分布式電源和微網在智能配電網自愈功能中的作用

近年來，智能電網已成為電力業界的熱門話題，被認為是改變未來電力系統面貌的電網發展模式。特別是在《紐約時報》報導了美國政府將建設智能電網列為其經濟振興計劃的主要內容后，更是在全世界范圍內掀起了研究智能電網的熱潮。我國對建設智能電網也高度重視。2007年底，華東電網啟動了智能電網項目的可行性研究;2009年3月，國家電網公司提出要“建設堅強的智能化電網”。目前，智能電網的影響受到了國內外政治、經濟、金融投資界的高度關注。

世界上不同國家針對本國的能源和電網現狀制定了不同的智能電網發展目標，其重心大部分都在配電側。美國側重于對已有落后的電網基礎設施進行改造升級、建設現代化電力系統，并注重需求側管理和可再生能源的大力應用;歐洲則側重推廣分布式發電，其智能電網技術研究主要包括電網資產、電網運行和控制、需求側和計量、發電和電能存儲4個方面;日本將構建以應對新能源為主的智能電網，進行可再生能源與電力系統相融合、高可靠性系統技術等智能電網研究。中國提出建設國際領先、自主創新、中國特色的“堅強智能電網”包含電力系統的發電、輸電、變電、配電、用電和調度共6個環節，具有信息化、自動化、數字化、互動化的智能技術特征。

本文對分布式電源和微網在智能配電網自愈功能實現中的作用進行了初步探討。

分布式發電

分布式發電(DistributedGeneration，DG)，又稱分散式發電或分布式供能，一般指將相對小型的發電裝置分散布置在用戶(負荷)現場或用戶附近，以充分利用各種規模不大的分散在用戶附近的可再生或非可再生能源的發電方式。從廣義上講，除常規大型集中電站以外的小型電源，如風電、太陽能電站、小型農村水電站、其他小型發電站，均可列入分布式電源之列。分布式發電具有減輕環境污染、降低終端用戶費用、降低線路損耗、改善電能質量和提高供電可靠性等特點。根據用戶的需求不同，DG可以用來實現備用電源、電力調峰、熱電聯產以及向偏遠地區供電等用途。目前，分布式發電與大電網相結合的供電方式被世界許多能源、電力專家公認為是能夠節省投資，降低能耗，提高系統安全性、可靠性和靈活性的主要方法，是21世紀電力工業的發展方向。

但大量分布式電源并網將有可能造成電力系統對其不可控制和難以管理的局面，并引發相應的電能質量、電網安全性和穩定性等諸多問題。為了解決電力系統與分布式電源之間的矛盾，充分發揮分布式電源為電力系統和用戶所帶來的技術經濟效益，進一步提高電力系統運行的靈活性、可控性和經濟性，以及更好的滿足電力用戶對電能質量和供電可靠性的更高影響，微網概念應運而生。

微網

與常規的分布式能源直接并網相比，微網靈活、系統的將分布式電源與本地負荷組成為一個整體，通過柔性控制可以大大降低分布式電源并網運行對電力用戶的影響。微網是一種由負荷和微電源及儲能裝置共同組成的有機系統。微電源主要通過電力電子技術實現能量的轉換及控制。相對于電力系統(主電網系統中的一個可控單元。它可以在短時間內作出響應以滿足外部對主電網的需要;而對于用戶，微網可以滿足本地負荷的特定電能質量要求，并可提高供電可靠性、降低線損等。利用微網技術可整合多種形式的分布式電源，并考慮當地配電網的特點，在一個局部區域內直接將分布式電源、電力網絡和本地用戶有機的結合在一起。微網可以方便的實現(冷)熱電聯供，并可以結合電蓄冷(熱)技術，緩解電網高峰用電壓力，實現用電的移峰填谷，優化和提高能源利用效率，減輕能源動力系統對環境的影響，實現能源的梯級利用，為將來智能電網的實現提供必備的技術基礎。微網的基本結構如圖1所示。

智能配電網概念

智能配電網是智能電網的重要組成部分，國外的智能電網研究和實踐大部分都集中在配網側，如圖1所示。智能配電網就是以配電網高級自動化技術為基礎，通過應用和融合先進的測量和傳感技術、控制技術、計算機和網絡技術、信息與通信等技術，利用智能化的開關設備、配電終端設備，在堅強電網架構和雙向通信網絡的物理支持以及各種集成高級應用功能的可視化軟件支持下，允許可再生能源和分布式發電單元的大量接入和微網運行鼓勵各類不同電力用戶積極參與電網互動，以實現配電網在正常運行狀態下完善的監測、保護、控制、優化和非正常運行狀態下的自愈控制，最終為電力用戶提供安全、可靠、優質、經濟、環保的電力供應和其它附加服務。

智能配電網主要由主站系統、子站系統、通信系統、配電遠方終端組成，通過對配電網各個環節、模塊和設備的智能化，同時結合地理信息系統應用，實現正常情況下配電網與電力系統各個環節的協調和優化運行以及故障情況下的快速定位、隔離、恢復、負荷轉移等功能，從而為用戶提供優質可靠的電能，為電力企業提供便捷、高效的管理平臺和途徑，進而實現電力企業管理者、電力用戶、系統運行操作的協調和統一。

圖2所示是一種智能配電網框架體系。

分布式電源和微網在智能配電網自愈功能中的作用分析

由自動輸電和配電系統組成、支持高效可靠提供和傳輸電力的智能電網體系結構，目標是構建一個具有處理緊急和災變能力的“自愈電網”(selfhealinggrid，SHG)，并能適應當前和今后的電力公用事業環境、市場要求和用戶需要。自愈功能的目標是：實時評價電力系統行為、應對電力系統可能發生的各種事件組合、防止大面積停電，并快速從緊急狀態恢復到正常狀態。其實現方法，可概括為快速仿真決策、協調/自適應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中的分散發電設備，包括緊急狀態下用戶為防止停電所作出的反應(需求側響應資源)，納入配電管理系統(DMS)或配電自動化(distributionautomation，DA)，使DER在電力系統正常、緊急和恢復狀態下，實現和輸配電系統的實時協調運行。SHG的任務就是把這些日益增加的分散發電，進一步納入配電管理系統(DMS)和配電自動化(DA)中，使之在正常、緊急和恢復狀態下能與輸配電系統實時協調運行。

分布式電源和微網在智能配電網自愈功能實現中的作用主要表現在以下幾方面：

1)提高供電可靠性

通過與大電網相配合，分布式發電技術可以大大提高供電的可靠性，在電網崩潰或意外災害(例如地震、暴風雪、戰爭)發生情況下，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，適應了地球環境保護以及可持續發展政策的要求。目前，用作分布式電源的，主要有風電、微型燃氣輪機發電、太陽能發電、燃料電池、生物質能、垃圾發電、氫能和小水電等。發電設施主要包括：以液體或氣體為燃料的內燃機、微型燃氣輪機、光伏電池、燃料電池、風力發電機、生物質能發電機等。

2)提高能源利用率

基于系統穩定性和經濟性的考慮，分布式發電系統要存儲一定數量的電能，用以應付突發事件。隨著電力電子學、材料學等學科的發展，儲能技術得到了迅速的發展，為分布式發電(DG)提供了很大的空間。分布式發電與儲能技術的結合大大提高了系統的能源利用率，改善了系統的熱經濟性。儲能在分布式發電中的作用主要有以下3個方面：改善電能質量，維持系統穩定。在風力發電中，風速的變化會使原動機輸出機械功率發生變化，從而使發電機輸出功率產生波動而使電能質量下降。應用儲能裝置是改善發電機輸出電壓和頻率質量的有效途徑，同時增加了分布式發電機組與電網并網運行時的可靠性。可靠的分布式發電單元與儲能裝置的結合是解決諸如電壓跌落、涌流和瞬時供電中斷等動態電能質量問題的有效手段之一。在分布式發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，如太陽能發電的夜間，風力發電無風時，儲能裝置能夠起到過渡的作用，持續向用戶供電。提高分布式發電單元擁有者的經濟效益。在電力市場的環境下，分布式發電單元與電網并網運行，有了足夠的儲存電力，分布式發電單元成為可調度的機組單元，發電單元擁有者可以根據不同情況向電力公司賣電，提供調峰和緊急功率支持等服務，獲取最大的經濟效益。儲能技術的形式多樣，主要有蓄電池儲能、超導儲能、飛輪儲能、電解水制氫儲能等。

分布式發電受地理位置及環境狀況等因素的約束，在進行分布式發電系統規劃時，要根據該地區所處的地理位置環境綜合考慮各種衡量指標，從而確定采用何種發電方式。當發電容量滿足該地區的負荷時，電網可退出運行，在必要的時候才投入運行。因為目前分布式發電中應用比較成熟的是風力發電和太陽能發電，而這兩種發電方式受環境的影響較大，輸出功率不穩定。同時，就目前的技術而言，儲能系統的容量也是很有限的，不能長時間提供功率來對應分布式發電容量的不足。在分布式電源和儲能容量不足時，需電網向負荷供電，以滿足負荷的需求;當發電容量不足該地區的負荷時，電網并入系統且正常運行，兩者共同向負荷供電，但盡可能地利用分布式電源;當發電容量超過該地區的負荷時，電網也并入系統，分布式發電將多余的電能送向電網。分布式電源的類型應根據地區的具體情況選擇，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電，即復合分布式發電。為提高能源的利用率，復合分布式發電技術已成為分布式發電技術發展的主要趨勢之一。儲能裝置的容量及類型應根據分布式電源及其負荷的波動程度作相應的選擇。

3)黑啟動中的備用電源

所謂黑啟動，是指整個系統因故障停運后，系統全部停電(不排除孤立小電網仍維持運行)，處于全“黑”狀態，不依賴別的網絡幫助，通過系統中具有自啟動能力的發電機組啟動，帶動無自啟動能力的發電機組，逐漸擴大系統恢復范圍，最終實現整個系統的恢復。

黑啟動的關鍵是電源點的啟動，水輪發電機組與火電、核電機組相比，具有輔助設備簡單、廠用電少，啟動速度快等優點，理所當然成為黑啟動電源的首選。機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自救的必要措施，也是電網發展的需要。在電網大面積停電后，采取電網黑啟動措施，將大大減少電網停電時間，盡快恢復電網的正常運行。所有這些機組包括超臨界燃煤機組和燃氣一蒸氣聯合循環機組均需要輔機提供啟動功率才能實現自啟動，提供如此之大的備用容量是不經濟的，尤其是備用柴油機。根據故障發生后DG能否作為系統的備用電源可分為BDG(black-startDG)與NBDG(nonblack-startDG)。BDG包括聯合發電機組、無源逆變器及他勵型發電機組等，此外，帶有儲能裝置的風能發電及太陽能發電也可歸入BDG。這類DG可以作為系統的備用電源。NBDG包括自勵型發電機組以及未配備儲能裝置的風能發電及太陽能發電等。該類DG不能作為系統的備用電源。考慮到黑啟動設備在電網正常運行時通常是不經濟的，電網公司通常與相關電廠簽訂與黑啟動相應的商業協議。MT(微型燃氣輪機)能夠很好地改善這種狀況，它既能作為分式發電在正常情況下并網或孤立運行，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，冷熱電聯合循環的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內主要發電機組電源和黑啟動電源分布影響很大。黑啟動分區展開在電網恢復速度上有明顯的優勢，電網發生大面積停電后，應當先將電網分割為多個子系統，同時啟動各子系統中具有黑啟動能力的機組，建立穩定的各個子系統，并實現同步并列，這是恢復電網運行的最有效的方法，因此在黑啟動方案中應考慮多個黑啟動電源。

文章對分布式電源及微網在智能配電網自愈功能實現中的作用進行了初步探討。目前智能配電網建設剛剛起步，在規劃階段合理考慮和布置分布式電源與微網在智能配電網中的作用，對于智能配電網自愈功能的實現具有重要意義。