分布式電源與微網管控技術綜述

0引言

全球能源危機及環境惡化已成為全球關注的重點問題?？沙掷m發展思想迅速成為國際社會共識，開發利用可再生能源開始受到世界各國的廣泛關注。我國目前已全面邁出建設堅強智能電網的步伐，滿足經濟快速發展對電力的需求。智能電網建設的一項重要內容便是實現新能源的利用，著力實現可再生能源集約化開發、大規模、遠距離輸送和高效利用，改善能源結構。分布式電源這些技術具有投資省、發電方式靈活、與環境兼容等特點，基于分布式電源建立的微網，又可以提供傳統的電力系統無可比擬的可靠性和經濟性，越來越多應用于電網。

本文闡述了分布式電源的特點，重點介紹了分布式電源的典型技術如太陽能和風能發電技術。并對并網帶來的技術問題進行簡單的探討。與此同時介紹了微網管控技術進行闡述。

1研究背景

1.1分布式電源的概念及其背景

分布式電源[1]指小型(容量一般小于50MW)、向當地負荷供電、可直接連到配電網上的電源裝置。它包括分布式發電裝置與分布式儲能裝置。

分布式發電(DG)裝置一般分為兩類化石能源發電和可再生能源發電。石能源發電常見的如熱電冷聯產發電、燃氣輪機發電和內燃機組發電?？稍谀苣茉词墙暄芯康臒狳c，它包括水力、風能、地熱、太陽能、生物能及潮汐發電。其中風能在我國發展迅速，近10年，新疆、內蒙、廣東、浙江、遼寧建幾十個風場，總裝機2000多萬kW，2015年末并網風電裝機容量達1億千瓦。預計到2030年風力發電將為人類提供三成電力 。光伏發電技術已經開始市場化運作，我國兆瓦級的光伏電站有寧夏石嘴10兆瓦光伏電站，上海崇明1兆瓦光伏電站，上海臨港新城1.2兆瓦光伏，浙江2兆瓦級屋頂光伏電站，賀蘭山脈50兆瓦光伏電站。2009年7月21日，財政部、科技部、國家能源局聯合發布了《關于實施金太陽示范工程的通知》，決定綜合采取財政補助、科技支持和市場拉動方式加快國內光伏發電的產業化和規模化發展，并計劃在2-3年內，采取財政補助方式支持不低于500兆瓦的光伏發電示范項目。該項目誕生意味著太陽能產業在政策面上，將會得到更大力度的支持。

分布式儲能[2](DES)裝置有電化學儲能(如蓄電池儲能裝置)、電磁儲能(如超導儲能和超級電容器儲能等)、機械儲能裝置(如飛輪儲能和壓縮空氣儲能等),熱能儲能裝置。

1.2微網概念

微網[3-4]是將分布式電源、負荷、儲能裝置和控制裝置結合，形成一個單一可控的供電系統。微網內部的電源主要是由電力電子裝置負責能量轉換，并提供必須的控制;微網相對外部大電網表現為單一的可控單元，同時滿足用戶對電能質量和供電可靠性、安全性的要求。從2000開始，歐盟提出了微網工程(Micro grids Project)，隨后美國，日本和加拿大相繼開始微網的研究，系統實驗證明微網的運行、控制、保護和安全性。

2分布式電源技術研究

2.1光伏并網技術

由于傳統的燃料能源正在一天天減少，對環境造成的危害日益突出，為實現能源的可持續發展，全世界都把目光投向了可再生能源。這之中太陽能以其獨有的優勢而成為人們重視的焦點。太陽能是一種分布極其廣泛,儲量十分巨大,易于為人們利用的清潔可再生能源。太陽能光伏發電成為了人們獲取清潔可再生能源的重要途徑。

2.1.1 光伏發電系統的組成與控制

光伏發電系統由光伏電池板陣列、DC/DC變換器、DC/AC逆變器、控制器組成。其中DC/DC變換器將光伏電池板所發出的電能變換成為穩定的直流電壓，同時實現最大功率點跟蹤控制;DC/AC逆變器將穩定的直流電變成穩定的交流電，經過濾波器濾波，然后再經過變壓器與電網相連或直接帶負載[5]。

光伏發電系統主要作為可再生分布式電源，向獨立發電系統或者電力網絡供電，具有一般電力系統電源的特點。由于受光伏電池板的輸出功率限制，所以光伏發電系統的輸出功率都不是很高，功率等級一般為千瓦至兆瓦級。

光伏發電系統的傳輸能量來源于光伏電池，從電池輸出分析，輸出電壓和電流曲線是非線性的，二者之間有一定的約束條件，并受光照強度和溫度的影響，輸出功率會有變化。光伏并網系統直流側的伏安特性曲線呈非線性，但有功和無功輸出都是可控的，在一定條件下可以實現有功和無功的解耦控制。

光伏發電系統需要對系統的輸出電流和輸出功率進行控制，常用的控制為電流內環和功率外環的雙閉環控制。內環控制主要采用各種優化的PWM控制策略，外環主要是保證系統處于最大功率點輸出而采用最大功率跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制;并且為了使系統的輸出功率因數滿足國標要求，通常還需要對電網電壓進行鎖相控制[6]。

隨著社會的發展，人們對光伏發電系統的各種要求也越來越高，因此，現代的光伏發電系統還包含逆變器并聯控制技術以實現光伏并網系統的擴容，孤島檢測技術以防止系統的島運行，低壓穿越技術以滿足系統故障運行標準等。

2.1.2光伏發電的發展歷程

我國于1958年開始研究光伏發電，1971年首次成功應用于我國發射的東方紅二號衛星上。我國光伏工業在上世紀八十年代的發展處于起步階段。受到價格和產量的限制，市場發展很緩慢，除了作為衛星電源，在地面上太陽能電池僅用于小功率電源系統，功率一般在幾瓦到幾十瓦之間。

在“六五”和“七五”期間，國家開始對光伏工業和光伏市場的發展給以支持，中央和地方政府在光伏領域的資金投入，使得我國的光伏發電產業逐步發展起來，有了一系列的成果。

1995年，在西藏的無水力無電縣，建成兩個功率分別為10千瓦和20千瓦的光伏電站。2002 年，國家計委啟動“西部省區無電鄉通電計劃”，通過分布式發電解決西部七省區(西藏、新疆、青海、甘肅、內蒙古、陜西和四川)700多個無電鄉的用電問題，光伏用電量達到15.5兆瓦。

2003年底，中國太陽能電池的累計裝機已經達到55兆瓦。2004年8月，總容量為 1 兆瓦的當時國內裝機容量最大的太陽能發電系統在深圳投入應用。到2006年，我國太陽能電池的裝機量已達到 80 兆瓦。2007 年，中國光伏發電累計裝機總量已達 10萬千瓦。至2008 年底，我國太陽能光伏發電累計裝機約為 15 萬千瓦[7]。

2.1.3光伏發電的成本問題

光伏發電的成本，決定了其能否與傳統電力行業相競爭。由數據可知，光伏發電成本隨著產業的發展而不斷降低。與傳統電力相比，目前光伏發電成本仍然比較高，大大阻礙了太陽能光伏發電的推廣和使用。故其暫時還無法同火電、風電等競爭。然而近期太陽能光伏發電的大規模市場發展和快速的技術進步正在使光伏系統設備和發電成本[8]有效降低，預計未來幾年每千瓦時發電成本可降為1.5元人民幣以下。

2.1.4光伏發電的展望

太陽能發電有著良好的發展前景。太陽輻射到地球表面的能量相當于目前全世界一年能源總消耗量的3.5萬倍。從長遠看，太陽能光伏發電在將來不但要替代部分常規能源，而且將成為世界能源供應的主要部分。根據歐洲JRC的預測，到2030年太陽能光伏發電在世界總電力的供應中將達到10%以上;2040年太陽能光伏發電將占總電力的20%以上;到21世紀末太陽能發電將占到60%以上。

在我國發展大型光伏發電系統，是改變和優化電力結構的理想選擇，也是可持續電力供應的理想模式。根據科學家何祚庥院士提出的觀點，荒漠電站是最具發展力的項目，僅內蒙古沙漠地區的太陽能就可以解決中國未來的能源問題。大型沙漠光伏電站由于利用沙漠荒地，可大幅度減少土地利用和投資成本。根據國家發改委的規劃，到2020年底累計沙漠(戈壁)光伏電站裝機達到200兆瓦。

國家發改委和一些省區政府正積極規劃、部署和實施大型光伏發電項目。青海太陽能光伏發電總裝機容量在全省范圍內達到300兆瓦;到2013年，太陽能光伏發電總裝機容量達到1吉瓦。甘肅敦煌10兆瓦并網光伏發電示范工程項目2008年9月已獲國家能源局復函，同意采取特許權招標方式建設，光伏發電項目特許經營期25年。甘肅發改委希望以規模化的市場需求帶動建立20-30個類似光伏發電項目。

光伏發電將在中國未來的電力供應中扮演重要的角色, 按照國家發改委編制的《可再生能源中長期發展規劃》，到2020年累計裝機容量將達到30吉瓦，預計2050年我國電力裝機容量30億千瓦(按年均增長3%估算)中，太陽能發電裝機容量可達6億千瓦。

2.2風力發電并網技術[9]-[10]

風力發電技術是將風能轉化為電能的發電技術。風力發電機組并網運行時。要求發電機的輸出頻率與電網頻率一致。風力發電并網技術可分為恒速恒頻并網技術和變速恒頻并網技術兩大類。

恒速恒頻采用失速調節或主動失速調節的風力發電機，以恒速運行時，主要采用異步感應發電機;變速恒頻采用電力電子變頻器將發電機發出的頻率變化的電能轉化成頻率恒定的電能。變速恒頻發電技術有因最大限度地捕捉風能、較寬的轉速運行范圍、可靈活調節系統的有功功率和無功功率和采用先進的PWM控制等優點，逐漸成為當前風力發電的主流技術。雙饋風力發電并網和直驅風力發電并網是風能并網的兩種主要形式，它們有相同之處又有各自的特點。