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1 智能电网及未来电网形态研判及探讨 核心理念与关键技术 黄伟教授华北电力大学 - 输配电系统研究所 1/46

2 目 录 智能电网发展智能电网核心价值分布式电源和微电网技术主动配电网关键技术相关问题和应用实例分析未来发展及展望 2/46

3 智能电网的驱动因素 驱动因素 数字信息技术的推广 Add Your Text 追求高效益 能源需求不断增加 温室气体排放量增加 对安全要求的升级 电力市场化进程的推进

4 能源需求不断增加

5 温室气体排放量增加 温室气体排放量不断增加, 导致地球环境不断恶化, 极大的影响全球气候 世界碳排放量及变化趋势

6 对安全要求的升级 左图为 2003 年 8 月 14 日美加大停电事件的卫星地图 智能电网的 自愈 特性可以保证店里的安全可靠运行, 通过对故障区的隔离或者交叉供电, 尽量减少受影响区域 部分孤岛仍有电力供应 根据美国的电网停电事故统计可知, 美国每年影响 1~10 万用户的停电次数为 5~10 次, 影响 10~100 万用户的停电次数为 1~5 次, 影响 100~1000 Add 万用户的停电次数为 Your 0.1~1 次 其中 40% Text 的大停电是由级联事 here 件演变而成

7 电力市场化进程的推进 目前的中国仍处于国家统一制定电价, 随着社会的进步和市场的开放, 用户可以根据实时的电力价格信息及时调整自己的能耗, 以最大限度的减小开支, 提高能源使用率 家庭用电的高峰期

8 数字信息技术的推广 数字信息技术以宽带网络为纽带运用海量信息对事物进行描述, 并利用它作为工具来支持和改善人类活动和生活质量 这一技术日益成熟, 逐渐走入了每个人的生活, 同时也与电力日臻融合 中科院院士 清华大学电力系统国家重点实验办公室主任卢强在 新世纪的电力系统科技发展方向 一文, 为 数字电力系统 所下的定义是 : 对某一实际运行的电力系统的物理结构 物理特性 技术性能 经济管理 环保指标 人员状况 科教活动等数字化地 形象化地 实时地描述与再现

9 追求高效益 这里所提的效益, 既指经济效益, 但更多指代的是社会效益 智能电网的每个环节都会带动整个社会的经济发展和社会进步, 提高人民的生活水平 仅从插入式电动汽车来看, 若美国普及使用支持插入式汽车的使用, 则可代替 73% 的燃油汽车, 将减少约 24% 的碳排放和 52% 的石油进口

10 智能配电网发展的背景 内部因素 : 电力系统长期发展起来的以集中发电, 远距离输电为特点的互联电网存在一些弊端 : 1 随着受端电网对外来电力依赖程度不断提高, 电网运行的安全性和稳定性下降, 近年来屡屡发生的大面积停电事故更暴露出这种系统的 脆弱性 ;( 特高压同步和三华电网 ) 2 不能适应负荷的灵活性 ;( 电力市场环境 ) 1 外部因素 : 严峻的环境问题 ( 温室效应等 );(2000 年的京东会议,2005 年哥本哈根会议 ) 2 能源的匮乏 ; 一些新型 清洁 高效的发电装置问世与新型储能装置的发展为分布式技术的实现提供了支持 ( 配电网的发展, 自动化和可靠性要求, 需求侧管理 )

11 智能电网的发展回顾

12 欧洲智能电网的发展

13 中国智能电网的发展

14 中国国家电网公司 统一坚强智能电网 2009 年 5 月 21 日, 我国首次提出智能电网发展目标 国家电网公司在 2009 特高压输电技术国际会议 期间表示 : 国家电网将立足自主创新, 加快建设以特高压电网为骨干网架, 各级电网协调发展, 具有信息化 自动化 互动化特征的统一的坚强智能电网 统一坚强智能电网包括 三华 ( 华北 - 华中 - 华东 ) 同步电网 西北和东北电网, 涵盖所有电压等级, 由发电 输电 变电 配电 用电 调度等环节有机组成, 是坚强可靠 经济高效 清洁环保 透明开放 友好互助的电网 其中, 统一 是前提, 坚强 是基础, 智能 是关键

15 建设方法 一. 坚持统一规划 明确坚强智能电网的发展目标 建设思路和重点, 形成统一的坚强只能电网规划, 并建立滚动调整机制 二. 坚持统一标准 紧密结合现有国际电工标准体系, 全面梳理国内外智能电网相关标准, 建立涵盖发电 输电 变电 配电 用电 调度各环节以及信息通信平台的统一标准 建设方法 三. 坚持自主创新 充分发挥企业在自主创新中的主体作用, 加强特高压 智能控制 信息通信 新材料 储能技术等关键技术攻关和设备研制 四. 坚持试点先行 五. 坚持政府主导 按照统一规划和统一标准, 针对坚强智能电网发展的重点领域和关键环节, 组织开展试点工作, 积累经验, 在试点基础上全面推进后续工作 加强规划编制 标准制订等方面的组织协调和指导, 对智能电网建设给予必要的财税 资金和电价等政策支持

16 目 录 智能电网发展智能电网核心价值分布式电源和微电网技术主动配电网关键技术相关问题和应用实例分析总结和展望 16/46

17 智能电网的三要素 目前需要解决的三个首要问题, 对应了智能电网的三要素 WHY 核心价值 WHAT HOW 主要特征 关键技术

18 1 WHY-- 核心价值 环境更友好 更坚强 更高效 美国智能电网 更经济 更可靠 高灵活性 欧洲智能电网 高可接入性 使用更安全

19 主要特征 自愈 互动 坚强 优质电能供应 兼容各种发电和储能 主要特性的收益 收益 节省费用 提高可靠性以及剩余电力的市场化盈利 用户灵活用电, 帮助电力企业高效运作, 产生大范围的环境效益 电网阻止或者承受物理和信息的攻击 避免由电能质量引起的生产损失, 尤其是在电子设备环境下 多种资源以即插即用的方式相互连接, 增强发电和储能的灵活性, 包括生产高效 洁净能源的机会 活跃市场电网的开放式市场抑制浪费和低效, 并给用户提供选择, 比如绿色电能产品 优化资产提高运行效率 以最小的成本实现需求的功能, 并指导电网运行和资产使用

20 3 HOW 关键技术 1. Description of the business 集成通信 高级控制方法 4. Description of the business 传感与测量 2. Description of the business 决策支持 5. Description of the business 3. Description of the business 高级电力设施 PPTBOX is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.

21 智能电网发展不同阶段 第一代电网 : 孤立 低压 分散发电 近距离传输第二代电网 : 互联 高压 集中发电 远距离传输第三代电网? 分布式发电 DG 微网技术 MG Distributed Generation 主动配电网 ADN 3G+A Micro-grid 智能电网技术 SG Active Distribution Network Smart Grid

22 目 录 智能配电网发展智能配电网核心价值分布式电源和微电网技术主动配电网关键技术相关问题和应用实例分析智能电网未来发展展望 22/46

23 分布式电源 (DG)

24 分布式电源介入改变传统电力系统思维模式

25 分布式发电技术 至今分布式发电没有统一定义, 一般是 1 为满足特定用户的需要或支持现有配电网经济运行, 以分散方式布置在用户附近 发电功率为数 kw-50mw 小型模块与环境兼容的独立电源 比如 :DG 冷热电联产 以及各种储能技术等 利用分散存在的资源进行发电的系统 如 : 风能等可再生资源发电系统 ; 天然气为燃料的冷 / 热 / 电联供系统 ( 简称 :CCHP) 优点 : 可利用丰富的清洁和可再生资源 缺点 : 一些可再生资源具有间歇性和随机性

26 分布式发电的特点 : 1. 节能效果好, 通过不同循环的有机融合及能源的综合梯级利用, 同时提供热 冷 电多种能源的发电方式, 能源利用率高达 80%; 2. 环境负面影响小,DG 主要以风力 太阳能 天然气等可再生清洁能源为发电原材料, 减少有害气体的排放 ; 3. DG 投资成本低 风险小 占地少 建设周期短, 有力于短时解决电力供应不足 ; 4. 降低网损和输配电投资, 无须建设昂贵的输电网及变电站, 输配电损耗低 ; 5. 提高供电可靠性, 与大电网配合来弥补其稳定方面的不足 ;

27 ( 一 ) 分布式电源的界定标准 1 国外界定标准 归纳 18 个典型国家 ( 组织 ) 关于分布式电源的界定标准, 具有四个基本特征 特征一 : 直接向用户供电, 潮流一般不穿越上一级变压器 特征二 : 装机规模小, 一般为 10MW 及以下 18 个典型国家 ( 组织 ) 中,13 个为 10MW 及以下,3 个为数十 MW 级,2 个为 100MW 级 电网 电网 特征三 : 通常接入中低压配电网, 一般为 10(35)kV 及以下 18 个典型国家 ( 组织 ) 中,8 个为 10kV 及以下,7 个为 35kV 级,3 个为 110 (66)kV 级 特征四 : 发电类型主要为可再生能源发电 资源综合利用发电 高能效天然气多联供 ( 能效一般达到 70% 以上 ) 27

28 2 分布式电源一般定义 综合国际上有关国家及组织界定标准和我国电网特点, 分布式电源一般可定义为 : 利用分散式资源, 装机规模小, 位于用户附近, 通过 10(35)kV 及以下电压等级接入的可再生能源 资源综合利用和能量梯级利用多联供发电设施 * 我国分布式电源发展重点是风电 光伏发电 小水电和小型天然气多联供等技术类型 * 分布式电源的概念常常与可再生能源发电 热电联产的概念发生混淆, 大型可再生能源发电 大型燃气蒸汽联合循环机组不属于分布式电源 28

29 ( 一 ) 分布式电源发展现状 1 发展基础 各国分布式电源的发展是由其资源分布特点 政策激励和产 业基础等决定 资源分布 政策激励 产业基础 我国风能 太阳能资源我国小水电 风电 生主要富集在 三北 地物质发电以及资源综合区, 主要以大规模发展利用发电政策已较完备 为主, 分布式开发条件光伏发电 天然气多联不及欧美 ; 天然气资源供政策相比欧美尚有欠匮乏 ; 小水电资源丰富, 缺 优于欧美 我国风电 光伏发电产业基础与国外相当, 燃机产业基础与国外尚有差距 29

30 2 国内外发展情况 2010 年中国 德国 美国 日本分布式电源装机规模分别为 万千瓦, 占总装机比重分别为 3.5% 22.8% 2.5% 5.5%, 均未成为能源供应主导方式 我国分布式电源以小水电为主, 总规模 2266 万千瓦, 居世界第一 ; 近年来余热 余压 余气等资源综合利用和生物质发电增长迅速, 总规模 821 万千瓦, 居世界前列 ; 但分布式光伏 风电 天然气多联供还处于发展初期, 规模相对较小 类型天然气国别多联供 水电 风电 太阳能发电等 合计 中国 美国 日本 德国 英国 丹麦 注 : 数据来源于 IEA 美国能源信息署 (EIA) 日本天然气协会 德国光伏协会等 煤层气 地热等 分布式光伏 天然气多联供 分布式风电 生物质 综合利用 小水电 图 :2010 年我国分布式电源装机构

31 3 国内发展规划 2015 年 7200 万千瓦 2020 年 1.8 亿千瓦 风电光伏水电天然气生物质综合利用 31

32 分布式电源并网技术 分布式电源 互连技术 电力系统 燃料电池 微型燃气轮机 储能装置 光伏 风机 发电机 电力电子逆变器 电能转换 电能质量 开关 保护装置 保护 电源和负载控制 辅助服务 通信 计量 电力系统 负载

33 分布式发电在输电网中产生双向潮流 当分布式可再生能源发电达到一定比例时, 不仅在低压侧会出现双向潮流, 在中压测, 甚至在高压侧, 也会出现双向潮流

34 ( 一 ) 对配电网电压的影响 U U 1 2 P R Q X 2 2 U 2 影响因素 : 分布式电源容量 接入点距离 导线截面 功率因数 34

35 ( 二 ) 孤岛现象 孤岛是分布式电源特有现象, 在发电与负荷基本相当时不宜检测 孤岛运行的危害 : 危及运行和检修人员的安全 ; 重合闸导致设备损坏 ; 孤岛供电质量差损坏用电设备 35

36 孤岛实例 光伏发电孤岛检测失败, 出现孤岛运行 36

37 ( 三 ) 对保护的影响 对三段式电流保护的影响 - 拒动的可能性 DG 线路 AB 故障 ( 接地阻抗 0Ω), 保护 1DL 短路电流不变 接地阻抗不为 0, 保护 1DL 的短路电流减小, 保护范围减小 ( 后备保护 ) 37

38 对三段式电流保护的影响 - 误动的可能性之一线路 AE 故障, 导致 1DL 保护误动作 DG 38

39 对三段式电流保护的影响 - 误动的可能性之二 DG 3DL 后端故障, 导致 2DL 的瞬时速断保护范围增大, 失去选择性 39

40 2 虚拟发电厂技术 : 分布式电源大规模接入, 配电网由无源网络向有源网络发展 配电网消纳分布式电源方式由被动到主动 现状 : 被动接受电能分布式电源接入困难 虚拟发电厂 : 分布式电源与负荷可参与调节网 源 负荷协调互动

41 分布式电源的大量接入会对现有配电网带来一系列挑战, 穿透功率越大, 挑战越大 建设坚强智能电网和发展电网友好型分布式电源技术是解决高穿透率分布式电源并网问题的关键 41

42 分布式电源并网运行问题 以分布式电源 (DG) 为单元 优点 : 接入方便, 运行简单 缺点 : 系统故障退出运行 间隙性影响周边用户 资源综合优化困难 对电网运行调度提出了挑战 分布式电源并网运行面对的问题 电源特性决定 : 不可调度 ( 可再生资源 ) 功率波动 ( 电源间歇性 ) 需要备用 ( 不提供备用 ) 上述缺点制约了 DG 的发展 双向潮流导致 : 电压调节 保护协调 能量优化

43 IEEE P1547 研究 翻译美国 1547 分布式发电并网准则为, 制定标准奠定基础, 全文 127 页 IEEE P 标准草案是分布式发电与电网并网的统一测试程序 IEEE P 是分布式发电与电网并网的 IEEE1547 标准的运用指南草案 IEEE P 是监测 信息交换和分布式发电与电网并网控制标准指南 草案 IEEE P 是设计 操作和使分布式发电与电力系统一体化的标准指 南草案 IEEE P 是容量大于 10MVA 的电源与输电网并网的技术指南草案 IEEE P 草案推荐分布式发电与电力配电二级系统并网的相关实例 商业和合同问题 ;IEEE 1547 会议对电压调节的技术要求

44 IEEE P1547 研究 电压指标 频率指标 地区电力系统接地 重新与地区电力系统相连 保持和系统的同步问题 分布式发电引起闪变限制 系统监控规定 谐波 供能系统设备隔离 孤岛运行问题 电磁干扰防护 主动孤岛和被动孤岛 浪涌耐受性能 商业和合同问题 ; 地区电力系统的故障监测 地区电力系统重合闸协调

45 微网 (MG) 国外专家预测, 未来的配电网系统将是传统的配电系统和大量分布在配电系统供电区域内的微型电网组合而成

46 微网介绍及微网研究现状 1. 微网概念 目前, 国际上对微网的定义各不相同美国电气可靠性技术解决方案联合会 (CERTS) 给出的定义为 : 微网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统, 它可同时提供电能和热量 ; 微网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换, 并提供必要的控制 ; 微网相对于外部大电网表现为单一的受控单元, 并可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求 美国威斯康辛麦迪逊分校的 R.H.Lasseter 给出的概念是 : 微网是一个由负载和微型电源组成的独立可靠的系统, 对当地提供电能和热能

47 1 国外微电网界定标准 ( 二 ) 微电网的界定标准 由于风电 光伏发电等分布式电源具有分散性和间歇性的特点, 对电网的电能质量 控制保护 运行可靠性带来不利影响, 随着储能和运行控制等技术的进步, 本世纪初, 欧美部分学者提出了微电网概念 总结美国 欧洲 日本等国 20 个微电网试点工程, 具备以下四个基本特征 : 微型 : 微电网电压等级一般在 10kV 以下 ; 系统规模一般在兆瓦级及以下 ; 与终端用户相连, 电能就地利用 清洁 : 微电网内部分布式电源以清洁能源为主, 或是以能源综合利用为目标的发电形式 天然气多联供系统综合利用率一般应在 70% 以上 自治 : 微电网内部电力电量能实现基本自平衡, 与外部电网的电量交换一般不超过总电量的 20% 友好 : 微电网对大电网有支撑作用, 可以为用户提供优质可靠的电力, 能实现并网 / 离网模式的平滑切换 47

48 2 微电网一般定义 综合国内外微电网的定义和基本特征, 微电网一般可定义为 : 以分布式电源为主, 利用储能和控制装置进行实时调节, 实现网络 内部电力电量平衡的小型供电网络, 可并网运行也可离网运行 * 微电网主要是利用储能和控制装置, 实现分布式电源与本地负荷电力电量自平衡的微型供电网络, 是新技术在配电网中的应用, 是智能电网的 组成部分 * 分布式电源并网不一定要依靠微电网技术 ; 但微电网必然包含分布式电源, 同时配置能量管理系统 控制装置 储能装置等实现 自治 友好 48

49 2. 微网的组成 微网介绍及微网研究现状 1 微网主要是由微型电源 负荷 储能装置 能量变换设施 控制系统等组成 2 网内的微型电源的总功率一般小于 10MW, 每个 DG 均由电力电子技术提供所需要的控制和接口 微源 ( 如微型涡轮燃气轮机, 燃料电池, 以及可再生能源 ) 与用户直接相连, 安装在相应的区域内

50 典型的微网结构 潮流控制器 分隔器 ( 断路器 ) 光伏电池 敏感负荷 A 保护协调器 热负荷 微型电网调度 能量管理器 可调节负荷 B 变电站 PCC 静态开关 燃料电池微型燃气轮机 微型电网主隔离设备 非敏感负荷 C 电力传输线信息流保护信息传输线

51 微网介绍及微网研究现状 3. 微网的结构 1 微网基本结构 微网一般是由多条辐射状馈线和负载群组成, 辐射状配电网通过固态转换开关 ( Static Transfer Switch) 在公共耦合点 (Point of common coupling) 与主干配电系统相连 每条馈线具有断路器和潮流控制器 2 微网通信结构 : 微网的通信结构是由三个基本层组成, 首层是微网中央控制器 (Microgrid Central Controller), 次层是负荷控制器 (Load Controller) 和微源控制器 (Microsource Controller), 底层是可控负荷与可控微源

52 河南郑州财专分布式电源接入及微电网控制智能电网试点项目 类型 : 并网型 电压等级 :380V 容量规模 : 光伏 350kW; 电池储能 200kW/200kWh 研究内容 : 研发微电网 控制管理系统, 实现微 电网自动运行控制 52

53 浙江分布式发电 / 储能及微电网接入控制试点项目 类型 : 并网型 电压等级 :380V 容量规模 : 光伏 60kW; 风电 10kW; 双馈模拟系统 30kW; 柴油机 250kW; 蓄电池储能 60kW/60kWh; 飞轮储能 250kW 研究内容 : 建成微电网试验仿真平台, 提出微电网多目标优化能量管理控制算法 53

54 陕西世园会微电网试点项目 K1 类型 : 并网型 母线 380V 电压等级 :380V 容量规模 : 光伏 50kW; K4 4QF 50K PVI K3 2QF 逆变器 K2 3QF 逆变器 K5 5QF UPS 并网支路充电 K6 6QF 重要负荷旁路输入 K10 10QF UPS 离网支路 K7 7QF K8 8QF 9QF 风电 12kW; 锂电池储能 备用 备用负荷 1 景观照明 3-5kw 25kW/50kWh 50kW 光伏 6kW 风机 6kW 风机 UPS 展厅照明 15kw 研究内容 : 实现微电网 与充电站的协调运行以 及与智能家居的互动融 合 54

55 中国电科院微电网关键技术 (Key Technology) 微电网无缝切换技术 由并网切换到独立 在主电网故障或电能质量超标时, 微电网将由并网运行模式切换到独立运行模式, 系统电压 电流调节过程如下图所示

56 4. 微网的功能 微网介绍及微网研究现状 基于分布式能源系统的微型电网具有三个独特功能 : 微源与负荷控制 : 分布式发电和微电网利用分布式发电控制进行有功和无功的控制 当网压或负载发生变化时, 与 DG 耦合的功率和电压控制器能快速响应, 无须与上级系统通信 微网中央控制 : 微网中央控制器为每个微型电源的控制器设定工作点 ( 功率和电压工作点以及微元控制开关 ), 提供运行控制功能, 其响应时间以分钟计算

57 微网介绍及微网研究现状 电网保护 : 微电网内的保护通过电力电子技术实现与电网接口, 实现配电网与微网间柔性 可控的连接, 确保微网在不同运行情况下灵活快速的切换, 以及配电系统和微网的运行安全性 可靠性 经济性

58 微网介绍及微网研究现状 5. 微网的运行方式 1. 正常情况下, 微网与配电网并网运行, 向电网供出多余的电力或是由电网补充自身发电量不足 2. 电网发生故障或电能质量不满足要求时, 微网应及时与电网隔离并采取孤网运行, 由分布式电源向微网内的负荷供电 无论是并网还是孤网, 均需要对微网的各个分布式电源和储能装置进行有效的控制, 实现两种模式之间平滑的切换, 保证电压和频率的变化在允许的范围内

59 (1) 微电网试点项目分布 试点项目地理分布 : 国网公司已建成国网公司在建其他已建成 59

60 (3) 国网公司在建成微电网试点项目 序号 工程名称 蒙东陈巴尔胡旗微电网 北京未来城微电网试点 扬州开发区微电网试点 江西共青城微电网试点 浙江南麂岛微电网试点 浙江鹿西岛微电网试点 电压等级 装机容量 储能应用 380V 120kW 有 10kV 900kW 有 10kV 1.1MW 有 380V 500kW 有 10kV 10kV 3.13M W 1.86M W 有 有 系统构成 光伏 100kW; 风电 20kW; 锂电池储能 100kW/100kWh; 100kW 柴油发电机 光伏 900kW; 锂电池储能 300kW/1200kWh 光伏 1100kW; 锂电池储能 250kW/500kWh 光伏 500kW; 锂电池储能 250kW/500kWh 光伏 525kW; 风电 1000kW; 柴油机 1600kW; 锂电池 1500kW/ 4500kWh; 超级电容 1000kW; 光伏 300kW; 风电 1560kW; 蓄电池储能 1000kW/1000kWh; 超级电容 500kW/15s; 自平衡能力 强 强 较弱 较弱 较强 较弱 公司依托以上示范项目, 拟统一制订微电网技术标准 备注 预计 2012 年建成 预计 2012 年建成 预计 2012 年建成 预计 2013 年建成 预计 2013 年建成 预计 2013 年建成 60

61 河北承德围场县御道口村庄微电网试点项目 类型 : 并网型 电压等级 :380V 容量规模 : 光伏 50kW; 风电 60kW; 锂电池储能 100kW/128kWh 研究内容 : 实现微电网与农网的协调运行管理, 在接入控制及储能设备研制方面取得多项 技术突破 61

62 (4) 中国电科院张北国家风电检测中心微电网实验平台 类型 : 并网型 电压等级 :380V 容量规模 : 光伏 140kW; 风 电 20kW; 锂电池储能 100kW/400kWh 实现功能 :100% 新能源穿透率 全工况无缝切换 1# 风电机组 3*4kW DC 单相逆变器 AC 2# 风电机组 3*4kW 单相逆变器 DC AC 1# 储能柜 2# 储能柜 100kW 双模式 PCS DC AC 11# 储能柜 600kVA APF&SVG 12# 储能柜 DC AC 分布式电源功率平滑控 制 基于功率预测的能量管理系统 微电网性能检测 15kW 三 AC 相逆变器 DC 20kW 聚光光伏 15kW 三 AC 15kW 三 AC 15kW 三 AC 相逆变器 相逆变器 DC 相逆变器 DC DC 40kW 跟踪光伏发电系统 100kW 三相逆变器 AC DC 80kW 屋顶光伏 100kVA 三相可控负荷 实际负荷 至张北检测中心

63 微网介绍及微网研究现状 6. 微网与大型电网结合所带来的优点 集中管理控制分布式电源, 使其性能得到最大发挥, 减少主干电网在峰荷时期所承受的紧张情况, 起到 削峰填谷 的作用 ; 为中低压等级的用户企业, 如 CBD( 中央经济商务区 ), 高科技企业产发区 住宅小区以及孤立 偏远地区用户提供高质量的电力供应 ; 采用冷热电联产 (CCHP), 为用户提供综合能源解决方案 ; 微源在负荷中心区附近, 减少了输配电能量损耗, 有例子表明同样是热电联产, 传统的集中式供电的效益为 71%, 而以微型燃气轮机为微源的微网效益达到 85% ; 可把微网纳入现有电力系统的负荷侧管理 (DSM), 为电力企业提供紧急功率支持等服务 ; 提高整个电网的运行效率, 同时还可以减少对环境的污染 ;

64 性高通输过电推系动统电灵源活的性分和散安性全提 安全性 降低资源费用控制价格波动 提高可靠性和电能质量 协助管理间歇式可再生资源, 推动环境友好型技术的运用 绿色能源 辅助配电系统优化同时提供电力服务 电力系统 根据不同的价位为用户提供不同的质量和数量的服务

65 问题 1: 微网运行特性 微网复杂性 : 多种资源输入 ( 光 风 氢 天然气等 ) 多种产品输出 ( 电 冷 热 ) 多种转换单元 ( 光 / 电 热 / 电 风 / 电 ; 直流 / 交流 ) 多种运行状态 ( 并网, 独立 ) 一些电源的间歇性和随机性 认识微网复杂动态行为是揭示相互作用机理的基础

66 问题 2: 微网优化设计

67 问题 2: 微网优化设计

68 问题 3: 微网的控制策略 可调度容量 微网控制系统 可再生资源 大型中型小型储能装置 发功电率控分制配与调度 电能平衡 多级优化 负载控制 发电预测 风能 太阳能 生物能

69 问题 3: 微网优化设计

70 负荷 (kw) 问题 5: 微网能量优化与管理 目的 : 全系统资源利用效率最大化 思路 : 在满足运行约束条件下, 最大限度利用可再生资源, 保证整个微网运行的经济性 在微网高渗透率情况下, 通过对微网输出的有效控制, 降低配电系统损耗 热负荷 电负荷 时刻 (h)

71 微电网已研究内容 微电网接入模式的研究 微电网控制 微电网保护 DG 容量配置 微电网 微电网经济分析 微电网电能质量 接入标准 微电网仿真建模

72 未来配电系统定会有众多微网存在 ( 高渗透率 ) 输电系统 : 接有常规发电机组, 地域广 输送电能, 电压等级高 环网运行, 停电影响大 常规配电系统 : 无电源接入, 区块化 分配电能, 电压等级低 损耗大, 一般开环运行 停电频繁, 影响用户可靠性 发 / 输 / 配投资 : 1/0.5/0.7 国际 1/0.23/0.2 中国 微网的存在, 完全改变了配电网系统的特征! 许多输电系统的安全性 保护与控制等类似的问题同样需要关注, 但由于二者功能 结构 运行方式完全不同, 关注的重点与研究方法截然不同

73 问题 1: 微网与配电网相互作用的机理 微网作为可输入 输出功率的特殊电源分布于配电系统, 微网间将会相互影响, 进而影响电网的运行可靠性 ; 输电系统中稳定性问题将在配电系统中存在, 配电结构和微网特性的特殊性, 决定了需求探讨新的稳定性分析理论和方法 解释相互作用机理是提高系统运行安全性的前提 目前研究局限于案例分析和实验性结果, 尚缺乏相关机理的深刻认识

74 问题 6: 微网及含微网配电系统的控制 微网并网运行状态 优化协调控制 紧急解列控制 微网解列过渡状态 并网控制 微网孤网运行状态 微网并网过渡状态 恢复控制 微网恢复过渡状态 过渡状态 保护与控制必须保证各种状态间的平滑过渡 ; 必须保证微网并网与独立运行状态的电能质量要求 ; 分布式电源的多样性 电源的间歇性等增加了困难性, 而多微网的协调控制和保护更加困难 目前采用孤岛保护和控制, 不允许微网独立运行, 这降低微网的独特优势, 尤其在大面积停电情况下, 微网难以发挥作用

75 智能配电网框架 (Microgrid)

76 目 录 智能配电网起源和发展智能配电网核心价值分布式电源和微电网技术主动配电网关键技术相关问题和应用实例分析总结和展望 77/46

77 主动配电网的来源 2008 年 CIGRE C6.11 工作组发布的研究报告使用了 active distribution networks (ADN) 的术语, 国内有学者根据报告的内容, 将其翻译为 主动配电网 78/46

78 主动配电网的特点 主动配电网是可以综合控制分布式能源 微电网 ( 分布式发电 柔性负载和储能 ) 的配电网, 可以使用灵活的网络构架实现潮流的有效管理, 分布式能源在其合理的监管环境和接入准则基础上承担对系统一定的支撑作用 79/46

79 主动配电网核心理念 PDN ADN 主动规划主动控制主动管理主动服务 80/46

80 主动配电网与微电网 电网形式所属关系运行状态 主动配电网企业电网 常态并网 条件孤岛 微电网客户电网常态孤岛 条件并网 81/46

81 主动配电网的发展动态 2012 年 863 项目 主动配电网的间歇式能源消纳及优化技术研究与应用, 在广东电网示范 2014 年 863 项目 多源协同的主动配电网运行关键技术研究及示范 将分别在佛山 北京 贵阳 厦门进行示范 82/46

82 主动配电网的发展动态 能够自主 广东电网主动配电网示范工程 协调控制间歇式新能源与储能装置等分布式发电单元, 积极消纳可再生能源并确保网络的安全经 济运行 83/46

83 主动配电网的发展动态 贵州主动配电网示范工程 集水电 风电 光伏 冷热电联供 储能 电动汽车充电设施的主动配电网集成示范工程 84/46

84 2 主动配电网关键技术体系 85/46

85 主动配电网关键技术体系 高渗透率分布式发电对配电网的影响 1 提高配电网的经济性, 考虑其可用率, 为提高配电网规划效率提出新方向 2 3 对电压稳定 继电保护 故障定位 能量管理方面产生影响 ; 也对配电网产生间歇性影响, 建立相应的并网技术进行控制管理 购售电双方角色变换, 出现能量投资或运行商, 市场运营模式将面临新的变革 86/46

86 主动配电网关键技术体系 1 ADN 综合规. 划设计 1 2 ADN 运行. 控制 3 ADN 运营. 模式 87/46

87 主动配电网规划设计 分布式能源 消纳模式 点消纳 线消纳 面消纳 ADN 的间歇式能源能量流 88/46

88 主动配电网运行控制 主动配电网 消纳机制 89/46

89 主动配电网运行控制 AND 三种控 制方式 网侧运行控制模式 源网侧运行控制模式 网双侧协调运行控制模式 源侧运行控制模式 90/46

90 网侧运行控制模式 主动配电网运行控制 电网侧应用 ADMS, 仅依靠直接对中压并网点开关 联络开关 储能装置 电能质量治理装置等电网侧可控设备进行控制 源 -- 网双侧协调运行控制模式 在网侧运行控制模式失效的条件下, 通过用户侧微网管理系统 ( 或分布式发电控制系统 ) 间接地, 或通过协议直接地对用户侧的光伏发电系统进行有效控制, 从网端 发电端协调抑制其对配电网的影响 91/46

91 主动配电网运行控制 源侧运行控制模式 对于一定渗透率并网用户侧而言, 应用微网管理系统 ( 或分布式发电控制系统 ); 对于多个零散小规模发电在配电网的并网, 原则上应实现自发自用及少量上网, 电网侧仅监测并网点动态 仅当以上两种情形在发生影响电网稳定运行或电能质量超标时, 电网侧应用 ADMS 直接通过并网点开关设备进行切除 92/46

92 主动配电网灵活运营模式 主动配电网灵活运营模式 以光伏并网为例 : 在用户处投建光伏发电, 在满足用户需求的基础上要求电网完全接受和消纳, 实现自身利益最大化 用户要求接入光伏以降低用电成本, 多余电力则上送电网进一步获取利益 此外, 可能存在第三方能量管理企业对用户内部进行能量优化管理 93/46

93 主动配电网的定义与愿景 CIGRE 定义 : 主动配电网 (Active Distribution Network,ADN), 即内部具有 分布式或分散式能源且具有控制和运行能力的配电网 输电网络 高压配网 110kV 中压配网 10kV 低压配网 0.4kV 售电公司 G G G G 负荷 负荷聚合体 负荷 发用聚合体 发电聚合体 风力发电 光伏 储能 主动配电网 MG 微网 冷热电三联供 主动配电网的愿景 在主动配电网中, 随着分布式发电的发展和电力市场的建立, 将出现一批售电公司, 分为 : 负荷 发电和发用聚合体, 组织起来参与电力市场, 提供电能和辅助服务 ; 作为联结用户与输电网的重要配电基础设施, 不仅承担确保配电网安全运行的配电调度员的职责 ; 还将肩负使得用户可以方便参与电力市场买卖电能 协调控制分布式发电的重任, 即使市场的经营者 ; 主动配电网的目标是在确保电网运行可靠性和电能质量的前提下, 增加对现有配电网对可再生能源发电的容纳能力 94

94 主动配电网的三大要素与相互关系 为什么要发展主动配电网 : 气候变化 服务质量 监管 输电网 主动配电网 主动管理 控制 规划与服务 可控资源 配电网基础设施 资产管理保护和控制自动化信息通信技术 电力市场 ( 动态电价 ) 一次设备 : 电缆直流配网新材料 二次系统 : 自动化系统通信系统保护系统 分布式电源静止无功补偿器需求响应发用电聚合体

95 主动配电网的基础设施 坚强可靠的一次网络 变电站 馈线和变压器是配电网的基础装备 提高一次设备可靠性的手段 : 以电缆代替架空线 配电线路建在路边, 远离树林 以补偿接地代替隔离接地 把 10KV 电压等级提高到 20KV 简化主变和高压电网的拓扑结构 增加调压器和有载调压变压器 低压直流配网 电力电子设备 灵活有效的二次系统 重合闸和断路器 快速切换开关 中压馈线 二次变电站和低压电网的监测 : 除了传统的电压 电流监测, 还要增加温度传感器, 门位置传感器和各种类型的可视化传感器以增强资产管理能力 电能质量监测仪, 故障记录仪, 配网 PMU 和局部放电监测设备等 各种通信技术 光纤 无线网络 电力线载波和卫星 以太网

96 主动配电网中可控资源 光伏发电 风电 有功一般不能调节, 特殊情况下, 可向下调节 无功功率可调, 可参与电压控制 生物质发电 地热 三联供机组 有功 无功均可控 储能 ( 电动汽车 ) 有功可控 电容 电抗 调压变压器 静止无功控制器 无功电压控制 需求侧响应 大用户 小用户集群控制 负荷控制 直接负荷控制 电压敏感负荷

97 主动配电网的核心理念 充分利用主动配电网的可控资源, 研究可以实现电网侧的主动规划 管理 控制与服务 负荷侧的主动响应和发电侧的主动参与的核心技术 ( 装置与系统 ), 变被动接受为主动利用, 实现主动配电网的运行目标 上级电网 可控资源 ( 电源 ) 分布式能源 冷热电联供 储能系统 主动 主动 规划 主动 适应主动 装置和系统 控制主动参与 服务主动管理 可控资源 ( 用户 ) 需求响应 电动汽车 运行目标 高电能品质 高运行可靠性 清洁能源的高渗透率 为主网提供电能与备用服务 98

98 1 配电网主动规划 传统规划, 侧重一次电网架构的确定与变压器容量的选择, 很少考虑配电自动化系统 通信系统和配电网管理系统对电网运行可靠性的影响 主动规划强调建设坚强可靠的一次电网架构 深度协调的二次自动化系统与功能强大的智能决策支持系统 主动规划的第二层涵义体现在对分布式可再生能源发电的态度上 主动规划强调由配电网规划设计单位主动对区域内的分布式可再生能源发电能力进行主动评估, 掌握区域内可再生能源发电的资源分布, 主动规划接入点, 评估消纳能力, 并在必要时, 对电网进行前瞻性改造

99 主动配电网规划的要素 高品质主动配电网规划必须综合考虑传统的一次网络设备 新型智能保护开断设备 分布式能源 ( 发电和储能 ) 新型配电设备 ( 电容 / 电抗器 ) 和用于构成环网的新增配电线路 / 馈线的综合影响 现有配电网 变电站 现有配电网 规划 变电站 智能配电网 现有传统保护 / 开断装置 新的智能保护 / 开断装置 分布式电源 新型配电设备控制器电容器 新的配电线路馈线 变电站 变电站 智能配电网

100 基于多重信息的空间负荷预报技术 智能配电网中的空间负荷预报必须考虑分布式电源 电动汽车 需求侧响应对空间负荷的影响, 识别出负荷和分布式发电的模式 空间负荷预报需要充分利用智能电表数据和精确气象预报数据 ; 还需要考虑现有和新增负荷的终端模型, 对每一类负荷建立对应不同日期类型的负荷曲线 空间负荷预报技术是高品质配电网规划的基础 与只关注系统负荷数量增长的传统负荷预报相比, 空间负荷预报除了关注负荷数量的增长, 更加关注负荷在何时何处增长 空间负荷预报在长达 20 年的时间跨度内, 对住宅小区 馈线及系统的年度峰值负荷进行预报 这些预报结果可用于确定新增配电设施 ( 变电站 馈线 变压器等 ) 的最佳位置 空间负荷预报基于小区人口数据 历史负荷和气象数据 土地使用情况和地理信息

101 主动配电网的规划运行一体化系统 目标 通过运行与规划的充分互动, 实现主动配电网的更精 确 更高效 更灵活 更智能的规划发展 用户 主动配电网规划运行一体化的可视化推演互动展示技术 算法 能源信息协调的主动配电网主网配网一体化规划技术 平台 基于多代理的时序场景模式演进模拟技术 主动配电网的规划与运行的滚动校验评估技术 主动配电网运行数据 主动配电网规划方案 102

102 二 配电网的主动管理 资产管理 充分利用目前配电网中配置的多源量测 综合利用物联网 传感和大数据分析技术 故障管理 对高可靠性用户, 推广自愈技术 抢修管理系统与调度自动化 用户管理系统的集成 分岛运行 : 充分利用利用分布式电源 继电保护管理 继电保护定值的在线整定 适应于主动配电网的新型保护系统 供电质量管理

103 故障管理缩短故障停电时间 SAIDI (system average interruption duration index) SAIFI (system average interruption frequency index) Source: [2] Equipment for Feeder Automation - Recent Trends in Feeder Automation Seminar IEEE PES Miami Chapter Miami, Florida June 2, 2005, John McDonald, KEMA, Inc.

104 供电质量管理 防治结合 预 防 治 理 基于同步信息量测进行网络等效的主动配电网安全合环技术 基于高可靠性电源主动寻找的重点用户运行风险预防管理技术 针对电压暂降和短时中断的有源快速切换管理技术 基于双端同步信息量测的单相接地故障快速电网自愈技术

105 有功无功功率协调控制机制 基于电压主动调节的负荷柔性控制 - 协调控制架构 长时间尺度 - 全局优化控制 智能电网全局有功 - 无功协调优化控制 协调控制体系包括 区域 1 区域关口指令 自治控制策略 区域 2 区域关口指令... 区域关口指令 区域 n 全局控制器 : 全局优化 局部控制器 : 区域自治 DG 目标 DG VVC CVR 短时间尺度 - 局部自治控制 实时态电网 实时负荷数据 电网物理约束 半定规划求解 关口功率指令 末端电压指令 全局优化 协调控制模式 新型可控单元 动作指令 新型可控单元协调控制 线路电压上下限约束 新型可控单元调节约束 优化态电网 扰动 区域自治

106 有功无功协调的全局优化控制 全局 - 局部协调控制 全局优化控制 区域自治控制 建立全局有功 - 无功协调优化的数学模型, 并通过对该模型的优化计算确定智能电网中所有的控制变量取值, 从而实现网损最小或经济效益最高等优化目标 关口有功功率关口功率因数馈线末端电压幅值 负荷变化情况可控单元状态量 在长时间尺度优化协调控制的间隔周期内, 通过充分调动本区域内各种新型可控单元参与调节, 修正实际运行工况与理想优化工况的偏差, 以保证各区域能在全局优化所得的最优状态附近运行

107 有功无功协调的区域自治控制 短时间尺度 局部控制器 手段 目标 有功功率 DG( 柴油发电机 光伏 风电 蓄电池等 ) 无功功率 DG 电容器等无功调节设备 柔性负荷 电压敏感性负荷 消除区域内扰动, 跟踪全局优化目标 策略 接收由全局控制器发来的关口有功 功率因数 馈线末节点电压等指令, 通过对控制区域内有功 无功与柔性负荷的调节, 修正区域内运行工况与下发指令的偏差

108 多能源系统联合运行优化控制 针对主动配电网中多种能源时空特性的互补特征, 对分布式发电 冷热电三联共机组 电压敏感负荷 需求侧响应 ( 激励响应负荷 ) 电力储能 ( 含电动汽车 ) 蓄热和蓄冷设备进行协调优化, 实现多能源系统的联合优化运行与风险平抑

109 四 : 主动配电网的主动服务 主动规划分布式电源接入点 提供用户接入能力的分析 分布式能源接入 提供短期电力定制 短期提升供电品质 短期定制电力 服务能力 用户 互动 需求响应 辅助服务 全面的互动互惠 多能源利用 冷热电联供 能效管理

110 五 : 用户的主动响应 需求侧响应不仅仅是电网发电负荷平衡的手段 仅仅依靠电力工业不可能完全解决能源问题, 必须鼓励用户主动参与 电网平衡 能源 公共事业 建筑 用户舒适度 节能 信息技术

111 需求侧响应的类型 需求侧 需求侧响应 能效 分布式资源 用户控制 可靠性 经济性 动态电价 无风险电价 容量 报价 分时电价 单一电价 紧急响应 日前市场 实时电价 阶梯电价 辅助服务 实时市场 期货

112 六 : 可再生能源发电的主动参与 可再生能源消纳不仅仅是电网公司的责任 为了消纳可再生能源发电, 全民和电网公司都做出了牺牲 售电收入的损失 : 用零售电价收购可再生能源发电 旋转备用 : 天气不能永远阳光普照, 在阴天下雨时, 电网必须供电 可再生能源发电需要主动适应 现代电力电子技术的快速发展, 使得光伏发电可以具备一定的无功电压支撑能力 光伏发电机组通过配备的小型储能, 可以对其输出功率进行平滑, 可以减少对电网的冲击 改进逆变器的设计可以动态改变其阻抗, 减少谐波振荡

113 主动配电网的基础 : 全面量测 现状 电网监控自己设备用户管理自己设备 缺点 信息不完整系统决策依据不足 目前配电网量测范围 实施主动配电网后量测范围 措施 主动拓宽量测范围兼容用户侧信息 完整的信息 配电终端监测设备 (IDU) 系统决策的依据 用户信息 分界室的用户端信息 同步信息 智能电表的信息 分布式发电的信息 用户配电设备信息

114 综合配电单元 IDU 适用于主动配电网的综合配电单元 电能质量监视故障谐波数据 装置内置数据存储单元, 在当地保留电能质量监视 故障录波和谐波的有关信息, 在需要时可上传

115 主动配电网态势感知技术 基于状态估计 快速仿真分析和风险预警的多信息源主动配电 网态势感知预警技术

116 多源信息融合的态势感知技术主动配电网项目研究成果协同交互控制技术负荷柔性控制集群需求响应多能源优化与风险平抑电能品质控制技术安全合环技术重点用户风险预防非有效接地单向接地自愈有源快切技术主动配电网信息平台共享管理技术元件即插即用安全可信接入技术平台总线技术 IDU 地调 DMS 电量 AMI 负荷需求特性辨识综合配电单元和布点优化多源态势感知 117 通信信道支撑通信信道支撑规划运行互动决策技术时序场景模式演进主配一体化规划可视化决策与互动推演滚动校验评估规划运行互动决策系统运行控制系统关键技术集成示范 配电自动化

117 主动配电网项目实施框架 状态估计态势感知负荷柔性控制合环控制需求集群响应优化控制多能源系统协同优化 主配电网协调规划 运行信息抽取与时序场景模拟 规划目标与运行性能滚动校验互评估 可视化展示 可触摸交互 配网规划辅助系统 可靠性分析系统 调度自动化系统配电自动化系统营销自动化系统 可视化展示系统 分布式电源 常规能源分布式电源分布式储能电动汽车需求侧响应 118

118 目 录 智能配电网发展智能配电网核心价值分布式电源和微电网技术主动配电网关键技术智能电网未来发展展望 119/46

119 主动配电网与智能电网 主动配 网络功能 电网是 智能化 智能配电网技 灵活性高效性可持续性 术发展 的高级 阶段技术 微网可靠电网 自治电网 主动配电网 网络规模 120/46

120 智能配电系统与大电网控制问题的典型区别 分布式电源与接入大电网的电源特性明显不同, 后者为同步发电机, 具有自同步性, 前者很多采用电力电子逆变装置上网, 不具有自同步性 储能单元影响 微网中符合波动对电源输出影响更大, 而大电网中负荷波动相对冲击小 微网的运行状态多变, 要求状态转换时无缝切换, 大电网没有类似问题 微网与大电网网络结构和规模完全不同, 控制方法完全不同 二者间的控制目标完全不同, 大电网侧重于安全稳定性, 微网还要同时关注电能质量问题 控制成本上微网需要更加经济 相对大电网而言, 微网中许多保护控制问题是独有的, 需要独立研究

121 智能电网 通过应用先进的数字信息技术, 实现电网的现代化, 以满足各种关键的功能需求 ; 实现用户的积极参与 ; 兼容各种发电和储能设备 ; 创造新的产品 服务和市场 ; 实现资产优化提高运行效率 ; 以自愈的方式对系统中的扰动进行预测和响应 ; 灵活运行以抵御各种物理破坏 网络攻击和自然灾害 ; 根据需求提供各种不同质量的电能

122 SmartGrid 项目的体系框架 电力系统规划 项目工程以及系统工程 标准 技术和最有方法 战术方法 ( 电力系统环境和技术无关框架 ) 战略视图 SmartGrid 项目由 EPRI 主持, 相关的基金由 CEIDS( 支持数字社会的电力基础设施联盟 ) 提供 ( 分布信息的高级概念 ) 商业需求 ( 功能需求 )

123 电动汽车智能家居智能楼宇智能社区智能城市智慧地球 124/46

124 人们对高可靠性供电的要求越来越高 借助于 SCADA 和合环运行, 新加坡电网的运行可靠性已经高达 %

125 现代配电网的建设目标 为了应对配电网物理结构的变化, 充分利用配电网的特点, 必须建设现代配电网 现代配电网就是所谓的智能电网, 尽管定义千差万别, 但目标只有一个 : 借助于现代计算机技术和分析手段, 实时分析电网运行状态, 实时做出最优决策 增强电网运行可靠性 提高能源利用效率 消纳可再生能源发电 加强与用户的互动 利用现代传感和计算技术实现对各个装置的全面感知 借助现代通信技术将系统中的各个元件联系起来

126 集中式发电和分布式发电并行 现代配电网的特点 电网环网运行, 交直流混合电网 消费者正在变成发供者 储能装置 高峰时峰谷差加大 电动汽车正在快速出现

127 结论 分布式电源 微电网 电动汽车和高品质供电需求的出现改变了传统配电网的形态, 产生了一系列新的问题需要解决 信息通信技术的快速发展与现代配电网的密切结合, 产生了主动配电网 主动配电网的核心理念是配电网侧的主动规划 主动管理 主动控制与主动服务, 用户侧的主动响应和发电侧的主动参与 以信息集成为基础, 结合主动配电网理念和大数据技术的配电网规划运行控制技术是智能电网的重要研究方向

128 2016/9/21

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