终端用户分布式新能源接入智能配电网技术研究

环境问题已引起世界各国前所未有的重视。普遍认为，提高能源效率和可再生能源使用效率、减少温室气体排放，是未来电网发展的必然趋势，并提出各种智能电网（SmartGrid）概念，一致认为是改革能源布局的必由之路。纵观各种关于智能电网的定义和概念，本文认为智能电网是一种由电源框架和信息框架构筑的智能网络基础框架，是一种系统、高效、智能的电网体系框架，这个体系框架中的电源以火电、水电、核电等传统能源为骨干，以平衡方式接入新能源发电系统，并有充足的分布式存储系统；整个体系框架中遍布着各种传感器和测量设备、控制装置，具有先进的数据通信、计算和能源信息管理系统。
　　由于各国国情不同，发展智能电网的方向和目标各异。美国发展智能电网注重加强电力网络基础架构建设，重点在配电和用电侧，并大力推动可再生能源发展和提升用户服务。欧盟国家发展智能电网主要是促进超级智能电网（SuperSmartGrid）计划的实施，发展风能、太阳能等分布式电源（DistributedEnergyResources）的接入技术，实现电源“即插即用（PlugandWork）”的友好、灵活接入方式。日本发展智能电网以大规模开发光伏发电等为主，以保持电网系统稳定。中国未来将以低能耗、低污染、低排放的低碳经济模式作为社会发展方向，发展智能电网的目标是以特高压电网为坚强骨干网架，各级电网协调发展，形成坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的统一坚强智能电网（StrongSmartGrid）。可以说，坚强的电源骨干网架是任何模式的智能电网所必须具备的安全支撑基础框架，智能的能源信息框架及物联网是实现智能电网技术的载体，灵活接入分布式可再生能源将是实现智能电网的巅峰时代。
　　在可再生能源中，光伏发电和风力发电发展最快，世界各国都作为重要的发展方向。低碳经济的核心技术之一是新能源的转换、利用和并网运行技术，这也是世界各国智能电网技术的研究焦点。为了与我国坚强智能电网的发展相适应，未来应能大幅度提高分布式电源的接纳能力，理想的方式应能以“即插即得”方式灵活接入、运行和控制，这无疑会给坚强的智能电网插上翅膀。
　　2终端用户新能源接入配电网的环境和条件
　　中国可再生能源资源丰富，除水电资源外，太阳能和风能资源也非常丰富。目前，大规模开发利用可再生能源主要集中在大中型风电场、光伏发电场和大型建筑屋顶光伏发电方面，通过10kV及以上电压等级线路并网发电。近年来，风电装机容量增速飞快，但由于电网接纳能力有限，有些风电场被限制电量上网。相反，光伏发电并网却寥寥无几这主要由于成本高，审批程序和电价核准程序还不明确，致使市场的发展远远落后于产业的发展。目前，中国光伏电池年产量已突破200万kW，居世界第一。但光伏发电安装量还不到世界总量的1%，与生产大国的地位相差甚远。因此业界呼吁尽快建立有效的激励机制，实现“平价上网”。本文认为出现上述局面的根本原因是目前电网接纳能力与新能源发电市场发展不均衡，两者非合作性博弈所致。电网接纳能力属于技术层面问题，新能源发电市场发展的瓶颈是价格问题，即技术和价格是两个主要影响因素。技术因素有赖于坚强智能电网的发展，这是新能源发电市场发展的重要基础和环境；价格因素有赖于市场的有序发展和培育，所说的市场是由生产商、投资商和消费者共同参与博弈的市场。只有技术和价格因素合作性博弈，其结果才对博弈各方均有利，新能源发电市场才能持续发展，政府的指导作用才能真正有效。
　　本文所述的终端用户是指在电力市场中的合作性博弈环境下，以利用风能、太阳能等新能源为目的的单一电网用户，即消费者，其自有的发电设备容量在几百瓦至几百kW之间，单机容量在100kW以下，自发自用，多余电量出售给电网，在配电网低压侧（或用户侧）并网，由控制器控制并网条件，当满足并网条件时自动并网，反之，则随时脱网。对于发电设备容量在几百瓦至几千瓦之间的家庭用户，可通过220V插座“即插即得”。这样，在坚强智能电网环境下，可发挥社会各方利用新能源的主动性，从而提高可再生能源的开发力度和使用效率。
　　3目前大规模风电、光伏发电和屋顶光伏发电并网存在的主要问题
　　新能源发电的目的是增加电力系统的电量，减少电力系统对一次能源的消耗。新能源发电具有间歇性、随机性、可调度性差的特点，目前，在电网接纳能力不足的情况下，大规模新能源发电并网会给电力系统带来一些不利影响，电网必须控制接入容量在可控范围内，以最大限度地减小不利影响，存在的主要问题在众多文献中均有描述，本文总结如下几点。
　　3.1间歇性和波动性发电特点
　风力发电和光伏发电受天气影响均具有间歇性和波动性特点，并网电量随机波动较大、可调节性差，并网时会产生较大的冲击电流，从而会引起电网频率偏差、电压波动与闪变，引起馈线中的潮流发生变化，进而影响稳态电压分布和无功特性，使电网的不可控性和调峰容量余度增大，如果电网中没有足够的调峰容量，就会使电力系统的安全稳定性受到影响。如果风电机组不具备低电压穿越性能，风电场并网点电压跌落时，极易引发电网瞬时故障，影响电网安全运行。这些问题的严重程度与接入点电网的电压等级、短路容量、联网设备及其控制方法、电源的类型及其并网容量等密切相关。因此，除并网风电和光伏发电系统应具备一定的并网技术性能外，还必须要求电网具备足够的调峰容量和接纳能力。同时要求并网发电系统配置有功功率调整和动态无功功率调整控制功能，还需要配置一定的无功补偿，以补偿场（站）内的无功损耗。
　　3.2注入电网的谐波
　　由于并网风力发电和光伏发电系统均配有电力电子装置，会产生一定的谐波和直流分量。谐波电流注入电力系统后，会引起电网电压畸变，影响电能质量，还会造成电力系统继电保护、自动装置误动作，影响电力系统安全运行。所以，需配置滤波装置、静止或动态无功补偿装置等，以抑制注入电网的谐波含量。
　　3.3孤岛现象
　　孤岛现象是当电网失压时，并网风力发电和光伏发电系统仍保持对失压电网中的某一部分供电的状态，并与本地负载连接形成独立运行状态。这时，孤岛中的电压和频率不受电网控制，如果电压和频率超出允许的范围，可能会对用户设备造成损坏；如果负载容量大于孤岛中逆变器容量，会使逆变器过载，可能会烧毁逆变器。同时，会对检修人员造成危险；如果对孤岛进行重合闸操作，会导致该线路再次跳闸。由此可见，对孤岛现象的检测和预防是十分重要的，这也是目前并网风力发电和光伏发电系统急需解决的关键技术之一。目前研究的重点技术包括功率预测和储能技术，具备功率预测系统是并网的必备技术。
　　3.4并网标准
　　目前，我国还没有统一的关于新能源发电的并网标准，现有的多是关于大中型并网系统的技术规定，相关并网和检测技术标准、系统检测和认证体系等都还在逐渐完善中。事实上，目前关于大中型新能源发电并网对电力系统安全稳定性、电能质量、电网调度和运行等的影响因素，以及电网接纳能力等方面的技术问题尚没有确切定论，对接入系统的有功/无功控制能力、电能质量及低电压穿越能力等的检测手段也不完善，包括对控制器、逆变器、输配电设备、双向计量设备及系统安全性方面的检测。随着大中型新能源并网系统的发展，对电网的接纳能力、电量调度运行、配套政策等方面会提出新的要求。
　　由上可见，大中型新能源并网系统的发展，有赖于电网的发展和技术的提高，只有电网具有足够的接纳能力和功率调整能力，才能有效地发挥新能源并网技术和增加电力系统电量的作用。因此，坚强智能电网技术的发展是大规模新能源并网系统发展的重要基础和环境。智能电网应具备适应新能源特点的电力调度技术和运行管理技术，确保新能源发电容量按自然条件进行发电，以增加电力系统电量，达到利用可再生能源节能降耗的目的。
　　4终端用户新能源接入问题
　　众多文献资料证明，人类的终极能源将是太阳能、风能和水能，大力开发太阳能、风能资源是发展低碳经济、永续发展的惟一选择。太阳能、风能资源的特性决定了其最适合分散利用的特点，地球上任何有太阳照射和一定风力的地方，只要环境条件许可都可以建立光伏发电站或风力发电站。随着分布式电源技术的进步和成本降低，每个电力用户甚至家庭都可以建立一定规模的分布式发电站（DistributedGeneration，简称DG），除满足自身的用电需要外，还可以向电网输送多余电量。这样，在电力系统中将分布着数量众多的微小型终端用户的DG组成的微网（microgrid）发电系统，微网发电系统可看成是电力系统中的一个可控功率单元，在某个局部区域内直接将微网发电系统、电网和终端用户联系在一起，以优化和提高能源利用效率。电力系统能够容纳这些微网发电系统，并能保证整个电力系统的安全可靠运行，是推动利用可再生能源发展的重要途径，也是智能电网发展的目标。
　　4.1终端用户新能源接入的特点
　　（1）DG与主电网并联运行时，各电站相互独立，用户可以自行控制；并网点分布在配电网的末端，并网逆变器通常采用PWM电压控制方式，可以维持系统电压恒定。几乎不存在大规模风电、光伏发电并网存在的问题，对电力系统的影响很小。由于其容量小，分布性大，不会对电力系统造成明显的电流冲击，所以安全可靠性比较高。
　　（2）由DG和蓄电池组成分布式电源，当接入配电网时，当地负荷同时从配电网获取功率，能减小电网扰动，保证电能质量。配电网供电中断时，DG能平滑地过渡到孤岛运行，随后再重新接入配电网。
（3）操作简单，具有储能单元，起停快，便于实现自动化，在微网发电系统内可对局部区域的电能质量实现实时监控，除工业用途外，非常适合向农村、牧区、山区，中、小城市或商业区的居民供电。
　　（4）无需建配电站，可降低附加的输配电成本，并减少DG接入点配电网中的传输功率，增加输配电网的输电裕度，减轻输配电网过负荷压力，提高末端电压和系统对电压的调节性能，减少线路损耗，末端电压的提高量与DG接入点的位置和总容量的大小有关。
　　（5）中国已制定《可再生能源中长期发展规划》及配套细则，发展可再生能源已成为一项基本国策，将实行可再生能源发电全额保障性收购制度，支持智能电网、边远地区离网发电及各种新技术研发。在包括财政政策、补贴政策、税收政策、利率政策等各种政策支持和间接调控手段下，将促使可再生能源市场机制不断完善，必定会吸引和鼓励社会团体、社区和个人投资绿色能源的积极性。
　　4.2终端用户新能源接入技术目前，微小型风力发电和光伏发电系统大致可分为离网蓄电、并网发电及两者混合系统三类。混合系统兼顾了离网蓄电和并网发电系统的优点，有较强的适应性，用户可根据电网峰谷电价来调整自身的发电策略。并网控制的目标是控制逆变器输出稳定的高质量正弦波，且与电网接入点电压、频率和相位同步，以达到稳定并网的目的。系统中的逆变器或变频器技术目前已达到相当高的水准，并都采用了SPWM控制技术。最大功率跟踪控制是风力发电和光伏发电系统的关键技术之一，小型发电系统一般采用被动式最大功率跟踪控制系统，控制方式简单实用。
　　（1）光伏发电的接入和并网方式光伏发电系统主要由光伏阵列、传感器、储能型蓄电池和充放电控制器、DC/DC升压电路、逆变器、滤波器和系统控制器等组成。核心部件是光伏阵列、逆变器和系统控制器。并网方式可以将光伏阵列组件输出与逆变器连接，经隔离变压器接入电网，或者将逆变器直接与电网连接。或者将光伏阵列输出经高频逆变后，通过变压器隔离，再经过变频器与电网相连。由于设有隔离变压器，直流分量不会流入接入电网，谐波含量低。无隔离变压器并网方式是将光伏输出通过DC/DC升压电路、逆变器和滤波器，直接与电力系统相连，这种方式会向电网注入一定的谐波含量。储能型蓄电池可起功率和能量调节的作用。小型光伏发电系统一般通过实时检测光伏阵列的输出功率，预测当前工作状况下光伏阵列可能的最大功率输出，然后根据功率平衡原则使光伏阵列达到最大功率输出，实现最大功率跟踪。主动式自动跟踪系统采用步进跟踪方式，包括水平单轴、倾纬度角斜单轴和双轴跟踪，前两者只有一个旋转自由度，双轴跟踪具有两个旋转自由度。通过计算得出太阳直射方位，以控制光伏阵列朝向，使其有最大功率输出。
　　（2）风力发电的接入和并网方式目前，已有各种类型的风力发电机结构、发电方式和并网控制方式，如风力发电机有异步发电机、同步发电机和双馈式感应发电机三类，驱动方式有齿轮箱驱动和直驱式两类，运行方式有定转速和变转速两种，变转速风力发电机组的部分或全部容量采用变频器并网运行。全部容量采用变频器的直驱式风力发电机组采用永磁同步发电机，能够在较宽的转速范围内运行，具有转矩密度高的优点，发展前景看好。现代风力发电机都有偏航系统和液压系统等，以提高运行性能，偏航系统可以随时跟风，使风轮总是垂直于主风向。液压系统用于调节叶片桨矩、阻尼、停机、刹车等。小型风力发电系统主要由小型风力发电机（直驱式永磁同步发电机或异步发电机）、传感器、储能型蓄电池和充放电控制器、DC/DC升压电路、变频器、滤波器和系统控制器等组成。核心部件是风力发电机、变频器和系统控制器。并网方式可以将变频器输出经隔离变压器接入电网，或者将变频器输出直接与电网连接。特点与光伏发电系统相同。小型风力发电系统可以预先在控制器中预设风速-最大功率曲线表，由风速传感器实时检测风速，并测量整流器输出侧直流电压，然后根据功率平衡原则，用查表法查找对应的最大功率，使变频器达到最大功率输出，实现最大功率跟踪。
　　（3）风力发电和光伏发电系统的控制器风力发电和光伏发电系统的系统控制器是整个系统的神经中枢。两者除数据采集的参数有区别外，系统控制器的结构是相同的，目前都可以采用可编程序控制器（PLC）和人机界面组成，本文采用西门子S7-1200系列PLC和精简系列面板，利用PLC的编程组态软件，可以实现功能强大的控制作用。PLC与人机界面使用以太网（PROFINET）连接，并与上位计算机的通信。人机界面用于显示系统的测量参数及控制状态，还可用于对发电系统的手动控制。上位机可以显示发电系统的运行状态，并设定控制参数。通过以太网接口，可以将发电系统接入互联网，实现网络化远程监控。系统结构如图1所示。
　　5结论
　　本文通过相关文献和初步设计对新能源发电技术进行了研究，得到如下结论：目前国内电网接纳能力是大规模发展新能源发电的重要基础和环境，这有赖于坚强智能电网的发展，大力发展微网发电系统是改变能源结构迈向低碳经济社会模式的必由之路，这有赖于微网技术的发展和市场的有序发展和培育，也是建设坚强智能电网的目标。未来的能源市场是由生产商、投资商和消费者共同参与博弈的市场。目前，微小型风力发电和光伏发电技术已能满足并网技术的要求，随着微网和物联网技术的发展，将实现网络化控制。大中型风电场、光伏发电场主要存在有功功率调整和动态无功功率调整控制功能方面的缺陷，这有待于进一步研究。