APEC报告分布式电源及智能配用技术的现状及发展.docx
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APEC报告分布式电源及智能配用技术的现状及发展
APEC研究报告
分布式电源及智能用电技术的
现状及发展
2012年6月13日
研究团队：
孙嘉平、张建华、刘文霞、刘念、曾博、张敏、吴林伟、朱星阳、蒋程
编写：
张建华
审核：
孙嘉平
第一章分布式电源及智能配用电技术的现状和趋势1
1.1分布式电源和微电网的研究现状1
1.2智能配用电技术的应用现状及未来趋势10
1.3微网及其构建的智能配用电系统中的关键技术及相关研究内容14
第二章分布式电源的工作原理26
2.1双馈风力发电机26
2.2燃气轮机36
2.3燃料电池44
2.4太阳能光伏发电49
2.5储能元件55
2.6分布式电源逆变器控制模型66
第三章智能配用电系统的功能和规划68
3.1智能配用电系统的基本概念68
3.2智能配用电系统的基本构成及功能68
3.3智能配用电系统的集成规划71
第四章日本分布式电源和智能配用电技术的发展77
4.1有关政策和智能配用电技术78
4.2可再生能源的影响及解决方法81
4.3智能电表82
4.4新一代能源83
4.5小结84
第五章中国微电网示范园区的系统设计及仿真85
5.1微电网示范园区简介85
5.2微电网示范园区系统设计86
5.3微电网示范园区运行仿真分析87
第六章结论92
第一章分布式电源及智能配用电技术的现状和趋势
1.1分布式电源和微电网的研究现状
欧洲、美国及日本等发达国家和地区目前都已经完成微电网及智能配用电系统的基础理论研究，初步建立了分布式能源和微电网的模型和仿真分析工具，完成了微电网及所构建的智能配用电系统的控制和保护策略、通信协议等，并且通过实验室测试和智能配用电系统示范小区进行了验证，解决了微电网及智能配用电系统的运行、保护和经济性分析的基本理论问题。
未来的研究目标是发展高级控制策略，整合多个微电网同智能配电管理系统（DMS）的相互作用，进行标准化设计，实现现场实验以进一步验证控制策略在实际微网构建的智能配用电系统中的运行效果，以及微电网对电力系统运行和规划的影响评估等。
目前各国一些典型微网构建的智能配用电系统试验工程调研情况如下。
（1）北美的微电网及其构建的智能配用电系统研究
首先，由美国可靠性技术解决方案协会（CERTS）最早提出的微电网概念，是所有微电网概念中最具代表性的一个。
美国CERTS在其微电网概念报告中，对微电网的主要思想以及关键性技术问题进行了详细的概述，说明CERTS微电网两个主要部件：
静态开关和自治微型电源，并系统阐述了微电网的结构，控制方式，继电保护以及经济性评价等相关问题。
目前，美国CERTS微电网的初步理论和方法已在美国电力公司沃纳特／Walnut微电网测试基地得到了成功验证。
有美国北部电力系统承接的曼德瑞沃/MadRiver微电网是美国的第一个微电网的示范性工程，检验了微电网的建模和仿真方法、保护和控制策略以及经济效益等，并初步探讨制定关于微电网的管理条例和法规，成为美国微电网工程的成功范例。
同时美国能源部（USA.DepartmentofEnergy）在“Grid2030”发展战略中，已经提出一个以微电网的形式安放和利用微型分布式发电系统得阶段性计划，对今后的微电网的发展规划进行较为详尽的阐述。
此外，加拿大BC和Quebec两家水电公司已经开始开展“微电网”示范性工程的建设，特别对于微电网的主动孤网运行进行测试，项目的目标是通过合理地安置独立发电装置IPP（IndependentPowerProducer）改善用户侧供电可靠性。
美国的微电网由美国能源部（DOE）和加州能源委员会（CEC）共同资助，从2003年起开始正式研究。
美国电力可靠性技术解决方案协会（CERTS）是最著名的微电网研究机构，在2003年为美国能源部和加州能源委员会编写的《微电网概念》白皮书中最早提出了微电网的概念。
这个概念已经在威斯康辛大学实验室的试验平台中成功得到了检验。
为了进一步验证概念的准备性与合理性，CERTS于2006年11月份开始进行微电网的示范小区，在美国电力公司的多兰技术中心搭建微电网构建的智能配用电系统试验平台，如图1.1所示。
图1.1多兰技术中心微电网试验平台布局
（2）日本分布式电源和微电网的研究
日本根据本国资源日益缺乏、负荷需求增长迅速的发展现状，开展了微电网的研究。
目前，日本已在国内建立了多个微电网工程。
近年来，可再生能源和新能源一直是日本电力行业关注的重点之一，为此，新能源与工业技术发展组织（NEDO）大力支持一系列微电网示范性工程，并鼓励可再生和分布式发电技术在微电网的应用。
日本在微电网的网架拓扑结构以及微电网集成控制、热电冷综合利用等方面开展的一系列研究，为分布式发电系统及基于可再生电源的大规模独立系统的应用提供了较为广阔的发展空间。
NEDO在2003年启动了含可再生能源的地区配电网项目，并分别在青森县、爱知县和京都县建立了3个微电网示范小区。
位于青森县八户市的示范小区如图1.2所示。
这个工程全部采用可再生能源（风能、太阳能和生物质能）供给电能和热能。
该工程电源包括生物质燃气发电机3×170kW，铅酸蓄电池组2×50kW，光伏发电80kW，风力发电20kW，共710kW。
负荷包括：
市政厅360kW，4所中小学205kW，八户供水管理局38kW，共603kW。
整个微电网通过公共联结点（PCC）与外部大电网连接。
在9个月的运行期间，由于建立微电网使可再生能源利用系数增加，系统从大电网的购电量减少，CO2排放也大幅度降低。
在为期1周的独立运行期间，系统频率基本维持在50±0.5Hz范围内，较好地实现了系统的稳定运行。
图1.2青森县微电网构建的智能配用电系统示范小区
日本在京都县建立了京都经济能源工程，于2005年12月开始运行。
这个系统的电源包括：
光伏发电50kW，风力发电50kW，生物发电5×80kW，一个250kW的熔融碳酸盐燃料电池（MCFCs）和一个100kW的蓄电池组。
能量控制中心通过电信网络与分布式电源进行通信，从而控制能量平衡的供需要求。
一旦出现能量的不平衡，可以在5分钟内进行调节，而且计划未来要进一步缩短时间。
在仙台，新能源产业技术综合开发机构（NEDO）也建立了一个电能质量可靠性服务的智能配用电系统示范小区，已在2006年完成。
这个工程旨在研究多个电能质量的可靠性可以同时满足一系列用户的需求。
除此之外，私人企业和部门也展开了微电网的研究。
例如清水公司与东京大学联合开发微电网的控制系统，已经在东京的研究中心建立试验工程。
在日本，微电网的技术体系主要集中在当维持传统电网供电时如何利用新能源发电，以及如何提供多重的电能质量可靠性。
微电网的多领域研究正在检验微电网技术的可行性，但是清洁经济和环境效益还没有被考虑进去。
微电网的经济评价方面仍然面临许多挑战。
（3）欧盟的微电网研究
从电力市场自身需求、电能安全供给以及环境保护等方面综合考虑，欧洲在2005年提出“智能电网”（SmartGrid）的目标，并在2006年出台该计划的技术实现方案。
作为欧洲2020年及后续的电力发展目标，该计划指出未来欧洲电网具有灵活、可接入、可靠和经济等特点。
基于这些特点，欧洲提出要充分使用分布式发电系统、智能技术、先进电力电子技术等实现集中式供电与分布式发电的高效整合，并积极鼓励独立运营商和发电商参与电力市场交易，快速推进电网技术的发展。
微电网以其智能型、清洁高效、以及能量的多级多元化应用等特点必将成为欧洲未来电网的发展得重要组成部分。
目前，欧盟主要资助和推进两个微电网项目“Microgrids”和“MoreMicrogrids”，旨在通过拓展和发展微电网的概念增加微型发电装置的渗透率，已初步形成微电网构建的智能配用电系统的运行、控制、保护、安全以及通信等基本理论，并相继在希腊、德国、西班牙建立了不同规模的微电网实验平台。
其中德国太阳能研究所（ISET）建成的微电网实验室规模最大，容量达到200kVA，并在其实验平台上设计安装了简单的能量管理系统。
而未来欧盟研究主要集中于可再生微型发电系统的控制策略和微电网的规划、多微电网管理运行优化工具的研发，技术和商业化规范的制定，示范性微电网测试平台的推广，电力系统运行性能的综合评估，这些为分布式发电系统和可再生能源系统大规模并入微电网以及传统电网向智能电网的过渡做好铺垫。
欧盟科技框架（FrameworkProgram,FP）计划是当今世界上最大的官方科技计划之一，具有研究水平高、涉及领域广、投资力度大、参与国家多等特点。
欧盟第五框架计划（1998～2002）资助了微电网的开拓性研究，形成了一个以雅典国立科技大学为首，来自7个欧盟成员国的14个组织的庞大的研究团队。
研究成果包括：
（1）完成了分布式能源建模和稳态、动态分析软件；
（2）形成了微电网独立和并网运行原则、控制算法、本地黑启动策略；（3）明确了分布式能源接口响应及其智能化的必要条件以及可靠性量化的方法；（4）完成了微电网接地和保护方案以及多种功能的实验室规模的微电网。
随后在欧盟第六框架计划（2002～2006）的资助下，研究团队进一步扩大，包括Siemens、ABB在内的制造商以及部分欧盟成员国的电力企业和研究团队。
研究的对象也发展到多个微电网并列运行，目标是实现多个微电网在电力市场环境下的技术和商业接入。
与此同时，欧盟也建立了多个微电网构建的智能配用电系统示范小区。
希腊的CRES公司建立了基斯诺斯岛微电网工程，如图1.3所示。
图1.3基斯诺斯岛微电网试验工程
该微电网位于爱琴海南部的基克拉泽斯群岛，为12户居民供电。
电源包括10kW的光伏电池、53kWh的蓄电池组和一个5kW的柴油机组。
另外约2kW的光伏电池安装在控制系统建筑的楼顶上，通过SMA逆变器和32kWh的蓄电池组为监测和通信提供电源。
住宅区的电力供应是通过3个并联的SMA电池逆变器组形成一个可靠的单向回路。
电池逆变器组能够工作在频率下垂模式：
当蓄电池组处于低电能状态下可以允许信息流向开关负荷控制器；当蓄电池组处于饱和情况下可以限制光伏逆变器组的功率输出。
荷兰的Continuon公司在Bronsbergen的假日公园里建立了一个微电网工程。
这个地区有超过200户住处，光伏发电为315kW。
住户使用4条约400米的馈线与中/低压变压器相连。
当白天负荷较低时，光伏发出的大部分功率注入中压网络中。
在晚间从网络输出以供所需。
在光伏发电时，馈线末端的高电压和较大的电压畸变都已经被考虑进去。
另外在微电网运行在孤岛的模式下，电能质量的改善可通过电力电子器件和储能来解决。
德国的MVVEnergie公司在一个大约1200户居民的生态区Mannheim—Wallstadt建立了多个微电网及智能配用电系统的长期试验点。
光伏发电为30kW，计划未来投入更多的分布式电源。
该试验的第一个目标是进行用户侧负荷管理。
在2006年夏季的2个月时间内，超过20户居民和一个托儿中心加入一个名为“与阳光共浴”的工程中。
由于光伏发电的信息可以被用户们获取，所以当用户直接利用光伏电池发电时，可以根据情况转移负荷。
结果显示，用户都显著地转移了负荷：
从夜间的高峰时段转向白天的太阳强辐射时段，从阴天时段转向晴天时段。
另外，丹麦的OESTKRAFT公司、意大利的CESI公司、葡萄牙的EDP公司和西班牙的LABEIN公司都在各自国家建立了微电网及智能配用电系统的试验点，进行微电网及智能配用电系统的研究。
这些研究成果已经成为欧盟“智能电网—欧洲未来电网的展望和战略”的重要组成部分。
智能电网计划在2005年启动，旨在完成对2020年之后欧洲电网发展的展望和战略部署。
作为欧洲未来电网发展的纲领性目标，智能电网计划中未来电力系统的主要框架结构是集中式发电和远距离输电骨干网、地区输配电网、以微电网为核心的分布式发电系统相结合的统一体，能节省投资、降低能耗、提高能效，提高电力系统的可靠性、灵活性和供电质量，能够使欧洲电网满足21世纪的挑战和机遇，满足社会、环境及政治对能源的需求。
（4）中国的微网研究现状
目前，我国在微网技术以及可再生能源发电系统方面的研究还处于起步阶段，在国家科技部“863计划先进能源技术领域2007年度专题课题”中已经包括了微电网技术。
目前清华大学、华北电力大学、中国科学院电工研究所、天津大学、河海大学、东南大学等单位相继开始了对微电网的研究。
清华大学与辽宁高科能源集团合作，在国内率先将微电网应用到实际工程中，积累了丰富的实践经验和学术成果。
天津大学的研究课题“分布式发电供能系统相关基础研究”获得了国家973计划项目的资助；河海大学与英国格拉斯哥卡里多尼亚大学有着密切的学术合作交流，并共同开展微电网的研究。
同时与日本广岛大学合作，在微电网领域共同开展了许多研究。
国家高技术研究发展计划（863计划）在2007年设立了我国北方和南方两个分布式供能及智能配用电系统示范项目：
目前国内在建的微网示范系统为南方电网公司在深圳建立的南方冷热电微网智能配用电示范性工程。
该工程是基于3台燃气轮机的冷热电三联供深圳科技园微网智能配用电系统示范小区，另一项是中电投资公司在内蒙古呼和浩特市建立的北方冷热电三联供示范性工程，“北方地区MW级分布式冷热电联供系统集现状成技术与示范小区”；该工程基于2台燃气轮机的冷热电大盛魁三联供微网智能配用电系统示范小区。
由此可见，微网及所构建的智能配用电系统的特点适合我国电力发展的整体需求与方向，在我国将会有广阔的前景。
因此，研究微网并网运行控制理论是真正使得微网及其构建的智能配用电系统应用与推广关键技术难题。
1.2智能配用电技术的应用现状及未来趋势
（1）国外现状
世界上第一个全面应用“智能电网”的城市是美国XcelEnergy公司于2008年在科罗拉多州建设的波尔得市。
波尔得市的智能电网是一个高速、实时的双向通信系统，包括智能变电站和用户能量控制系统以及用于网络故障快速诊断和纠错的传感器；整个电网建立了新的测量系统；城内全部家庭安装智能电能表。
城市支持分布式清洁能源的接入，用户可通过电表优先使用太阳能和风能等清洁能源；同时，变电站经过升级后可采集到每家每户的用电情况，一旦出现问题可以重新配备电力。
此外，西班牙电力公司和当地政府在南部城市PuertoRea合作开展了智能城市的试点，启动于2009年4月启，计划四年内完成。
它涉及9000个用户，1个变电站以及5条中压线路、65个传输线中心，在电网、家庭、计量体系等多个方面对现有电网进行改造。
国外对于智能配用电系统技术的探讨非常丰富，如基于电力光纤到户的“三网融合”技术的研究、通信网络平台的构造和运营模式的讨论，配电自动化的数据采集、通信处理和控管一体化等；此外，国外企业也非常注重对于智能配用电系统相关技术的研究开发，如德国的西门子公司、法国施耐德公司、美国的COOPER公司、摩托罗拉公司、英国ABB公司、日本东芝公司等，均不同程度地涉及配电自动化、智能配用电系统通信技术等。
总的来看，可以总结出国外智能配用电系统发展有以下几个特点：
一步到位的“智能配用电系统”试点与部分技术逐一普及相结合，尤其是对智能电表的推广；推进微网工程试点工作，并结合当地需求考虑分布式能源和微网的发展；通过智能电表和相关电价政策引导用户参与需方响应，节约电能，缓解电网压力；积极开展对于智能配用电系统前沿技术的研究和探讨等。
（2）国内现状及未来趋势
目前，智能用电系统在我国正处于初级试点建设阶段。
截止到2011年年底，我国已有数个正在建设中或即将建成投入运行的智能配用电园区。
本部分重点选取北京、天津、上海及江西等四个具有代表性的示范工程以介绍智能配用电园区在我国的发展现状。
2009年5月，国网信息通信有限公司分别在北京莲香园小区和阜成路95号院设立了两个智能电网用户服务试点。
莲香园项目智能电网用户服务系统通过使用光纤复合低压电缆，在电力线入户的同时达到了光纤入户，从而实现了实现电网与用户的双向实时交互。
实现的主要功能包括三表（水、电、气）信息抄收、双向实时通信、家电管理、响应电网调峰要求、提供社区服务、安防服务、实现电力网、信息网和通信网的“三网融合”。
其楼顶还安装了8块太阳能电池板，不仅可满足家中的用电需求，如发电量仍有富余，则可送入电网，赚取发电上网费用。
同时小区微电网还具备远程控制功能，可以进行远程拉合闸控制，便于中断与分布式发电并网，确保检修安全。
在电网有电的情况下，可以跟踪电网的频率、幅值和相位，选择合适的时间并网。
2011年9月19日，国际上目前覆盖区域最广、功能最齐全的智能电网示范区——中新天津生态城智能电网综合示范工程成功投运，这也是我国首个智能电网综合示范工程。
中新天津生态城智能配用电园区位于天津滨海新区，毗邻天津经济技术开发区、天津港、海滨休闲旅游区，地处塘沽区、汉沽区之间，总面积约31平方千米，规划居住人口35万。
该示范工程通过6千瓦的风电和30千瓦的光伏、以及60千瓦时的储能装置构建成一个小型微网系统，涵盖发、输、变、配、用、调度六大环节，包括分布式电源接入、储能系统、智能电网设备综合状态监测系统、智能变电站、配电自动化、电能质量监测和控制、用电信息采集系统、智能用电小区/楼宇、电动汽车充电设施、通信信息网络、电网智能运行可视化平台及智能供电营业厅12个子项工程。
项目投运后能够满足区域内可再生能源利用比例不低于20%；智能电能表覆盖率100%，供电可靠率99.999%的要求，达到国际领先水平。
此外，当前智能电网一些前沿技术在该项目中得到充分的体现，如全国首个融合光伏发电、风力发电及先进储能技术的较为完整的微网系统，填补了我国微网分布式电源接入技术和微网控制技术领域的空白，因此具有重要的示范意义。
到2020年，生态城将全部采用清洁能源和绿色建筑，太阳能、海水发电、风能在内的各种可再生能源的替代电量约占整个生态城用电量24.62%；并且，中新生态城智能电网选择锂离子电池为主要储能装置，建设集中储能站，有效地保证风力发电等新能源发电的输出，同时“削峰填谷”地提高利用能源效率；为配合生态城绿色交通规划，至2015年生态城内将建设3座大型充电站，3座中型充电站和300座交流充电桩。
按照生态城的规划方案，智能用电小区将实现水、气、电“三表结合”和有线、电话、互联网、电力网的“四网融合”模式；智能用电小区同时具备多样的智能服务，实现家电灵敏负荷的用电信息采集和控制，同时建立紧急求助、燃气泄漏、烟感、红外探测于一体的家庭安防系统；并且包括电表查询、物业配送、网络增值、医疗等增值服务。
此外，上海世博园是另一个具有代表性的智能配用电园区示范工程，也是我国首个真正意义上的智能电网示范园区。
该工程包括新能源接入、储能系统、智能变电站、配电自动化系统、故障抢修管理系统、电能质量检测、用电信息采集系统、智能楼宇/小区以及电动汽车充放电站等9个示范工程，此外还包括智能电网调度技术支持系统、信息平台、智能输电以及可视化展示等4个演示工程。
该工程的特色之处在于：
首先，建成了新能源接入综合系统，覆盖上海各风电场、光伏电站、储能系统、电动汽车充放电站和部分资源综合利用（热电冷三联供）机组，实现多种能源形式最优互补，提高了资源综合利用效率；此外，全面实现了配电自动化，使配电网具备自愈功能；最后，该工程还建成了具有双向有序电能转换模式（V2G）功能的原型系统，实现与电网调度和营销系统的集成，以及车载电池组与电网的双向能量交换，展示了电动汽车作为移动储能装置的广阔应用前景。
除上述已经建成投运的智能配用电园区外，国家电网公司的另一具有重要意义的智能电网综合集成技术研究与示范项目---江西共青城智能电网综合示范工程正在建设中。
试点区域面积约6.5平方公里，项目一期投资为1.01亿元，实施期限为2012年1月到2014年12月。
该工程项目的鲜明特点是将国家电网公司已经试点成功的智能电网技术集成到同一平台展示和应用，向系统化、实用化迈进了一步。
项目的另一个特点是引入了国际合作。
结合了中芬数字生态城和中日智能社区，在微网、工厂及楼宇能效管理等方面开展国际合作。
该项目拟建设清洁能源接入与储能系统、配电自动化、电能质量监测、用电信息采集、智能小区、电动汽车充电设施、互动化营业厅、应急指挥中心、物联网应用及通信信息网络、智能电网可视化平台等10个子项。
建成后可集中展示智能电网信息化、自动化、互动化的先进特性。
通过将先进的智能电网技术嵌入城市，带给人们全新的低碳生活方式，对其他城市和地区的复制、推广，具有显著的示范效应。
1.3微网及其构建的智能配用电系统中的关键技术及相关研究内容
（1）微电网的运行
微电网系统有与外部电网并网运行和孤岛运行两种运行模式。
并网模式是指正常情况下，微电网与常规电网并网运行时向电网供出多余的电能或是由电网补充自身发电量的不足。
通过微电网的实验平台验证：
合理的控制策略下，微电网可以并网或孤网运行，并可实现两种运行状态的平滑过渡和转换。
孤岛运行是指当检测到电网故障或是电能质量不满足要求时，微电网可以与主网断开形成孤岛模式，由DGS向微电网内的负荷供电。
正由于微电网的孤网运行，才为系统提供了更高的可靠性和供电的不可间断性。
通过PSCAD/EMDTD或是Matlab/PowerSimulik等软件建立起微电网的动态模型，针对电磁暂态特性以及主动（intentional）与被动（unintentional）隔离情况下的孤网运行状况进行可行性研究，结果表明基于电力电子接口的分布式发电系统以及储能元件可以确保微电网运行模式转化的平滑性，减少孤网运行时暂态影响并保证功角稳定性和电压质量。
（2）微网及智能配用电系统的控制
微电网相对主网可作为一个模块化的可控单元，对内部可以提供满足负荷用户需求的电能，实现这些功能必须具有良好的微电网控制和管理，主要控制设备有分布式发电系统控制器，可控负荷管理器，中央能量管理系统，继电保护装置。
微电网在运行控制应该做到能够基于本地信息对电网中的事件做出快速独立的响应，当网内电压跌落、故障、停电等，微型分布式发电系统应该利用本地信息自动有效地转换到独立运行方式，不再接受传统方式的统一调度。
一般来说，微电网控制的主要目标是：
1）调节微电网内的馈线潮流，对无功和有功进行独立解耦控制
2）可以调节每个微型电源接口处的电压，保证电压的稳定性
3）孤网运行时，确保每个微型电源能快速响应分担用户负荷
4）根据故障情况或是系统需要，平滑自主地实现与主网分离、并列或是两者的过渡转化运行。
目前，主要的微电网控制方法：
1）基于电力电子技术的即插即用（PlugandPlay）和点对点（PointtoPoint）的控制：
该方法根据微电网控制目标，灵活选择与传统发电机相似的下垂特性曲线（DroopCharacter）作为微型电源的控制方式，利用频率有功下垂曲线将系统不平衡的功率动态分配给各机组来承担，保证孤网下微电网内电力供需平衡和频率的统一，具有简单可靠的特点。
但是目前，该方法还没有考虑到系统电压与频率的恢复问题，即传统发电机的二次调频问题。
因此，当微电网遭受到严重的破坏或是干扰时，系统很难保证频率质量。
另外，该方法是针对电力电子技术的微型分布式发电系统控制，没有考虑传统发电机如小型燃气轮机或柴油机与微电网之间的协调控制。
2）基于功率管理系统的控制：
该方法采用不同的控制模块对有功、无功分别进行控制，较好地满足了微电网P/Q，V/f等多种控制方式的要求，尤其是在调节功率平衡时，加入了频率恢复算法，可以很好地满足频率质量的要求。
另外，针对微电网中对无功的不同需求，功率管理系统采用了多种控制方法并加入无功补偿器，进而提高控制的灵活性并提高了控制性能。
但该方法尚未考虑含有
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