的调控装置与技术。

为此2017年国家智能电网技术与装备重点专项,设立了关于智能配电柔性多状态开关技术、装备及示范应用项目。项目共有5个课题,包括智能配电交流电力电子柔性多状态开关装置研究、柔性多状态开关调控技术研究、柔性多状态开关接入模式研究、柔性多状态开关试验测试技术研究、柔性多状态开关系统集成技术研究与示范应用,目前项目正处于在研阶段,目标建成智能配电交流电力电子柔性多状态开关装置以及满足配电网分布式电源消纳、电能质量改善、运行优化与自愈控制技术要求的柔性多状态开关调控技术的示范工程。

17我国微电网的发展前景

“十二五”期间,智能电网的重点任务是发展大规模间歇式新能源并网技术,突破大规模间歇式新能源电源并网与储能、智能配用电、大电网智能调度与控制、智能装备等智能电网核心关键技术。微电网是智能电网的有机组成部分,随着国家加大对智能电网的投资力度,微电网也面临良好的发展机遇。未来随着微电网技术不断成熟、可再生能源成本下降、储能产业发展以及未来化石能源价格的持续上涨,微电网将得到爆发式增长。

微电网在全球能源转型中作用渐显。任何国家,稳定的电力供应都是经济发展和人们日常生活的最基本保障。虽然暂时性的停电对家庭生活只会带来些许不便,但对于医院和军事基地等关键设施而言,断电很可能会造成重要服务或军事任务的中断,继而危及人类生命安全。为本地需求提供电力的小型网络——微电网,是规避这一风险的有效途径之一。目前在全球有数以百计的微电网正在运行,并且它们的数量仍在增长。在包括并网型和独立型系统的各种微电网配置实践中,我们可以有机会洞察微电网整合高比例波动的可再生能源的能力。近年来,太阳能和风能发电成本大幅下降,这意味着太阳能和风能发电已经具备了与传统化石燃料发电技术相当的成本竞争力。这使得微电网能够在完成稳定电力供应这一主要任务的同时,以经济可行的方式实现清洁能源目标。


原标题:能源高效利用篇之—微电网

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