智能微網在分布式能源接入中的作用與挑戰

2017-10-30 09:07:44 分布式能源　點擊量：評論 (0)

1智能微網的概念及其在分布式能源接入中的作用隨著經濟和社會發展對能源需求的不斷增長，分布式可再生能源發電由于靠近用戶側直接供能且便于實現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日本的微網發展現狀

日本是亞洲研究和建設微網較早的國家，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，日本新能源與工業技術發展組織（NEDO）就協調高校、科研機構和企業先后在八戶市、愛知縣、京都市和仙臺市等地區建設了微網示范工程，研究、驗證了一批微網關鍵技術，為后續微網發展和建設奠定了良好的基礎。

日本擁有全球最多的海島獨立電網，因此發展集成可再生能源的海島微網，替代成本高昂、污染嚴重的內燃機發電是日本微網發展的重要方向和特點。日本經濟產業省資源能源廳于2009年啟動了島嶼新能源獨立電網實證項目，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的10個海島上完成了海島獨立電網示范工程的建設，包括由東芝集團負責建設的宮古島大型海島電網和由富士電機株式會社負責建設的9個中小型海島微網。

日本在微網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境的污染，同時注重微網與傳統配電網的融合，為微網的大規模發展提供了廣闊的空間。

2.4我國微網的發展現狀

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

（1）邊遠地區微網。我國邊遠地區人口密度低、生態環境脆弱，擴展傳統電網成本高，采用化石燃料發電對環境的損害大。但邊遠地區風、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是解決我國邊遠地區供電問題的合適方案。目前我國已在西藏、青海、新疆、內蒙古等省的邊遠地區建設了一批微網工程，解決當地的供電困難。

（2）海島微網。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、建設海島微網是解決我國海島供電問題的優選方案。從更大的視角看，建設海島微網符合我國的海洋大國戰略，是我國研究海洋、開發海洋、走向海洋的重要一步。

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

值得指出的是，我國目前的微網發展重點關注新技術的探索和應用，對于微網的運營模式、市場推廣機制、引導推動政策等方面的研究還比較少，而這些正在成為微網技術獲得廣泛推廣應用的瓶頸。

3基于分布式可再生能源接入的智能微網關鍵技術及挑戰

微網的最終目標是實現各種分布式能源的無縫接入并發揮其最大潛力。要實現這一目標需要很好地解決與微網相關的一系列關鍵技術，包括：規劃設計、控制與保護、電能質量監測與治理、能量優化管理、能源系統信息-物理融合、智能化接入與需求互動響應、直流微網及多微網間直流互聯等各個方面。

3.1微網規劃設計

微網規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，保證微網安全、可靠、經濟運行等。要實現含分布式可再生能源的微網優化規劃設計，需要綜合考慮多方面因素，尤其是：

（1）需要考慮微網中能源結構和運行方式，包括分布式可再生能源的電、熱、冷生產靈活匹配與協調運行。

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

3.2微網運行控制與保護

實現微網與大電網的協調運行控制以及對大電網安全穩定的支撐，是微網區別于一般分布式可再生能源并網的重要技術特征。相對于常規電力系統而言，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，自身運行亦不穩定；另一方面，微網內的設備種類繁多，各類可再生能源運行特性不一、控制方式不同，導致微網的運行控制與保護問題比較復雜。

（1）電壓和頻率的穩定控制。可再生能源的并/離網、波動等都會造成微網電壓波動，同時可再生能源大多為電力電子裝置并網，導致系統慣性小，離網獨立運行模式下頻率變化迅速，因此如何保證系統在不同運行模式下電壓和頻率的穩定控制是微網內分布式電源協調運行控制的首要關鍵技術。

（2）故障下的運行模式無縫切換。部分微網具有聯網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的故障快速檢測、基于內外部故障信息的微網自動解列和無縫切換、微網再并網自同期技術。

（3）控制保護架構。目前國內外針對微網的控制保護架構提出了三種模式：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。現有的分布式可再生能源如光伏、風電等并網逆變器產品及相關技術尚不足以滿足微網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工作。

3.3微網的電能質量監測與治理

在微網中，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、閃變等電能質量問題；微網內的電源往往采用電力電子技術，會產生諧波污染；單相分布式電源和單相負荷的存在，增加了系統的三相不平衡水平。

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

3.4微網能量優化管理

微網集成了多種能源輸入（太陽能、風能、生物質能等）、多種產品輸出（冷、熱、電等）、多種能源轉換單元（燃料電池、微型燃氣輪機、儲能系統等），微網內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節手段，實現對微網內能量管理與經濟調度，提高微網整體運行效率。

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

3.5微網能源系統的信息-物理融合

目前的分布式能源系統只是一個單一的能源生產系統，遠遠不能滿足當下對物理設備可控制、可交互、可通信、可擴展等眾多應用需求。尤其是微網中包含大量的太陽能發電、風力發電等可再生能源，使得其在電源側和負荷側的隨機性、間歇性、波動性都遠遠大于傳統配電網，傳統的監測系統缺乏系統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，在環境感知基礎上，將信息與計算嵌入微網能源，實現人、機、物互聯互通與深度融合是微網能源系統的發展方向，而信息-物理融合系統（Cyber-PhysicalSystem,CPS）是其中最為關鍵的技術體系。信息-物理融合系統是一個綜合計算、網絡和物理環境的多維復雜系統，核心概念是“3C”（Computation、Communication、Control），即將計算進程與物理進程良好地結合到一起，通過人機交互接口來實現與物理進程的交互，使用傳感器網絡以實時、可靠、遠程、安全的方式監控一個物理實體的具體動作行為。

在信息物理融合系統的帶動下，未來的微網將是一個綜合計算、網絡、能源和物理環境的多維復雜系統，通過計算、通信、控制技術的有機融合與深度協作，實現用戶側分布式能源系統及微網的實時感知、動態控制和信息服務。

3.6微網智能化接入電網及需求互動響應

開放互動是智能電網的重要特征之一，通過構建開放統一、競爭有序的電力市場體系，實現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（DemandResponse,DR）項目來實現。需求側響應作為用電環節與其他各環節實現協調發展、友好交互的關鍵支撐手段和重要方式，一方面能夠使用戶參與電網優化運行和優化能源配置，另一方面可以滿足用戶多樣化的電力需求，提高用戶體驗。微網具有單獨的能量管理系統，可以作為一個整體組織內部電力生產、傳輸、交易，因此微網的能力并不僅僅限于集成分布式能源和并網等功能，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。

3.7直流微網及多微網間直流互聯

為與目前交流電網相適應，目前微網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變換環節接入交流微網，同時配電網中的電動汽車、LED照明、大量各類電子設備等直流負荷也逐漸占越來越大的比重。當采用直流微網集成可再生能源能源等分布式發電系統時，能夠通過AC/DC或者DC/DC接入直流母線，與交流微網相比使得分布式發電單元更易于接入系統，不僅能夠減小能量轉換次數，而且降低了成本、提高效率。

除此之外，采用直流微網集成可再生能源分布式發電單元具有無需考慮頻率、相位、集膚效應以及無功補償設備等優勢，而且控制結構更加簡單。因此直流微網集成可再生能源的新型解決方案具有著重要的現實意義和廣泛應用前景。

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