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分布式发电与配电网的协调发展与技术展望

时间:2017-06-01 17:32来源:《电气技术》杂志 作者:fei
《环球表计》信息站播报:

  湖南工业大学电气与信息工程学院的研究人员汪宝、匡洪海、郑丽平、丁晓薇,在2017年第3期《电气技术》杂志上撰文指出,分布式发电(DistributedGeneration,DG)是实现大规模分布式可再生能源充分利用的最好方式之一,配电网在DG实现并网送电中的作用尤为关键。

  文中在分析了分布式发电和配电网的概况与发展的基础上,指出了传统配电网在DG接入利用方面的局限性,说明了在DG得到利用的同时传统配电网发展为主动配电网(ActiveDistributionNetwork,ADN)的必要性。最后,从用户、信息、控制三个视角展望了DG与配电网协调发展需要进一步研究应用的核心技术。

  随着环境形势的日趋严峻与化石能源的逐渐消耗,人类从传统的以化石能源为主的能源系统逐步过渡到以可再生清洁能源为主的可持续能源系统势在必行。电能作为广泛应用的二次能源,其在人类社会发展中已经并将继续扮演着至关重要的角色。21世纪之前,电能的一次能源以煤炭等化石能源为主,如今,随着人们对各类分布式清洁可再生能源重视度的逐步提高,电能的来源也在随着能源结构的巨变而发生着改变,各种新能源相继被开发利用。

  目前,已经被研究和开发利用的分布式可再生清洁能源主要有太阳能、核能、风能、地热能等,这些清洁可再生的新能源正在逐步取代化石能源成为电能来源的重要部分[1]。

  能源是人类未来生存和发展的重要基石。从能源的可持续发展的角度来看,充分利用各类DG并网送电是解决能源危机的一种有效途径。但是,在DG的实际应用中,由于DG的并网送电给电网的正常运行带来的电压、频率及继电保护方面的潜在威胁,通常对DG的并网容量等有严格的限制[2]。

  这些限制虽然在很大程度上避免了DG的接入对电网正常运行的潜在威胁,但同时也导致了DG在电力系统中渗透率水平的低下,严重影响和限制了DG的利用与发展。

  长期以来,世界各国都在对配电网进行改造建设,配电网也发生了翻天覆地的变化,经历了从传统配电网、智能电网、主动配电网(ActiveDistributionNetwork,ADN)、主动配电系统的巨大变革[3]。

  DG的发展与配电网的发展有着密切的内在联系,配电网的发展在很大程度上会影响DG在电力系统中的渗透率,而DG的发展利用会在一定程度上影响配电网的工作模式与运行效率。

  仅从DG消纳的需求方面考虑,优化改造配电网以促进DG的充分利用的重要性毋庸置疑,但同时,纯粹的为了促进DG的利用而进行大规模的配电网规划改造缺乏经济性,因此,DG与配电网两者的协调发展便意义深远。

  文献[4]提出了分布式光伏发电与主动配电网协调发展的思路,指出分布式光伏发电在接入配电网后带来的双向潮流、电压谐波、继电保护等问题给配电网造成威胁的同时也对配电网提出了更高的要求,但文献主要针对分布式光伏发电与ADN,没有全面考虑配电网的发展,也没有具体分析传统配电网的不足对分布式光伏发电优势的发挥的限制。

  文献[5]阐述了主动配电系统的概念,从技术层面分析了配电网未来发展对象主动配电系统规划与运行的相关问题,但没有综合分析DG与配电网协调发展方面的问题。

  基于DG与配电网协调发展的理念,文章首先分别介绍了DG和配电网的概况及其在我国未来的发展前景,并对我国传统配电网在DG利用中的局限性和ADN在DG利用中的优越性进行了分析,然后提出在DG充分利用的同时配电网逐步协调发展为ADN的观点,并对相关技术进行了展望。

  1分布式发电的概况及发展

  1.1分布式发电的概念与特征

  DG是资源与环境可持续发展战略以及技术发展进步的产物,也是电力系统实现以大电网与分布式电网相结合目标的重要发展方向。关于DG的概念,在国际大型电力系统委员会的定义中是指非经规划的或中央调度型的电力生产方式,发电规模在50~100MW之间直接与配电网连接的发电系统。

  一般来说,DG是可以包含任何安装在用户附近的发电设施,而不论这种发电形式的规模大小和一次能源的类型[6]。

  目前,DG研究应用尤为集中的是可再生分布式能源发电技术,主要包括光伏发电、风能发电、地热发电、海洋能发电以及生物质能发电。DG相对于传统集中式发电的主要区别在于其分布性比较强,其次是其发电规模较小并且靠近电能用户,既可以直接向附近的负荷供电也可以根据需求并入大电网输送电能。

  DG的发展与应用,可以充分的吸收各类分散的清洁可再生能源来发电,从而实现可再生能源的高效规模化利用,再者DG接入方便、运行简单的优点也得到了广泛的认同。

  1.2我国分布式发电的发展

  随着电力电子技术的发展与其他相关技术的突破,DG正逐步在世界各国得到广泛的应用。近年来,我国的风能、生物质能以及太阳能等分布式能源的利用发展态势非常迅猛。国家能源局已经提出了到2020年风力发电实现装机2亿kW、太阳能装机1亿kW的目标,2020年分布式能源装机容量将达到总装机容量的1/10。同时,国内关于风电与光伏的相关十余项规范也已经开始实施,使得DG的发展利用逐渐规范化。

  DG具有能在负荷高峰期转移主电网一定的负荷的特点,可以有效缓解电网馈线的容量限值。我国分布式能源含量丰富,但由于技术等条件的限制导致目前开发利用力度仍然不够,随着DG并网输送电能调度以及能源综合优化的问题得到进一步的解决,DG将会在我国未来的电力系统中扮演着更为重要的角色。

  2配电网的概况及发展

  2.1配电网的概述与特征

  配电网,即在电网中起分配电能作用的电力网络。配电网作为电能利用的发电、输电、配电、用电四个环节中的重要一环,是联系发电端与用户的桥梁。合理的配电网规划建设不仅可以保证供电可靠性和保障电能质量,而且可以提高电网建设的经济性,这对电网公司和电力用户来说都意义深远。

  我国配电网基础较为薄弱,配电网与输电网的发展步调也有一定程度的不协调,配电自动化以及智能化水平较发达国家有较大的差距。但近年来,随着智能电网、微电网、电动汽车以及分布式发电的发展,我国配电网的自动化、智能化水平正在逐步提升,配电安全性、可靠性及适应性都有了很大程度的提高[7]。在国家大力支持配电网发展的大好形势下,未来我国配电网将逐步朝着主动、智能、坚强、灵活的方向稳步发展。

  2.2我国配电网的发展

  我国传统配电网形式以单向的“发电—配电—用电”形式为主,常见的配电模式有单电源辐射、不同母线环式模式以及不同母线的三回馈线的环式等模式。在我国众多的配电网构架中,这些传统的配电网模式仍然大面积的存在,但随着配电网研究的深入和配电网改造优化的实施,我国配电网在智能电网、主动配电网等方面都取得了相应的发展。

  在智能电网方面,我国很早就开始了智能电网的研究应用探索,通过“十二五”规划纲要中智能电网国家战略的推进实施,我国配电自动化水平得到了很大的提升[8];在ADN方面,但近年来,我国科研工作者在主动配电网的控制策略、分布式电源的优化规划、需求侧管理等方面都取得了相应的研究成果。

  目前,国内外配电网也正随着技术的革新以及实际需求而经历着巨大的变革,文献[9]介绍了配电网由被动配电网向ADN的发展历程,文献[10]在分析我国配电网的结构、配电能力、自动化等问题的基础上,提出了我国配电网“结构合理、技术先进、灵活可靠、经济高效”发展的目标。

  我国正在加大投资配电网的规划改造建设的力度,根据《配电网建设改造计划》的通知,“十三五”期间,我国配电网的建设改造投资不低于2万亿元[11]。我国学术界和工程界正在深入研究ADN及主动配电系统在我国发展与实践应用。在未来相当长的一段时间里,ADN将是我国智能配电网研究应用的重要方向之一。

  3分布式发电与配电网的协调发展

  3.1含分布式发电的传统配电网及其局限

  大规模DG接入传统配电网后将打破传统配电网的单向辐射状供电模式,同时可能引发短路、电压异常,影响电能质量和供电可靠性等问题[12]。通常,DG在配电网中具有三种功能:DG作为配电网的备用电源、配电网作为DG的后备电源、DG与电网并网运行[13]。而在DG接入配电网后,DG在配电网中的接入位置和注入容量对配电网的电压分布及稳定运行有着重要影响[14]。

  DG接入传统配电网后,配电网由传统的单向辐射型网络转化为含源不定向与用户互联的复合型电力网络,这种改变给电力系统的稳定运行带来了多方面的影响,这些影响对DG的发展有着很大的局限性。

  文献[15]分析了DG的接入对线路重合闸的影响,提出系统出现任何形式的故障都必须快速无选择地切除DG。文献[16-18]指出了DG对电力系统电压稳定性的威胁,因此在DG的并网时需要严格控制并网容量和并入位置,这直接造成了DG利用率的降低。

  由于DG接入后的潜在威胁,因此在传统配电网中规划处理DG的基本原则是“即装即忘”,相对简单的运行模式和控制策略导致一旦电网发生故障就需要通过断路器断开DG,这样不仅导致可靠的供电的难以形成而且也直接导致了DG渗透率的降低[19]。

  所以传统的含有DG的配电网在提高供电可靠性及DG渗透率方面存在很大缺陷,需要通过对配电网进行优化改造使配电网在接纳DG后能提高供电可靠性和稳定性,ADN便是一种很好的解决方案。

  3.2DG与配电网的协调发展

  ADN的概念于2008年由CIGREC6.11提出,ADN是指在灵活的网络结构下,协调DG、主动负荷和储能三者的运行的配电网络。ADN,既区别于传统辐射式单向配电网,又不同于近年发展起来的微电网。

  相对于传统的被动配电网的被动控制模式,ADN采用新电力电子技术和控制技术形成了独特的主动控制模式,ADN不但改变了传统配电网辐射状结合DG的模式,而且形成了由主动负荷、DG、储能装置以及智能控制的网状配电网。

  ADN可以常态并网送电以及条件孤岛运行,被认为是能够提高分布式电源渗透率、解决电网兼容及大规模间歇式可再生能源应用以提升绿色能源利用率和优化一次能源结构等问题的关键。

  DG的接入对配电网的供电经济性和节点电压、潮流、短路电流、供电可靠性等都会带来影响,并将影响配电网接线方式和网络的架构[20]。未来配电网与DG的发展中,配电网不仅要满足在大量DG接入后电网能稳定运行,而且要在当DG不稳定或者瞬时断开后能通过主动管理和控制来调整实现电网稳定运行。

  同时,由于ADN不仅能够满足DG在电力系统中高渗透率的要求,而且在电动汽车等可控负荷管理、智能控制、需求侧管理等方面都有其独特的优点,因此,ADN便成了DG与配电网协调发展的一种模式。

  配电网是影响电网稳定性、电能质量和网络运行效率的重要因素之一。基于ADN在促进分布式能源消纳以及可控负荷的接入控制等方面的独特优势,ADN逐步成为配电网发展一个重要方向。

  在ADN的基础上,2012年由CIGREC6.19提出了主动配电系统的规划与优化研究报告,主动配电系统能够在信息通信技术(ICT)、智能控制技术和成本效益模式为基础上实现已有资产与基础设施的最优化利用。

  ADN作为未来智能电网的重要组成部分,它的研究与实践将直接影响分布式电源的渗入率。当前很多国家学术界和工程界都在关注ADN的研究与应用,在可持续分布式电源消纳现实需求的驱动下,DG与配电网协调发展的研究与应用将逐步深入。

  4 DG与配电网协调发展的技术展望

  现有的通信、控制、电力电子等技术的更新与新技术的开发利用,将毫无疑问会给DG与配电网未来的发展带来不可避免的革新。因此,文章从三个视角的相关技术来展开未来DG与配电网协调发展的探讨,三个视角及其具体技术展望如表1所示。

  表1:DG与配电网协调发展技术展望的三个视角

  4.1从用户视角看DG与配电网的协调发展

  目前,虽然DG的利用已经有了很大的进展,但针对家庭式的DG技术仍然有很大的发展空间。未来人们对DG认可度的提升必定会促进大量家居式DG系统逐步建立,因而开发廉价、便捷的家居式DG技术可以充分促进DG的发展。

  而在智能用电技术方面,虽然已经有智能电表的应用,但可有效提升客户用电体验的智能用电技术尚待研究开发,其次可供研究客户用电习惯等的智能用电技术还没有形成系统的技术框架。

  需求侧响应技术作为近年配电网研究应用的热点,但可以实现配电网与用户实现双向互动,实时满足用户用电需求的需求侧响应技术仍然还有待研究。能够引导用户主动参与电网能源优化利用,使配电网高效稳定的实现“削峰填谷”经济调度和主动控制的供需协调技术有待开发。

  从用户的角度来看,家居式DG技术、需求侧响应技术等技术的应用可以实现用户与配电网的双向互利,因而对促进DG与配电网的协调发展有一定影响。

  4.2从信息视角看DG与配电网的协调发展

  电网的调度、控制等各个方面都离不开信息通信技术,先进的通信技术在配电网安全运行中在扮演着至关重要的角色。当前,配电网的通信技术已经在很大程度上得到了改善,但高效实时的通信技术并没有得到统一,未来DG与配电网的协调发展离不开先进的通信技术,因此,统一通信协议的配电网通信技术有待进一步的加强。同时,信息处理技术对DG和配电网的发展也及其重要。

  大数据与云计算技术的研究应用已持续多年,但将其应用于配电网和DG中对历史气象信息进行数据分析与规律学习实现风机、光伏出力的有效预测和对各类分布式电源运行过程中产生的大量数据的优化利用以实现对DG的运行控制与能源利用优化仍然有待进一步的研究。

  因此,对配电网和DG的运行信息数据进行处理,以保证DG和配电网的优化运行,实现配电网和DG的状态监测、运行预测等功能的云计算技术建模分析和仿真算法平台有待进一步的开发。

  从信息的角度来看,信息技术的不断进步,给DG与配电网带来了巨大的发展机遇,未来ADN的实现离不开统一先进的实时信息通信技术。同时,利用大数据及云计算技术在数据处理等方面的突出优势,开发针对配电网与DG的大数据处理及云计算平台以优化DG与配电网的运行值得更多的期待。

  4.3从控制视角看DG与配电网的协调发展

  随着智能电网的研究应用,我国配电网与DG的运行控制自动化水平已经有了很大的提升,但现有的控制技术很难满足未来配电网与DG的发展需求。DG与配电网运行的各个环节都离不开各类控制技术,控制技术的突破将对DG的并网利用有着重要的影响。

  大规模的DG优化利用需要强有力的电力电子控制技术、功率控制技术作为有效支撑,而大量多层次DG典型的分散性特点使得现有的控制技术很难满足DG利用的需求,能有效弥补DG与传统配电网运行与控制的缺陷的新型分布式智能控制技术需要更多的研究。

  同时,应用分布式智能式、集中式以及混合分层式控制模式几种控制模式以使配电网控制构架层次分明、目标明确的控制技术模式也需要进一步的研究开发。

  从控制的角度来看,DG的发展需要控制技术作为支撑,配电网实现主动控制离不开新型智能主动控制技术的开发。因此,DG与配电网发展过程中,对现有控制技术的更新以及新型智能控制技术的突破需要得到更多的关注。

  5结语

  在促进新能源开发利用和提倡能源互联发展的背景下,随着DG成本的逐年降低和技术性能的不断提高,DG在电力系统的渗透率将会不断提高。而大量DG的接入对配电网提出更高的要求,协调配电网与DG发展不但可以实现DG的充分利用,而且可以保证配电网的优质、高效、经济运行。

  DG与配电网是实现能源互联工程的重要环节,充分利用新型技术结合试验示范等开展DG与配电网协调发展的相关研究对促进能源互联网的发展有着重要意义。

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