終端用戶分布式新能源接入智能電網(wǎng)技術研究

1引言

環(huán)境問題已引起世界各國前所未有的重視。普遍認為，提高能源效率和可再生能源使用效率、減少溫室氣體排放，是未來電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢，并提出各種智能電網(wǎng)(Smart Grid)概念，一致認為是改革能源布局的必由之路。縱觀各種關于智能電網(wǎng)的定義和概念，本文認為智能電網(wǎng)是一種由電源框架和信息框架構筑的智能網(wǎng)絡基礎框架，是一種系統(tǒng)、高效、智能的電網(wǎng)體系框架，這個體系框架中的電源以火電、水電、核電等傳統(tǒng)能源為骨干，以平衡方式接入新能源發(fā)電系統(tǒng)，并有充足的分布式存儲系統(tǒng);整個體系框架中遍布著各種傳感器和測量設備、控制裝置，具有先進的數(shù)據(jù)通信、計算和能源信息管理系統(tǒng)。

由于各國國情不同，發(fā)展智能電網(wǎng)的方向和目標各異。美國發(fā)展智能電網(wǎng)注重加強電力網(wǎng)絡基礎架構建設，重點在配電和用電側，并大力推動可再生能源發(fā)展和提升用戶服務。歐盟國家發(fā)展智能電網(wǎng)主要是促進超級智能電網(wǎng)(Super Smart Grid)計劃的實施，發(fā)展風能、太陽能等分布式電源(Distributed Energy Resources)的接入技術，實現(xiàn)電源“即插即用(Plug and Work)”的友好、靈活接入方式。日本發(fā)展智能電網(wǎng)以大規(guī)模開發(fā)光伏發(fā)電等為主，以保持電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定。中國未來將以低能耗、低污染、低排放的低碳經(jīng)濟模式作為社會發(fā)展方向，發(fā)展智能電網(wǎng)的目標是以特高壓電網(wǎng)為堅強骨干網(wǎng)架，各級電網(wǎng)協(xié)調發(fā)展，形成堅強可靠、經(jīng)濟高效、清潔環(huán)保、透明開放、友好互動的統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)(Strong Smart Grid)。可以說，堅強的電源骨干網(wǎng)架是任何模式的智能電網(wǎng)所必須具備的安全支撐基礎框架，智能的能源信息框架及物聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)智能電網(wǎng)技術的載體，靈活接入分布式可再生能源將是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的巔峰時代。

在可再生能源中，光伏發(fā)電和風力發(fā)電發(fā)展最快，世界各國都作為重要的發(fā)展方向。低碳經(jīng)濟的核心技術之一是新能源的轉換、利用和并網(wǎng)運行技術，這也是世界各國智能電網(wǎng)技術的研究焦點。為了與我國堅強智能電網(wǎng)的發(fā)展相適應，未來應能大幅度提高分布式電源的接納能力，理想的方式應能以“即插即得”方式靈活接入、運行和控制，這無疑會給堅強的智能電網(wǎng)插上翅膀。

2終端用戶新能源接入配電網(wǎng)的環(huán)境和條件

中國可再生能源資源豐富，除水電資源外，太陽能和風能資源也非常豐富。目前，大規(guī)模開發(fā)利用可再生能源主要集中在大中型風電場、光伏發(fā)電場和大型建筑屋頂光伏發(fā)電方面，通過10kV及以上電壓等級線路并網(wǎng)發(fā)電。近年來，風電裝機容量增速飛快，但由于電網(wǎng)接納能力有限，有些風電場被限制電量上網(wǎng)。相反，光伏發(fā)電并網(wǎng)卻寥寥無幾這主要由于成本高，審批程序和電價核準程序還不明確，致使市場的發(fā)展遠遠落后于產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，中國光伏電池年產(chǎn)量已突破200萬kW，居世界第一。但光伏發(fā)電安裝量還不到世界總量的1%，與生產(chǎn)大國的地位相差甚遠。因此業(yè)界呼吁盡快建立有效的激勵機制，實現(xiàn)“平價上網(wǎng)”。本文認為出現(xiàn)上述局面的根本原因是目前電網(wǎng)接納能力與新能源發(fā)電市場發(fā)展不均衡，兩者非合作性博弈所致。電網(wǎng)接納能力屬于技術層面問題，新能源發(fā)電市場發(fā)展的瓶頸是價格問題，即技術和價格是兩個主要影響因素。技術因素有賴于堅強智能電網(wǎng)的發(fā)展，這是新能源發(fā)電市場發(fā)展的重要基礎和環(huán)境;價格因素有賴于市場的有序發(fā)展和培育，所說的市場是由生產(chǎn)商、投資商和消費者共同參與博弈的市場。只有技術和價格因素合作性博弈，其結果才對博弈各方均有利，新能源發(fā)電市場才能持續(xù)發(fā)展，政府的指導作用才能真正有效。

本文所述的終端用戶是指在電力市場中的合作性博弈環(huán)境下，以利用風能、太陽能等新能源為目的的單一電網(wǎng)用戶，即消費者，其自有的發(fā)電設備容量在幾百瓦至幾百kW之間，單機容量在100kW以下，自發(fā)自用，多余電量出售給電網(wǎng)，在配電網(wǎng)低壓側(或用戶側)并網(wǎng)，由控制器控制并網(wǎng)條件，當滿足并網(wǎng)條件時自動并網(wǎng)，反之，則隨時脫網(wǎng)。對于發(fā)電設備容量在幾百瓦至幾千瓦之間的家庭用戶，可通過220V插座“即插即得”。這樣，在堅強智能電網(wǎng)環(huán)境下，可發(fā)揮社會各方利用新能源的主動性，從而提高可再生能源的開發(fā)力度和使用效率。

3目前大規(guī)模風電、光伏發(fā)電和屋頂光伏發(fā)電并網(wǎng)存在的主要問題

新能源發(fā)電的目的是增加電力系統(tǒng)的電量，減少電力系統(tǒng)對一次能源的消耗。新能源發(fā)電具有間歇性、隨機性、可調度性差的特點，目前，在電網(wǎng)接納能力不足的情況下，大規(guī)模新能源發(fā)電并網(wǎng)會給電力系統(tǒng)帶來一些不利影響，電網(wǎng)必須控制接入容量在可控范圍內，以最大限度地減小不利影響，存在的主要問題在眾多文獻中均有描述，本文總結如下幾點。

3.1間歇性和波動性發(fā)電特點

風力發(fā)電和光伏發(fā)電受天氣影響均具有間歇性和波動性特點，并網(wǎng)電量隨機波動較大、可調節(jié)性差，并網(wǎng)時會產(chǎn)生較大的沖擊電流，從而會引起電網(wǎng)頻率偏差、電壓波動與閃變，引起饋線中的潮流發(fā)生變化，進而影響穩(wěn)態(tài)電壓分布和無功特性，使電網(wǎng)的不可控性和調峰容量余度增大，如果電網(wǎng)中沒有足夠的調峰容量，就會使電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性受到影響。如果風電機組不具備低電壓穿越性能，風電場并網(wǎng)點電壓跌落時，極易引發(fā)電網(wǎng)瞬時故障，影響電網(wǎng)安全運行。這些問題的嚴重程度與接入點電網(wǎng)的電壓等級、短路容量、聯(lián)網(wǎng)設備及其控制方法、電源的類型及其并網(wǎng)容量等密切相關。因此，除并網(wǎng)風電和光伏發(fā)電系統(tǒng)應具備一定的并網(wǎng)技術性能外，還必須要求電網(wǎng)具備足夠的調峰容量和接納能力。同時要求并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)配置有功功率調整和動態(tài)無功功率調整控制功能，還需要配置一定的無功補償，以補償場(站)內的無功損耗。

3.2注入電網(wǎng)的諧波

由于并網(wǎng)風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)均配有電力電子裝置，會產(chǎn)生一定的諧波和直流分量。諧波電流注入電力系統(tǒng)后，會引起電網(wǎng)電壓畸變，影響電能質量，還會造成電力系統(tǒng)繼電保護、自動裝置誤動作，影響電力系統(tǒng)安全運行。所以，需配置濾波裝置、靜止或動態(tài)無功補償裝置等，以抑制注入電網(wǎng)的諧波含量。

3.3孤島現(xiàn)象

孤島現(xiàn)象是當電網(wǎng)失壓時，并網(wǎng)風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)仍保持對失壓電網(wǎng)中的某一部分供電的狀態(tài)，并與本地負載連接形成獨立運行狀態(tài)。這時，孤島中的電壓和頻率不受電網(wǎng)控制，如果電壓和頻率超出允許的范圍，可能會對用戶設備造成損壞;如果負載容量大于孤島中逆變器容量，會使逆變器過載，可能會燒毀逆變器。同時，會對檢修人員造成危險;如果對孤島進行重合閘操作，會導致該線路再次跳閘。由此可見，對孤島現(xiàn)象的檢測和預防是十分重要的，這也是目前并網(wǎng)風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)急需解決的關鍵技術之一。目前研究的重點技術包括功率預測和儲能技術，具備功率預測系統(tǒng)是并網(wǎng)的必備技術。

3.4并網(wǎng)標準

目前，我國還沒有統(tǒng)一的關于新能源發(fā)電的并網(wǎng)標準，現(xiàn)有的多是關于大中型并網(wǎng)系統(tǒng)的技術規(guī)定，相關并網(wǎng)和檢測技術標準、系統(tǒng)檢測和認證體系等都還在逐漸完善中。事實上，目前關于大中型新能源發(fā)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性、電能質量、電網(wǎng)調度和運行等的影響因素，以及電網(wǎng)接納能力等方面的技術問題尚沒有確切定論，對接入系統(tǒng)的有功/無功控制能力、電能質量及低電壓穿越能力等的檢測手段也不完善，包括對控制器、逆變器、輸配電設備、雙向計量設備及系統(tǒng)安全性方面的檢測。隨著大中型新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展，對電網(wǎng)的接納能力、電量調度運行、配套政策等方面會提出新的要求。

由上可見，大中型新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展，有賴于電網(wǎng)的發(fā)展和技術的提高，只有電網(wǎng)具有足夠的接納能力和功率調整能力，才能有效地發(fā)揮新能源并網(wǎng)技術和增加電力系統(tǒng)電量的作用。因此，堅強智能電網(wǎng)技術的發(fā)展是大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展的重要基礎和環(huán)境。智能電網(wǎng)應具備適應新能源特點的電力調度技術和運行管理技術，確保新能源發(fā)電容量按自然條件進行發(fā)電，以增加電力系統(tǒng)電量，達到利用可再生能源節(jié)能降耗的目的。

4終端用戶新能源接入問題

眾多文獻資料證明，人類的終極能源將是太陽能、風能和水能，大力開發(fā)太陽能、風能資源是發(fā)展低碳經(jīng)濟、永續(xù)發(fā)展的惟一選擇。太陽能、風能資源的特性決定了其最適合分散利用的特點，地球上任何有太陽照射和一定風力的地方，只要環(huán)境條件許可都可以建立光伏發(fā)電站或風力發(fā)電站。隨著分布式電源技術的進步和成本降低，每個電力用戶甚至家庭都可以建立一定規(guī)模的分布式發(fā)電站(Distributed Generation，簡稱DG)，除滿足自身的用電需要外，還可以向電網(wǎng)輸送多余電量。這樣，在電力系統(tǒng)中將分布著數(shù)量眾多的微小型終端用戶的DG組成的微網(wǎng)(microgrid)發(fā)電系統(tǒng)，微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可看成是電力系統(tǒng)中的一個可控功率單元，在某個局部區(qū)域內直接將微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)、電網(wǎng)和終端用戶聯(lián)系在一起，以優(yōu)化和提高能源利用效率。電力系統(tǒng)能夠容納這些微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，并能保證整個電力系統(tǒng)的安全可靠運行，是推動利用可再生能源發(fā)展的重要途徑，也是智能電網(wǎng)發(fā)展的目標。

4.1終端用戶新能源接入的特點

(1)DG與主電網(wǎng)并聯(lián)運行時，各電站相互獨立，用戶可以自行控制;并網(wǎng)點分布在配電網(wǎng)的末端，并網(wǎng)逆變器通常采用PWM電壓控制方式，可以維持系統(tǒng)電壓恒定。幾乎不存在大規(guī)模風電、光伏發(fā)電并網(wǎng)存在的問題，對電力系統(tǒng)的影響很小。由于其容量小，分布性大，不會對電力系統(tǒng)造成明顯的電流沖擊，所以安全可靠性比較高。

(2)由DG和蓄電池組成分布式電源，當接入配電網(wǎng)時，當?shù)刎摵赏瑫r從配電網(wǎng)獲取功率，能減小電網(wǎng)擾動，保證電能質量。配電網(wǎng)供電中斷時，DG能平滑地過渡到孤島運行，隨后再重新接入配電網(wǎng)。

(3)操作簡單，具有儲能單元，起停快，便于實現(xiàn)自動化，在微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)內可對局部區(qū)域的電能質量實現(xiàn)實時監(jiān)控，除工業(yè)用途外，非常適合向農(nóng)村、牧區(qū)、山區(qū)，中、小城市或商業(yè)區(qū)的居民供電。

(4)無需建配電站，可降低附加的輸配電成本，并減少DG接入點配電網(wǎng)中的傳輸功率，增加輸配電網(wǎng)的輸電裕度，減輕輸配電網(wǎng)過負荷壓力，提高末端電壓和系統(tǒng)對電壓的調節(jié)性能，減少線路損耗，末端電壓的提高量與DG接入點的位置和總容量的大小有關。

(5)中國已制定《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》及配套細則，發(fā)展可再生能源已成為一項基本國策，將實行可再生能源發(fā)電全額保障性收購制度，支持智能電網(wǎng)、邊遠地區(qū)離網(wǎng)發(fā)電及各種新技術研發(fā)。在包括財政政策、補貼政策、稅收政策、利率政策等各種政策支持和間接調控手段下，將促使可再生能源市場機制不斷完善，必定會吸引和鼓勵社會團體、社區(qū)和個人投資綠色能源的積極性。

4.2終端用戶新能源接入技術。

目前，微小型風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)大致可分為離網(wǎng)蓄電、并網(wǎng)發(fā)電及兩者混合系統(tǒng)三類。混合系統(tǒng)兼顧了離網(wǎng)蓄電和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點，有較強的適應性，用戶可根據(jù)電網(wǎng)峰谷電價來調整自身的發(fā)電策略。并網(wǎng)控制的目標是控制逆變器輸出穩(wěn)定的高質量正弦波，且與電網(wǎng)接入點電壓、頻率和相位同步，以達到穩(wěn)定并網(wǎng)的目的。系統(tǒng)中的逆變器或變頻器技術目前已達到相當高的水準，并都采用了SPWM控制技術。最大功率跟蹤控制是風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)的關鍵技術之一，小型發(fā)電系統(tǒng)一般采用被動式最大功率跟蹤控制系統(tǒng)，控制方式簡單實用。

(1)光伏發(fā)電的接入和并網(wǎng)方式。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、傳感器、儲能型蓄電池和充放電控制器、DC/DC升壓電路、逆變器、濾波器和系統(tǒng)控制器等組成。核心部件是光伏陣列、逆變器和系統(tǒng)控制器。并網(wǎng)方式可以將光伏陣列組件輸出與逆變器連接，經(jīng)隔離變壓器接入電網(wǎng)，或者將逆變器直接與電網(wǎng)連接。或者將光伏陣列輸出經(jīng)高頻逆變后，通過變壓器隔離，再經(jīng)過變頻器與電網(wǎng)相連。由于設有隔離變壓器，直流分量不會流入接入電網(wǎng)，諧波含量低。無隔離變壓器并網(wǎng)方式是將光伏輸出通過DC/DC升壓電路、逆變器和濾波器，直接與電力系統(tǒng)相連，這種方式會向電網(wǎng)注入一定的諧波含量。儲能型蓄電池可起功率和能量調節(jié)的作用。小型光伏發(fā)電系統(tǒng)一般通過實時檢測光伏陣列的輸出功率，預測當前工作狀況下光伏陣列可能的最大功率輸出，然后根據(jù)功率平衡原則使光伏陣列達到最大功率輸出，實現(xiàn)最大功率跟蹤。主動式自動跟蹤系統(tǒng)采用步進跟蹤方式，包括水平單軸、傾緯度角斜單軸和雙軸跟蹤，前兩者只有一個旋轉自由度，雙軸跟蹤具有兩個旋轉自由度。通過計算得出太陽直射方位，以控制光伏陣列朝向，使其有最大功率輸出。

(2)風力發(fā)電的接入和并網(wǎng)方式。目前，已有各種類型的風力發(fā)電機結構、發(fā)電方式和并網(wǎng)控制方式，如風力發(fā)電機有異步發(fā)電機、同步發(fā)電機和雙饋式感應發(fā)電機三類，驅動方式有齒輪箱驅動和直驅式兩類，運行方式有定轉速和變轉速兩種，變轉速風力發(fā)電機組的部分或全部容量采用變頻器并網(wǎng)運行。全部容量采用變頻器的直驅式風力發(fā)電機組采用永磁同步發(fā)電機，能夠在較寬的轉速范圍內運行，具有轉矩密度高的優(yōu)點，發(fā)展前景看好。現(xiàn)代風力發(fā)電機都有偏航系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等，以提高運行性能，偏航系統(tǒng)可以隨時跟風，使風輪總是垂直于主風向。液壓系統(tǒng)用于調節(jié)葉片槳矩、阻尼、停機、剎車等。小型風力發(fā)電系統(tǒng)主要由小型風力發(fā)電機(直驅式永磁同步發(fā)電機或異步發(fā)電機)、傳感器、儲能型蓄電池和充放電控制器、DC/DC升壓電路、變頻器、濾波器和系統(tǒng)控制器等組成。核心部件是風力發(fā)電機、變頻器和系統(tǒng)控制器。并網(wǎng)方式可以將變頻器輸出經(jīng)隔離變壓器接入電網(wǎng)，或者將變頻器輸出直接與電網(wǎng)連接。特點與光伏發(fā)電系統(tǒng)相同。小型風力發(fā)電系統(tǒng)可以預先在控制器中預設風速-最大功率曲線表，由風速傳感器實時檢測風速，并測量整流器輸出側直流電壓，然后根據(jù)功率平衡原則，用查表法查找對應的最大功率，使變頻器達到最大功率輸出，實現(xiàn)最大功率跟蹤。

(3)風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制器。風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)控制器是整個系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。兩者除數(shù)據(jù)采集的參數(shù)有區(qū)別外，系統(tǒng)控制器的結構是相同的，目前都可以采用可編程序控制器(PLC)和人機界面組成，本文采用西門子S7-1200系列PLC和精簡系列面板，利用PLC的編程組態(tài)軟件，可以實現(xiàn)功能強大的控制作用。PLC與人機界面使用以太網(wǎng)(PROFINET)連接，并與上位計算機的通信。人機界面用于顯示系統(tǒng)的測量參數(shù)及控制狀態(tài)，還可用于對發(fā)電系統(tǒng)的手動控制。上位機可以顯示發(fā)電系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并設定控制參數(shù)。通過以太網(wǎng)接口，可以將發(fā)電系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡化遠程監(jiān)控。系統(tǒng)結構如圖1所示。

5結論

本文通過相關文獻和初步設計對新能源發(fā)電技術進行了研究，得到如下結論：目前國內電網(wǎng)接納能力是大規(guī)模發(fā)展新能源發(fā)電的重要基礎和環(huán)境，這有賴于堅強智能電網(wǎng)的發(fā)展，大力發(fā)展微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是改變能源結構邁向低碳經(jīng)濟社會模式的必由之路，這有賴于微網(wǎng)技術的發(fā)展和市場的有序發(fā)展和培育，也是建設堅強智能電網(wǎng)的目標。未來的能源市場是由生產(chǎn)商、投資商和消費者共同參與博弈的市場。目前，微小型風力發(fā)電和光伏發(fā)電技術已能滿足并網(wǎng)技術的要求，隨著微網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，將實現(xiàn)網(wǎng)絡化控制。大中型風電場、光伏發(fā)電場主要存在有功功率調整和動態(tài)無功功率調整控制功能方面的缺陷，這有待于進一步研究。

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