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当前微电网的发展——家庭式智能微网

作者:中国储能网新闻中心 来源:北极星太阳能光伏网 发布时间:2015-05-28 浏览:
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中国储能网讯:从微电网、智能电网基本概念着手,通过分析国内外分布式能源的建设现状,结合我国当前电力体制改革的新政策,阐述了在当前阶段,我国微电网的发展思路,将主要是以家庭式智能微网的模式迅速发展。文章也阐述了一个新观点,为了充分利用好分布式清洁能源,我国先期只有以家庭式智能微网模式发展到一定阶段,再通过集合家庭式的小微网,才能形成真正意义上的正式微网发展阶段。

0. 引言

从2001年美国威斯康星大学-麦迪逊分校的R. H. Lasseter教授最先提出微电网概念开始,微电网的发展经历了将近15年。但是,传统的输变配电网的发展却经历相当长的一个时间,而且已经相当成熟,在我国已建设有世界一流的交流超高压和特高压输电网、直流特高压输电网。只是到了近十几年,当人们意识到世界能源紧张、大气环境恶化的时候,为了节约能源,也为了充分利用清洁能源,保护我们生存的大气环境,才催生了微电网及微电网的发展。

1.智能微网

1.1 微电网

何谓微电网,微电网是由分布式发电(DG)、负荷、储能装置及控制装置构成的一个单一可控的独立发电系统。

微电网主要利用分布式清洁电源供电,最大限度地降低馈线损耗、增加本地供电的可靠性、提高能源的利用效率。微电网是电能供给平衡的主要形式之一,光伏发电、风力发电以及储能装置等清洁能源一般以家居分布、楼宇分布或者小区/园区分布等方式接入到微电网。由于电能的供给必须每时每刻保持平衡,为了实现微电网内部供给平衡,微电网必须接入主电网。

微电网孤网运行时,具有“自治独立”的特征,微电网与主电网并网运行时,建立起“协调互济”的纽带。

1.2 主动配电网

除了分布式能源的建设外,供给平衡的另一对象是配电网的建设。如何构建电网,分两种解决方案,即网络解决方案(Network Solution)和非网络解决方案(No-Network Solution)。

网络解决方案是指调整电网或增加电网设备。当负荷增长时需要进行网络扩容,分布式发电大量接入电压越限时就切除分布式电源。这种网络解决方案是昂贵的,且分布式电源接入的容量较小。

非网络解决方案是指不调整电网或增加电网设备的解决方案。如通过发电调度、需求响应、无功功率管理的控制以及网络重构等,包括采用创新的分布式运行,对需求侧、主动负荷和分布式储能设备的集成,应用信息通信接术等实现方案。

主动式配电网是指在灵活的网络结构下协调分布式发电、主动负荷和储能三者的运行。ICIGRE C6.19(2009-2014年)提出了主动配电系统(ADS)规划与优化的研究报告。ADS是基于ICT(信息和通信技术)系统、智能控制装置、成本效益模式的基础上,充分利用现有资源(网络、DG、储能、主动负荷),对网络解(扩容)和非网络解(主动控制)进行权衡,对分布式能源(DERs)各种系统组合,目的是最大可能地利用现有资产和基础设施,满足负荷的发展和分布式能源接入的需求,使设备比过去在更接近其物理极限条件下工作。

配电网规划要考虑多种资源(上级网络和分布式能源)的综合利用,要把多种负荷类型(电、热、冷)进行相互协调,要对多种网络(电力网络、通信网络)协调运行,要考虑不同的利益相关者(配电企业、发电商、消费者、生产性消费者)的协同共赢问题。现代配电网规划要考虑运行模式,不再仅仅基于一个简单运行状态断面(Snapshot)来表示发电和负荷;要用与时间相关的模型,即要全面地考虑分布式电源与负荷的时变特征,要采用AMR(智能电表及自动抄表)方法处理数据;要对负荷与发电的变化进行分类,抓取与规划有关的运行方面问题;要判断以不同时间间隔表示功率变化的典型“日模式”。

尽管当前DER渗透率还将进一步提高,但随着相关适用可行技术的进步,ADS不仅可起着配电各层级间的功率平衡作用,还起着与上级电网之间的双向功率交换通道的作用,因此,ADS将成为局部区域各种能源的交换中心。我国考虑当前配电网的具体发展阶段,在网络快速扩展的同时要处理高渗透率DER接入和提高设备智能化水平等问题。

1.3 智能电网

智能电网就是电网的智能化,它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上,通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用,实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标,其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。

1.4 智能微电网

基于智能电网、微电网的概念,也基于主动配电网概念,考虑到以家庭为单位的电力运行特征,本文推出了家庭电网构架采用智能微电网的模式。即建立一个家庭智能微电网,在灵活的网络结构下采用智能化技术手段协调分布式发电、主动负荷和储能三者的运行。应该说其不仅体现了微电网的理念,也体现了主动配电网系统的理念,通过智能化技术将二者融合。

2.微电网中的电源建设

2.1 微电网的分布式电源

可能有很多人了解太阳能热水器,其是有效利用太阳能的典范。在一些农村地区,放眼望去,几乎家家屋顶上都有一个太阳能热水器,为何其利用率如此之高,主要有两个特点,第一利用方便,能效利用率高且简单便宜;第二不破坏风景,有的地方还构成一道亮丽的风景。

太阳能热水器是家庭电网中的一个常规负荷,不存在接入到电网、与电网交换电力的问题。说的简单点,它是一个协调的水系统,将生活用水、太阳能热水、电加热水、热水存储等构成一个小型的家庭热水系统。它的存在在于其独立强,能以家庭为对象进行灵活处理。

于是,从事电力的工程师们自然会想到,能否基于这种理念,将介质水改为介质电,构建一个以屋顶太阳能为DER主电源的家庭微电网?甚至有太阳能生产厂家研制出了屋顶太阳能瓦片、太阳能侧面墙,但这些都没能进入大面积推广,其主要原因是构建微电网时没有引入好的理念。

与太阳能热水器构成相类似,家庭式微电网包括市电(主电网接入)、太阳能光伏发电、储能、及储能电力转换。智能微电网框架,就是采用灵活的网络结构,构建以太阳能光伏为主的分布式发电系统、主动配电负荷和储能设备的微电网架构,运用智能化技术手段协调三者之间的运行。特别需要说明的是,这里所说的家庭式智能微电网,是一个宽泛的概念,并不仅仅指个体家庭,其微电网模式还包括家居分布、楼宇分布或者小区/园区分布、小型个体企业自建的以分布式清洁能源构成的微网。

2.2 太阳能光伏分布式电源接入电网

前面说到家庭式智能微电网构架中的电源主要是太阳能光伏分布式电源,如果要构成微电网与主电网并接,那需要如何建设才能比较顺利地并入电网呢?根据GBT19964-2012《光伏发电站接入电力系统技术规定》,常规工程太阳能光伏电站从准备到建成接入电网的全流程详解简述如下(摘自《光伏资讯》):

a. 项目前期考察

对项目地形及屋顶资源、周边环境条件(交通、物资采购、市场的劳动力、道路、水电)、电网结构及年负荷量、消耗负荷能力、接入系统的电压等级、接入间隔核实、送出线路长度廊道的条件、和当地电网公司的政策等。

b. 项目建设前期资料及批复文件

第一阶段:可研阶段

(1)委托有有资质的单位做大型光伏并网电站项目进行可行性研究分析、项目备案申请报告。

(2)进入所在省份(市)的备案名单

第二阶段:获得省级/市级相关部门的批复文件

主要有:省级电力公司《接入电网批复文件》;省级国土厅《土地预审意见》、《未压覆重要矿产资源的函》、《地质灾害评估备案登记表》;省级建设厅《选址意见书和选址规划意见》;省级/市级文物部门《选址意见函》(此项有的地方不需要);省级/市级环保部门《环境影响报告表的批复》;省级/市级安监局《安全评价表的批复》;省级/市级水利部门《水土保护方案的批复》。

第三阶段:获得开工许可

(1)办理建设项目银行资金证明(不少于项目总投资的20%)。

(2)办理建设项目与银行的贷款意向书或贷款协议(不高于项目总投资的80%);

(3)委托具有资质的单位做项目设计;

(4)获得项目建设地建设局开工许可;

c. 项目施工图设计

d. 项目实施建设

(1)物资招标采购

(2)发电区建设工作:

(3)生活区工作

(4)外围线路建设,对侧站设备安装及对侧站对点对调、省调和地调的调度调试等;

(5)所有设备的电缆敷设连接并做实验;

(6)电力建设工程质量监督站验收(消缺并闭环);

(7)省电力建设调试所安评、技术监督验收(消缺并闭环);

(8)当地消防大队验收并出具报告;

(9)电网公司验收(消缺并闭环);

(10)电站调试方案(电力公司审核);

e. 带电前的必备条件

接入系统带电前要需具备的条件

(1)发改委备案文件、上网电价文件、可研报告

(2)接入系统审查批复文件(国家电网公司、省电力公司接入系统文件)

(3)公司营业执照复印件(正本、副本)

(4)公司税务登记证(国税、地税)

(5)公司组织机构代码证

(6)系统主接线图

升压站返送电流程和具备的条件

(1)给省电力公司申请返送电文件。(风电机组及光伏电站机组合并上报)

(2)给交易中心上报接网技术条件。(按照公司接入系统要求及反措要求上报)

(3)并网原则协议签订。(与公司营销部签订、地区并网电厂可由营销部授权签订、并上报交易中心)

(4)省调下达的调度设备命名及编号。

(5)省调下达的调管设备范围划分。

(6)与省调、各地调分别签订《并网调度协议》。

(7)与发电企业所在的地区电力公司签订《供用电合同》。(确定发电企业施工用电如何处理,电厂全停期间用电电价及结算方式)(原则上执行当地大宗工业用电电价)

(8)线路属自建的应签订《线路运维协议》。(必须有线路运营资质、且必须在相应机构备案、具备线路带电作业、申请线路巡线、停用重合闸、线路消缺等)。

(9)具有资质的质监站出具的《工程质检报告》,并形成闭环的报告(报告原件)。(风电机组及光伏电站机组合并上报)

(10)省电力科学研究院出具的《并网安全性评价报告》,同时上报针对报告中提出的影响送电的缺陷应整改完毕,对不影响送电的应列出整改计划。(风电机组及光伏电站机组合并上报)

(11)省电力科学研究院出具的《技术监督报告》,同时上报针对报告中提出的影响送电的缺陷应整改完毕,对不影响送电的应列出整改计划。(风电机组及光伏电站机组合并上报)。

(12)应出具消防部门验收意见。(风电机组及光伏电站机组合并上报)。

(13)省电力公司交易中心将委托地区电力公司现场验收涉网设备及是否按照接入系统文件要求建设和完善设备、装置、满足并网条件,并落实“安评、技术监督”等报告提出问题的整改。并向新疆电力公司交易中心上报具备返送电的验收报告。(风电机组及光伏电站机组合并上报)。

(14)交易中心根据上述工作完成情况,及时组织返送电协调会,并组织各相关部门会签后,下达同意返送电文件。

并网流程或具备的条件

(1)工程质检报告

(2)安评报告

(3)技术监督报告

(4)消防验收意见

(5)电力公司验收报告

(6)针对各检查报告提出问题的整改报告

(7)《供用电合同》(是否有新的变化,若有变化须重新签订)

(8)针对上述“四个协议(或合同)、四个报告”,协商确定年度《购售电合同》后。

(9)并组织各相关部门会签后,及时协商确定召开启委会,根据启委会决议,发电企业应上报决议中提出问题的整改。

(10)下达同意机组并网文件,安排机组并网工作。

(11)给省电力公司申请确认满足电网要求的文件。(风电机组及光伏电站机组首次并网时间及240小时结束时间)

(12)生产验收交接书(施工单位与业主签订)

(13)涉网试验完成并满足电网要求

(14)电价批复文件

(15)消防验收合格

3. 国内外分布式能源建设现状

由上可见,国内分布式能源的建设,其建设程序相当复杂,审批及过程验收相当之多,以致当前的发展现状是差强人意,远不如欧美等国家发展迅速。应该说,在国家的政策鼓励下,较前些年还是有较大的发展。

图3.1 2000-2012年全球光伏发电装机量

中国的光伏发电市场很小,和巨大的光伏产品产量完全不成比例。尽管国家推行了好几年的光伏发电补贴政策,但是效果并不好。根据国家发改委能源研究所统计,太阳能发电在中国整个能源结构中依然微不足道,据统计,2012年中国太阳能发电量仅为35亿千瓦时,仅占全国发电量的0.07%。

从国外的成功经验来看,光伏应用市场的发展离不开政府的大力扶持。以德国分布式屋顶光伏电站为例,居民只需到规划部门填一张申请表,银行就会实地考察屋顶面积、光照条件等,以此确定贷款发放。随后安装公司会上门安装屋顶光伏电站。组件采购加上其他设备等方面的费用是一笔不菲的开支,如果没有政府方面的补贴,以及银行或保险公司的分担,这对普通居民来说难以承受。

2014年我国新增并网光伏发电容量1060万千瓦,约占全球新增容量的1/5,占我国光伏电池组件产量的1/3,实现了国务院《关于促进光伏产业健康发展的若干意见》中提出的平均年增1000万千瓦目标;其中,新增光伏电站855万千瓦,分布式205万千瓦。

分布式光伏发电项目有三种模式:自发自用、全部上网、余量上网。原则上主张“就近消纳,余量上网”,这也可以解释国内分布式光伏发展的重心为何在东南沿海经济最为发达的地区。这些地区一则光伏产业发达,二则工商业用电量大,完全可以就近消纳,同时负荷高峰与光伏发电高峰正好吻合。

在“金太阳”工程的实施中,投资方对电网一个最大的意见是接入系统的费用太高。从前面的接入流程就可了解到,如果一个光伏微网其接入也按上述流程走一遍,基本上家庭式光伏项目十有八九会中途夭折。

4. 解读新电改方案

中国可再生能源学会副理事长孟宪淦认为,“在西部欠发达地区大规模发展地面光伏电站,并网压力巨大,将使光伏发电面临风电一样的难题,损失很大。无论从太阳能的资源特点还是国外经验看,自发自用为主、就近消纳的分布式开发模式都是最科学合理的,同时对电网的冲击也比较小。”。

如前所述,正是由于太阳能光伏电源建设程序相当复杂,审批及过程验收相当之多,远不如太阳能热水器建设便捷,相当长时间内阻碍了太阳能光伏发电的发展,所以今年年初,中共中央国务院发布了中发〔2015〕9号文《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》,全面放开用户侧分布式电源市场。

其中谈到问题,电力行业发展面临亟需通过改革解决的问题,主要是:市场交易机制缺失,资源利用效率不高。售电侧有效竞争机制尚未建立,发电企业和用户之间市场交易有限。节能高效环保机组不能充分利用,弃水、弃风、弃光现象时有发生,个别地区窝电和缺电并存。价格关系没有理顺,市场化定价机制尚未完全形成。现行电价管理仍以政府定价为主,电价调整往往滞后于成本变化,难以及时并合理反映用电成本、市场供求状况、资源稀缺程度和环境保护支出。各类专项发展规划之间、电力规划与能源规划之间、全国规划和省级规划之间难以有效协调,电力规划的实际执行与规划偏差过大。可再生能源发电保障性收购制度没有完全落实,新能源和可再生能源发电无歧视、无障碍上网问题未得到有效解决。

〔2015〕9号文明确近期推进电力体制改革的重点任务第三条第(六)款“开放电网公平接入,建立分布式电源发展新机制”,要求全面放开用户侧分布式电源市场,放开用户侧分布式电源建设,支持企业、机构、社区和家庭根据各自条件,因地制宜投资建设太阳能、风能、生物质能发电以及燃气“热电冷”联产等各类分布式电源、准许接入各电压等级的配电网络和终端用电系统。鼓励专业化能源服务公司与用户合作或以“合同能源管理”模式建设分布式电源。

发展改革委在召开的全国电力体制改革工作电视电话会议指出,贯彻落实《中共中央国务院关于进一步深化电力体制改革的若干意见》,要确保正确的改革方向,做到改革不走样,有实效。要通过电网企业功能定位的调整,从内在机制上确保电网对可再生能源的公平开放,推进可再生能源的开发利用。要通过改革加强输配电网的规划落实,及时协调输变电设施建设中存在的问题,推进城乡电网改造、优化配电网布局。

5. 新电改形势下分布式光伏电源接入新方案

新电改方案支持企业、机构、社区甚至家庭建设分布式电源,也准许接入终端用电系统,特别是鼓励专业化能源服务公司与用户合作。一方面对投资压小,另一方面对接入电网也提倡在380V用户端。也就是说,大微网不好弄,可从小微网先搞起来。这与国外微网建设概念、智能电网概念相符。

新电改形势下,分布式光伏电源接入新方案,降低准许接入电网的门槛。这里所说的降低门槛,并不是指降低接入电网的技术指标,而是指简化接入电网的程序。一种方式是电网侧、太阳能发电侧通过技术手段监测,只要满足GBT19964-2012《光伏发电站接入电力系统技术规定》,太阳能光伏发电电源就可以直接接入电网,而不需要通过多项审批、验收等监管手段;另一种方式通过智能化手段控制,太阳能光伏发电电源总是与电网脱网运行,其多余的电力通过其自身的储能设备消化,实现最大效益,因为不接入主电网,且家庭太阳能也不占用公用土地,也就不需要多方政府部门的监管,程序极至简化,这也是充分利用太阳能光伏发电的新途径,类似于太阳能热水器的发展。

前一种方案需要通过技术监测手段,达到接入电网准入条件,但由于光伏发电及家庭负荷的波动性,光有监测手段是远远达不到目的,还需要采用智能化调节控制手段,以使家庭微网在并网、离网运行时能够达到配网用户的用电质量。这两种方案,都需要采用智能化控制手段,前一种方案是采用微网方案,后一种方案采用主动配电网方案。

基于目前的分布式能源接入电网相关标准、规范要求,为简化接入,推动分布式电源的发展,近阶段一定时间内,采用主动配电网的非网络解决方案应该是比较好的选择。主动配电网的非网络解决方案是指不调整电网或增加电网设备的解决方案,主要通过发电调度、需求响应、无功功率管理的控制以及网络重构等协调用户配电与主电网的接入。本文推荐通过智能化调节控制手段来实现发电调度、需求响应、无功功率管理的控制以及网络重构,协调发用电供需平衡,而又满足主电网的接入要求。

6. 家庭式智能微网构架方案

通过前面的分析,为推广当前阶段分布式能源的发展,吸取国外的经验、借荐太阳能热水器的发展模式,适合的智能微网构架如下图所示

图6-1 家庭式智能微网组成及结构框架图

其主要特点是:根据可预测未来8小时内家庭太阳能光伏、风电等分布式电源的发电量,以及家庭用电负荷的需求、可调节错峰能力,通过家庭智能电网量测设备、网络通信手段,借助专家分析系统,实现家庭负荷无功功率管理的控制,并通过控制二选一智能电子开关进行网络重构,协调发用电供需平衡,将家庭负荷以恰当的时间接入家庭自建分布能源网、或者接入电力系统主电网。因为家庭负荷本身就满足电网的接入条件,所以几乎没有准入门槛,只需要供电部门审核批准家庭网络构架方案即可,即保证分布式能源与主电网不同时并网。

可以设想,当太阳能充足天气炎热时,即可启用家庭空调,用自家产的电量来调节周围环境。且不说舒适的环境带来的愉悦之感,而且几乎不需花费购电成本,它好像本身就是一种大自然的循环调节组成部分,是一种与自然和谐相处享受生活的好方式。

在网络构架中,储能设备具有双重作用,太阳能充足、家庭用电需求少时,作为负荷进行充电;当夜晚或阴雨天气太阳能不充足时,作为电源工作于放电状态。当储能设备电量不足而又不能满足家庭用电需求时,通过智能控制技术可将一部分家庭用电负荷切入到主电网,来调节供配电的平衡。家用电动汽车、家用电瓶助动车,不作为储能设备,仅作为用电负荷,它是一种具有可调节手段的接入负荷。比如上下班用的电动汽车,可准备两套充电电池,一方面互相备用,另一方面可在白天上班时,通过家庭太阳能的充足电量对另一套充电,当太阳光不充足时,而又需要第二天更换电池时通过家用智能控制装置控制其用市电充电。

当一个小区或者一个社区以这样的模式建立起一定的规模,形成较大的分布式太阳能源时,可以将以家庭为单元的小智能微网集合成一个大型的小区或者社区微电网,这样就带动了全社会的微网发展。这种集合方式的主要好处是在更大一个层次面上实现能源优化,能源互济。不仅仅是电源容量增大,可调节手段多;另一方面因为用电负荷的不同时段需求、负荷特性多样化,对用电需求调节控制的手段也更灵活;还有,储能设备的集合,其充放电控制手段也更具有可调性,效益更高。这种集合所花费的成本也较低,仅需建立一个智能微网控制主站,通过网络通信手段,协调控制每一个家庭单元已建的智能微网控制装置,将智能微网控制装置作为主站下面挂设的一个子站运行。

7. 结语

通过分析当前分布式能源接入主电网的前置流程、国内外分布能源建设的现状、微电网的发展存在的受限问题,提出了一种适用于当前阶段的微电网发展模式---家庭式智能微网。并且,通过集合式家庭式智能微电网的发展,将家庭式智能微网引入一个更宽泛的概念,将家庭式微网的建设归结为分布式能源的建设;将家庭式微电网中的分布式能源拓展为包括家居分布、楼宇分布或者小区/园区分布、小型个体企业自建的所有分布式清洁能源。基于这种模式的微电网建设,不仅促进了微网发展的新时代,同时也极大地响应了国家电力改革的政策,通过这种理念,不仅可以充分利用分布式清洁能源,而且通过用电优化对就地负荷调配,还能极大地节约能源,提高能源的利用效益。

关键字:微电网 储能

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