從智能微網(wǎng)到智能配電網(wǎng)的分析
1 前言
目前，智能電網(wǎng)剛剛起步，未來智能電網(wǎng)的核心是智能配電網(wǎng)，而智能微網(wǎng)將是智能配電網(wǎng)的重要組成部分。由于微網(wǎng)技術(shù)的先進(jìn)性，在現(xiàn)有微網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展建設(shè)具有智能電網(wǎng)特征的“智能微網(wǎng)”，無(wú)疑是最節(jié)省投資、最容易實(shí)現(xiàn)的智能電網(wǎng)項(xiàng)目。智能電網(wǎng)研究的四大目標(biāo)包括：
*現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行;
*使分布式電源得到有效的利用;
*提高電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率;
*提高用戶用電的效率、可靠性和電能質(zhì)量。
上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要通過高級(jí)量測(cè)體系(AMI)、高級(jí)配電運(yùn)行(ADO)、高級(jí)輸電運(yùn)行(ATO)和高級(jí)資產(chǎn)管理(AAM)之間的密切配合。
國(guó)家電網(wǎng)公司公布的智能電網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)為：建設(shè)以堅(jiān)強(qiáng)網(wǎng)架為基礎(chǔ)，以通信信息平臺(tái)為支撐，以智能控制為手段，包含電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度各個(gè)環(huán)節(jié)，覆蓋所有電壓等級(jí)，實(shí)現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化融合，是堅(jiān)強(qiáng)可靠、經(jīng)濟(jì)高效、清潔環(huán)保、透明開放、友好互動(dòng)的現(xiàn)代電網(wǎng)。
2智能電網(wǎng)的核心
從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，智能配電網(wǎng)都將是未來智能電網(wǎng)的核心，電力行業(yè)的定位決定了未來配電網(wǎng)的地位：在電力行業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)中，配電系統(tǒng)無(wú)疑是與用戶聯(lián)系最緊密的。智能配電系統(tǒng)的建設(shè)將為電力用戶帶來以下好處：
1)目前用戶停電95%以上是由配電系統(tǒng)原因引起的，智能配電系統(tǒng)所具有的“自愈”功能將使事故發(fā)生時(shí)用戶遭受停電的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。
2)智能配電系統(tǒng)的雙向性(雙路通信、雙向表計(jì))將促進(jìn)電網(wǎng)公司和客戶之間的互動(dòng)溝通，有利于推進(jìn)電力需求側(cè)管理，使客戶享受更多的電價(jià)優(yōu)惠，從而進(jìn)一步提升電力服務(wù)水平。
3)用戶對(duì)于包括計(jì)算機(jī)在內(nèi)的大量電子設(shè)備的應(yīng)用，將對(duì)供電電能質(zhì)量提出更高要求。對(duì)于諧波、無(wú)功電壓的治理有賴于新型電力電子裝置的使用，智能配電系統(tǒng)的建設(shè)將為用戶帶來更加“優(yōu)質(zhì)”的電力供應(yīng)。
4)隨著世界各國(guó)不斷加大對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)的扶持，包括屋頂光伏發(fā)電、小型風(fēng)電機(jī)組等微型并網(wǎng)項(xiàng)目的建設(shè)將迅速推進(jìn)。此外，作為未來發(fā)展方向的智能化樓宇、智能化居民小區(qū)，以燃?xì)廨啓C(jī)等自備電源為主的分布式電源同樣具有并網(wǎng)運(yùn)行的需求。對(duì)于這些新能源和分布式電源項(xiàng)目的并網(wǎng)，都有賴于新型智能配電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。
5)未來社會(huì)將是一個(gè)全面“電氣化”的社會(huì)，作為城市電網(wǎng)的終端，各種新型電氣設(shè)備將對(duì)配電系統(tǒng)提出更高的要求。
3從智能微網(wǎng)到智能配電網(wǎng)
3.1 微網(wǎng)是分布式發(fā)電發(fā)展的必然結(jié)果
微網(wǎng)的概念是隨著分布式發(fā)電的發(fā)展而提出的。隨著新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和用戶自備電源的增加，包括光伏發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、燃料電池發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等分布式電源有了較大增長(zhǎng)。如果大量分布式電源直接并入配電網(wǎng)，將給電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行帶來一系列新的問題：
*分布式電源在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)將立即退出運(yùn)行;
*分布式電源將間歇性地影響周邊用戶;
*使得配電網(wǎng)電壓調(diào)整復(fù)雜化;
*容易產(chǎn)生大量諧波，影響該區(qū)域的電能質(zhì)量;
*給繼電保護(hù)整定帶來困難。
為了解決上述問題，通過把分布式電源和負(fù)荷一起組合為配電子系統(tǒng)——微網(wǎng)，可以有效降低分布式發(fā)電帶來的不利影響，同時(shí)發(fā)揮其積極作用。微網(wǎng)結(jié)構(gòu)見圖l。
圖1 典型微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖
3.2微網(wǎng)是智能配電網(wǎng)的示范平臺(tái)微網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展從一開始就與先進(jìn)的電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、通信技術(shù)緊密相關(guān)，其整體技術(shù)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)。
智能微網(wǎng)示范項(xiàng)目具有以下組成部分：
*集控中心：可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的智能化、可視化管理，具有系統(tǒng)運(yùn)行及平臺(tái)展示雙重功能;木多種分布式電源，光伏發(fā)電，微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，自備發(fā)電機(jī)組，等等;
*多個(gè)智能化用戶：均具有交互式智能電表、一體化通訊網(wǎng)絡(luò)以及可擴(kuò)展的智能化電氣接口，可支持雙向通信、智能讀表、用戶能源管理(需求側(cè)管理DSM)、家庭自動(dòng)化;
*具有自愈(故障重構(gòu))能力的電力網(wǎng)絡(luò)：由新型開關(guān)設(shè)備、測(cè)量設(shè)備和通訊設(shè)備組成，在集控中心調(diào)度管理下可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)故障隔離、恢復(fù)2供電和故障定位診斷;
*定制電力/DFACTS：新型電力電子設(shè)備的實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用，包括動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償SVG、有源濾波器APF、固態(tài)斷路器SSCB等，改善電能質(zhì)量，適應(yīng)分布式新能源接入。
*在各個(gè)主要部分均預(yù)留可擴(kuò)展接口，建設(shè)開放式的智能電網(wǎng)示范研究平臺(tái)，為今后進(jìn)行新的試驗(yàn)研究和新產(chǎn)品掛網(wǎng)測(cè)試做好準(zhǔn)備。
3.3 智能微網(wǎng)是智能配電網(wǎng)的重要組成部分
智能微網(wǎng)不僅具有智能配電網(wǎng)的研究和示范作用，而且將成為未來智能配電網(wǎng)的重要組成部分，這是因?yàn)橹悄芪⒕W(wǎng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：
*智能微網(wǎng)具有智能電網(wǎng)的幾乎所有特點(diǎn)：雙向交互性、網(wǎng)絡(luò)自愈功能、靈活性，等等;
*可以提高分布式電源的有效運(yùn)行時(shí)間;.
*有助于在電網(wǎng)災(zāi)變時(shí)保障對(duì)重要負(fù)荷的持續(xù)供電;
*可以在智能微網(wǎng)范圍內(nèi)有效解決電壓、諧波問題，避免間歇式電源對(duì)周圍用戶電能質(zhì)量的直接影響;
*可以盡量就地平衡分布式發(fā)電電能，有助于可再生能源優(yōu)化利用和電網(wǎng)節(jié)能降損。
4 結(jié)論
未來智能電網(wǎng)的核心是智能配電網(wǎng)，而智能微網(wǎng)將是智能配電網(wǎng)的重要組成部分。由于微網(wǎng)技術(shù)的先進(jìn)性，在現(xiàn)有微網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展建設(shè)具有智能電網(wǎng)特征的“智能微網(wǎng)”，無(wú)疑是最節(jié)省投資、最容易實(shí)現(xiàn)的智能電網(wǎng)項(xiàng)目。在目前智能電網(wǎng)剛剛起步階段，智能微網(wǎng)的建設(shè)具有極大的研究、示范價(jià)值和最低的風(fēng)險(xiǎn)性。
微網(wǎng)(MG)作為智能電網(wǎng)重要組成部分，目前在控制方面還存在一些問題，特別是微網(wǎng)的解列和并網(wǎng)控制。針對(duì)并網(wǎng)過程對(duì)微網(wǎng)和主電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，通過研究電網(wǎng)中的頻率和功率特性關(guān)系，對(duì)微網(wǎng)并網(wǎng)過程中的功率流動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。最后使用電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD/EMTDC對(duì)并網(wǎng)過程進(jìn)行了仿真，通過比較最佳并網(wǎng)時(shí)刻前后的不同并網(wǎng)過程，分析了其頻率和功率變化的不同。研究結(jié)果表明，微網(wǎng)和主電網(wǎng)電壓相對(duì)相位的不同對(duì)并網(wǎng)過程的電能質(zhì)量有很大的影響。
0 引 言
隨著我國(guó)對(duì)智能電網(wǎng)研究和規(guī)劃的正式啟動(dòng)， 作為智能電網(wǎng)基礎(chǔ)部分的分布式電源(Distributed Generation， DG)越來越受到人們的關(guān)注。DG 主要包括微汽輪機(jī)、風(fēng)能、太陽(yáng)能、燃料電池、生物質(zhì)能等。其一般和負(fù)載一起組成微網(wǎng)， 作為一個(gè)可控單元接入主電網(wǎng)。在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)， 微網(wǎng)通過公共連接點(diǎn)和主電網(wǎng)連接， 當(dāng)主電網(wǎng)發(fā)生故障或者電能質(zhì)量問題時(shí)， 微網(wǎng)迅速與主電網(wǎng)斷開， 獨(dú)立向內(nèi)部負(fù)載供電 ， 當(dāng)故障解除、主電網(wǎng)恢復(fù)正常后， 微網(wǎng)可以再次和主電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。為了保證在并網(wǎng)過程中微網(wǎng)和主電網(wǎng)的電壓和頻率等電能質(zhì)量指標(biāo)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)， 并網(wǎng)過程一定要采取合理有效的控制策略， 保證并網(wǎng)過程的順利安全進(jìn)行。
本研究中只考慮并網(wǎng)后電網(wǎng)向微網(wǎng)注入功率， 而微網(wǎng)向電網(wǎng)注入功率的控制在以后的研究中進(jìn)一步深入探討。通過PSCAD /EMTDC仿真， 重點(diǎn)研究并網(wǎng)過程的電壓和頻率波動(dòng)， 提出安全有效的并網(wǎng)控制方法。
1 典型微網(wǎng)結(jié)構(gòu)
典型微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示， 主要由分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、負(fù)載和保護(hù)裝置組成一個(gè)低壓電網(wǎng)( low voltage， LV)， 通過變壓器和主電網(wǎng)的中壓電網(wǎng)(medium voltage， MV)連接 ， 當(dāng)主電網(wǎng)中發(fā)生重大電能質(zhì)量問題時(shí)， 微網(wǎng)控制中心(MicroGrid Control Center，MGCC)控制微網(wǎng)進(jìn)入孤島模式運(yùn)行， 保護(hù)微網(wǎng)內(nèi)部敏感和重要設(shè)備。微網(wǎng)的并網(wǎng)是一個(gè)復(fù)雜的控制過程，在閉合之前需要對(duì)一些電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行檢查， 只有這些指標(biāo)滿足同步并網(wǎng)要求， 才能合上開關(guān)接入主電網(wǎng)。
2 并網(wǎng)后的功率流動(dòng)
在電力系統(tǒng)中，當(dāng)功率出現(xiàn)不平衡或者頻率發(fā)生變化時(shí)，頻率和功率的調(diào)整是由負(fù)荷和電源兩者的調(diào)節(jié)效應(yīng)來完成。系統(tǒng)中的頻率和有功功率間的關(guān)系為：
$f = - Ks$P = - Ks(P0-P1) (1)
式中Ks系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)特性;$P系統(tǒng)有功功率的變化;P0、P1不同頻率下對(duì)應(yīng)的功率;$f系統(tǒng)頻率的變化。
在孤島模式下，DG提供了微網(wǎng)內(nèi)部負(fù)載所需的所有功率。并網(wǎng)后DG產(chǎn)生功率的多少由微網(wǎng)控制中心的指令決定，微網(wǎng)所需功率的缺額部分再由電網(wǎng)注入。
圖2 孤島系統(tǒng)的頻率-功率特性圖
兩個(gè)孤島系統(tǒng)的頻率-功率特性圖如圖2所示。在連接之前，DG(A)、DG(B)分別以不同頻率獨(dú)立向各自負(fù)載供電，DG(A)的頻率為 fa，DG(B)的頻率為fb，連接后成為含有兩個(gè)DG的孤島。在分開運(yùn)行時(shí)A比B的頻率要高，當(dāng)它們并網(wǎng)連接后只能在同一個(gè)頻率f0下運(yùn)行。從圖2可以看出，此時(shí)A由于頻率下降增加了$Pa的功率輸出，B由于頻率上升減少了$Pb的功率輸出，而整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載沒有變化，所以$Pa等于$Pb，并網(wǎng)后功率從A流向了B。同樣，如果并網(wǎng)前DG(A)的頻率低于DG(B)，連接以后功率從B流向了A。這說明并網(wǎng)后功率會(huì)從并網(wǎng)前頻率高的流向頻率低的，所以要使并網(wǎng)以后功率從電網(wǎng)流向微網(wǎng)，必須保證并網(wǎng)前電網(wǎng)頻率要稍高于微網(wǎng)頻率。
上面這種情況在實(shí)際應(yīng)用中也是很有可能遇到的，當(dāng)發(fā)生重大事故后，所有DG都將和微網(wǎng)分離，在微網(wǎng)重新啟動(dòng)時(shí)，DG將依次接入微網(wǎng)。
3 同步并網(wǎng)控制策略
一般來說，并網(wǎng)前兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)，其運(yùn)行頻率很難調(diào)整到完全相同。并網(wǎng)前電網(wǎng)電壓和微網(wǎng)電壓分別為U#g和U#m，電壓幅值Ug=Um，頻率fgXfm。假設(shè)并網(wǎng)后功率從電網(wǎng)注入微網(wǎng)，根據(jù)并網(wǎng)后功率流動(dòng)的分析，fm要稍低于fg，可得開關(guān)兩側(cè)的電壓差Us為：
Us=Ugsin(Xgt+Ug)-Umsin(Xmt+Um) (2)
其中，Xg=2Pfg，Xm=2Pfm。
式(2)可變換為：
式中D)滑差角頻率，D=Xg-Xm;B)初相位差，B=Ug-Um。
微網(wǎng)仿真模型圖如圖3所示，微網(wǎng)含有一個(gè)DG和負(fù)載，以直流電源通過逆變器產(chǎn)生交流電來模擬DG，微網(wǎng)通過并網(wǎng)開關(guān)和主電網(wǎng)連接。假設(shè)并網(wǎng)前電網(wǎng)電壓為 E#g，微網(wǎng)電壓為E#m，根據(jù)上面功率流動(dòng)的分析，要使并網(wǎng)后功率從電網(wǎng)流向微網(wǎng)，并網(wǎng)前電網(wǎng)頻率要稍高于微網(wǎng)頻率，即E#g的頻率稍高于E#m的頻率。同時(shí)根據(jù)上面對(duì)電壓差的分析得出式(5)，可知并網(wǎng)開關(guān)兩側(cè)的電壓差是脈動(dòng)電壓，仿真結(jié)果如圖4(a)所示。在5.0s時(shí)刻的局部放大圖如圖4(b) 所示，從圖中可以看出，5.0s是最合適的閉合開關(guān)時(shí)刻(這樣的時(shí)刻是周期性出現(xiàn)的)，開關(guān)兩側(cè)的電壓差最小，閉合過程產(chǎn)生的瞬間電流也很小，安全性能比較高。
電壓E#g和E#m的對(duì)比圖如圖5所示(點(diǎn)劃線是電網(wǎng)電壓E#g，實(shí)線是微網(wǎng)電壓E#m)。綜合圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)在5.0s是并網(wǎng)的最佳時(shí)刻，但是在實(shí)際應(yīng)用中恰好在5.0s這個(gè)時(shí)刻閉合開關(guān)的可能性很小，往往都是這點(diǎn)的前后合上開關(guān)。仔細(xì)觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)在5.0s前后是兩種不同的情況，5.0s之前是E#m超前于E#g，即E#m的相位超前E#g，5.0s之后則是相反的情況，E#g超前于E#m。下面重點(diǎn)分析這一不同點(diǎn)對(duì)并網(wǎng)過程的影響。
微網(wǎng)的總負(fù)載是2.0pu，在孤島模式下由DG提供了全部的功率，而并網(wǎng)后要求DG的輸出功率是1.0pu。首先在5.0s之前閉合開關(guān)，在這個(gè)時(shí)間段E#m超前于E#g，就是說頻率低的電壓相位超前于頻率高的電壓，同時(shí)保證開關(guān)兩側(cè)的電壓差盡量小。在并網(wǎng)過程中DG的輸出功率和頻率的變化如圖6所示。
從圖6(a)可以看到，在并網(wǎng)過程中有一段向上的功率輸出波動(dòng)，然后又迅速回到正常水平。因?yàn)樵诓⒕W(wǎng)前后整個(gè)系統(tǒng)的總負(fù)載沒有變化，對(duì)微網(wǎng)來說，那些額外產(chǎn)生的功率流向了并網(wǎng)后的主電網(wǎng)。從圖6(b)中可見，并網(wǎng)過程中有一段頻率突然下降，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了激烈的波動(dòng)。
5.0s之后閉合開關(guān)的情況如圖7所示，電壓差比較小的時(shí)候并網(wǎng)，頻率高的E#g超前于頻率低的E#m，從圖7(a)可以明顯地發(fā)現(xiàn)功率從2.0pu變化到1.0pu，沒有較大的波動(dòng)，過渡比較平穩(wěn)。在圖7(b)中，頻率的過渡同樣也是比較平滑。因此如圖7所示的情況才是最佳的并網(wǎng)過程，頻率和功率波動(dòng)都比較小，而且由于是在電壓差比較小的時(shí)刻閉合并網(wǎng)開關(guān)，開關(guān)中產(chǎn)生的瞬時(shí)電流也比較小，整個(gè)過程中電能質(zhì)量得到了有效的保證。
4 結(jié)束語(yǔ)
本研究通過對(duì)含有一個(gè)DG的微網(wǎng)并網(wǎng)過程仿真，研究了并網(wǎng)過程中頻率和電壓波動(dòng)變化，著重分析了在并網(wǎng)前開關(guān)兩側(cè)電壓相對(duì)相位超前和落后的兩種不同情況，提出了微網(wǎng)并網(wǎng)的最佳控制策略：
(1)并網(wǎng)時(shí)開關(guān)兩側(cè)的電壓差必須很小，理想狀態(tài)為零;
(2)電網(wǎng)頻率必須稍高于微網(wǎng)頻率;
(3)并網(wǎng)時(shí)刻電網(wǎng)電壓必須超前于微網(wǎng)電壓。
并網(wǎng)后微網(wǎng)向主電網(wǎng)注入功率的情況在以后進(jìn)一步進(jìn)行研究。
智能電網(wǎng)區(qū)別于傳統(tǒng)電網(wǎng)的一個(gè)根本特征是支持分布式電源(Dist ributed Energy Resources ,DER) 的大量接入。滿足DER 并網(wǎng)的需要,是智能電網(wǎng)提出并獲得迅速發(fā)展的根本原因。本講介紹分布式電源的基本概念及其并網(wǎng)技術(shù),作為讀者學(xué)習(xí)、了解智能電網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)。
1 分布式電源的概念
分布式電源指小型(容量一般小于50 MW) 、向當(dāng)?shù)刎?fù)荷供電、可直接連到配電網(wǎng)上的電源裝置。它包括分布式發(fā)電裝置與分布式儲(chǔ)能裝置。
分布式發(fā)電(Dist ributed Generation ,DG) 裝置根據(jù)使用技術(shù)的不同,可分為熱電冷聯(lián)產(chǎn)發(fā)電、內(nèi)燃機(jī)組發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、小型水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、燃料電池等;根據(jù)所使用的能源類型,DG可分為化石能源(煤炭、石油、天然氣) 發(fā)電與可再生能源(風(fēng)力、太陽(yáng)能、潮汐、生物質(zhì)、小水電等) 發(fā)電兩種形式。分布式儲(chǔ)能(Dist ributed Energy Storage ,DES) 裝置是指模塊化、可快速組裝、接在配電網(wǎng)上的能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換裝置。根據(jù)儲(chǔ)能形式的不同,DES 可分為電化學(xué)儲(chǔ)能(如蓄電池儲(chǔ)能裝置) 、電磁儲(chǔ)能(如超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能等) 、機(jī)械儲(chǔ)能裝置(如飛輪儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能等) ,熱能儲(chǔ)能裝置等。此外,近年來發(fā)展很快的電動(dòng)汽車亦可在配電網(wǎng)需要時(shí)向其送電,因此也是一種DES。
2 分布式電源的發(fā)展
2. 1 分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展
長(zhǎng)期以來,電力系統(tǒng)向大機(jī)組、大電網(wǎng)、高電壓的方向發(fā)展。進(jìn)入20 世紀(jì)80 年代,各種分散布置的、小容量的發(fā)電技術(shù)又開始引起人們的關(guān)注,經(jīng)過20 多年的發(fā)展,分布式發(fā)電已成為一股影響電力工業(yè)未來面貌的重要力量。引起這一變化的原因主要有以下幾個(gè)方面。
1) 應(yīng)對(duì)全球能源危機(jī)的需要。隨著國(guó)際油價(jià)的不斷飆升,能源安全問題日益突出,為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,人們的目光轉(zhuǎn)向了可再生能源,因此,風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等備受關(guān)注,快速發(fā)展并開始規(guī)模化商業(yè)應(yīng)用,而這些可再生能源的發(fā)電大都是小型的、星羅棋布的。
2) 保護(hù)環(huán)境的需要。CO2 排放引起的全球氣候變暖問題,已引起各國(guó)政府的高度重視,并成為當(dāng)今世界政治的核心議題之一。為保護(hù)環(huán)境,世界上工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛立法,扶持可再生能源發(fā)電以及其他清潔發(fā)電技術(shù)(如熱電聯(lián)產(chǎn)微型燃?xì)廨啓C(jī)) ,有利地推動(dòng)了DG的發(fā)展。
3) 天然氣發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。對(duì)于天然氣發(fā)電來說,機(jī)組容量并不明顯影響機(jī)組的效率,并且天然氣輸送成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電力的傳輸,因此比較適合采用有小容量特點(diǎn)的DG。
4) 避免投資風(fēng)險(xiǎn)。由于難以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)遠(yuǎn)期的電力需求增長(zhǎng)情況,為規(guī)避風(fēng)險(xiǎn),電力公司往往不愿意投資大型的發(fā)電廠以及長(zhǎng)距離超高壓輸電線路。此外,高壓線路走廊的選擇也比較困難。這都促使電力公司選擇一些投資小、見效快的DG項(xiàng)目來就地解決供電問題。
在國(guó)際上,DG 的發(fā)展方興未艾。在美國(guó),1978 年修改了《公共事業(yè)法》,以法律的形式要求各電力公司接受用戶的小型能源系統(tǒng),特別是熱電機(jī)組并網(wǎng);2000 年,熱電聯(lián)產(chǎn)裝機(jī)容量已占總裝機(jī)容量的7 %,預(yù)計(jì)到2010 年將占其總裝機(jī)容量的14 %;2008 年,風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)2500 萬(wàn)kW;太陽(yáng)能裝機(jī)容量達(dá)87 萬(wàn)kW。歐洲在世界上最早開始應(yīng)用DG。目前,丹麥、芬蘭、挪威等國(guó)的DG容量均已接近或超過其總發(fā)電裝機(jī)容量的50 %;歐洲D(zhuǎn)G 應(yīng)用規(guī)模最大的德國(guó),2008 年末風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到2300 萬(wàn)kW ,太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)540 萬(wàn)kW。
我國(guó)應(yīng)用的DG 原來主要以小水電為主,風(fēng)電、光伏發(fā)電等起步相對(duì)較晚。2003 年以來,國(guó)家強(qiáng)力推進(jìn)節(jié)能減排,頒布了《可再生能源法》并制定了一系列促進(jìn)可再生能源利用與提高能效技術(shù)發(fā)展的政策。到2008 年底,我國(guó)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到1200 萬(wàn)kW ,躍居世界第三位;光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到14 萬(wàn)kW。
近年來,各國(guó)政府對(duì)能源安全與環(huán)境問題高度重視。美國(guó)、歐盟都提出2020 年應(yīng)用可再生能源占總能源消費(fèi)的比例超過20 %;我國(guó)也制定了2020 年應(yīng)用可再生能源占消費(fèi)總能源的比例達(dá)15 %的目標(biāo)。目前,各國(guó)可再生能源發(fā)電容量在總發(fā)電裝機(jī)容量中的比例遠(yuǎn)低于這些目標(biāo),可見DG的發(fā)展空間巨大。
目前,風(fēng)力發(fā)電等可再生能源發(fā)電的成本還遠(yuǎn)高于常規(guī)燃煤發(fā)電,只有國(guó)家實(shí)行優(yōu)惠的稅收政策并給予一定的財(cái)政補(bǔ)貼,才能調(diào)動(dòng)投資者發(fā)展DG 的積極性。其次,DG 并網(wǎng)技術(shù)也是制約DG發(fā)展的重要因素,因此,智能電網(wǎng)的提出,從技術(shù)上為解決這一問題創(chuàng)造了條件。
2. 2 分布式儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展
能量?jī)?chǔ)存是電力系統(tǒng)調(diào)峰的有效手段,作為一種成熟的儲(chǔ)能技術(shù),抽水蓄能電站獲得了大量應(yīng)用。近年來,作為補(bǔ)償DG輸出間歇性、波動(dòng)性的有效手段,分布式儲(chǔ)能技術(shù)受到了人們的重視。
蓄電池是一種傳統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)。鈉硫電池具有大容量、高效率、結(jié)構(gòu)緊湊、易擴(kuò)展、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn),技術(shù)進(jìn)一步成熟后可用于城市電網(wǎng)和可再生能源發(fā)電補(bǔ)償。超級(jí)電容器容量大、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)保,目前已有市場(chǎng)化應(yīng)用。2005 年,美國(guó)加利福尼亞州建造了一臺(tái)450 kW 的超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置,用以減輕950 kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向電網(wǎng)輸送功率的波動(dòng)。飛輪儲(chǔ)能效率高、壽命長(zhǎng),德國(guó)、美國(guó)等都在投資研制用于電網(wǎng)調(diào)峰的飛輪儲(chǔ)能裝置。超導(dǎo)磁能儲(chǔ)能具有效率高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn),目前已在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。
總體來說,分布式儲(chǔ)能技術(shù)還在發(fā)展之中,還沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化,需要國(guó)家在政策上給于引導(dǎo)和扶持。
3 分布式電源并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的影響
3. 1 分布式電源并網(wǎng)的作用
分布式發(fā)電裝置并網(wǎng)后會(huì)給配電網(wǎng)帶來一系列積極的影響。
1) 提高供電可靠性。DER 可以彌補(bǔ)大電網(wǎng)在安全穩(wěn)定性上的不足。含DER 的微電網(wǎng)可以在大電網(wǎng)停電時(shí)維持全部或部分重要用戶的供電,避免大面積停電帶來的嚴(yán)重后果。
2) 提高電網(wǎng)的防災(zāi)害水平。災(zāi)害期間,DER可維持部分重要負(fù)荷的供電,減少災(zāi)害損失。
3) DER 啟停方便,調(diào)峰性能好,有利于平衡負(fù)荷。
4) DER 投資小、見效快。發(fā)展DG 可以減少、延緩對(duì)大型常規(guī)發(fā)電廠與輸配電系統(tǒng)的投資,降低投資風(fēng)險(xiǎn)。
5) 可以滿足特殊場(chǎng)合的用電需求。如用于大電網(wǎng)不易達(dá)到的偏遠(yuǎn)地區(qū)的供電;在重要集會(huì)或慶典上,DER 處于熱備用狀態(tài)可作為移動(dòng)應(yīng)急發(fā)電。
6) 減少傳輸損耗。DER 就近向用電設(shè)備供電,避免輸電網(wǎng)長(zhǎng)距離送電的電能傳輸損耗。
分布式儲(chǔ)能裝置并網(wǎng)后,可在負(fù)荷低谷時(shí)從電網(wǎng)上獲取電能,而在負(fù)荷高峰時(shí)向電網(wǎng)送電,起到對(duì)負(fù)荷削峰填谷的作用,提高電網(wǎng)運(yùn)行效率。其另一個(gè)重要作用,是與風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電裝置配合使用,可就地補(bǔ)償可再生能源發(fā)電裝置功率輸出的間歇性。
3. 2 分布式電源并網(wǎng)帶來的技術(shù)問題
DER 的大量接入改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)功率單向流動(dòng)的狀況,這給配電網(wǎng)帶來一系列新的技術(shù)問題。
1) 電壓調(diào)整問題。配電線路中接入DER ,將引起電壓分布的變化。由于配電網(wǎng)調(diào)度人員難以掌握DER 的投入、退出時(shí)間以及發(fā)出的有功功率與無(wú)功功率的變化,使配電線路的電壓調(diào)整控制十分困難。
2) 繼電保護(hù)問題。DER 的并網(wǎng)會(huì)改變配電網(wǎng)原來故障時(shí)短路電流水平并影響電壓與短路電流的分布,對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)帶來影響:
(1) 引起保護(hù)拒動(dòng)。DER 對(duì)保護(hù)動(dòng)作的影響如圖1 所示。如果一個(gè)DER 接在線路的M處,當(dāng)線路末端k 處發(fā)生短路故障時(shí),它向故障點(diǎn)送出短路電流并抬高M(jìn) 處的電壓,因此使母線處保護(hù)R 檢測(cè)到的短路電流減少,從而降低保護(hù)動(dòng)作的靈敏度,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起保護(hù)拒動(dòng)。
(2) 引起配電網(wǎng)保護(hù)誤動(dòng)。在相鄰線路發(fā)生短路故障時(shí),DER 提供的反向短路電流可能使保護(hù)誤動(dòng)作。
(3) 影響重合閘的成功率。在線路發(fā)生故障時(shí),如果在主系統(tǒng)側(cè)斷路器跳開時(shí)DER 繼續(xù)給線路供電,會(huì)影響故障電弧的熄滅,造成重合閘不成功。如果在重合閘時(shí),DER 仍然沒有解列,則會(huì)造成非同期合閘,由此引起的沖擊電流使重合閘失敗,并給分布式發(fā)電設(shè)備帶來危害。
(4) 影響備用電源自投。如果在主系統(tǒng)供電中斷時(shí),DER 繼續(xù)給失去系統(tǒng)供電的母線供電,則由于母線電壓繼續(xù)存在,會(huì)影響備用電源自投裝置的正確動(dòng)作。
3) 對(duì)短路電流水平的影響。直接并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)都會(huì)增加配電網(wǎng)的短路電流水平,因此提高了對(duì)配電網(wǎng)斷路器遮斷容量的要求。
4) 對(duì)配電網(wǎng)供電質(zhì)量的影響。風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電輸出的電能具有間歇性特點(diǎn),會(huì)引起電壓波動(dòng)。通過逆變器并網(wǎng)的DER ,不可避免地會(huì)向電網(wǎng)注入諧波電流,導(dǎo)致電壓波形出現(xiàn)畸變。
3. 3 分布式電源并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行管理的影響
1) DER 的接入,會(huì)增加配電網(wǎng)調(diào)度與運(yùn)行管理的復(fù)雜性。風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電等輸出的電能具有很大的隨機(jī)性,而用戶自備DER 一般是根據(jù)用戶自身需要安排機(jī)組的投切;這一切給合理地安排配電網(wǎng)運(yùn)行方式、確定最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行結(jié)構(gòu)帶來困難。
2) DER 的接入,給配電網(wǎng)的施工與檢修維護(hù)帶來了影響。由于難以對(duì)眾多的DER 進(jìn)行控制,停電檢修計(jì)劃安排的難度增加,配電網(wǎng)施工安全風(fēng)險(xiǎn)加大。
3. 4 分布式電源對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)與經(jīng)營(yíng)的影響
DER 的大量應(yīng)用,給配電網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)與經(jīng)營(yíng)帶來了新挑戰(zhàn)。
1) 對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、負(fù)荷預(yù)測(cè)的影響。由于大量的用戶安裝DER 為其提供電能,使得配電網(wǎng)規(guī)劃人員難以準(zhǔn)確地進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè),進(jìn)而影響配電網(wǎng)規(guī)劃的合理性。
2) 分布式發(fā)電并網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)問題。由于DER的接入,特別是對(duì)于自備DER 的用戶,為保證其自備DER 停運(yùn)時(shí)仍能正常用電,供電企業(yè)需要為其提供一定的備用容量,這就增加了供電企業(yè)的設(shè)備投資與運(yùn)行成本,這些費(fèi)用理應(yīng)有一部分由DER 業(yè)主來分擔(dān)。因此,需要完善電價(jià)政策,合理地調(diào)整供電企業(yè)與DER 業(yè)主的利益。
4 分布式電源并網(wǎng)技術(shù)
4. 1 分布式電源并網(wǎng)基本技術(shù)要求
為確保配電網(wǎng)的安全運(yùn)行和供電質(zhì)量,DER并網(wǎng)要滿足以下基本要求。
1) 保證配電網(wǎng)電壓合格,所引起的電壓偏移不超過允許的范圍。
2) 配電設(shè)備正常運(yùn)行電流不超過額定值,動(dòng)熱穩(wěn)定電流不超過允許值。
3) 短路容量不超過開關(guān)、電纜等配電設(shè)備的允許值。
4) 電能質(zhì)量合格,所引起的電壓驟升、驟降、閃變、諧波不超過規(guī)定值。
4. 2 分布式電源接入方案的選擇
DER 并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的影響與DER 的容量以及接入配電網(wǎng)的規(guī)模、電壓等級(jí)有關(guān)。一般情況下,DER 容量在250 kVA 以內(nèi)的接入380 V/ 400V 低壓電網(wǎng); DER 容量在1 ～ 8 MVA 的接入10 kV等級(jí)中壓電網(wǎng);DER 容量更大一些的則接入更高電壓等級(jí)的配電網(wǎng)。具體接入方式一般是大容量的DER 通過聯(lián)絡(luò)線接到附近變電所的母線上,如圖2 (a) 所示。對(duì)于小型的DER ,為減少并網(wǎng)投資,就近并在配電線路上,如圖2 (b) 所示。
圖2 DER 接入配電網(wǎng)的方式
美國(guó)電氣電子工程師協(xié)會(huì)( IEEE) 的第21 標(biāo)準(zhǔn)化工作組起草的DER 并網(wǎng)系列標(biāo)準(zhǔn)中,定義了以下兩個(gè)參數(shù)來衡量DER 并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的影響。
1) 剛度系數(shù),指配電網(wǎng)中DER 接入點(diǎn)的設(shè)計(jì)短路電流與DER 額定電流的比值。
2) 短路電流貢獻(xiàn)比,指配電網(wǎng)在DER 接入點(diǎn)發(fā)生短路時(shí),來自DER 的短路電流與來自配電網(wǎng)的短路電流的比值。
剛度系數(shù)越大,短路電流貢獻(xiàn)比越小,則配電網(wǎng)運(yùn)行電壓與短路電流受DER 并網(wǎng)的影響越小。一般認(rèn)為,如果剛度系數(shù)大于20 ,則DER 并網(wǎng)不會(huì)對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行帶來實(shí)質(zhì)性影響。
在我國(guó),熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電與小水力發(fā)電有著很廣泛的應(yīng)用,它們一般是并到配電變電所的母線上。這些DER (小電源) 的并網(wǎng)以及保護(hù)控制技術(shù)已比較成熟,有大量的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程可供參考。近年來,太陽(yáng)能光伏發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電等容量在數(shù)百千瓦及以下的小型分布式電源有了很大發(fā)展,為降低成本,它們一般是就近接到配電線路上,這些小型DER 的并網(wǎng)及其保護(hù)控制技術(shù)還需進(jìn)一步探討。
為減少投資、簡(jiǎn)化工作程序與運(yùn)行管理,一些國(guó)家的供電企業(yè)對(duì)于小型DER 并網(wǎng)采取“即接即忘(Connect and Forget ) ”的原則,即忽略其對(duì)配電網(wǎng)安全性、供電質(zhì)量與保護(hù)控制方式的影響。為達(dá)到這一目的,需要對(duì)DER 的接入容量做出嚴(yán)格限制。例如, 美國(guó)對(duì)于小型( 容量小于200kVA) DER 的并網(wǎng), 供電企業(yè)要求接入線路的DER 總?cè)萘啃∮诰�路最小負(fù)荷的10 %。
4. 3 分布式電源并網(wǎng)保護(hù)
分布式電源并網(wǎng)保護(hù)除分布式電源機(jī)組的保護(hù)外,主要是配備孤島運(yùn)行保護(hù),簡(jiǎn)稱孤島保護(hù)。
“孤島”是指配電線路或部分配電網(wǎng)與主網(wǎng)的連接斷開后,由分布式電源獨(dú)立供電形成的配電網(wǎng)絡(luò)。如圖2 (a) 中,變壓器低壓側(cè)斷路器QF1 跳開后,分布式電源和母線上其他線路形成的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)孤島。這種意外的孤島運(yùn)行狀態(tài)是不允許的,因?yàn)槠涔╇婋妷号c頻率的穩(wěn)定性得不到保障,并且線路繼續(xù)帶電會(huì)影響故障電弧的熄滅、重合閘的動(dòng)作,危害事故處理人員的人身安全。對(duì)于中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)的電網(wǎng)來說,一部分配電網(wǎng)與主網(wǎng)脫離后,可能會(huì)失去接地的中性點(diǎn),成為非有效接地系統(tǒng),這時(shí)孤島運(yùn)行就可能引起過電壓,危害設(shè)備與人身安全。
在DER 與配電網(wǎng)的連接點(diǎn)上,需要配備自動(dòng)解列裝置,即孤島保護(hù)。在檢測(cè)出現(xiàn)孤島運(yùn)行狀態(tài)后,迅速跳開DER 與配電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)。一般來說,在孤島運(yùn)行狀態(tài)下,DER 發(fā)電量與所帶的負(fù)荷相比,有明顯的缺額或過剩,從而導(dǎo)致電壓與頻率的明顯變化,據(jù)此可以構(gòu)成孤島運(yùn)行保護(hù)。孤島保護(hù)的工作原理主要有以下3 種。
1) 反應(yīng)電壓下降或上升的欠壓/ 過壓保護(hù)。
2) 反應(yīng)頻率下降或上升的頻率變化率保護(hù)。
3) 反應(yīng)前后兩個(gè)周波電壓相量變化的相量偏移保護(hù)。
反映頻率變化率的孤島保護(hù)在電力系統(tǒng)功率出現(xiàn)缺額導(dǎo)致頻率下降時(shí)也可能動(dòng)作,這導(dǎo)致在電力系統(tǒng)最需要功率支持的時(shí)候切除DER ,使電網(wǎng)情況更為惡化。因此,實(shí)際應(yīng)用中不宜將低頻解列保護(hù)整定得過于靈敏,以避免這種不利局面的發(fā)生。
在線路故障切除后,重合閘時(shí)間需要與孤島運(yùn)行保護(hù)配合,其等待時(shí)間要確保DER 解列并留有足夠的故障點(diǎn)熄弧時(shí)間。
4. 4 DER并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已對(duì)DER 并網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制定。英國(guó)電力協(xié)會(huì)( Elect ricity Associa2tion) 早在1991 年就發(fā)布了《G59/ 1 嵌入式發(fā)電并入地區(qū)配電網(wǎng)的推薦技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》;國(guó)際電氣電子工程師協(xié)會(huì)( IEEE) 于2003 年6 月發(fā)布了“DER并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std. 1547”,2003 年10 月該標(biāo)準(zhǔn)被批準(zhǔn)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在我國(guó),上海市電力公司和上海燃?xì)饧瘓F(tuán)公司聯(lián)合制定了《分布式供能系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》,上海市政府于2005 年8 月發(fā)文要求在全市范圍內(nèi)貫徹實(shí)施這一規(guī)程。但總體來說,我國(guó)在這方面的工作還比較滯后。特別是接入配電線路的DER 的并網(wǎng)問題,沒有可供參考的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范,急需啟動(dòng)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。
5 分布式電源并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展
以上介紹的DER 并網(wǎng)技術(shù)是“有限接入”,即對(duì)于接入容量等做出嚴(yán)格限制。為了充分利用可再生能源,必須實(shí)現(xiàn)DER 并網(wǎng)的“寬限接入”和大量接入,這也是智能電網(wǎng)概念提出的根本原因之一,智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,將使這問題能得到較好地解決。隨著DER 的大量接入,配電網(wǎng)就由傳統(tǒng)的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)將發(fā)展成為有源網(wǎng)絡(luò),當(dāng)前,涉及這方面的技術(shù)研究主要有微電網(wǎng)技術(shù)與虛擬發(fā)電廠技術(shù)。
5. 1 有源網(wǎng)絡(luò)的基本概念
有源網(wǎng)絡(luò)(Active Network) 指的是分布式電源高度滲透、功率雙向流動(dòng)的配電網(wǎng)絡(luò)。所謂“高度滲透”是指接入的DER 對(duì)配電網(wǎng)的潮流、短路電流產(chǎn)生了實(shí)質(zhì)性的影響,使得傳統(tǒng)配電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、保護(hù)控制、運(yùn)行管理方法不再有效。有源網(wǎng)絡(luò)的概念是針對(duì)并網(wǎng)技術(shù)對(duì)DER 接入容量做出嚴(yán)格限制的配電網(wǎng)而提出的。
有源網(wǎng)絡(luò)不再單純地為了不影響現(xiàn)有配電網(wǎng)而嚴(yán)格限制DER 的接入,而是讓DER 盡可能地多發(fā)電(特別是對(duì)可再生能源) 、充分地發(fā)揮其對(duì)配電網(wǎng)的積極作用以及節(jié)省電力系統(tǒng)的整體投資。DER 的容量客觀上是可以替代一部分配電容量的,從而減少對(duì)發(fā)、輸、配電系統(tǒng)的投資。因此,考慮DER 對(duì)配電容量的替代作用,也是有源網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要的特征。
有源網(wǎng)絡(luò)給配電網(wǎng)的保護(hù)控制、運(yùn)行管理提出了新挑戰(zhàn),它包括電壓控制、繼電保護(hù)、短路電流限制、故障定位與隔離、DER 調(diào)度管理等方面的問題。
5. 2 微電網(wǎng)技術(shù)
微電網(wǎng)(Micro Grid) 簡(jiǎn)稱微網(wǎng),是指由DG、DES 裝置和監(jiān)控、保護(hù)裝置匯集而成的并為相應(yīng)區(qū)域供電的小型發(fā)配電系統(tǒng),能夠不依賴大電網(wǎng)而正常運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)部供需平衡。一般來說,微網(wǎng)是一個(gè)用戶側(cè)的電網(wǎng),它通過一個(gè)公共連接點(diǎn)(Point of Common Connection ,PCC) 與大電網(wǎng)連接。圖3 是美國(guó)電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(huì)(CERTS) 提出的微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)。
圖3 CERTS 提出的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)
按照常規(guī)的做法,DER 必須配備孤島保護(hù),在大電網(wǎng)停電時(shí)自動(dòng)與主網(wǎng)斷開。而微網(wǎng)可以在與大電網(wǎng)脫離后獨(dú)立運(yùn)行,由DER 維持區(qū)域內(nèi)所有或部分重要負(fù)荷的供電,能夠發(fā)揮出DER 在提高供電可靠性方面的作用。
微網(wǎng)僅在PCC 點(diǎn)與大電網(wǎng)連接,避免了多個(gè)DER 與大電網(wǎng)直接連接。通過合理地設(shè)計(jì),可使微網(wǎng)中DER 主要用于區(qū)域內(nèi)部負(fù)荷的供電,做到不向外輸送或輸送很小的功率,使得大電網(wǎng)可以不考慮其功率輸出的影響,繼續(xù)采用“即接即忘”的并網(wǎng)方法。這樣,就較好地解決了DER 大量接入與不改變配電網(wǎng)現(xiàn)有保護(hù)控制方式之間的矛盾。
就微網(wǎng)本身來說,它是一個(gè)“有源網(wǎng)絡(luò)”,需要解決功率平衡、穩(wěn)定控制、電壓調(diào)整、繼電保護(hù)等一系列問題。微網(wǎng)技術(shù)還在研究發(fā)展之中,是智能配電網(wǎng)的重要研究?jī)?nèi)容。
5. 3 虛擬發(fā)電廠技術(shù)
虛擬發(fā)電廠(Virt ual Power Plant ,VPP) 技術(shù)是將配電網(wǎng)中分散安裝的DER 通過技術(shù)支撐平臺(tái)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度并將其等效為一個(gè)發(fā)電區(qū),實(shí)現(xiàn)分布式電源大量并網(wǎng),達(dá)到DER 的優(yōu)化利用、降低電網(wǎng)峰值負(fù)荷、提高供電可靠性的目的。
VPP 的調(diào)度對(duì)象主要是可隨時(shí)啟動(dòng)并且功率可調(diào)節(jié)的DER ,如熱電聯(lián)產(chǎn)微型燃?xì)廨啓C(jī)、應(yīng)急供電柴油發(fā)電機(jī)組以及各種DES 等。對(duì)于風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電等可再生能源發(fā)電來說,其輸出具有不確定性,且一般需要在具備條件時(shí)讓其足額發(fā)電,因此不能對(duì)其進(jìn)行有效地調(diào)度。
實(shí)施VPP 要有配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)(DAS) 作為技術(shù)支撐平臺(tái)。VPP 是DAS 的一個(gè)高級(jí)應(yīng)用功能。DAS 需要采集、處理分布式電源的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù),并能夠?qū)ζ溥M(jìn)行調(diào)節(jié)、控制。
除技術(shù)問題外,實(shí)施VPP 還涉及電價(jià)、政策法規(guī)等一系列問題,目前處于研究探討階段,還缺少成熟的經(jīng)驗(yàn)。
致謝
本講座寫作過程中承蒙山東大學(xué)馬士聰博士的幫助,表示感謝!
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1 智能電網(wǎng)及其發(fā)展
1. 1 智能電網(wǎng)的定義
“智能電網(wǎng)”(Smart Grid) ,最早出自美國(guó)“未來能源聯(lián)盟智能電網(wǎng)工作組”在2003 年6 月份發(fā)表的報(bào)告。報(bào)告將智能電網(wǎng)定義為“集成了傳統(tǒng)的現(xiàn)代電力工程技術(shù)、高級(jí)傳感和監(jiān)視技術(shù)、信息與通信技術(shù)的輸配電系統(tǒng),具有更加完善的性能并且能夠?yàn)橛脩籼峁┮幌盗性鲋捣⻊?wù)。”在此之后,陸續(xù)有一些文章、研究報(bào)告提出智能電網(wǎng)的定義;此外還有類似的“Intelli Grid”、“Modern Grid(現(xiàn)代電網(wǎng)) ”的稱謂。盡管這些定義、稱謂在具體的說法上有所不同,但其基本含義與以上給出的定義是一致的。
“智能”二字,很容易使人認(rèn)為智能電網(wǎng)是一個(gè)屬于二次系統(tǒng)自動(dòng)化范疇的概念。事實(shí)上,智能電網(wǎng)是未來先進(jìn)電網(wǎng)的代名詞,我們可從技術(shù)組成和功能特征兩方面來理解它的含義。
1) 從技術(shù)組成方面講,智能電網(wǎng)是集計(jì)算機(jī)、通信、信號(hào)傳感、自動(dòng)控制、電力電子、超導(dǎo)材料等領(lǐng)域新技術(shù)在輸配電系統(tǒng)中應(yīng)用的總和。這些新技術(shù)的應(yīng)用不是孤立的、單方面的,不是對(duì)傳統(tǒng)輸配電系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單地改進(jìn)、提高,而是從提高電網(wǎng)整體性能、節(jié)省總體成本出發(fā),將各種新技術(shù)與傳統(tǒng)的輸配電技術(shù)進(jìn)行有機(jī)地融合,使電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)以及保護(hù)與運(yùn)行控制方式發(fā)生革命性的變化。
2) 從功能特征上講,智能電網(wǎng)在系統(tǒng)安全性、供電可靠性、電能質(zhì)量、運(yùn)行效率、資產(chǎn)管理等方面較傳統(tǒng)電網(wǎng)有著實(shí)質(zhì)性的提高;支持各種分布式發(fā)電與儲(chǔ)能設(shè)備的即插即用;支持與用戶之間的互動(dòng)。
1. 2 智能電網(wǎng)的發(fā)展
盡管智能電網(wǎng)的概念是在2003 年提出的,但智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展最早可追溯到20 世紀(jì)60 年代計(jì)算機(jī)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用。20 世紀(jì)80 年代發(fā)展起來的柔性交流輸電( FACTS) 與誕生于20 世紀(jì)90 年代的廣域相量測(cè)量(WAMS) 技術(shù),也都屬于智能電網(wǎng)技術(shù)的范疇。進(jìn)入21 世紀(jì),分布式電源(Dist ributed Elect ric Resource ,DER ,包括分布式發(fā)電與儲(chǔ)能) 迅猛發(fā)展。人們對(duì)DER 并網(wǎng)帶來的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)問題的關(guān)注,在一定程度上催生了智能電網(wǎng)。
近年來,國(guó)際上對(duì)智能電網(wǎng)的研究可謂方興末艾。2002 年,美國(guó)電科院創(chuàng)立了“Intelli Grid”聯(lián)盟(原名稱為GEIDS) ,開展現(xiàn)代智能電網(wǎng)的研究,已提出了用于電網(wǎng)數(shù)據(jù)與設(shè)備集成的Intelli2Grid 通信體系; 2003 年7 月, 美國(guó)能源部發(fā)表“Grid2030”報(bào)告,提出了美國(guó)電網(wǎng)發(fā)展的遠(yuǎn)景設(shè)想,之后美國(guó)能源部先后資助了GridWise 、Grid2Works、MGI (現(xiàn)代電網(wǎng)) 等智能電網(wǎng)研究計(jì)劃。在實(shí)際應(yīng)用方面,德克薩斯州的CenterPoint 能源公司、圣狄戈水電公司(SDG & E) 等都在著手智能電網(wǎng)項(xiàng)目的實(shí)施或制定發(fā)展規(guī)劃;作為美國(guó)蓋爾文電力行動(dòng)計(jì)劃( GEI) 的一部分,伊利諾斯工學(xué)院( IIT) 正在實(shí)施“理想電力( Perfect Pow2er) ”項(xiàng)目。
歐洲國(guó)家也在積極推動(dòng)智能電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用工作。歐盟于2005 年成立了“智能電網(wǎng)技術(shù)論壇”;以歐洲國(guó)家為基礎(chǔ)的國(guó)際供電會(huì)議組織(CIRED) 于2008 年6 月召開了“智能電網(wǎng)”專題研討會(huì)。在智能電網(wǎng)建設(shè)方面,意大利電力公司( ENEL) 在2002 年～2005 年投資了21 億歐元實(shí)施智能讀表項(xiàng)目,使高峰負(fù)荷降低約5 %,據(jù)報(bào)道每年可節(jié)省投資近5 億歐元; 法國(guó)電力公司( EDF) 以智能電網(wǎng)作為設(shè)計(jì)方針,改造其配電自動(dòng)化系統(tǒng)。
我國(guó)對(duì)智能電網(wǎng)的研究與討論起步相對(duì)較晚,但在具體的智能電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用方面基本與世界先進(jìn)水平同步。我國(guó)地區(qū)級(jí)以上電網(wǎng)都實(shí)現(xiàn)了調(diào)度自動(dòng)化,35 kV 以上變電站基本都實(shí)現(xiàn)了變電站綜合自動(dòng)化,有200 多個(gè)地級(jí)城市建設(shè)了配電自動(dòng)化。廣域相量測(cè)量系統(tǒng)(WMAS) 、FACTS 等技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用都有突破性進(jìn)展。最近,國(guó)家電網(wǎng)公司提出“建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)的智能化電網(wǎng)”,極大地推動(dòng)了我國(guó)智能電網(wǎng)研究的開展。
2 智能配電網(wǎng)的功能特征
智能配電網(wǎng)(Smart Dist ribution Grid ,SDG)指智能電網(wǎng)中配電網(wǎng)部分的內(nèi)容。與傳統(tǒng)的配電網(wǎng)相比,SDG具有以下功能特征。
1) 自愈能力。自愈是指SDG能夠及時(shí)檢測(cè)出已發(fā)生或正在發(fā)生的故障并進(jìn)行相應(yīng)的糾正性操作,使其不影響對(duì)用戶的正常供電或?qū)⑵溆绊懡抵磷钚 Ｗ杂饕墙鉀Q“供電不間斷”的問題,是對(duì)供電可靠性概念的發(fā)展,其內(nèi)涵要大于供電可靠性。例如目前的供電可靠性管理不計(jì)及一些持續(xù)時(shí)間較短的斷電,但這些供電短時(shí)中斷往往都會(huì)使一些敏感的高科技設(shè)備損壞或長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)。
2) 具有更高的安全性。SDG 能夠很好地抵御戰(zhàn)爭(zhēng)攻擊、恐怖襲擊與自然災(zāi)害的破壞,避免出現(xiàn)大面積停電;能夠?qū)⑼獠科茐南拗圃谝欢ǚ秶鷥?nèi),保障重要用戶的正常供電。
3) 提供更高的電能質(zhì)量。SDG 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并控制電能質(zhì)量,使電壓有效值和波形符合用戶的要求,即能夠保證用戶設(shè)備的正常運(yùn)行并且不影響其使用壽命。
4) 支持DER 的大量接入。這是SDG 區(qū)別于傳統(tǒng)配電網(wǎng)的重要特征。在SDG里,不再像傳統(tǒng)電網(wǎng)那樣,被動(dòng)地硬性限制DER 接入點(diǎn)與容量,而是從有利于可再生能源足額上網(wǎng)、節(jié)省整體投資出發(fā),積極地接入DER 并發(fā)揮其作用。通過保護(hù)控制的自適應(yīng)以及系統(tǒng)接口的標(biāo)準(zhǔn)化,支持DER 的“即插即用”。通過DER 的優(yōu)化調(diào)度,實(shí)現(xiàn)對(duì)各種能源的優(yōu)化利用。
5) 支持與用戶互動(dòng)。與用戶互動(dòng)也是SDG區(qū)別于傳統(tǒng)配電網(wǎng)的重要特征之一。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是應(yīng)用智能電表,實(shí)行分時(shí)電價(jià)、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)電價(jià),讓用戶自行選擇用電時(shí)段,在節(jié)省電費(fèi)的同時(shí),為降低電網(wǎng)高峰負(fù)荷作貢獻(xiàn);二是允許并積極創(chuàng)造條件讓擁有DER (包括電動(dòng)車) 的用戶在用電高峰時(shí)向電網(wǎng)送電。
6) 對(duì)配電網(wǎng)及其設(shè)備進(jìn)行可視化管理。SDG全面采集配電網(wǎng)及其設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)以及電能質(zhì)量擾動(dòng)、故障停電等數(shù)據(jù),為運(yùn)行人員提供高級(jí)的圖形界面,使其能夠全面掌握電網(wǎng)及其設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),克服目前配電網(wǎng)因“盲管”造成的反應(yīng)速度慢、效率低下問題。對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線診斷與風(fēng)險(xiǎn)分析,為運(yùn)行人員進(jìn)行調(diào)度決策提供技術(shù)支持。
7) 更高的資產(chǎn)利用率。SDG 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)設(shè)備溫度、絕緣水平、安全裕度等,在保證安全的前提下增加傳輸功率,提高系統(tǒng)容量利用率;通過對(duì)潮流分布的優(yōu)化,減少線損,進(jìn)一步提高運(yùn)行效率;在線監(jiān)測(cè)并診斷設(shè)計(jì)的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)施狀態(tài)檢修,以延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。
8) 配電管理與用電管理的信息化。SDG 將配電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行與離線管理數(shù)據(jù)高度融合、深度集成,實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理、檢修管理、停電管理以及用電管理的信息化。
3 智能配電網(wǎng)的主要技術(shù)內(nèi)容
SDG集現(xiàn)代電力新技術(shù)于一體,具體內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面。
1) 配電數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。這是一個(gè)覆蓋配電網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)(控制中心、變電站、分段開關(guān)、用戶端口等) 的IP 通信網(wǎng),采用光纖、無(wú)線與載波等組網(wǎng)技術(shù),支持各種配電終端與系統(tǒng)“上網(wǎng)”。它將徹底解決配電網(wǎng)的通信瓶頸問題,給配電網(wǎng)保護(hù)、監(jiān)控與自動(dòng)化技術(shù)帶來革命性的變化,并影響一次系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展。
2) 先進(jìn)的傳感測(cè)量技術(shù),如光學(xué)或電子互感器、架空線路與電纜溫度測(cè)量、電力設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)、電能質(zhì)量測(cè)量等技術(shù)。
3) 先進(jìn)的保護(hù)控制技術(shù),包括廣域保護(hù)、自適應(yīng)保護(hù)、配電系統(tǒng)快速模擬仿真、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等技術(shù)。
4) 高級(jí)配電自動(dòng)化。目前的配電自動(dòng)化技術(shù)包括配電運(yùn)行自動(dòng)化(安全監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集、變電所綜合自動(dòng)化、饋線自動(dòng)化) 、配電管理自動(dòng)化(配電地理信息系統(tǒng)、設(shè)備管理、檢修管理等) 以及用戶自動(dòng)化這3 個(gè)方面的內(nèi)容。這些內(nèi)容都屬于SDG技術(shù)的范疇。
為與目前大家熟知的配電自動(dòng)化區(qū)分,美國(guó)電科院提出了高級(jí)配電自動(dòng)化(Advanced Dist ri2bution Automation ,ADA) 的概念。ADA 是傳統(tǒng)配電自動(dòng)化(DA) 的發(fā)展,也可認(rèn)為是SDG 中的配電自動(dòng)化。ADA 的新內(nèi)容主要支持DER 的“即插即用”,它采用IP 技術(shù),強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)接口、數(shù)據(jù)模型與通信服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化與開放性。
為使SDG 技術(shù)概念更有針對(duì)性,筆者建議ADA 僅包括配電運(yùn)行自動(dòng)化與配電管理自動(dòng)化,將用戶自動(dòng)化內(nèi)容列入下面介紹的高級(jí)量測(cè)體系。
5 ) 高級(jí)量測(cè)體系( Advanced MeteringArchitecture ,AMA) 是一個(gè)使用智能電表通過多種通信介質(zhì),按需或以設(shè)定的方式測(cè)量、收集并分析用戶用電數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。AMA 是支持用戶互動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù),是傳統(tǒng)AMR 技術(shù)的新發(fā)展,屬于用戶自動(dòng)化的內(nèi)容。
6) DER 并網(wǎng)技術(shù),包括DER 在配電網(wǎng)的“即插即用”以及微網(wǎng)(Micro Grid) 兩部分技術(shù)內(nèi)容。DER 的“即插即用”包括DER 高度滲透的配電網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)、DER 并網(wǎng)保護(hù)控制與調(diào)度管理、系統(tǒng)與設(shè)備接口的標(biāo)準(zhǔn)化等。微網(wǎng)是指接有分布式電源的配電子系統(tǒng),它可在主網(wǎng)停電時(shí)孤立運(yùn)行。
DER 并網(wǎng)研究?jī)?nèi)容還包括有源網(wǎng)絡(luò)(ActiveNetwork) 技術(shù)。有源網(wǎng)絡(luò)指分布式電源大量應(yīng)用、深度滲透,潮流雙向流動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)。
7) DFACTS 是柔性交流輸電( FACTS) 技術(shù)在配電網(wǎng)的延伸,包括電能質(zhì)量與動(dòng)態(tài)潮流控制兩部分內(nèi)容。DFACTS 設(shè)備包括靜止無(wú)功發(fā)生器(SVC) 、靜止同步補(bǔ)償器( STA TCOM) 、有源電力濾波器(APF) 、動(dòng)態(tài)不停電電源(UPS) 、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR) 與固態(tài)斷路器( SSCB) 、統(tǒng)一潮流控制器(UPFC) 等。
8) 故障電流限制技術(shù),指利用電力電子、高溫超導(dǎo)技術(shù)限制短路電流的技術(shù)。
綜上所述,SDG技術(shù)包含一次系統(tǒng)與二次系統(tǒng)兩方面的內(nèi)容。一個(gè)具體的SDG功能的實(shí)現(xiàn),往往涉及多項(xiàng)技術(shù)的綜合應(yīng)用。以自愈功能為例,首先一次網(wǎng)架的設(shè)計(jì)應(yīng)該更加靈活、合理,并應(yīng)用快速斷路器、故障電流限制器等新設(shè)備;在二次系統(tǒng)中,應(yīng)用廣域保護(hù)、就地快速故障隔離等新技術(shù),以及時(shí)檢測(cè)出故障并進(jìn)行快速自愈操作。
4 建設(shè)智能配電網(wǎng)的作用與意義
電力系統(tǒng)已誕生一百多年了,盡管其電壓等級(jí)與規(guī)模與當(dāng)年相比已有天壤之別,但系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理并沒有很大的變化。進(jìn)入21 世紀(jì),面對(duì)當(dāng)今社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)電力系統(tǒng)提出的新要求和計(jì)算機(jī)、電力電子等新技術(shù)的廣泛應(yīng)用,有必要重新審視過去電網(wǎng)建設(shè)的模式,探討未來電網(wǎng)的發(fā)展新方向,而智能電網(wǎng)正是人們對(duì)這一問題思考、研究的結(jié)果。智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展正在給電力系統(tǒng)帶來一場(chǎng)深刻的變革。
配電網(wǎng)直接面向用戶,是保證供電質(zhì)量、提高電網(wǎng)運(yùn)行效率、創(chuàng)新用戶服務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在我國(guó),由于歷史的原因,配電網(wǎng)投資相對(duì)不足,自動(dòng)化程度比較低,在供電質(zhì)量方面與國(guó)際先進(jìn)水平還有一定的差距。目前電力用戶遭受的停電時(shí)間,95 %以上是由于配電系統(tǒng)原因造成的(扣除發(fā)電不足的原因) ;配電網(wǎng)是造成電能質(zhì)量惡化的主要因素;電力系統(tǒng)的損耗有近一半產(chǎn)生在配電網(wǎng);分布式電源接入對(duì)電網(wǎng)的影響主要是對(duì)配電網(wǎng)的影響;與用戶互動(dòng)、進(jìn)行需求側(cè)管理的著眼點(diǎn)也在配電網(wǎng)。因此,建設(shè)智能電網(wǎng),必須給予配電網(wǎng)足夠的關(guān)注。結(jié)合我國(guó)配電網(wǎng)實(shí)際,積極研發(fā)應(yīng)用SDG技術(shù),對(duì)于推動(dòng)我國(guó)配電網(wǎng)的技術(shù)革命具有十分重要的意義。
SDG將使配電網(wǎng)從傳統(tǒng)的供方主導(dǎo)、單向供電、基本依賴人工管理的運(yùn)營(yíng)模式向用戶參與、潮流雙向流動(dòng)、高度自動(dòng)化的方向轉(zhuǎn)變。隨著我國(guó)SDG建設(shè)的進(jìn)展,將產(chǎn)生越來越明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益,主要以下3 個(gè)方面。
1) 實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的最優(yōu)運(yùn)行,達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效。SDG應(yīng)用先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù),對(duì)運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并優(yōu)化管理,降低系統(tǒng)容載比并提高其負(fù)荷率,使系統(tǒng)容量能夠獲得充分利用,從而可以延緩或減少電網(wǎng)一次設(shè)備的投資,產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
2) 提供優(yōu)質(zhì)可靠電能,保障現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。SDG在保證供電可靠性的同時(shí),還能夠?yàn)橛脩籼峁M足其特定需求的電能質(zhì)量;不僅可以克服以往故障重合閘、倒閘操作引起的短暫供電中斷,而且可以消除電壓聚降、諧波、不平衡的影響,為各種高科技設(shè)備的正常運(yùn)行、為現(xiàn)代社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供可靠?jī)?yōu)質(zhì)的電力保障。
3) 推動(dòng)新能源革命,促進(jìn)環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、保護(hù)控制與運(yùn)行管理方式基本上不考慮SER 的接入,而且為不影響配電網(wǎng)的正常運(yùn)行,現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)或運(yùn)行導(dǎo)則對(duì)接入的DER 的容量及其并網(wǎng)點(diǎn)的選擇都做出了嚴(yán)格的限制, 制約了分布式發(fā)電的推廣應(yīng)用。SDG具有很好地適應(yīng)性,能夠大量地接入DER 并減少并網(wǎng)成本,極大地推動(dòng)可再生能源發(fā)電的發(fā)展,大大降低化石燃料使用和碳排放量,在促進(jìn)環(huán)保的同時(shí),實(shí)現(xiàn)電力生產(chǎn)方式與能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。
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徐丙垠山東理工大學(xué)教授,科匯電力自動(dòng)化公司董事長(zhǎng)
李天友高級(jí)工程師,福建省電力公司副總工
薛永端教授級(jí)高工,科匯電力自動(dòng)化公司總工
金文龍教授級(jí)高工,國(guó)家電網(wǎng)公司原發(fā)輸電部處長(zhǎng)
摘要：本文對(duì)智能低壓電器的概念進(jìn)行了探討，對(duì)我國(guó)智能化低壓電器發(fā)展歷程進(jìn)行了簡(jiǎn)要的回顧，介紹了低壓電器智能化發(fā)展涉及的相關(guān)新技術(shù)，最后指出了智能電網(wǎng)對(duì)低壓電器智能化提出的要求及發(fā)展機(jī)遇。
一、什么是智能低壓電器
到目前為止，國(guó)內(nèi)外低壓電器標(biāo)準(zhǔn)上還沒有對(duì)低壓電器智能化進(jìn)行定義。但是，智能化低壓電器這一說法已經(jīng)被低壓電器研發(fā)人員、設(shè)計(jì)人員、制造商及工程設(shè)計(jì)人員以及使用部門所接受。低壓智能化電器應(yīng)具有四個(gè)功能上的基本特征：保護(hù)功能非常齊全、測(cè)量現(xiàn)實(shí)電流參數(shù)、故障記錄與顯示、內(nèi)部故障自診斷等。
隨著建筑電氣的發(fā)展和智能電網(wǎng)的建設(shè)，擁有智能化功能的低壓電器越來越受住宅配電系統(tǒng)供應(yīng)商重視。10月28日，在南京舉辦的第二屆中國(guó)國(guó)際電工電器裝備博覽會(huì)上，就有很多智能化的低壓電器產(chǎn)品亮相。法泰電器(江蘇)有限公司展出的FTB1帶選擇性保護(hù)小型斷路器，就是智能低壓電器的典型代表。FTB1 由法泰電器、上海電器科學(xué)研究所等聯(lián)合開發(fā)，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)[1]。該產(chǎn)品屬于第四代低壓電器，填補(bǔ)了我國(guó)低壓終端配電系統(tǒng)在選擇性保護(hù)領(lǐng)域的空白，不僅分?jǐn)嗄芰Ω摺a(chǎn)品體積小，而且具有選擇性保護(hù)、智能化通信功能，能滿足智能樓宇和智能終端配電回路系統(tǒng)的使用需求。同樣具有智能化功能的還有百利特精電氣股份有限公司研制的VW60新一代智能低壓框架斷路器。VW60萬(wàn)能式低壓斷路器產(chǎn)品具有體積小、短路性能強(qiáng)、操作機(jī)構(gòu)新穎和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)水平高等特點(diǎn)。該產(chǎn)品的成功開發(fā)，可促進(jìn)智能化低壓配電與電控成套開關(guān)設(shè)備的發(fā)展，從而推動(dòng)配網(wǎng)智能化的進(jìn)程。
智能化低壓電器與普通電器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1)普通配電電器會(huì)使配電系統(tǒng)產(chǎn)生高次諧波，而智能配電電器能夠消除輸入信號(hào)中的高次諧波，從而避免高次諧波造成的誤操作。
2)智能過載電器可以保護(hù)具有多種起動(dòng)條件的電動(dòng)機(jī)，具有很高的動(dòng)作可靠性，例如，電動(dòng)機(jī)過載與斷相保護(hù)、接地保護(hù)、三相不平衡保護(hù)以及反相或低電流保護(hù)等。
3)智能保護(hù)繼電器具有監(jiān)控、保護(hù)和通訊功能。
4)智能電器可以實(shí)現(xiàn)中央計(jì)算機(jī)集中控制，提高了配電系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，使配電、控制系統(tǒng)的調(diào)度和維護(hù)達(dá)到新的水平。
5)智能電器采用數(shù)字化的新型監(jiān)控元件，使配電系統(tǒng)和控制中心提供的信息最大幅度增加，且接線簡(jiǎn)單、便于安裝，提高了工作的可靠性。
6)智能電器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，可以減少信息重復(fù)和信息通道。
二、我國(guó)智能化低壓電器發(fā)展回顧
我國(guó)低壓電器行業(yè)經(jīng)過50多年的發(fā)展，從無(wú)到有、從小到大，取得了驕人的成績(jī)。目前已經(jīng)形成比較完整的體系，就低壓電器品種、規(guī)格、性能、生產(chǎn)能力來看，基本上滿足了我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。
從20世紀(jì)90年代初開始，我國(guó)就著手研制具有智能化、可通信功能的第3代低壓電器，到上世紀(jì)末本世紀(jì)初基本實(shí)現(xiàn)了低壓配電網(wǎng)的智能控制和網(wǎng)絡(luò)控制，以此滿足配網(wǎng)自動(dòng)化的需求。1990年聯(lián)合上海人民電器廠、遵義長(zhǎng)征九廠向原機(jī)械工業(yè)部申報(bào)國(guó)家重點(diǎn)企業(yè)技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目，于1991年正式立項(xiàng)。該產(chǎn)品于 1995年通過鑒定，1997年開始投入小批量生產(chǎn)，型號(hào)為DW45系列，有3個(gè)框架等級(jí)2000A、3200A及6300A。其中6300A主回路為2 臺(tái)3200A并聯(lián)組合而成。DW45智能化投放市場(chǎng)后由于其高性能和高可靠深受用戶歡迎，其產(chǎn)量不斷攀升。DW45系列斷路器目前年產(chǎn)量已超過20萬(wàn)臺(tái)，是我國(guó)低壓電器發(fā)展史上推廣最成功的產(chǎn)品。由于DW45大量推廣，使ME和DW17系列斷路器產(chǎn)量逐步下降。目前DW45系列萬(wàn)能式斷路器在配電系統(tǒng)中運(yùn)行的產(chǎn)品已超過100萬(wàn)臺(tái)。
但由于智能變電站、配電自動(dòng)化、調(diào)度自動(dòng)化等系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用也在同期剛剛起步，因此，存在著需求分散、各成系統(tǒng)等問題，即系統(tǒng)平臺(tái)不統(tǒng)一，各系統(tǒng)間很難實(shí)現(xiàn)互聯(lián)和信息共享，造成不同地區(qū)、不同廠家生產(chǎn)的智能化低壓電器等電器設(shè)備或高、低壓電網(wǎng)間信息不通，數(shù)據(jù)上傳不通，下達(dá)不暢，無(wú)法從根本上實(shí)現(xiàn)電力自動(dòng)化目標(biāo)。因此，我國(guó)具有智能化、可通信功能的第3代低壓電器的推廣應(yīng)用并不十分理想，但從目前智能電網(wǎng)對(duì)電器設(shè)備的要求來看，已打下了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。
低壓智能化控制系統(tǒng)在國(guó)外已廣泛使用，這些系統(tǒng)往往省略了馬達(dá)控制中心(MCC)，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器一般安裝在電動(dòng)機(jī)旁邊，它們通過現(xiàn)場(chǎng)總線與中央控制室上位機(jī)連接。既能集中控制，又能現(xiàn)場(chǎng)操作。為了盡快跟上世界新技術(shù)發(fā)展潮流，上海電器科學(xué)研究所從2000年開始，專門成立現(xiàn)場(chǎng)總線研發(fā)中心，重點(diǎn)研究可通信低壓電器以及低壓智能配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及相關(guān)配套產(chǎn)品。蘇州萬(wàn)龍電氣集團(tuán)和常熟開關(guān)制造有限公司參與該項(xiàng)技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)工作。經(jīng)過近十年研發(fā)，我們已經(jīng)在第三代主要低壓電器產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)可通信，包括可通信萬(wàn)能式斷路器、可通信塑殼式斷路器、可通信雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)、可通信交流接觸器、可通信電動(dòng)機(jī)保護(hù)器、可通信軟起動(dòng)器、可通信控制與保護(hù)開關(guān)電器等產(chǎn)品[2]。
通過以上一系列產(chǎn)品開發(fā)，使我國(guó)智能電器、可通信電器以及智能配電與控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)跟上世界發(fā)展潮流。由于我國(guó)電工行業(yè)分割，各自為政，使該項(xiàng)技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品的推廣帶來困難。至今，我國(guó)智能化可通信低壓電器及其系統(tǒng)推廣并不理想。2009年美國(guó)提出了在美國(guó)發(fā)展與建設(shè)智能電網(wǎng)的設(shè)想，引起了全世界對(duì)智能電網(wǎng)發(fā)展的重視。當(dāng)然也引起了我國(guó)高層領(lǐng)導(dǎo)的重視。我國(guó)已將智能電網(wǎng)發(fā)展與建設(shè)明確由國(guó)家電網(wǎng)公司統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一實(shí)施。可以相信，隨著智能電網(wǎng)建設(shè)與發(fā)展，我國(guó)智能化可通信低壓電器及其系統(tǒng)必將帶來新的發(fā)展機(jī)遇。
三、低壓電器智能化發(fā)展涉及的相關(guān)新技術(shù)
智能化低壓電器須滿足性能優(yōu)良、工作可靠、產(chǎn)品體積小、組合化設(shè)計(jì)、可通信、節(jié)能環(huán)保等要求，要具有保護(hù)、監(jiān)測(cè)、通信、自診斷、顯示等功能，這是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化所必需的。
1、低壓電器基本智能化技術(shù)
目前，智能化低壓電器基本含義主要包括以下功能：保護(hù)與控制功能齊全，兼有電參數(shù)測(cè)量，外部故障檢測(cè)、報(bào)警和開關(guān)內(nèi)部故障自診斷與報(bào)警，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，電能使用管理等功能(或其中一部分功能)。為此，需要對(duì)下列技術(shù)進(jìn)行深入研究。
1)各類低壓電器根據(jù)其低壓配電、控制系統(tǒng)中地位與作用應(yīng)具有哪些智能化功能?如何實(shí)現(xiàn)這些功能?
2)智能化低壓電器標(biāo)準(zhǔn)研究與制定;智能化功能測(cè)試設(shè)備、測(cè)試方法研究。
3)智能化低壓電器集成技術(shù)研究;多種智能化電器集成時(shí)，對(duì)不同低壓電器智能化功能舍取;多種功能重疊時(shí)相互協(xié)調(diào)與配合研究。
4)智能化低壓電器可靠性(包括EMC技術(shù))研究。
2、智能電器可通信技術(shù)研究
智能化低壓電器強(qiáng)大功能充分發(fā)揮，必須依賴于低壓配電與控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化。為此，對(duì)低壓電器提出了可通信要求。為了滿足網(wǎng)絡(luò)化要求，又將涉及一系列技術(shù)的研究。
(1)網(wǎng)絡(luò)化電器與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化研究。
(2)高、中、低壓配電系統(tǒng)無(wú)縫連接技術(shù)研究。
(3)智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配套附件研究與開發(fā)。
(4)智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)典型方案與整體解決方案研究。
(5)可通信電器試驗(yàn)方法研究及相關(guān)檢測(cè)設(shè)備研制并建立相應(yīng)試驗(yàn)基地。
3、智能配電系統(tǒng)過電流保護(hù)新技術(shù)
當(dāng)配電系統(tǒng)發(fā)生非正常過電流時(shí)，低壓電器應(yīng)及時(shí)斷開。為了使故障停電限制在最小范圍，低壓電器應(yīng)有選擇性斷開。即故障級(jí)保護(hù)電器迅速切除故障電路，上級(jí)保護(hù)電器不跳閘，這對(duì)智能電網(wǎng)尤為重要。
智能電網(wǎng)配電系統(tǒng)過電流保護(hù)應(yīng)達(dá)到什么樣目標(biāo)?
1)過電流選擇性保護(hù)應(yīng)覆蓋整個(gè)低壓配電系統(tǒng)，包括終端配電系統(tǒng)。
2)實(shí)現(xiàn)全電流范圍內(nèi)選擇性保護(hù)，當(dāng)下級(jí)故障電流達(dá)到上級(jí)瞬動(dòng)電流時(shí)也能實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)。
3)在極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)(控制在200ms以內(nèi))。
4)從根本上消除系統(tǒng)短路時(shí)越級(jí)跳閘或上、下級(jí)斷路器同時(shí)跳閘的狀況。確保故障停電限制在最小范圍。
為了實(shí)現(xiàn)全范圍、全電流選擇性保護(hù)需要解決以下技術(shù)關(guān)鍵：
(1)全范圍、全電流選擇性保護(hù)總體解決方案研究
(2)區(qū)域聯(lián)鎖選擇性保護(hù)技術(shù)研究
(3)萬(wàn)能式斷路器全電流選擇性保護(hù)技術(shù)研究
(4)塑殼斷路器限流選擇性保護(hù)技術(shù)研究
4.智能電網(wǎng)過電壓保護(hù)技術(shù)由于智能電網(wǎng)中大量采用網(wǎng)絡(luò)化、信息化技術(shù)及相關(guān)設(shè)備，這些設(shè)備中含有大量電子器件，相當(dāng)一部分設(shè)備本身就是電子化的。它們?nèi)菀资芾纂姾拖到y(tǒng)中其他開關(guān)設(shè)備操作過電壓傷害。另外，智能電網(wǎng)中必然包括分布式新能源系統(tǒng)，這些系統(tǒng)無(wú)論是發(fā)電設(shè)備還是控制設(shè)備同樣易受過電壓傷害，因此智能電網(wǎng)過電壓保護(hù)尤為重要，它涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面。
1)智能電網(wǎng)SPD配置技術(shù)(整體解決方案)。
2)智能電網(wǎng)用SPD產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與性能研究。
3)智能電網(wǎng)用SPD使用安全性研究。
4)智能電網(wǎng)用SPD組合技術(shù)研究。
四、智能電網(wǎng)對(duì)低壓電器智能化提出的要求及發(fā)展機(jī)遇
智能電網(wǎng)是一個(gè)完整的體系，它要涵蓋發(fā)電、輸電、配電、調(diào)度、變電和用電等各個(gè)環(huán)節(jié)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，電力系統(tǒng)80%以上的電能是通過用戶端配電網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接脩簦⒃诮K端用電設(shè)備上消耗的。用戶端涵蓋了從電力變壓器到用電設(shè)備之間對(duì)電能進(jìn)行傳輸、分配、控制、保護(hù)和能源管理的所有設(shè)備及系統(tǒng)，主要包括智能低壓電器、智能電表和智能樓宇系統(tǒng)。作為用戶端中起到控制與保護(hù)作用的核心電器設(shè)備——低壓電器，其特點(diǎn)是量大面廣，處于電網(wǎng)能量鏈的最底層，是構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要組成部分。因此，要打造智能電網(wǎng)首先必須要實(shí)現(xiàn)作為電網(wǎng)基石的用戶端低壓電器的智能化，由此構(gòu)建的用戶端智能配電網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)成智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)化、綜合智能化、可通訊的低壓電器將是未來的主流發(fā)展方向。
1、智能電網(wǎng)采用統(tǒng)一平臺(tái)與標(biāo)準(zhǔn)，便于新一代智能低壓電器的開發(fā)與應(yīng)用。
智能電網(wǎng)要求用戶端采用統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，使目前各種自動(dòng)化系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、管理系統(tǒng)和在線監(jiān)測(cè)裝置中的測(cè)量、保護(hù)、控制等功能能在新的、統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)支持系統(tǒng)中逐步集成、整合，并最終實(shí)現(xiàn)各種技術(shù)的高度融合，從而為提高智能電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性、縮短安裝和維護(hù)時(shí)間等帶來利益。這將為新一代智能低壓電器的開發(fā)與應(yīng)用帶來極大的便利。
2、智能電網(wǎng)堅(jiān)強(qiáng)、自愈、互動(dòng)、優(yōu)化等要求將極大地促進(jìn)具有早期預(yù)警與快速安全恢復(fù)和自愈等功能的新一代智能低壓電器的開發(fā)與應(yīng)用。
根據(jù)智能電網(wǎng)堅(jiān)強(qiáng)、自愈、互動(dòng)、優(yōu)化等要求，將智能電器構(gòu)成系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的壽命管理、故障快速定位、雙向通信、電能質(zhì)量監(jiān)控等功能。應(yīng)用智能配電網(wǎng)中的低壓電器信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，既能確保足夠的采樣速率和良好的準(zhǔn)確度，又便于對(duì)事件進(jìn)行早期*估和通過對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析進(jìn)行故障早期預(yù)警;通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)器快速定位故障點(diǎn);通過網(wǎng)絡(luò)重新架構(gòu)、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行以及配網(wǎng)故障時(shí)的故障隔離和非故障區(qū)域的自動(dòng)恢復(fù)供電，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的快速安全恢復(fù)和自愈，從而全面滿足智能配電網(wǎng)的保護(hù)與控制要求。因此隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，新一代智能低壓電器的應(yīng)用將越來越廣泛[3]。
3、智能電網(wǎng)在可再生能源發(fā)電、提高電能效率和質(zhì)量等方面對(duì)低壓電器提出新的要求。
一方面為了實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電的利用和電能的削峰平谷以提高電能效率而開發(fā)的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，以及電動(dòng)汽車等用電設(shè)備的快速充電裝置等，需要開發(fā)適用于這些系統(tǒng)的具有特定功能和性能要求的低壓電器;另一方面，這些設(shè)備(如變流設(shè)備、并網(wǎng)設(shè)備、能源的間歇接入設(shè)備、充電裝置等)的應(yīng)用將嚴(yán)重影響電能的質(zhì)量，因此隨著諧波抑制、無(wú)功補(bǔ)償、瞬變過電壓抑制和可再生能源發(fā)電系統(tǒng)過電壓抑制與保護(hù)、自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)抑制設(shè)備、#即插即用?分布式電動(dòng)汽車充電站設(shè)備等大量需求的誕生，對(duì)低壓電器也提出了更多更高的要求，傳統(tǒng)低壓電器將面臨延伸和拓展，這又將是低壓電器新的發(fā)展機(jī)遇。
4、智能電網(wǎng)建設(shè)大力推動(dòng)可再生能源的利用和電能供求的管理，這也將促進(jìn)低壓電器向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。
可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用，打破了傳統(tǒng)的生產(chǎn)、消費(fèi)模式，形成了生產(chǎn)者與消費(fèi)者的雙向互動(dòng)服務(wù)體系。多種輸入數(shù)據(jù)，包括定價(jià)信號(hào)、分時(shí)計(jì)費(fèi)、電網(wǎng)負(fù)荷情況，通過先進(jìn)的管理軟件，根據(jù)用戶需求采用靈活配置的方式，促進(jìn)用戶參與電網(wǎng)運(yùn)行和管理，平衡用戶電力需求，滿足其需求與供電能力之間的供求關(guān)系，起到減少或轉(zhuǎn)移高峰電能需求、減少熱備發(fā)電站、進(jìn)一步提高電網(wǎng)節(jié)能效果并提高電網(wǎng)供電可靠性的作用，從而最大限度地節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境。這既需要開拓全新的運(yùn)營(yíng)管理模式，又需要具有雙向通信、雙向計(jì)量、能源管理等網(wǎng)絡(luò)化的低壓電器產(chǎn)品及系統(tǒng)的支撐，因此這些需求也將促進(jìn)低壓電器向網(wǎng)絡(luò)化方向快速發(fā)展。
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