分布式電源和微網(wǎng)在智能配電網(wǎng)自愈功能中的作用分析

戰(zhàn) 杰 肖 靜趙義術(shù)

1.山東電力研究院 濟(jì)南 250002；2.山東電力超高壓公司 濟(jì)南 250021；

3.國家電網(wǎng)技術(shù)學(xué)院 濟(jì)南 250002

0 引言

近年來，智能電網(wǎng)已成為電力業(yè)界的熱門話題，被認(rèn)為是改變未來電力系統(tǒng)面貌的電網(wǎng)發(fā)展模式。特別是在《紐約時報》報導(dǎo)了美國政府將建設(shè)智能電網(wǎng)列為其經(jīng)濟(jì)振興計劃的主要內(nèi)容后，更是在全世界范圍內(nèi)掀起了研究智能電網(wǎng)的熱潮。我國對建設(shè)智能電網(wǎng)也高度重視。2007年底，華東電網(wǎng)啟動了智能電網(wǎng)項目的可行性研究;2009年3月，國家電網(wǎng)公司提出要 “建設(shè)堅強的智能化電網(wǎng)”。目前，智能電網(wǎng)的影響受到了國內(nèi)外政治、經(jīng)濟(jì)、金融投資界的高度關(guān)注［1］。

世界上不同國家針對本國的能源和電網(wǎng)現(xiàn)狀制定了不同的智能電網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)，其重心大部分都在配電側(cè)。美國側(cè)重于對已有落后的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改造升級、建設(shè)現(xiàn)代化電力系統(tǒng)，并注重需求側(cè)管理和可再生能源的大力應(yīng)用；歐洲則側(cè)重推廣分布式發(fā)電，其智能電網(wǎng)技術(shù)研究主要包括電網(wǎng)資產(chǎn)、電網(wǎng)運行和控制、需求側(cè)和計量、發(fā)電和電能存儲4個方面;日本將構(gòu)建以應(yīng)對新能源為主的智能電網(wǎng)，進(jìn)行可再生能源與電力系統(tǒng)相融合、高可靠性系統(tǒng)技術(shù)等智能電網(wǎng)研究。中國提出建設(shè)國際領(lǐng)先、自主創(chuàng)新、中國特色的“堅強智能電網(wǎng)”包含電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度共6個環(huán)節(jié)，具有信息化、自動化、數(shù)字化、互動化的智能技術(shù)特征［2］。

本文對分布式電源和微網(wǎng)在智能配電網(wǎng)自愈功能實現(xiàn)中的作用進(jìn)行了初步探討。

1 分布式發(fā)電

分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG），又稱分散式發(fā)電或分布式供能，一般指將相對小型的發(fā)電裝置分散布置在用戶（負(fù)荷）現(xiàn)場或用戶附近，以充分利用各種規(guī)模不大的分散在用戶附近的可再生或非可再生能源的發(fā)電方式。從廣義上講，除常規(guī)大型集中電站以外的小型電源，如風(fēng)電、太陽能電站、小型農(nóng)村水電站、其他小型發(fā)電站，均可列入分布式電源之列。分布式發(fā)電具有減輕環(huán)境污染、降低終端用戶費用、降低線路損耗、改善電能質(zhì)量和提高供電可靠性等特點。根據(jù)用戶的需求不同，DG可以用來實現(xiàn)備用電源、電力調(diào)峰、熱電聯(lián)產(chǎn)以及向偏遠(yuǎn)地區(qū)供電等用途。目前，分布式發(fā)電與大電網(wǎng)相結(jié)合的供電方式被世界許多能源、電力專家公認(rèn)為是能夠節(jié)省投資，降低能耗，提高系統(tǒng)安全性、可靠性和靈活性的主要方法，是21世紀(jì)電力工業(yè)的發(fā)展方向。

但大量分布式電源并網(wǎng)將有可能造成電力系統(tǒng)對其不可控制和難以管理的局面，并引發(fā)相應(yīng)的電能質(zhì)量、電網(wǎng)安全性和穩(wěn)定性等諸多問題。為了解決電力系統(tǒng)與分布式電源之間的矛盾，充分發(fā)揮分布式電源為電力系統(tǒng)和用戶所帶來的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)運行的靈活性、可控性和經(jīng)濟(jì)性，以及更好的滿足電力用戶對電能質(zhì)量和供電可靠性的更高影響，微網(wǎng)概念應(yīng)運而生。

2 微網(wǎng)

與常規(guī)的分布式能源直接并網(wǎng)相比，微網(wǎng)靈活、系統(tǒng)的將分布式電源與本地負(fù)荷組成為一個整體，通過柔性控制可以大大降低分布式電源并網(wǎng)運行對電力用戶的影響。微網(wǎng)是一種由負(fù)荷和微電源及儲能裝置共同組成的有機(jī)系統(tǒng)。微電源主要通過電力電子技術(shù)實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換及控制。相對于電力系統(tǒng)（主電網(wǎng)系統(tǒng)中的一個可控單元。它可以在短時間內(nèi)作出響應(yīng)以滿足外部對主電網(wǎng)的需要；而對于用戶，微網(wǎng)可以滿足本地負(fù)荷的特定電能質(zhì)量要求，并可提高供電可靠性、降低線損等。利用微網(wǎng)技術(shù)可整合多種形式的分布式電源，并考慮當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)的特點，在一個局部區(qū)域內(nèi)直接將分布式電源、電力網(wǎng)絡(luò)和本地用戶有機(jī)的結(jié)合在一起。微網(wǎng)可以方便的實現(xiàn)（冷）熱電聯(lián)供，并可以結(jié)合電蓄冷（熱）技術(shù)，緩解電網(wǎng)高峰用電壓力，實現(xiàn)用電的移峰填谷，優(yōu)化和提高能源利用效率，減輕能源動力系統(tǒng)對環(huán)境的影響，實現(xiàn)能源的梯級利用，為將來智能電網(wǎng)的實現(xiàn)提供必備的技術(shù)基礎(chǔ)。微網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)［3］如圖1所示。

圖1 微網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)

3 智能配電網(wǎng)概念

智能配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，國外的智能電網(wǎng)研究和實踐大部分都集中在配網(wǎng)側(cè)，如圖1所示。智能配電網(wǎng)就是以配電網(wǎng)高級自動化技術(shù)為基礎(chǔ)，通過應(yīng)用和融合先進(jìn)的測量和傳感技術(shù)、控制技術(shù)、計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息與通信等技術(shù)，利用智能化的開關(guān)設(shè)備、配電終端設(shè)備，在堅強電網(wǎng)架構(gòu)和雙向通信網(wǎng)絡(luò)的物理支持以及各種集成高級應(yīng)用功能的可視化軟件支持下，允許可再生能源和分布式發(fā)電單元的大量接入和微網(wǎng)運行鼓勵各類不同電力用戶積極參與電網(wǎng)互動，以實現(xiàn)配電網(wǎng)在正常運行狀態(tài)下完善的監(jiān)測、保護(hù)、控制、優(yōu)化和非正常運行狀態(tài)下的自愈控制，最終為電力用戶提供安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的電力供應(yīng)和其它附加服務(wù)。

智能配電網(wǎng)主要由主站系統(tǒng)、子站系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、配電遠(yuǎn)方終端組成，通過對配電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)、模塊和設(shè)備的智能化，同時結(jié)合地理信息系統(tǒng)應(yīng)用，實現(xiàn)正常情況下配電網(wǎng)與電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)和優(yōu)化運行以及故障情況下的快速定位、隔離、恢復(fù)、負(fù)荷轉(zhuǎn)移等功能，從而為用戶提供優(yōu)質(zhì)可靠的電能，為電力企業(yè)提供便捷、高效的管理平臺和途徑，進(jìn)而實現(xiàn)電力企業(yè)管理者、電力用戶、系統(tǒng)運行操作的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。

圖2所示是一種智能配電網(wǎng)框架體系［4］。

4 分布式電源和微網(wǎng)在智能配電網(wǎng)自愈功能中的作用分析

由自動輸電和配電系統(tǒng)組成、支持高效可靠提供和傳輸電力的智能電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，目標(biāo)是構(gòu)建一個具有處理緊急和災(zāi)變能力的 “自愈電網(wǎng)”（selfhealinggrid，SHG），并能適應(yīng)當(dāng)前和今后的電力公用事業(yè)環(huán)境、市場要求和用戶需要。自愈功能的目標(biāo)是：實時評價電力系統(tǒng)行為、應(yīng)對電力系統(tǒng)可能發(fā)生的各種事件組合、防止大面積停電，并快速從緊急狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)。其實現(xiàn)方法，可概括為快速仿真決策、協(xié)調(diào)／自適應(yīng)控制和分布能源集成3個方面。分布能源集成主要將配電系統(tǒng)中的分散發(fā)電設(shè)備，包括緊急狀態(tài)下用戶為防止停電所作出的反應(yīng)（需求側(cè)響應(yīng)資源），納入配電管理系統(tǒng)（DMS）或配電自動化（distribution automation，DA），使DER在電力系統(tǒng)正常、緊急和恢復(fù)狀態(tài)下，實現(xiàn)和輸配電系統(tǒng)的實時協(xié)調(diào)運行。SHG的任務(wù)就是把這些日益增加的分散發(fā)電，進(jìn)一步納入配電管理系統(tǒng)（DMS）和配電自動化（DA）中，使之在正常、緊急和恢復(fù)狀態(tài)下能與輸配電系統(tǒng)實時協(xié)調(diào)運行。

圖2 智能配電網(wǎng)框架

分布式電源和微網(wǎng)在智能配電網(wǎng)自愈功能實現(xiàn)中的作用主要表現(xiàn)在以下幾方面：

1）提高供電可靠性

通過與大電網(wǎng)相配合，分布式發(fā)電技術(shù)可以大大提高供電的可靠性，在電網(wǎng)崩潰或意外災(zāi)害（例如地震、暴風(fēng)雪、戰(zhàn)爭）發(fā)生情況下，維持重要用戶的供電；而且各種分布電源多屬于清潔可再生能源，適應(yīng)了地球環(huán)境保護(hù)以及可持續(xù)發(fā)展政策的要求。目前，用作分布式電源的，主要有風(fēng)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、太陽能發(fā)電、燃料電池、生物質(zhì)能、垃圾發(fā)電、氫能和小水電等。發(fā)電設(shè)施主要包括：以液體或氣體為燃料的內(nèi)燃機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、光伏電池、燃料電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、生物質(zhì)能發(fā)電機(jī)等。

2）提高能源利用率

基于系統(tǒng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的考慮，分布式發(fā)電系統(tǒng)要存儲一定數(shù)量的電能，用以應(yīng)付突發(fā)事件。隨著電力電子學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，儲能技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，為分布式發(fā)電（DG）提供了很大的空間。分布式發(fā)電與儲能技術(shù)的結(jié)合大大提高了系統(tǒng)的能源利用率，改善了系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性。儲能在分布式發(fā)電中的作用主要有以下3個方面：改善電能質(zhì)量，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。在風(fēng)力發(fā)電中，風(fēng)速的變化會使原動機(jī)輸出機(jī)械功率發(fā)生變化，從而使發(fā)電機(jī)輸出功率產(chǎn)生波動而使電能質(zhì)量下降。應(yīng)用儲能裝置是改善發(fā)電機(jī)輸出電壓和頻率質(zhì)量的有效途徑，同時增加了分布式發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并網(wǎng)運行時的可靠性。可靠的分布式發(fā)電單元與儲能裝置的結(jié)合是解決諸如電壓跌落、涌流和瞬時供電中斷等動態(tài)電能質(zhì)量問題的有效手段之一。在分布式發(fā)電裝置不能正常工作時向用戶提供電力。在一些特殊情況下，如太陽能發(fā)電的夜間，風(fēng)力發(fā)電無風(fēng)時，儲能裝置能夠起到過渡的作用，持續(xù)向用戶供電。提高分布式發(fā)電單元擁有者的經(jīng)濟(jì)效益。在電力市場的環(huán)境下，分布式發(fā)電單元與電網(wǎng)并網(wǎng)運行，有了足夠的儲存電力，分布式發(fā)電單元成為可調(diào)度的機(jī)組單元，發(fā)電單元擁有者可以根據(jù)不同情況向電力公司賣電，提供調(diào)峰和緊急功率支持等服務(wù)，獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益。儲能技術(shù)的形式多樣，主要有蓄電池儲能、超導(dǎo)儲能、飛輪儲能、電解水制氫儲能等。

分布式發(fā)電受地理位置及環(huán)境狀況等因素的約束，在進(jìn)行分布式發(fā)電系統(tǒng)規(guī)劃時，要根據(jù)該地區(qū)所處的地理位置環(huán)境綜合考慮各種衡量指標(biāo)，從而確定采用何種發(fā)電方式。當(dāng)發(fā)電容量滿足該地區(qū)的負(fù)荷時，電網(wǎng)可退出運行，在必要的時候才投入運行。因為目前分布式發(fā)電中應(yīng)用比較成熟的是風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電，而這兩種發(fā)電方式受環(huán)境的影響較大，輸出功率不穩(wěn)定。同時，就目前的技術(shù)而言，儲能系統(tǒng)的容量也是很有限的，不能長時間提供功率來對應(yīng)分布式發(fā)電容量的不足。在分布式電源和儲能容量不足時，需電網(wǎng)向負(fù)荷供電，以滿足負(fù)荷的需求；當(dāng)發(fā)電容量不足該地區(qū)的負(fù)荷時，電網(wǎng)并入系統(tǒng)且正常運行，兩者共同向負(fù)荷供電，但盡可能地利用分布式電源；當(dāng)發(fā)電容量超過該地區(qū)的負(fù)荷時，電網(wǎng)也并入系統(tǒng)，分布式發(fā)電將多余的電能送向電網(wǎng)。分布式電源的類型應(yīng)根據(jù)地區(qū)的具體情況選擇，可能是一種分布式電源，也可能是多種分布式電源及其與儲能裝置組合起來共同發(fā)電，即復(fù)合分布式發(fā)電。為提高能源的利用率，復(fù)合分布式發(fā)電技術(shù)已成為分布式發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主要趨勢之一。儲能裝置的容量及類型應(yīng)根據(jù)分布式電源及其負(fù)荷的波動程度作相應(yīng)的選擇。

3）黑啟動中的備用電源

所謂黑啟動，是指整個系統(tǒng)因故障停運后，系統(tǒng)全部停電（不排除孤立小電網(wǎng)仍維持運行），處于全“黑”狀態(tài)，不依賴別的網(wǎng)絡(luò)幫助，通過系統(tǒng)中具有自啟動能力的發(fā)電機(jī)組啟動，帶動無自啟動能力的發(fā)電機(jī)組，逐漸擴(kuò)大系統(tǒng)恢復(fù)范圍，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的恢復(fù)。黑啟動的關(guān)鍵是電源點的啟動，水輪發(fā)電機(jī)組與火電、核電機(jī)組相比，具有輔助設(shè)備簡單、廠用電少，啟動速度快等優(yōu)點，理所當(dāng)然成為黑啟動電源的首選。機(jī)組具有黑啟動功能不僅是電站在全廠失電情況下安全生產(chǎn)自救的必要措施，也是電網(wǎng)發(fā)展的需要。在電網(wǎng)大面積停電后，采取電網(wǎng)黑啟動措施，將大大減少電網(wǎng)停電時間，盡快恢復(fù)電網(wǎng)的正常運行。所有這些機(jī)組包括超臨界燃煤機(jī)組和燃?xì)庖徽魵饴?lián)合循環(huán)機(jī)組均需要輔機(jī)提供啟動功率才能實現(xiàn)自啟動，提供如此之大的備用容量是不經(jīng)濟(jì)的，尤其是備用柴油機(jī)。根據(jù)故障發(fā)生后DG能否作為系統(tǒng)的備用電源可分為BDG（black-start DG）與 NBDG （non black-start DG）。BDG包括聯(lián)合發(fā)電機(jī)組、無源逆變器及他勵型發(fā)電機(jī)組等，此外，帶有儲能裝置的風(fēng)能發(fā)電及太陽能發(fā)電也可歸入BDG。這類DG可以作為系統(tǒng)的備用電源。NBDG包括自勵型發(fā)電機(jī)組以及未配備儲能裝置的風(fēng)能發(fā)電及太陽能發(fā)電等。該類DG不能作為系統(tǒng)的備用電源?？紤]到黑啟動設(shè)備在電網(wǎng)正常運行時通常是不經(jīng)濟(jì)的，電網(wǎng)公司通常與相關(guān)電廠簽訂與黑啟動相應(yīng)的商業(yè)協(xié)議。MT（微型燃?xì)廨啓C(jī)）能夠很好地改善這種狀況，它既能作為分布式發(fā)電在正常情況下并網(wǎng)或孤立運行，也能在黑啟動這類緊急狀況下提供備用。并且單臺MT的效率通常在25%-35%之間，冷熱電聯(lián)合循環(huán)的MT通常能獲得80%以上的效率，且氮氧化合物排放量能夠控制在較低的水平。

黑啟動策略的選擇受網(wǎng)內(nèi)主要發(fā)電機(jī)組電源和黑啟動電源分布影響很大。黑啟動分區(qū)展開在電網(wǎng)恢復(fù)速度上有明顯的優(yōu)勢，電網(wǎng)發(fā)生大面積停電后，應(yīng)當(dāng)先將電網(wǎng)分割為多個子系統(tǒng)，同時啟動各子系統(tǒng)中具有黑啟動能力的機(jī)組，建立穩(wěn)定的各個子系統(tǒng)，并實現(xiàn)同步并列，這是恢復(fù)電網(wǎng)運行的最有效的方法，因此在黑啟動方案中應(yīng)考慮多個黑啟動電源。

5 結(jié)論

文章對分布式電源及微網(wǎng)在智能配電網(wǎng)自愈功能實現(xiàn)中的作用進(jìn)行了初步探討。目前智能配電網(wǎng)建設(shè)剛剛起步，在規(guī)劃階段合理考慮和布置分布式電源與微網(wǎng)在智能配電網(wǎng)中的作用，對于智能配電網(wǎng)自愈功能的實現(xiàn)具有重要意義。

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