中國儲能網(wǎng)訊：本文為史珺博士在《2013中國分布式能源論壇》上作的報告
一、前言
隨著國務(wù)院[2013]第24號文的發(fā)布，我國建設(shè)分布式光伏電站的高潮即將到來。針對光伏發(fā)電的技術(shù)和應(yīng)用特點(diǎn)，本文指出，要使分布式光伏電站能夠順利健康地發(fā)展，必須結(jié)合智能微網(wǎng)技術(shù)，建設(shè)以光伏為主、多種新能源為輔、儲能與發(fā)電結(jié)合、信息與控制系統(tǒng)完備的智能光伏微電網(wǎng)，才能夠充分發(fā)揮光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)，避免光伏發(fā)電不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，保障供電的穩(wěn)定性和可靠性，促進(jìn)光伏發(fā)電的全面普及。
二、光伏發(fā)電的特點(diǎn)
光伏發(fā)電具有清潔、無限量、不受地域限制、運(yùn)行維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)，因此，相對風(fēng)電、核電、生物智能等可再生能源來說，優(yōu)勢比較明顯。但是，光伏發(fā)電的缺點(diǎn)同樣也很明顯。過去，限制光伏發(fā)電的主要因素是成本高，這也是導(dǎo)致早期光伏發(fā)電難以推廣的主要缺點(diǎn)。但自從2006年光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展以來，光伏發(fā)電的裝機(jī)成本已經(jīng)從每峰瓦60元人民幣，下降到了現(xiàn)在的約8元人民幣。成本的下降促進(jìn)了光伏裝機(jī)容量的迅猛上升。
但隨著光伏裝機(jī)容量的上升，光伏發(fā)電的其它一些技術(shù)弱點(diǎn)也逐漸變得明顯而不能被忽視。
首先，是光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性。光伏發(fā)電的不穩(wěn)定并非是光伏發(fā)電系統(tǒng)自身的不穩(wěn)定，而是源于日照的不穩(wěn)定。例如，夜晚完全不能發(fā)電，而天氣的影響對光伏發(fā)電量的影響也很大，更嚴(yán)重的是晴天有云的時候，一朵云彩的飄過會造成發(fā)電量的巨幅波動。從電力供應(yīng)的角度來說，這是一個很大的弊端。目前，采取發(fā)電側(cè)并網(wǎng)的地面電站，完全依賴主干電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)光伏發(fā)電的容量逐步增大時，瞬間的大容量波動會給電網(wǎng)造成較大的沖擊。我國的電網(wǎng)設(shè)計容許的波動，通常不超過15%，這也意識著如果光伏發(fā)電的容量比重超過這個比例，那么，發(fā)電量的不穩(wěn)定有可能造成電網(wǎng)的崩潰。
其次，是光伏發(fā)電的能量密度較低。這源于日照強(qiáng)度的特性和光伏發(fā)電的光電轉(zhuǎn)換效率，通常，每平方米的組件的峰值功率上限目前大約在150瓦以下，大部分時間在100瓦左右。這會導(dǎo)致光伏發(fā)電的占地面積較大，因此，大型地面電站僅在荒漠和戈壁比較適宜，而在我國東部、特別是東南沿海，幾乎不可能建造大型地面電站。這就是為什么要鼓勵發(fā)展分布式光伏發(fā)電的原因，盡量利用建筑物的頂部而不占用土地進(jìn)行發(fā)電。由于負(fù)載的特性大多也是分布式的，因此，分布式發(fā)電是一種與負(fù)載分布形式匹配的發(fā)電方式。
第三，光伏發(fā)電的功率可調(diào)性差。當(dāng)負(fù)載增加時，光伏發(fā)電無法提供更多的電力，當(dāng)負(fù)載下降的時候，光伏發(fā)電也無法根據(jù)負(fù)載降低功率。所以，在利用光伏發(fā)電的時候，要么采用與主干網(wǎng)并網(wǎng)的方式，將主干網(wǎng)作為功率調(diào)節(jié)池，要么就要采用其它能源進(jìn)行補(bǔ)充，同時，還必須采用儲能的方式，將負(fù)載下降時產(chǎn)生的多余能量存儲起來。
隨著光伏發(fā)電的規(guī)模的增加，上述弱點(diǎn)將越來越明顯，對光伏發(fā)電的阻礙和限制也越來越大。為了保證光伏發(fā)電的健康發(fā)展，促進(jìn)光伏這個具有明顯優(yōu)勢的清潔能源的推廣應(yīng)用，無論是地面光伏電站還是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，必須要設(shè)法通過各種技術(shù)手段解決上述缺點(diǎn)，保障光伏能夠提供進(jìn)行大規(guī)模穩(wěn)定的電力供應(yīng)。
智能光伏微電網(wǎng)是解決這個問題的唯一手段。
三、智能光伏微電網(wǎng)的特點(diǎn)
微電網(wǎng)，又稱微網(wǎng)，是相對傳統(tǒng)大電網(wǎng)的一個概念，它是指多個分布式電源、負(fù)載、儲能系統(tǒng)和控制裝置按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成的電力網(wǎng)絡(luò)。在微電網(wǎng)內(nèi)部，電源和負(fù)荷能夠基本匹配，并能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理，可以孤立運(yùn)行，同時，也可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。
由于微電網(wǎng)的概念是將發(fā)電系統(tǒng)即電源與負(fù)荷置于同一個區(qū)域內(nèi)，因此，特別適合光伏發(fā)電等能量密度較低的新能源進(jìn)行分布式發(fā)電。同時，微網(wǎng)內(nèi)部采取多種電源形式的高可靠供給，可以完全克服光伏發(fā)電不穩(wěn)定的弱點(diǎn)，充分促進(jìn)光伏發(fā)電及其它可再生能源的大規(guī)模接入，有利于促進(jìn)傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)的過渡。
智能光伏微電網(wǎng)指的是，采用光伏發(fā)電作為白天的主要供電電源，同時利用其它能夠與光伏互補(bǔ)的各種可再生能源的同時接入來滿足不同氣候條件下的電力供應(yīng)，并利用儲能系統(tǒng)和包括微型燃?xì)廨啓C(jī)等清潔能源作為供電的調(diào)節(jié)手段，通過先進(jìn)的自動控制技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)的智能控制和網(wǎng)間的遠(yuǎn)程調(diào)度，保障在負(fù)荷與電源發(fā)生變化時的供電穩(wěn)定性。總結(jié)出十六字方針，就是“光伏為主、多能互補(bǔ)、發(fā)儲結(jié)合、智能調(diào)控”。
智能光伏微電網(wǎng)的特點(diǎn)主要有以下四點(diǎn)：
1) 多種新能源的結(jié)合
由于光伏發(fā)電僅能夠在白天天氣較好的情況下進(jìn)行供電，即便與主干網(wǎng)相連，當(dāng)光伏發(fā)電的容量增大，在某一地的局部對當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)有可能形成較大的沖擊。因此，在一個微電網(wǎng)的范圍內(nèi)采取多種形式的新能源相結(jié)合，是緩和光伏發(fā)電的波動性、穩(wěn)定電力的必要手段。
能夠作為微電網(wǎng)的電源的其它可再生能源有如下幾種：
微型風(fēng)力發(fā)電。主要是微風(fēng)風(fēng)力發(fā)電，在風(fēng)力條件能夠滿足發(fā)電的條件下，可以作為光伏發(fā)電的補(bǔ)充。微風(fēng)電站適合風(fēng)力條件滿足的村鎮(zhèn)和高層建筑。
小型水力電站。指在有條件的村鎮(zhèn)附近，可采用小型水電站或抽水蓄能電站的方式，作為微電網(wǎng)的補(bǔ)充能源。
生物質(zhì)能電站。可在村鎮(zhèn)或者小型城市周邊，利用沼氣進(jìn)行發(fā)電，作為微電網(wǎng)的補(bǔ)充能源。沼氣發(fā)電可與垃圾處理、有機(jī)肥的生產(chǎn)相結(jié)合。
微型燃?xì)廨啓C(jī)。微型燃?xì)廨啓C(jī)采用天然氣發(fā)電，適用于城市社區(qū)和農(nóng)村。
各種形式的新能源綜合使用，可以大大減少光伏發(fā)電的波動性，尤其是在光伏發(fā)電量下降的時候?qū)夥l(fā)電進(jìn)行補(bǔ)充，同時，也能夠因地制宜，充分利用微電網(wǎng)所在地區(qū)的各種可再生能源和資源。
2) 儲能技術(shù)
無論是采用何種新能源，都不能完全保證微電網(wǎng)的供電絕對穩(wěn)定。另外，在電源事故或電網(wǎng)故障的情況下，為了保證用電負(fù)荷的安全，儲能系統(tǒng)作為備用電源也是必不可少的。
目前，儲能技術(shù)較為成熟的是鉛酸蓄電池，但有壽命短和鉛污染的問題。能夠適用于智能光伏微電網(wǎng)的新型儲能系統(tǒng)有如下幾種：
釩流體電池。該技術(shù)采用釩化合物作電解質(zhì)，通過釩的不同電價的轉(zhuǎn)換進(jìn)行充放電。優(yōu)點(diǎn)是容量大、電流密度大、供電穩(wěn)定、充放電次數(shù)多(使用壽命長)、充放電效率高;缺點(diǎn)是，且目前成本較高，產(chǎn)業(yè)化不夠成熟，市場規(guī)模受釩資源限制。
飛輪儲能。優(yōu)點(diǎn)是充放電次數(shù)多、電流密度大、供電穩(wěn)定、無化學(xué)反應(yīng);缺點(diǎn)是自放電較嚴(yán)重。
超級電容。優(yōu)點(diǎn)是電流密度大、充放電次數(shù)多、壽命長、無化學(xué)反應(yīng);缺點(diǎn)是自放電嚴(yán)重，單次儲能時間較短，產(chǎn)業(yè)化程度不夠。
以上各種新型儲能技術(shù)目前均存在成本較高的情況。但隨著產(chǎn)業(yè)化程度的不斷成熟，相信產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、穩(wěn)定性均將有大幅提高，成本也可以大幅度下降。
微電網(wǎng)的儲能系統(tǒng)要滿足以下三種情況的要求：1)在電源或電網(wǎng)事故情況下，儲能系統(tǒng)能夠迅速替代電源，為微電網(wǎng)內(nèi)部的負(fù)荷供電;這種情況，儲能系統(tǒng)相當(dāng)于緊急備用電源的角色，要求電流密度大;2)在微網(wǎng)內(nèi)大型負(fù)荷啟動時，由于電流往往數(shù)倍于運(yùn)行電流，因此，可能正常電源的容量不足以滿足負(fù)荷的啟動要求，需要儲能系統(tǒng)提供瞬時大電流;3)在光伏以及其它電網(wǎng)發(fā)電不足時，起到為微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷供電的功能。
目前，上述各種儲能技術(shù)難以同時滿足以上三個要求，可考慮各種不同儲能方式的結(jié)合，例如，釩流體電池與飛輪或超級電容結(jié)合使用，即可避開各自的缺點(diǎn)，而滿足微電網(wǎng)的儲能需求。
3) 電力質(zhì)量控制與保護(hù)系統(tǒng)
智能光伏微電網(wǎng)的每個網(wǎng)內(nèi)，都有電源和負(fù)荷。設(shè)計時，要求電源和負(fù)荷容量是基本匹配的。但是，由于可再生能源的發(fā)電自身的不穩(wěn)定性，這種匹配只能在理想狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)。負(fù)載的變化、電源的波動，都需要通過儲能系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
每個微網(wǎng)都需要有一個微網(wǎng)控制中心，除了監(jiān)控每個電源、負(fù)荷和儲能的電力參數(shù)、開關(guān)狀態(tài)和電力質(zhì)量與能量參數(shù)外，還要通過開關(guān)控制對上述內(nèi)部的電力調(diào)度進(jìn)行控制，此外，微網(wǎng)控制中心還要對每個裝置內(nèi)部進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，這種調(diào)控可以通過每個裝置的本地控制器來進(jìn)行，但必須與微網(wǎng)控制中心聯(lián)網(wǎng)。
微網(wǎng)控制中心還必須有在孤島運(yùn)行與并網(wǎng)運(yùn)行之間的切換裝置，和針對負(fù)荷、電源和電網(wǎng)的保護(hù)裝置。
微電網(wǎng)內(nèi)部由于總體容量較小，因此，負(fù)荷阻抗的感性還是容性就對功率因數(shù)影響較大。為此，在微電網(wǎng)內(nèi)部，必須根據(jù)負(fù)荷的阻抗性質(zhì)配置相應(yīng)的補(bǔ)償系統(tǒng)。另外，多電源的并網(wǎng)可能會造成網(wǎng)內(nèi)的諧波分量較大，紋波系數(shù)較高，因此，要有消除高次諧波的裝置。
4)智能光伏微電網(wǎng)的信息系統(tǒng)
而由于儲能成本的限制，儲能系統(tǒng)對于負(fù)荷和電源變化的調(diào)節(jié)不可能是無限的。因此，微電網(wǎng)在正常運(yùn)行時，最好采取與主干電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的方式。在微電網(wǎng)的電源故障情況下，電網(wǎng)可以為微電網(wǎng)進(jìn)行供電，而在微電網(wǎng)的負(fù)荷停機(jī)時，微電網(wǎng)要向電網(wǎng)發(fā)電。為此，需要進(jìn)行微電網(wǎng)與主網(wǎng)的潮流控制，其中，微電網(wǎng)和主網(wǎng)要進(jìn)行實(shí)時信息交換。
通常，主干電網(wǎng)對于微電網(wǎng)的負(fù)荷變化或者發(fā)電量的變化是能夠消納的，但是，主電網(wǎng)對于這種變化需要一定的時間響應(yīng)。如果是瞬時大容量的變化，無論是發(fā)電還是供電，都會對電網(wǎng)帶來影響。為此，微電網(wǎng)內(nèi)部的控制系統(tǒng)需要與主干網(wǎng)的電力調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息通訊，要做到在電源或負(fù)荷變化時，先用儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)供電，同時，通過信息系統(tǒng)將信息通報給主電網(wǎng)，并給主電網(wǎng)以充足的時間進(jìn)行調(diào)度，這樣，就可以保證微電網(wǎng)的供電和主電網(wǎng)的穩(wěn)定。
智能光伏微電網(wǎng)的信息系統(tǒng)還可以幫助微電網(wǎng)之間的互聯(lián)和互相調(diào)度，這樣，有助于主電網(wǎng)的穩(wěn)定，減少主電網(wǎng)的供電壓力。并在主電網(wǎng)故障時，減少故障對于微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷的影響。
四、智能光伏微電網(wǎng)的構(gòu)建
智能光伏微電網(wǎng)是以光伏作為主力發(fā)電，其它新能源為輔助動力，儲能系統(tǒng)作為調(diào)節(jié)作用的，因此，首先要保證各發(fā)電單元的可靠性，同時，要求對天氣變化(日照、風(fēng)力等)的影響有一定的預(yù)測功能。其次，所有的發(fā)電系統(tǒng)必須根據(jù)微網(wǎng)內(nèi)部的電壓等級設(shè)計，進(jìn)行開放性與規(guī)范性兼顧的互聯(lián)。
由圖1可以看出，智能光伏微電網(wǎng)由光伏、微風(fēng)發(fā)電、微型燃機(jī)發(fā)電等電源系統(tǒng)，釩電池、超級電容和飛輪等儲能系統(tǒng)，網(wǎng)內(nèi)負(fù)載，輸配電系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)和微網(wǎng)控制中心(微網(wǎng)控制器)組成。所有的發(fā)電系統(tǒng)必須具備本地的智能控制功能，能夠?qū)⒈旧淼陌l(fā)電運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送到微網(wǎng)控制中心，并通過微網(wǎng)控制中心送到外電網(wǎng)。
微電網(wǎng)通過隔離變壓器和保護(hù)裝置與外電網(wǎng)相連。微電網(wǎng)可以并網(wǎng)運(yùn)行，也可以脫離主電網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行模式。微網(wǎng)控制器對微電網(wǎng)的內(nèi)部運(yùn)行進(jìn)行統(tǒng)一控制和調(diào)度，同時負(fù)責(zé)與外部電網(wǎng)的調(diào)度。
智能光伏微電網(wǎng)的設(shè)計，首先要考慮當(dāng)?shù)氐碾娏ω?fù)荷需求，然后根據(jù)當(dāng)?shù)氐娜照?、風(fēng)力、水力、沼氣等資源，進(jìn)行發(fā)電系統(tǒng)的容量配置和選址，并根據(jù)負(fù)荷的用電需求和電源的容量以及發(fā)電的時間特性進(jìn)行儲能系統(tǒng)和微型燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計，最后，從組網(wǎng)的角度進(jìn)行整個微電網(wǎng)的組網(wǎng)設(shè)計。
在智能微電網(wǎng)監(jiān)控主站系統(tǒng)的設(shè)計上，必須充分考慮與配網(wǎng)自動化系統(tǒng)平臺在系統(tǒng)建模、維護(hù)、信息共享、運(yùn)行管理等方面的一致性，針對微電網(wǎng)內(nèi)部不同廠家的設(shè)備，要進(jìn)行規(guī)范性、標(biāo)準(zhǔn)性的建模與規(guī)范設(shè)計，嚴(yán)格遵循國網(wǎng)公司制定的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范設(shè)計，包括：國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61968、IEC 61970等，并提供開放的應(yīng)用編程接口(API)，有利于系統(tǒng)今后的功能擴(kuò)充。系統(tǒng)將商用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和實(shí)時數(shù)據(jù)庫在設(shè)計上有機(jī)地結(jié)合在一起，提供對數(shù)據(jù)模式的建立、數(shù)據(jù)存貯、報表系統(tǒng)以及對外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口。
多個微電網(wǎng)之間可以通過主干網(wǎng)相連，也可以直接通過一個獨(dú)立于現(xiàn)有公網(wǎng)之外的新的子網(wǎng)相連。微電網(wǎng)之間的調(diào)度通過遠(yuǎn)程調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。不同微電網(wǎng)之間的互聯(lián)能夠減少主電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，增加電網(wǎng)的穩(wěn)定性，并在主網(wǎng)故障時，為主網(wǎng)提供必需的電力。
設(shè)計之后，進(jìn)行微電網(wǎng)的設(shè)備選型，要求是可靠性，智能性，和開放性。
智能光伏微電網(wǎng)的建設(shè)，包括各發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)、儲能系統(tǒng)的建設(shè)、中心配電站(含輸配電系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)、微網(wǎng)控制中心等)的建設(shè)、微網(wǎng)內(nèi)部電纜的敷設(shè)、以及信息系統(tǒng)的安裝和調(diào)試。
運(yùn)行調(diào)試首先進(jìn)行孤島運(yùn)行調(diào)試，對各裝置的啟停和切換進(jìn)行調(diào)試，同時，觀察負(fù)載變化時儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。然后進(jìn)行并網(wǎng)調(diào)試，觀察光伏電站等電源接入和斷開時，電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力和電力質(zhì)量的波動情況。還要進(jìn)行各類保護(hù)試驗(yàn)。
智能光伏微網(wǎng)由于發(fā)電和負(fù)荷以及控制均在一地，設(shè)備數(shù)量較多，而且控制要求復(fù)雜，維護(hù)內(nèi)容首先要求對于光伏電站進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)，保證光伏發(fā)電的最大出力，其次，對于其它發(fā)電系統(tǒng)如風(fēng)力、水電、生物質(zhì)能、微型燃機(jī)等設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，而且，還要對于配網(wǎng)、保護(hù)、控制中心進(jìn)行維護(hù)。因此，對于微電網(wǎng)的維護(hù)要求要比傳統(tǒng)電網(wǎng)的配電維護(hù)要高出許多。這要求微網(wǎng)公司的業(yè)主或微網(wǎng)系統(tǒng)集成公司在當(dāng)?shù)匾谐ｑv的維護(hù)和運(yùn)行隊(duì)伍，而且，對于運(yùn)維人員的技術(shù)要求比較高，需要經(jīng)過專門的職業(yè)培訓(xùn)。
智能光伏微網(wǎng)的運(yùn)行需要與主干網(wǎng)有及時和充分的信息交互，每個微網(wǎng)控制中心要與電網(wǎng)的調(diào)度系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通訊，這樣才能保證微電網(wǎng)與主干網(wǎng)能夠相互支持，而減少或消除相互的影響。多個微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)時，要有自己的縣域甚至省域SCADA系統(tǒng)，可通過公用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。而微電網(wǎng)的業(yè)主可以通過控制中心對于各個微電網(wǎng)的運(yùn)行情況、設(shè)備狀態(tài)、電力參數(shù)和電力質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，對各微電網(wǎng)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。
五、結(jié)語
智能光伏微電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，能夠?qū)⒏鞣N形式的新能源發(fā)電集成起來，并能夠克服光伏發(fā)電和其它新能源發(fā)電的弱點(diǎn)，保證光伏發(fā)電的穩(wěn)定性，充分發(fā)揮新能源清潔和可再生的優(yōu)點(diǎn);微電網(wǎng)的建設(shè)可減少電網(wǎng)的投入，大大減少火力發(fā)電的容量和霧霾、酸雨等大氣污染，將大量的煤炭、石油、天然氣等能源節(jié)約下來作為原材料而不再是燃料使用。而隨著微電網(wǎng)的數(shù)量的增加與互聯(lián)，能夠?qū)⒊鞘?、城?zhèn)和農(nóng)村的大量工業(yè)與民用建筑和工農(nóng)業(yè)設(shè)施均變?yōu)榘l(fā)電建筑和發(fā)電設(shè)施，不僅可以解決新農(nóng)村和城鎮(zhèn)化帶來的新增用電需求，而且也對原有的電力需求予以規(guī)模性的替代，對于實(shí)現(xiàn)第三次工業(yè)革命有著極其重要的意義。
