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微電網的部分技術探討與微電網市場前景剖析

字體: 放大字體  縮小字體 發布日期:2016-11-01  瀏覽次數:484
     摘要:微電網作為未來電力系統發展的重要組成部分,在新能源利用中的地位日益突出,我國在微電網的研究道路上也取得了一定的成果。本文針對目前微電網在微電網并網標準、微電網ems研發以及安全的信息交互交互技術等進行探討,指出其發展方向。同時,本文針對微電網的市場前景進行分析,指出其微電網的市場潛力所在以及如何發掘并做出預測。
     關鍵詞:微電網;新能源;智能電網;潛力;發掘;聶光輝
     the investigate of the key technology of micro-grid and market prospect analysis
nie guanghui(wuhan institute of technology,wuhan 430000)
     abstract:the micro-grid as an important component of the future power system development, play the prominent role of the new energy utilization, our research in micro-grid also made certain achievements. in the paper, the micro-grid standards linked to the power grid, the research and development of micro-grid ems as well as the security of information exchange, are discussed, and the paper points out its development direction. meanwhile, the paper analysis of the market prospects for micro-grid, and points out what the market potential of micro-grid are and how to explore the potential and makes predictions.
     key words: micro-grid; new energy; potential; excavations

1 引言
     微電網作為一種利用新能源的重要技術和手段,在新能源的利用中重要地位已經顯現出來,它能以非集中程度更高的方式協調分布式電源,可以減輕電網控制的負擔并能夠發揮分布式電源的優勢。微電網同時作為電力系統的重要輔助手段之一,從系統觀點看,是將發電機、負荷、儲能裝置及控制裝置等結合,形成單一可控的單元,同時向用戶供給熱能和電能。從美國certs于2002年提出微電網的概念至今,在我國有關微電網的技術研究和微電網的示范工程也日益增多并取得了一定的成果,也呈現了良好的市場前景。

2 微電網的關鍵技術
2.1 微電網的并網標準的研究
     與大電網單獨供電方式相比,微電網與大電網相結合具有的明顯的優勢之一就是微電網的并網標準只針對微電網和大電網的公共連接點(pcc,point of common coupling),而不針對具體的微源。2001年ieee制定的分布式電源并網標準《ieee1547分布式電源與電力系統互聯的系列標準》對分布式能源的并網標準作了規定:當電力系統發生時,分布式能源必須馬上退出運行。這一標準限制了分布式能源效能的發揮。實現能流的雙向流動是微電網的內涵所在,因此微電網的并網標準與純粹的分布式能源發電并網有著很大區別。
     微電網在并網、并網運行、解列時不能對電網以及電網中的其他用戶產生不利影響,且需在電網運行管理部門的監管和調度下進行。這就要求微電網需向電網運行管理部門提供微網所包含的微源、系統性能、微電網離網運行以及并網運行后的可預測的負荷特性。目前,微電網的并網是只針對pcc處做出規定或者還須對微電網內部做出規定,都有待于進一步研究。從運行可靠性和安全性出發,微電網的并網標準更加詳盡的對微電網做出規定或監管是有利的;但從靈活性和多樣性角度看,在滿足基本的安全性條件下只針對pcc處做出并網規定是有利于微電網的建設實踐的。微電網的并網應該對pcc處的電壓、頻率和相位都做出嚴格的規定,尤其是故障后離網后的恢復都應當有嚴格的規定。目前在微電網并網標準研究上多基于微電網的電能質量指標上,電壓偏差以及電壓波動和閃變、電壓不平衡度、頻率、諧波和波形畸變等。目前研究人員在微電網電能質量的穩態參數的研究已經成熟,對于暫態參數的研究還有待于進一步研究,一部分原因是對于微電網的電能質量的暫態參數的理解不同造成了暫態參數的采集樣點不同。
     目前,微電網在我國的實際工程實踐較少,在未來兩到三年內仍然會以示范項目為主,對于微電網并網標準的研究和制定對于微電網的實踐有著至關重要的作用。
2.2 微電網的能量管理系統研究
     微電網發電系統的結構配置中的微源受環境因素比較大、儲能系統的易損性等原因,能量管理系統(ems,energy management system)在微電網當中的重要性不言而喻。研究微電網的能量管理技術,有助于提高微電網系統運行的經濟性和可靠性,對于提高系統的效率、減少二氧化碳等排放量以及提供定制的電能服務都有積極的影響。在微電網能量管理系統中,對逆變器的控制策略、有功功率和無功功率的計算及解耦、通過建立模型仿真繼改進能量管理算法等都是微電網ems的研究的關鍵技術和重要內容。
     較好的微電網ems的算法能夠實現微電網中分布式電源之間能量合理分配和各個微電源的優化運行,最大化的利用風能、太陽能等可再生能源,對于整個微電網系統的運行效率的提高也是十分重要的。
     目前對于微電網中采用逆變器接口的微源,采用的控制策略有pq控制、u/f控制、droop控制等。通常的pq控制方式多用于并網運行狀態,在該狀態下微電網內部負荷波動特性、頻率和電壓波動由大電網承擔,各分布式電源可以不考慮頻率調節和電壓調節,直接采用電網頻率和電壓作為調節基礎,控制逆變器按照給定參考值進行有功功率和無功功率輸出。u/f控制主要應用于獨立運行和孤島狀態下的電壓和頻率調節。droop控制策略是模仿傳統電力系統下垂特性,通過解耦有功功率、無功功率與電壓、頻率之間的關系進行系統電壓和頻率調節的方式。常見的是與傳統同步發電機調節相似,采用有功-頻率(p-f)和無功-電壓(q-v)的斜率控制方式。而在微電網系統中控制上主要有對等性和主從性的控制策略,但對于多微電網之間的控制和綜合控制目前研究人員形成的共識是可以采取多代理技術的控制方法,但多代理技術在微電網當中的應用目前還有待研究。
     對于微電網的ems的研究對微電網的優化設計、運行優化等方面都是有幫助的。微電網在設計之初就應當考慮其規模大小,同時對微源組合結構做經濟性評估等,其次要在一定的約束條件下對微電網的運行進行優化,反過來這種優化對于促進微電網ems設計也有有益的。
2.3 微電網運行的保護產品的研究與開發
     微電網作為一種高效環保的發電技術,由于其并網運行會影響配電網絡的結構及配電網中短路電流大小及分布,因此在繼電保護上與傳統電網有所不同。微電網并網后會給原來的電網造成幾方面的影響:降低所在線路保護的靈敏度;相鄰線路故障時,有可能引起所在線路保護誤動作;對重合閘的影響;對保護范圍的影響等。微電網獨特的運行特點決定了其保護技術與傳統的電力系統的保護技術有所不同,由于微電網在我國處于示范工程階段,國內在其繼電保護方面的產品的研發呈現不足或滯后,因此對于微電網運行的保護產品的研究和開發是微電網能夠在國內從示范走向實踐應用的關鍵。
     在微電網的保護產品研發方面上主要有兩點:
     (1)電流速斷和限時電流速斷的產品
     產品的研發可以繼承傳統電流速斷和限時電流速斷產品的研發思路,在研發上可以結合微電網的智能化元素,比如采集保護點或線路的某些參數值,便于微電網在后期的發展過程中的信息交互或融合。
     (2)電流的方向保護和功率的方向保護
     微電網的內涵是實現能流的雙向流動,而微電網接入大電網后會出現保護的選擇性和可靠性得不到滿足,因此采用方向性的電流保護和方向性的功率保護等是十分必要的、有效的。由于微電網的因環境影響較大,因此在保護的動作頻率和保護的重要性顯然比傳統的保護要提出更高的要求,靈敏度、方向性、可靠性等都需要有針對性的改進。
2.4 微電網的信息交互產品的研發
     隨著電網智能化的發展,信息交互技術的研究與應用是熱點,也是亟待解決的問題,在微電網當中,無論是ems的研究與開發還是微電網的數據采集等,安全的信息交互技術都是至關重要的。由于微電網的非集中化程度更高,基于目前的傾向于只針對pcc處的并網標準,信息交互的安全性和可靠性對電網的安全都是非常重要的內容。研究表明,安全的信息交互可以在幾個方面取得突破:pcc處的監控設備或保護設備采取冗余設計;采取加密的程序設計和數據傳輸;信息獲取權限的設計;友好的人機界面。事實上,微電網智能化的背后帶來的就是信息安全的問題,信息交互安全性是未來信息化的重要內容。由于微電網在國內尚未真正走向實踐,加上微電網的并網的標準的實踐的滯后性,目前針對微電網的安全的信息交互產品還比較少,是亟待研究的關鍵技術之一。

3 微電網的市場前景

3.1 微電網的發展現狀
     美國certs最早提出微電網的概念,并于2006年11月在美國電力公司的多蘭技術中心搭建微電網試驗平臺,到目前為止,美國仍然在微電網的概念提出與研究當中最具代表性的國家之一。日本由于其國內的資源的困乏、用電負荷的需求增長,以新能源利用為主的微電網實際上成了日本重要的資源戰略之一。日本新能源產業技術綜合開發機構(nedo)在其本土于2003年進行了3個微電網示范工程項目的建設。荷蘭、丹麥等國也進行了微電網的示范工程項目,并取得了不錯的研究成果。我國微電網示范工程也在東澳島、鹿西島等有序的開展工作。據青海新聞網2013年10月29日報道,青海首家小型光伏儲能微電網路燈工程落戶門源,工程包括10kw光伏發電和50kw/86kwh鋰電池儲能、80盞路燈裝置,目前工程建設全面完工、運行正常。
     從微電網的發展趨勢上分析,微電網將逐步從國家主導的大投資、大規模的示范工程建設走向政策主導的小投資、小規模的、更合理的市場化經營模式。
3.2 微電網的市場潛力與發掘
     目前微電網主要處于示范工程階段,還沒真正走入市場化的實踐,因此對于微電網的市場潛力判斷是至關重要的。通過對微電網的研究分析,結合微電網的現實的發展情況,微電網的市場潛力主要有以下幾個方面:
     (1)國家政策層面的支持是前期發展大投入、大規模微電網實踐的關鍵
     在分布式能源發電基礎發展起來的微電網技術,實際上仍然以太陽能、風能等新能源的利用為主,從目前的微電網系統組件上看,投資收益回報仍然存在在諸多問題,需求進一步進行技術經濟評估和環境價值分析。另一點不可否認的是,21世紀是人類大規模利用新能源的時期,各國都在新能源的利用上相互追趕,都期望主導新能源利用的潮流從而掌握能源利用的話語權。在這樣的背景下,我國發展微電網,尤其是大投入、大規模的,離開國家經濟扶持政策是很難進行的。但由于現實的電網格局,只有一些國有企業或大型公司能夠承接這樣的建設并從中受益,所以企業在微電網投資上對自己的定位應當清晰一些。
     (2)新能源的區域特點將決定微電網建設的個性化和多樣性
     由于太陽能、風能的區域性特點在我國比較突出,我國的北部、西部和東南沿海地帶目前是分布式能源利用的重要,市場潛力比較大,微電網一旦真正進入市場化的實踐,也會因區域的不同而有所不同。而在我國北部、西部等欠發展的地區,人才成本等的增加也是微電網投資建設需要考慮的問題。在以新能源區域化利用的背景下,地方性在新能源方面的政策的合理性將是中小型企業強有力的支持。
     (3)微電網在小投資、小規模、小型化方向的發展
     微電網所謂的“小”是相對的,在微電網的定義和內涵中,把十幾千瓦以上的能夠并網或離網運行、以就地利用為主要特點的分布式發電都稱之為微電網。目前幾十萬的企業工廠型的微電網和上億元的微電網示范工程項目相比就是“小”。預計在市場化實踐過程中,微電網會在工廠廠房、樓層、新農村屋頂等開展相關的工程項目。
     微電網的市場潛力無論是從新能源利用的大背景看,還是從實際的投資回收出發,都是巨大的,如何發掘微電網的市場潛力存在著幾個問題需要解決:
     (1)微電網的規范化標準的制定亟待解決
     目前我國僅僅針對分布式能源發電做出了初步規定,對其容量、能流的方向性都有極大的限制,一方面是由于分布式能源發電的不可靠性、穩定性較差,而且對于大電網安全性的影響尚未真正的解決,另一方面就是標準研究的滯后性。以新概念出現的微電網以更協調的方式進入新能源的利用行列,標準化的制定迫切需要完成。微電網的規范化標準的制定牽扯到微電網組件的產品,甚至是微電網的內部典型結構的確立,從電網發展的規律看,微電網必然也走入同質化的道路,標準就成了市場化實踐的關鍵。
     (2)國家或地方有關微電網的能源政策的正確性以及有力的貫徹執行是關鍵
     在新能源的利用道路上,我國像世界上其他國家一樣在前進中有曲折,國家或地方能源政策的偏頗或者被閹割實際有著很大一方面的原因。有關微電網建設的前期發展,沒有政策的支持是很大有所發展的,政策的支持在一定程度上能夠刺激到投資者的興奮,利于快速建立一個完備的由政策主導的競爭化機制,同時政策的適時的退出機制也是有必要的。
     (3)有力的多方監管應當作為重要補充
     有力有序的微電網投資和建設的秩序離不開國家有關部門的監管,如我國的“金太陽”工程騙補現象,事實上就是地方和企業勾結缺乏有力監管導致的。鑒于以新能源利用為主的微電網的目前的低回報率的特點,發電上網政府補貼的政策實際上成了投資者在投資新能源的重要的動力所在。但過多的監管也會導致微電網發展的速度放緩,甚至是技術投資上的冗余,如目前亟待解決的微電網并網標準的討論,是否只針對pcc處作出規定還是要對整個微電網的結構做出規定,從運行管理部門和微電網的投資者的角度看,結果會有所不同也是正常的。因此建立合理的多方監管體系對于發掘微電網的市場潛力是重要的補充和有力的保證。

4 小結

     微電網從概念的提出到示范工程的建設已經顯示了良好了市場前景,微電網的標準化規范的研究、運行和控制產品的研發、安全的信息交互產品等都是有待解決或進一步需要解決的關鍵。微電網是分布式能源發電的重要發展趨勢,是人們利用新能源的一種重要途徑,也是滿足用戶用電個性化需求和提高供電可靠性的關鍵。而微電網的市場因投資者背景不同,定位也應有所不同,但整體上需要在市場化的競爭和政策支持上找到平衡點,這樣才能更有力的發掘目前政策主導下的市場潛力。

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聶光輝,武漢工程大學ceps課題組組長,研究方向:新能源利用、微電網技術等
email:ngh001@163.com
來源:中國電力網
 
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