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一文了解微電網

作者:中國儲能網新聞中心 來源:全國能源信息平臺 發布時間:2020-11-23 瀏覽:
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1、微電網的發展緣起

分布式發電就是利用各種可用和分散存在的能源,如:太陽能、風能等可再生能源和天然氣為燃料的冷/熱/電聯供系統。分布式發電的特點主要表現為:位置靈活、分散,適應分散電力需求和資源分布;可以與大電網互為備份,改善供電可靠性;容易滿足負荷需求,有利于可再生能源高效和規模化利用。我國可再生能源發電模式是集中發電遠距離輸電與分布式發電相結合的方式。

為協調大電網與分布式電源間的矛盾,充分利用分布式電源為電網和用戶帶來的價值和效益,提出了微網(微能源網)的概念。歐盟對于微電網的定義是:微網是利用分布式能源、儲能裝置和可控負荷共同組成的低壓網絡,容量范圍從幾百千瓦到幾個兆瓦,能夠與配電網并聯運行,在上一級電網故障時可脫網獨立運行,故障恢復后可重新并網。國網電科院對微電網的定義是:微網是由分布式電源、儲能和負荷構成的可控儲能系統,可平滑接入大電網和獨立自治運行,是發揮分布式電源效能的有效方式。

2、微電網的特征

微電網是指以分布式電源為主,利用儲能和控制裝置進行實時調節,實現網絡內部電力電量平衡的小型供電網絡,可并網運行也可離網運行。由于風電、光伏發電等分布式電源具有分散性和間歇性的特點,對電網的電能質量、控制保護、運行可靠性帶來不利影響,隨著儲能和運行控制等技術的進步,本世紀初歐美部分學者提出了微電網概念。總結美國、歐洲、日本等國20個微電網試點工程,具備以下四個基本特征:

1.微型:微電網電壓等級一般在10kV以下;系統規模一般在兆瓦級及以下;與終端用戶相連,電能就地利用。

2.清潔:微電網內部分布式電源以清潔能源為主,或是以能源綜合利用為目標的發電形式。天然氣多聯供系統綜合利用率一般應在70%以上。

3.自治:微電網內部電力電量能實現基本自平衡,與外部電網的電量交換一般不超過總電量的20%。

4.友好:微電網對大電網有支撐作用,可以為用戶提供優質可靠的電力,能實現并網/離網模式的平滑切換。

3、未來電網與電氣裝備新技術

廣義的電網是從發電設備到用電設備的各個環節的統一整體。目前,我國電網已經基本形成了“西電東送、南北互供、全國聯網”的總體格局,已經覆蓋了全國大部分地區,成為世界最大的電網之一。

現代電網的主要特征是交流模式、跨區互聯、發電資源可調度、電源以大型發電廠為主,用戶側無電源,發-輸-配-用各環節可通過自動調節設備實現供需平衡。它存在的主要問題是電網結構不合理問題、安全穩定性問題突出、電能質量和電網效率有待于改善。

可再生能源區別于化石能源的主要特征是受天氣的影響,不可調度(間歇性、波動性);分散性,但負荷密集區卻缺少能源;一般不能通過交通運輸工具輸送(生物質能除外);能源多樣性(光、風、地熱、水利、海洋能);發電方式差異較大;無法儲存(生物質能除外,水利可短時儲存);資源具有時空互補性;主要利用方式是發電。

由于可再生能源的資源特點及發電模式與常規能源具有很大區別,將對未來電網發展帶來革命性的挑戰,這就需要我們對未來電網運行模式進行重新思考。解決方式一般從三個方面著手:一是改變電網的結構和運行模式。任何一個體系的結構和運行模式對于其功能的影響是關鍵性的。例如,大同市有自己的治理結構。為了促進新能源產業,成立新的組織結構,以適應新的變化和需要。二是采用超導與新材料的電氣設備,改善電網物理基礎。材料是推動這個設備性能改造的源頭性的東西,非常關鍵。三是采用信息技術提高電網的智能化程度。信息技術在飛速地發展,把信息技術融入其中,來促進電網技術的變革。

4、綜合能源系統

能源互聯網是指能源系統的信息載體與網絡可以實現統一與融合,不同的能源可以通過轉化設備與熱力網、電力網在物理層融合,用戶可以借助市場和信息對能源需求做出自己的選擇。能源和信息不一樣。單一的信息沒有太大價值,但信息和信息經過交換會增加新的價值。能源就不一樣了,能源的轉換和傳輸過程中都有衰減。當然能源的傳輸會有各種方案,但單一的把互聯網構架拿來做能源系統是不太合理的。”

雖然可再生能源系統的硬成本在下降,但軟成本的下降并不明顯,導致目前軟成本占到整個項目成本的比例在增加,這可能是未來能源系統發展的一個比較大的障礙。從資源角度來說,未來能源系統會從資源型向集成化智能化轉變。從消費觀看,未來能源系統把生產者和消費者結合在一起,形成一個新詞——產銷一體。比如這棟辦公樓,原來是一個能源消費者。如果在屋頂加上光伏,不僅可以滿足自我使用,同時也可以發電上網,就變成一個銷售者。這樣的變化會引發商業模式的改變。此外,多能綜合能源系統與其他各個行業的滲透與儲能有很大關系。

5、微電網的基本形態

微電網主要是利用儲能和控制裝置,實現分布式電源與本地負荷電力電量自平衡的微型供電網絡,是新技術在配電網中的應用,是智能電網的組成部分。分布式電源并網不一定要依靠微電網技術;但微電網必然包含分布式電源,同時配置能量管理系統、控制裝置、儲能裝置等實現“自治”“友好”。

未來電網的基本形態是大電網與微網并存。所謂廣域大電網就是有機整合各種可再生能源的時空互補性,并實現資源密集區的電力向負荷密集區的大容量遠距離輸送。分布式電源和微網是指就地利用分散資源,保障用戶供電安全可靠性,并可向大電網“上傳”多余電力。例如,廣域風能時空互補后,無需配置儲能或者配置很少容量的儲能便能滿足現行我國風電并網要求。

6、電網運行模式的發展歷史與現狀

1879年,愛迪生發明了直流發電機,并提出了直流供電系統。1887年,特斯拉研制出世界上第一臺無電刷交流感應馬達;1897年,西屋公司在尼亞加拉水電站的首臺交流發電機(10萬馬力)投入運行,并奠定了現代電網的基礎。

人類最初的輸電方式是直流輸電。由于不能直接給直流電升壓,于是三相交流發電機和變壓器被相繼發明。從此,交流輸電普遍代替了直流輸電,并確立了交流輸電的主體地位,從而形成了今天普遍被采用的交流電網。然而電力系統的規模迅速擴大也使得交流大電網的安全穩定性問題日益突出。未來,能源結構的調整將使得電網規模較當前有成倍的增長。

未來的輸配電網和分布式電網將逐步向以直流為主或交直流混合的運行模式方向發展。未來電網向直流運行模式的革命性轉變也將催生大量的科技創新機遇和一大批戰略性新興產業,在技術方面卻需要很大的突破。2013年4月美國麻省理工學院公布了未來可能改變世界的十大科學技術,“直流電超級電網”就是其中一項,并認為“直流電網使得遙遠的可再生能源鏈接更加有效。”

2008年初,冰雪天氣導致我國發生大面積停電,只有少數小電網在支撐重要用戶運行。這暴露了我國現有的網架結構在保障用戶供電方面所存在的薄弱環節同時也將微型電網的作用充分展示了出來,并促使我國加快了對微型電網的研究步伐。2009年,中國國家科技部通過“973”計劃項目,專門資助了分布式發電供能系統的相關基礎研究。2010年,中國國家科技部通過《國家高科技研究發展計劃(863)》立項了近十個有關微電網方面的研究課題。“十二五”期間,我國將在太陽能、風能占優勢的地區建設成微電網示范區,同時還將推動建設100座新能源示范城市。我國微電網的發展雖尚處于起始階段,但微電網的特點適應我國電力發展的需求和方向,具有廣闊的發展前景。

7、微電網與多能互補的技術趨勢

在能源的生產、運輸和消費過程中,被浪費掉的電力才是最應該關注的部分。因此在未來的微電網設計中,首先應該考慮的是原有能源系統中有多少能效提升的可能,在規劃新的電源和系統的時候也必須優先考慮能效提升后的轉機需求,盡可能地降低系統的能源供應成本。

在目前各類微電網設計模型中,熱電氣多能互補模式是性價比最高的,沒有之一。在當前的技術水平下,熱電聯產設備將成為微網系統的核心,同時在條件允許的地區,風電和光伏也將成為微網發電的重要組成部分。在美國的眾多微電網項目實踐中,熱電聯產通常占據80%的發電容量,風電和光伏承擔剩下的20%。在未來,隨著可再生能源發電成本的繼續降低以及新技術的發展,可再生能源的發電占比還會繼續提升。

可再生能源電力的優勢自然是零排放的清潔電力,而且不需要額外構建燃料的運輸渠道,缺點也十分明顯,在缺乏足夠的儲能設備的情況下,能源供應的穩定性受到了很大的挑戰。為了緩解微電網系統中由于風電和光伏的間歇性發電和負荷側的波動,儲能設備成為大多數微電網的標配。此處的儲能設備不僅僅指代電池,還包括儲熱和儲氣等不同種類能源介質的儲存。在電池作為大規模儲能設備成本依然較高的情況下,其他類型的儲能設備反而能夠在多能互補的微電網項目中得到更多的應用。

目前,大多數微網項目的儲能設備還是用于平滑用戶負荷曲線、彌補日內和周內的發用電缺口。長期的季節性儲能設備暫未有較好的整合方案。總體來看,微電網設計和規劃必須全盤考慮當地的資源稟賦和用戶的需求,以系統能源供應的安全性和可靠性為第一標準,在此基礎上再考慮經濟性和環境友好性。設計中不僅要考慮能源供需的平衡,還要考慮能夠提供靈活性的設備與消耗靈活性的設備之間的平衡。

8、微電網運行的特點

微電網是規模較小的分散的獨立系統,它將由分布式電源、儲能裝置、能量裝換裝置、相關負荷和監控、保護裝置匯集而成的小型發配電系統,是能夠實現自我控制、保護和管理的自治系統,既可以與外部電網運行,也可以孤立運行。微電網本身可看做是小型的電力系統,具備完整的運輸配電功能,可實現可再生能源的安全消納。同時微電網本身還是一個典型的分布式發電功能系統,可通過能源之間的調度,提高終端能源的利用率。

微電網的特征是以分布式發電技術為基礎,融合儲能、控制和保護裝置;接入的電壓是配電網電壓等級;能夠在聯網和孤島兩種模式運行;分布式電源之間有一定地理距離。

微網方式運行的優點有以下幾個方面:

1.提高分布式電源的有效運行時間;

2.在電網災變情況下為重要用戶持續供電;

3.降低用戶對傳統電網供電可靠性的要求;

4.實現可再生能源綜合優化利用;

5.微電網是能源互聯網的重要組成部分和細胞結構。因此,發展微電網技術對經濟與社會意義巨大。

9、微電網的作用

首先,微電網可以實現風、光等可再生分布式能源一體化并網,對無序接入分布式電源進行統一管控,提高電網接納間歇性分布式電源的能力,解決規模光伏輸出功率波動的問題,提升網內功率動態平衡能力。

第二,微電網通過協調控制,使微網內分布式電源通過有效配合來均衡負載、延緩電網升級、減小線路投資,解決因規模間歇性電源接入需要增加主網旋轉備用容量的問題。

第三,微電網對內通過對不同類型分布式電源及負荷進行整合,對外可等效為一個可調度的單元,參與系統調峰,實現一定經濟效益,提高大量分布式光伏接入的經濟性。

第四,在用戶端形成戶用微電網,實現用戶個性化、差異化服務,解決用戶需求多樣性的問題。

第五,以電為載體,形成微型的綜合能源系統,實現多種能源聯合優化運行。

10、微電網是智能電網的重要組成

新時代對能源發展提出了清潔化、智能化、高效化以及安全可靠的要求,而隨著可再生能源的大規模應用,互聯網、物聯網等信息技術的不斷成熟,大力發展能源互聯網成為不可逆轉的趨勢。和傳統電網相比,微電網的最大特點是可以對分布式能源進行就地消化、就地平衡,同時也可以和大電網進行能量交換。正因如此,微電網被認為是智能電網領域的重要組成部分,在工商業區域、城市片區以及偏遠地區有廣泛的應用前景。隨著分布式可再生能源儲能微電網技術的進步、成本的降低、新型負荷的出現,結合售電側改革,微電網將會有越來越多的電力市場份額。

當前我國新能源發展勢頭非常迅猛,按照規劃,2050年風電和光伏的裝機容量都將達到10億千瓦。但與新能源發展相伴,棄風棄光現象非常嚴重。究其原因,是因為新能源發電具有不穩定性和間歇性,大規模開發和利用將使供需矛盾更加突出。從某種意義上說,儲能技術應用的程度將決定新能源的發展水平。儲能技術的發展,關鍵是電池技術的進步。可再生能源+儲能”是新能源發展的必然選擇,而儲能應用場景的復雜性決定了儲能電池技術的多元化發展方向。未來針對電力調峰儲能的大容量電池和電力調頻儲能的大功率電池,還有待技術的創新突破。儲能電池包括六大技術內涵,其中,電池材料是基礎,但并不是儲能電池技術研究的全部。

11、微電網的集成及運營管理

微電網有兩種運行模式,第一種是并網模式,正常情況下微網與常規配電網并網運行,成為聯網模式;第二種是孤島模式,當檢測到電網故障或電能質量不滿足要求時,微電網將及時與電網斷開而獨立運行,成為孤島模式。

在電網發生大擾動和故障時,微電網仍能保持對用戶的供電能力,而不發生大面積停電事故;在自然災害和極端氣候條件下造成外力破壞的情況下仍能保證電網的安全運行;具有確保信息安全的能力和破解計算機病毒破壞的能力。

微電網具有實時、連續的安全評估和分析能力,強大的預警控制系統和預防控制能力,自動故障診斷、故障隔離和系統自我恢復的能力。微電網支持可再生能源的正確、合理的接入,適應分布式發電的發展趨勢,能使需求側供電的功能更加完善和提高,從而實現與用戶的交互和高效互動,滿足用戶多樣化的電力需求。

微電網支持電力市場和電力交易的有效開展,實現資源的合理配置,進一步降低電網損耗,提高能源利用效率,為用戶提供可承受電價水平的電力供應。微電網實現了電網信息的高度集成和共享,采用統一的平臺和模型,實現標準化和精細化管理。微電網可以進一步優化資產的利用,降低投資成本和運行維護成本。

12、分布式電源

各國分布式電源的發展是由其資源分布特點、政策激勵和產業基礎等決定。我國風能、太陽能資源主要富集在“三北”地區,主要以大規模發展為主,分布式開發條件不及歐美;天然氣資源匱乏;小水電資源豐富,優于歐美。小水電、風電、生物質發電以及資源綜合利用發電政策已較完備。光伏發電、天然氣多聯供政策相比歐美尚有欠缺。風電、光伏發電產業基礎與國外相當,燃機產業基礎與國外尚有差距。

分布式電源的大量接入會對現有配電網帶來一系列挑戰,穿透功率越大,挑戰越大。建設堅強智能電網和發展電網友好型分布式電源技術是解決高穿透率分布式電源并網問題的關鍵。

13、微電網的核心技術

智能微電網的關鍵技術主要包含以下幾點:

1.可再生能源發電技術。目前智能微電網主要以多種可再生能源為主,電源輸入主要為光伏、風力、氫能、天然氣、沼氣等多種成熟發電技術。

2.儲能關鍵技術。儲能是微電網中不可缺少的一部分,它在微電網中能夠起到削峰填谷的作用,極大地提高間歇式能源的利用效率。隨著科技的不斷發展,現在的儲能主要有蓄電池儲能、飛輪儲能、超導磁儲能、超級電容器儲能,目前較為成熟的儲能技術是鉛酸蓄電池,但有壽命短和鉛污染嚴重的問題。未來高儲能、低成本,優質性能的石墨烯電池市場化將給儲能行業帶來春天。儲能技術目前發展成本較高,世界各國都在攻關這項技術,但是都有一個共同目的,那就是實現“低成本+高儲能”的目標。

3.智能微電網能量優化調度技術。與傳統電網調度系統不同,智能微電網調度系統屬于橫向的多種能源互補的優化調度技術,可充分挖掘和利用不同能源直接的互補替代性,不僅可以實現熱、電、冷的輸出,同時可以實現光/電、熱/冷、風/電、直/交流的能源交換。各類能源在源-儲-荷各環節的分層實現有序梯級優化調度,達到能源利用效率最優。

4.智能微電網保護控制技術。智能微電網中有多個電源和多處負荷,負載的變化、電源的波動,都需要通過儲能系統或外部電網進行調節控制。這些電源的調節、切換和控制就是由微網控制中心來完成的。微網控制中心除了監控每個新能源發電系統、儲能系統和負載的電力參數、開關狀態和電力質量與能量參數外,還要進行節能和電力質量的提高。

14、微電網的試點狀況

2015年7月,國家能源局發布《關于推進新能源微電網示范項目建設的指導意見》,鼓勵新能源微電網建設,推動形成分布式能源系統創新管理模式和先進技術體系。2017年5月,《關于新能源微電網示范項目名單的通知》發布,首批28個項目獲批。2017年7月,《推進并網型微電網建設試行辦法》正式發布,促進并規范微電網健康發展。

國內微電網起步相對較晚,但發展迅猛,已經初步建立了關鍵技術研究體系及一些示范工程,如:河南鄭州財專分布式電源接入及微電網控制智能電網試點項目,電壓等級為380V,容量規模為光伏350KW,電池儲能200KW/200KWh。浙江分布式發電/儲能及微電網接入控制試點項目,電壓等級為380V,容量規模為光伏60KW、風電10kKW、雙饋模擬系統30KW、柴油機250KW、蓄電池儲能60KW/60KWH、飛輪儲能250KW。河北承德圍場縣御道口村莊微電網試點項目,電壓等級為380V,容量規模為光伏50KW、風電60KW、鋰電池儲能100KW/128KWH;中新天津生態城分布式電源接入及微電網建設項目,電壓等級為380V,容量規模為光伏30KW、風電6KW、鋰電池儲能15KW/60KWH;陜西世園會微電網試點項目,電壓等級為380V,容量規模為光伏50KW、風電12KW、鋰電池儲能25KW/50KWH。

未來微電網將向綜合能源網發展,將電力、燃氣、水務、熱力、儲能等資源捆綁為整體資源,實現電網絡、熱網絡與冷網絡三個彼此耦合,統一解決有關能源的有效利用和調峰問題。相較熱網絡和冷網絡,電網絡具有易互聯、損耗小、傳輸快等特點,將成為來綜合能源網的核心,也給電網發展帶來機遇。

15、微電網行業發展的障礙

目前,微電網的發展面臨一個行業痛點,就是沒有成熟的通用可拓展解決方案。單一可再生能源并網發電在消納方面遇到較大障礙,難以支撐目前可再生能源的井噴式發展,需采用多種能源互補和相互轉化,提升綜合能源效率與供能質量及可靠性,這是未來的發展趨勢;集中管理方案不夠靈活,往往屬于開發定制、不能適應多樣性的能源接入、更不利于升級和拓展,運維復雜,智能化程度不高;目前各微網系統方案獨立、不便形成合力,缺乏足夠開放、靈活,拓展和兼容性足夠強大的信息化平臺出現,提升運維效率;缺乏統一、組態化、適應性強的能量綜合管理算法和策略。

我國的微電網技術處于起步階段,還不夠成熟,涉及的先進的電力電子技術、計算機控制技術、通信技術等在微電網中的應用水平不高,且我國尚無統一、規范的微電網體系技術標準和規范,尤其對微電網接入、規劃設計、建設運行和設備制造等環節,都缺乏相應的國家層面的技術標準與管理規范。微電網建設的投資成本較高成為了制約微電網發展的主要因素,微電網控制系統價格不菲,其儲能系統投資成本較高,而儲能系統僅占到整個微電網控制系統成本的三分之一,加上變配電設置和控制系統,以及后期的運營維護,都導致微電網成本居高不下。

16、微電網的發展與面臨的挑戰

隨著智能配電網的發展,越來越多的分布式發電/微網,儲能,電動汽車,智能終端接入到其中,配電網已轉變為集電能的收集、傳輸、存儲與分配等多種功能于一體的新型能源系統,未來配電網需要主動地對這些接入設備進行優化與控制。

風、光等可再生能源所具有的隨機性、間歇性要求配電網能夠進行快速響應、及時調整,同時電動汽車的大量接入加劇了不同饋線負荷的不均衡;然而常規配電網依靠變壓器分接頭調整、開關操作等方式,其響應速度難以應對出力的突變,效果有限,在實際應用過程中,還涉及倒閘操作、合環電流沖擊、安全性可靠性等問題,配電網缺乏對有功/無功以及電壓快速、精準的調控手段,亟需新型的調控裝置與技術。

為此2017年國家智能電網技術與裝備重點專項,設立了關于智能配電柔性多狀態開關技術、裝備及示范應用項目。項目共有5個課題,包括智能配電交流電力電子柔性多狀態開關裝置研究、柔性多狀態開關調控技術研究、柔性多狀態開關接入模式研究、柔性多狀態開關試驗測試技術研究、柔性多狀態開關系統集成技術研究與示范應用,目前項目正處于在研階段,目標建成智能配電交流電力電子柔性多狀態開關裝置以及滿足配電網分布式電源消納、電能質量改善、運行優化與自愈控制技術要求的柔性多狀態開關調控技術的示范工程。

17、我國微電網的發展前景

“十二五”期間,智能電網的重點任務是發展大規模間歇式新能源并網技術,突破大規模間歇式新能源電源并網與儲能、智能配用電、大電網智能調度與控制、智能裝備等智能電網核心關鍵技術。微電網是智能電網的有機組成部分,隨著國家加大對智能電網的投資力度,微電網也面臨良好的發展機遇。未來隨著微電網技術不斷成熟、可再生能源成本下降、儲能產業發展以及未來化石能源價格的持續上漲,微電網將得到爆發式增長。

微電網在全球能源轉型中作用漸顯。任何國家,穩定的電力供應都是經濟發展和人們日常生活的最基本保障。雖然暫時性的停電對家庭生活只會帶來些許不便,但對于醫院和軍事基地等關鍵設施而言,斷電很可能會造成重要服務或軍事任務的中斷,繼而危及人類生命安全。為本地需求提供電力的小型網絡——微電網,是規避這一風險的有效途徑之一。目前在全球有數以百計的微電網正在運行,并且它們的數量仍在增長。在包括并網型和獨立型系統的各種微電網配置實踐中,我們可以有機會洞察微電網整合高比例波動的可再生能源的能力。近年來,太陽能和風能發電成本大幅下降,這意味著太陽能和風能發電已經具備了與傳統化石燃料發電技術相當的成本競爭力。這使得微電網能夠在完成穩定電力供應這一主要任務的同時,以經濟可行的方式實現清潔能源目標。

關鍵字:微電網 儲能

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