最近國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會頒布了《微電網(wǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》,大家有沒有被朋友圈的“微電網(wǎng)”刷屏?微電網(wǎng)究竟是何方神圣?微電網(wǎng)技術(shù)和市場已經(jīng)發(fā)展到哪一步?在新能源領(lǐng)域帶來怎樣的發(fā)展機(jī)遇?又會給售電業(yè)務(wù)帶來怎么樣的新活力?現(xiàn)在,小編帶你補(bǔ)補(bǔ)課,全面了解微電網(wǎng)的前世今生!
微電網(wǎng)重出江湖之背景
今天的電網(wǎng)架構(gòu)和它一百多年前誕生之初并沒有什么本質(zhì)的不同。它的設(shè)計基于集中式結(jié)構(gòu),幾個大型的發(fā)電廠生產(chǎn)電力,再通過電網(wǎng)輸送到幾百數(shù)千公里外的用戶側(cè)。
盡管有成熟的電力技術(shù)、復(fù)雜的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和備用設(shè)備作為保障,這種集中式的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)的靈活性和可靠性方面還是有所不足。在集中式的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中,監(jiān)測和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)在配電網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)模型從根本上來說缺少必要的對于用戶側(cè)的智能控制和管理能力。
其次,發(fā)電側(cè)和用電側(cè)的變化也給電網(wǎng)帶來了巨大的挑戰(zhàn),例如新能源的大規(guī)模并網(wǎng),電動汽車,直流電源或負(fù)載等,這些因素在當(dāng)初電網(wǎng)設(shè)計的時候沒有得到充分的考慮,其引發(fā)的不良后果已經(jīng)顯現(xiàn)。以美國電力市場為例,如果僅僅在現(xiàn)有電網(wǎng)的基礎(chǔ)上大規(guī)模并入綠電,網(wǎng)絡(luò)擁塞是一個大問題,會導(dǎo)致某些區(qū)域市場的邊際價格驟然增高,從而阻礙了風(fēng)電、家用光伏等新能源的進(jìn)一步并網(wǎng)。
再者,對于如此復(fù)雜龐大的電網(wǎng),需要承擔(dān)高額的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用,尤其是在電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施老化的情況下。電網(wǎng)老化主要體現(xiàn)在四個方面:電器設(shè)備老化(例如美國有超過50%的變電所變壓器運(yùn)行時間超過35年),系統(tǒng)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(fā)電并入電網(wǎng)是一個解決方案。事實(shí)上,這并不是它第一次出現(xiàn)在公眾的視野。19世紀(jì)末期電氣化的初始階段,愛迪生提出了建設(shè)小型直流電網(wǎng)的概念,但是由于當(dāng)時的技術(shù)難以實(shí)現(xiàn),特斯拉的交流電網(wǎng)最終勝出,廣為流傳。
現(xiàn)在微電網(wǎng)的回歸,相較于當(dāng)年愛迪生的版本,運(yùn)行靈活性、效率和可靠性都有顯著的提升,同時初投資和運(yùn)行費(fèi)用也降低了不少。此外,還增加了之前設(shè)計所不具有的技術(shù),例如:電力電子接口,儲能設(shè)備,需求側(cè)管理以及智能控制。其中,電力電子技術(shù)可以說是現(xiàn)代微網(wǎng)的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)。
微電網(wǎng)的基本組成
微電網(wǎng)是指由分布式電源、用電負(fù)荷、配電設(shè)施、監(jiān)控和保護(hù)裝置等組成的小型發(fā)配用電系統(tǒng)(必要時含儲能裝置)。分為并網(wǎng)型微電網(wǎng)和獨(dú)立型微電網(wǎng),可實(shí)現(xiàn)自我控制和自治管理。并網(wǎng)型微電網(wǎng)既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行,也可以離網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行;獨(dú)立型微電網(wǎng)不與外部電網(wǎng)連接,電力電量自我平衡。根據(jù)建設(shè)目的和經(jīng)濟(jì)環(huán)境的不同,微網(wǎng)的形狀結(jié)構(gòu)可能各不相同,但是它們的技術(shù)架構(gòu)大體類似。下面簡要探討下微網(wǎng)的基本組成。
電源:
在所有微電網(wǎng)系統(tǒng)中,最基本的組成部分是電源。電源要滿足微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷的需求,例如容量,以及其他技術(shù)層面、經(jīng)濟(jì)層面的種種考慮。其中,分布式光伏受到廣泛關(guān)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(wǎng)的經(jīng)濟(jì)可行性上升。
對于位于偏遠(yuǎn)地區(qū)的基于光伏的微網(wǎng)來說,挑戰(zhàn)主要來自系統(tǒng)的維護(hù)和儲能系統(tǒng)的要求。一方面,當(dāng)暴露在高溫高濕的環(huán)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(shè)備便必不可少,而它的投資占系統(tǒng)支出的很大一部分,對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性影響較大,并且光伏電池裝機(jī)容量越大,儲能系統(tǒng)容量也要相應(yīng)增大。
除了分布式光伏,常見的能量來源還包括:分布式風(fēng)能,燃料電池,微型渦輪機(jī),往復(fù)式內(nèi)燃機(jī),以及其他分布式發(fā)電技術(shù)(小型水電,小型潮汐發(fā)電,小型波浪發(fā)電,地?zé)岚l(fā)電,分布式核能發(fā)電等)。
電力管理系統(tǒng):
電力管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)電力從電源輸送到用電設(shè)備。具體功能包括:一是,將電源處各形式的電能轉(zhuǎn)換成符合出所需要的形式,例如使用逆變器將光伏產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成通常負(fù)荷所需要的50Hz交流電。二是,作為儲能設(shè)備的界面,來使微網(wǎng)內(nèi)的電力供需達(dá)到平衡。現(xiàn)代微網(wǎng)通常融入了軟件和控制系統(tǒng),例如智能電表,從而實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的高效和穩(wěn)定運(yùn)行。
儲能系統(tǒng):
儲能系統(tǒng)對微網(wǎng)的重要性不言而喻。它可以讓微網(wǎng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的電力供需平衡,從而維持電壓和頻率的穩(wěn)定。也可保證用戶的用電需求隨時能得到滿足。微網(wǎng)系統(tǒng)中常見的儲能設(shè)備為:電池,燃料電池+電解池,超級電容以及飛輪等。
用電設(shè)備:
微網(wǎng)中用電設(shè)備的電力來源是系統(tǒng)中全部的發(fā)電和儲能設(shè)備。綜合考量用電設(shè)備是很有必要的,因?yàn)樗鼈儧Q定了用電負(fù)荷在微網(wǎng)中的位置,相應(yīng)地也會影響發(fā)電裝機(jī)容量以及對儲能系統(tǒng)的要求。例如,對一個基于分布式光伏發(fā)電的微網(wǎng)來說,為手機(jī)充電的負(fù)荷對系統(tǒng)影響微乎其微,而開啟電冰箱這樣的有長期穩(wěn)定的用電設(shè)備則對系統(tǒng)管理用電負(fù)荷帶來了一定的困難。
對外連接:
微網(wǎng)通常與大電網(wǎng)相連,從而實(shí)現(xiàn)之間的電力交換。這種類型的微電網(wǎng)在校園和醫(yī)院中十分常見。此外,電網(wǎng)的發(fā)展趨勢之一是使用先進(jìn)的監(jiān)測和控制系統(tǒng),將很多個微電網(wǎng)連接起來。
微電網(wǎng)的作用
就近消納,提高能源效率
微電網(wǎng)內(nèi)部的電來自于天然氣、光伏及風(fēng)電等分布式能源。在西北之類風(fēng)光資源充足的地方,修建大型風(fēng)電場、光伏電站,用戶(工業(yè)園區(qū)、商業(yè)區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院甚至大型的地產(chǎn)項(xiàng)目)在接入小型的風(fēng)機(jī)、光伏、儲能、燃?xì)廨啓C(jī)等電源設(shè)備時,就能使電能就近消納,省去了在電網(wǎng)中傳輸?shù)膿p耗,提高了能源的使用效率。
單點(diǎn)連接,減少對大電網(wǎng)沖擊
微電網(wǎng)與電網(wǎng)系統(tǒng)之間電能交流,是通過微電網(wǎng)與電網(wǎng)系統(tǒng)的公共連接點(diǎn)連接,避免了多個分布式電源與電網(wǎng)系統(tǒng)直接連接。微電網(wǎng)主要用于區(qū)域內(nèi)部的供電,不向外輸送或輸送很小的功率,對電網(wǎng)系統(tǒng)的影響可以忽略不計。
提高供電可靠性,解決電能需求
微電網(wǎng)采用先進(jìn)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(fù)荷連接在一起,使得它對于電網(wǎng)系統(tǒng)成為一個可控負(fù)荷,并且可以施行并網(wǎng)和獨(dú)立兩種運(yùn)行方式,充分維護(hù)了微電網(wǎng)和大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
微電網(wǎng)如何運(yùn)行?
微電網(wǎng)存在兩種典型的運(yùn)行模式:正常情況下微電網(wǎng)與常規(guī)配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行,稱為聯(lián)網(wǎng)模式;當(dāng)檢測到電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不滿足要求時,微電網(wǎng)將及時與電網(wǎng)斷開而獨(dú)立運(yùn)行,稱為孤島模式。兩者之間的切換必須平滑而快速。微電網(wǎng)相對于外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元,并可同時滿足用戶對電能質(zhì)量和供電安全等方面的要求。微電網(wǎng)內(nèi)部的電源主要由電力電子器件負(fù)責(zé)能量的轉(zhuǎn)換,并提供必要的控制。
并網(wǎng)運(yùn)行
并網(wǎng)運(yùn)行就是微電網(wǎng)與公用大電網(wǎng)相連,微網(wǎng)斷路器閉合,與主網(wǎng)配電系統(tǒng)進(jìn)行電能交換。光伏系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電。儲能系統(tǒng)可進(jìn)行并網(wǎng)模式下的充電與放電操作。并網(wǎng)運(yùn)行時可通過控制裝置轉(zhuǎn)換到離網(wǎng)運(yùn)行模式。
離網(wǎng)運(yùn)行
離網(wǎng)運(yùn)行也稱孤島運(yùn)行,是指在電網(wǎng)故障或計劃需要時,與主網(wǎng)配電系統(tǒng)斷開,由DG、儲能裝置和負(fù)荷構(gòu)成的運(yùn)行方式。儲能變流器PCS工作于離網(wǎng)運(yùn)行模式為微網(wǎng)負(fù)荷繼續(xù)供電,光伏系統(tǒng)因母線恢復(fù)供電而繼續(xù)發(fā)電,儲能系統(tǒng)通常只向負(fù)載供電。
微電網(wǎng)核心技術(shù)
在微電網(wǎng)研究領(lǐng)域,最為關(guān)鍵的技術(shù)是微電網(wǎng)的運(yùn)行控制。
目前,有三種比較常見的微電網(wǎng)控制方式:
1、基于電力電子技術(shù)等概念的控制方法。該方法根據(jù)微電網(wǎng)的控制要求與發(fā)電機(jī)的下垂特性將不平衡功率動態(tài)分配給各機(jī)組承擔(dān),具有簡單、可靠、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。
2、基于能量管理系統(tǒng)的控制。該方法采用不同的控制模塊分別對有功和無功進(jìn)行控制,很好地滿足了微電網(wǎng)的多種控制要求,此外該方法針對微電網(wǎng)中對無功的不同需求,功率管理系統(tǒng)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(shù)的微電網(wǎng)控制。該方法將計算機(jī)領(lǐng)域的多代理技術(shù)應(yīng)用到微電網(wǎng),代理的自治性、自發(fā)性等特點(diǎn)能夠很好地適應(yīng)和滿足微電網(wǎng)分散控制的要求。
微電網(wǎng)的保護(hù)方法與傳統(tǒng)配電網(wǎng)的保護(hù)方法不同,主要是微電網(wǎng)的多電源特性,使得兩者區(qū)別很大。主要難點(diǎn)在潮流的雙向流動、并網(wǎng)和孤立運(yùn)行時短路容量的變化方面。因此,傳統(tǒng)配電網(wǎng)在低壓側(cè)集中無功補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ呀?jīng)不適合微電網(wǎng)。
大部分的新能源發(fā)電技術(shù)所發(fā)出的電能在頻率和電壓水平上不能滿足現(xiàn)有互聯(lián)電網(wǎng)的要求,因此無法直接接入電網(wǎng),需通過電力電子設(shè)備才能接入。為此要大力加強(qiáng)對電力電子技術(shù)的研究,研制一些新型的電力電子設(shè)備作為配套設(shè)施,如并網(wǎng)逆變器、靜態(tài)開關(guān)和電能控制裝置。
微電網(wǎng)與售電
2017年4月,中國國電集團(tuán)所屬龍?jiān)措娏瘓F(tuán)股份有限公司承建的吐魯番新能源城市微電網(wǎng)示范項(xiàng)目獲得售電許可,成為我國首個獲得電力業(yè)務(wù)許可證(供電類)的微電網(wǎng)。
據(jù)龍?jiān)措娏τ嘘P(guān)負(fù)責(zé)人介紹,吐魯番新能源城市微電網(wǎng)是我國首個微電網(wǎng)示范項(xiàng)目,于2013年底建成投產(chǎn)。項(xiàng)目在293棟居民樓頂建設(shè)屋頂光伏8.7兆瓦,同期建設(shè)1座10千伏開關(guān)站及監(jiān)控中心、1座1兆瓦儲能裝置、1座公交充電站等,通過微電網(wǎng)系統(tǒng)向區(qū)域內(nèi)5700多戶居民及機(jī)關(guān)事業(yè)單位、商業(yè)用戶、地緣熱泵等用戶供電。
該項(xiàng)目實(shí)行“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)、電網(wǎng)調(diào)劑”的運(yùn)營機(jī)制,項(xiàng)目公司在微電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)具有經(jīng)營權(quán)、管理權(quán)和售電權(quán)。電力業(yè)務(wù)許可證的取得,標(biāo)志著負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的龍?jiān)赐卖敺履茉从邢薰卷樌〉门涫垭姌I(yè)務(wù)資質(zhì),成為擁有配電網(wǎng)運(yùn)營權(quán)的售電公司。