國(guó)外智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展綜述范文
本站小編為你精心準(zhǔn)備了國(guó)外智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展綜述參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。
《電子質(zhì)量雜志》2016年第9期
摘要：
近幾十年來(lái)，智能電網(wǎng)吸引了大量電力市場(chǎng)參與者與研究人員，它被認(rèn)為是能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。對(duì)可再生資源的整合、實(shí)時(shí)需求的及時(shí)響應(yīng)及間歇性能源的配置管理，是智能電網(wǎng)工程的主要挑戰(zhàn)。近年來(lái)，信息和通信技術(shù)的發(fā)展極大推動(dòng)了當(dāng)代智能電網(wǎng)的新成員--微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，但微電網(wǎng)的發(fā)展還需考慮到諸如系統(tǒng)性能優(yōu)化、系統(tǒng)建模、實(shí)時(shí)監(jiān)控、控制方法等問(wèn)題。該文闡述了智能電網(wǎng)的概念和主要特征，簡(jiǎn)述了近年來(lái)國(guó)外主要微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)工程的發(fā)展概況。
關(guān)鍵詞：
智能電網(wǎng)；微電網(wǎng)；分布式發(fā)電；微電源仿真
0引言
隨著人們的焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向氣候變化和能源安全，分布式發(fā)電(DG)變得越發(fā)引人注目。分布式發(fā)電大量采用環(huán)境友善的可再生能源，以能源利用最優(yōu)化及環(huán)境效益最大化為目標(biāo)，來(lái)確定分布能源的容量和發(fā)電方式[1]。此外，日益增長(zhǎng)的全球資源環(huán)境壓力與公眾的節(jié)能減排意識(shí)，電力市場(chǎng)自由化進(jìn)程的推進(jìn)為分布式發(fā)電的發(fā)展提供了機(jī)遇。智能電網(wǎng)將成為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要工具，它潛在經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益包括增加技術(shù)投資以促進(jìn)就業(yè)、減少二氧化碳排放水平以及勞動(dòng)與社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展[2]。智能微電網(wǎng)基于面向系統(tǒng)服務(wù)架構(gòu)，它包含了系統(tǒng)建模、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與系統(tǒng)控制，如圖1所示[3]。研究人員提出了許多創(chuàng)新的概念和方法，這些對(duì)于建設(shè)智能電網(wǎng)中可持續(xù)電力系統(tǒng)具有重要價(jià)值。智能微電網(wǎng)的建設(shè)對(duì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)電力系統(tǒng)有著重要的意義，迄今為止，各國(guó)科研人員對(duì)智能微電網(wǎng)的建設(shè)提出了種種設(shè)想和思路，并在實(shí)驗(yàn)室中逐一測(cè)試和探索[4]。本文回顧了智能電網(wǎng)的特性，并對(duì)國(guó)外微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)工程做了簡(jiǎn)要介紹。
1智能電網(wǎng)系統(tǒng)概述
1.1智能電網(wǎng)的技術(shù)要求
智能電網(wǎng)是綜合信息網(wǎng)絡(luò)和電力網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)，即整合能量與通訊體系。在智能電網(wǎng)中，輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)上的潮流都是雙向的，電網(wǎng)輸電及配電線路上均有可靠的雙向通信。所以，可靠快捷的通信技術(shù)對(duì)未來(lái)智能電網(wǎng)的項(xiàng)目成功實(shí)施至關(guān)重要。智能電網(wǎng)面臨的主要挑戰(zhàn)之一，就是將現(xiàn)有的傳統(tǒng)的“被動(dòng)配電網(wǎng)”升級(jí)到具有雙向通信能力的“主動(dòng)配電網(wǎng)”。對(duì)照智能電網(wǎng)的基本特性，傳統(tǒng)電網(wǎng)升級(jí)到智能電網(wǎng)具有需要采取的措施如下[5]：
1)自愈性
●電網(wǎng)需具有高可靠性，以及各個(gè)層次上具備固有安全性；
●廣泛使用傳感器和控制設(shè)備，進(jìn)行連續(xù)的評(píng)估自測(cè)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)中問(wèn)題部分的隔離及恢復(fù)。
2)經(jīng)濟(jì)性
●資產(chǎn)的最優(yōu)化利用以及采用應(yīng)用響應(yīng)需求和需求側(cè)管理；
●電力生產(chǎn)不再采用分層分布，使用消費(fèi)驅(qū)動(dòng)的分布式發(fā)電；
●使用網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化技術(shù)減少人工干預(yù)。
3)低碳環(huán)保
●對(duì)多種能源資源進(jìn)行整合；
●對(duì)污染物和二氧化碳的排放進(jìn)行管理。
4)雙向通信
●在雙向高速通信網(wǎng)絡(luò)上使用智能設(shè)備傳輸信息；
●電力消費(fèi)者與供電公司可以雙向溝通，電力消費(fèi)者可以查詢用電情況以及定制合適自身需求的消費(fèi)方案。除此以外，降低輸電網(wǎng)上的電能損耗及環(huán)境保護(hù)問(wèn)題也是建設(shè)智能電網(wǎng)需要考慮的因素。
1.2從傳統(tǒng)電網(wǎng)走向智能電網(wǎng)
智能電網(wǎng)是一種具備自愈性的先進(jìn)數(shù)控輸配電網(wǎng)，不僅實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)內(nèi)部信息的數(shù)字化通信，還能夠與電力市場(chǎng)和用戶進(jìn)行交互和實(shí)時(shí)響應(yīng)[6]。在智能電網(wǎng)中，設(shè)想包含了成千上萬(wàn)的分布式微電源及大型電力生產(chǎn)企業(yè)，安裝了分布式發(fā)電設(shè)備的家庭及個(gè)人用戶甚至可以將自身富余的功率出售反饋給電網(wǎng)。它類似與互聯(lián)網(wǎng)模式，無(wú)論自何種資源生產(chǎn)的電能，不論其生產(chǎn)方式，不管是傳統(tǒng)能源還是可再生能源，都可在電網(wǎng)各處被生產(chǎn)及消耗。與智能電網(wǎng)相比，傳統(tǒng)電網(wǎng)是一個(gè)剛性系統(tǒng)，沒(méi)有動(dòng)態(tài)柔性及可組性，主要表現(xiàn)在電源的接入和開出、電能的傳輸?shù)确矫妗Ｔ趥鹘y(tǒng)電網(wǎng)中，電力企業(yè)垂直集成獨(dú)立運(yùn)作，多級(jí)控制機(jī)制反應(yīng)遲緩，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性差，同時(shí)也不可重配制和重組；系統(tǒng)的自愈能力差；對(duì)客戶服務(wù)內(nèi)容少，信息交流單向；系統(tǒng)內(nèi)部缺乏信息共享，使得系統(tǒng)中多個(gè)子系統(tǒng)被孤立，不能構(gòu)成一個(gè)實(shí)時(shí)的有機(jī)統(tǒng)一整體[7]。智能電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)的比較詳如表1所示。建立一個(gè)功能完整的智能配電網(wǎng)有著如下挑戰(zhàn)：
1)對(duì)配電網(wǎng)所有關(guān)鍵元素安裝智能傳感器或計(jì)量設(shè)備，保證其與電網(wǎng)具有雙向通信功能；
2)高級(jí)測(cè)量體系(AMI)系統(tǒng)與測(cè)量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(M-DMS)及用戶室內(nèi)網(wǎng)(HAN)的集成和同步；
3)用戶服務(wù)門戶系統(tǒng)、企業(yè)能源計(jì)劃系統(tǒng)、客戶語(yǔ)音服務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)；
4)智能的在線實(shí)時(shí)故障檢測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)；
5)根據(jù)用戶響應(yīng)制定、實(shí)行實(shí)時(shí)電價(jià)策略；
6)對(duì)高低壓電網(wǎng)的SCADA系統(tǒng)進(jìn)行整合。
2微電網(wǎng)技術(shù)的研究和智能電網(wǎng)工程
要實(shí)現(xiàn)進(jìn)化智能配電網(wǎng)絡(luò)的靈活和智能操作和網(wǎng)絡(luò)控制，廣泛的研究是必要的。電器可靠性技術(shù)協(xié)會(huì)(CERTS)成立于美國(guó)，目的是提高電力系統(tǒng)的可靠性，關(guān)注電力市場(chǎng)、監(jiān)管制度與環(huán)境影響。CERTS最早提出了微電網(wǎng)的概念，得到了美國(guó)能源部的高度重視。微電網(wǎng)是一種將分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置、電力電子變換設(shè)備及監(jiān)控保護(hù)裝置有機(jī)結(jié)合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)。分布式電源最有效的利用方式之一，就是通過(guò)微電網(wǎng)的形式接入配電網(wǎng)。利用微電網(wǎng)的形式將分布式電源接入配電網(wǎng)，將促進(jìn)分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)的性能具有較大改善，包括減少輸配電損失，提高輸配電容量，便于提高電壓等級(jí)及電能質(zhì)量。雖然采用分布式發(fā)電技術(shù)有著突出的優(yōu)勢(shì)，但目前在實(shí)際應(yīng)用上仍有一些問(wèn)題有待解決，例如，由于目前智能電網(wǎng)的建設(shè)并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的水平，在正常情況下，“孤島”運(yùn)行方式一般只在主網(wǎng)受到擾動(dòng)或故障時(shí)才會(huì)發(fā)生。當(dāng)電網(wǎng)中接入間歇性能源進(jìn)行分布式發(fā)電時(shí)，會(huì)出現(xiàn)從主網(wǎng)脫離而進(jìn)入“孤島”模式運(yùn)行的情況。美國(guó)田納西州庫(kù)克維爾大學(xué)建立了一個(gè)微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)工程，開始對(duì)電網(wǎng)中這兩種不同的孤島模式的檢測(cè)區(qū)分進(jìn)行研究，通過(guò)本地檢測(cè)和遠(yuǎn)程檢測(cè)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了孤島檢測(cè)，將智能算法及模式識(shí)別引入孤島檢測(cè)是未來(lái)的研究方向之一[8]。在歐洲在各大實(shí)驗(yàn)室，微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目正在如火如荼的進(jìn)行著。例如希臘的國(guó)立雅典理工大學(xué)(NTUA)的單相試驗(yàn)型微電網(wǎng)[14]，德國(guó)ISET研究所中DeMoTec實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的采用太陽(yáng)能技術(shù)作為分布式電源的微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，曼徹斯特大學(xué)的分布式能源與飛輪儲(chǔ)能技術(shù)試驗(yàn)系統(tǒng)。這些項(xiàng)目涉及了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的微電網(wǎng)的運(yùn)行和模擬[9]。NTUA已經(jīng)將多系統(tǒng)(MAS)，可控負(fù)載和綜合監(jiān)控系統(tǒng)成功整合至微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中。MAS是一種適用于自治的多個(gè)智能之間行為協(xié)調(diào)的系統(tǒng)，隨著智能電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)程的推進(jìn)，電力系統(tǒng)的控制逐漸由集中式轉(zhuǎn)向分布式，原有的以EMS系統(tǒng)為代表的集中式控制系統(tǒng)將被逐步取代。在NTUA的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，將復(fù)雜的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為由4種不同的節(jié)點(diǎn)組成，包括電能生產(chǎn)單元、電能消費(fèi)單元、電力系統(tǒng)及微電網(wǎng)中心控制器(MGCC)。DeMoTec微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室將采用風(fēng)機(jī)、光伏、熱電連供等多種分布式電源供電，若使微電網(wǎng)成功運(yùn)行在孤島模式，系統(tǒng)中的儲(chǔ)能設(shè)備是不可或缺的，因此系統(tǒng)配備了30KW的鉛酸電池儲(chǔ)能設(shè)備。該實(shí)驗(yàn)室證明了合理利用可再生能源進(jìn)行微電網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可行可控的，更多的相關(guān)信息請(qǐng)參閱文獻(xiàn)[10]。在日本，該國(guó)最主要的官辦新能源開發(fā)機(jī)構(gòu)NEDO于2005年開始在青森、愛(ài)知縣和京都三個(gè)區(qū)域開展使用分布式可再生能源發(fā)電的電網(wǎng)項(xiàng)目。而這些項(xiàng)目側(cè)重于發(fā)展與優(yōu)化系統(tǒng)的控制與能源管理系統(tǒng)。盡管微電網(wǎng)的技術(shù)可行性已經(jīng)在工程中多個(gè)實(shí)際測(cè)試項(xiàng)目中被證實(shí)，但是還是所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境改善還有待進(jìn)一步研究[11]。馬六甲馬來(lái)西亞技術(shù)大學(xué)(UTEM)的電氣工程系近期設(shè)想了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室級(jí)的微電網(wǎng)系統(tǒng)。如圖2所示[12]，該系統(tǒng)包含發(fā)配電網(wǎng)及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的潮流變化及運(yùn)行狀態(tài)都通過(guò)傳感器和變送器讀取，然后使用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議由以太網(wǎng)送至服務(wù)器進(jìn)行處理，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要，在服務(wù)器上可以使用自定義的控制算法。
3實(shí)驗(yàn)室中的微電源仿真
微電網(wǎng)中使用的電源包括太陽(yáng)能電池陣列、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、飛輪儲(chǔ)能裝置、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中直接使用可再生資源進(jìn)行發(fā)電是不合適的，因?yàn)槿〉眠@些資源的投資是昂貴的，而且需要大量的安置空間。另一個(gè)不利因素是可再生資源的重生成是難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和不可控的。實(shí)驗(yàn)室中的微電源仿真對(duì)于了解微電源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性十分重要，可作為其他研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。以下對(duì)太陽(yáng)能電池陣列、風(fēng)輪機(jī)及微型汽輪機(jī)的模擬仿真做簡(jiǎn)要介紹。
3.1太陽(yáng)能電池陣列的模擬
圖3所示為一個(gè)太陽(yáng)能電池模型伏安特性曲線，仿真器模擬直流電壓輸出的變化調(diào)整。光伏模擬器包含一套直流發(fā)電機(jī)(4000rpm，42V)及一臺(tái)120V2KW的直流可調(diào)電源。
3.2微型渦輪機(jī)
微型渦輪機(jī)在分布式發(fā)電系統(tǒng)中廣泛使用，并且在電熱聯(lián)產(chǎn)(CHP)系統(tǒng)中提供電源。微型渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是一種單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，它可以驅(qū)動(dòng)單軸和分軸機(jī)組。微型渦輪機(jī)可以用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)來(lái)模擬。
3.3風(fēng)輪機(jī)模擬
圖4所示為一種風(fēng)輪機(jī)模擬的實(shí)施方案，它包含了3個(gè)部分：風(fēng)速模擬器、發(fā)電機(jī)、電力電子轉(zhuǎn)換器。直流電動(dòng)機(jī)和異步電機(jī)都使用電力電子調(diào)速裝置。
4未來(lái)研究的方向
智能電網(wǎng)的發(fā)展至今仍有許多問(wèn)題有待解決，全面實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的智能化建設(shè)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程。通過(guò)對(duì)更多更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)和并網(wǎng)與孤島模式過(guò)渡的研究，智能電網(wǎng)的可靠性和安全性將進(jìn)一步提高。下面簡(jiǎn)要介紹未來(lái)智能電網(wǎng)與微電網(wǎng)相關(guān)領(lǐng)域的研究方向。
4.1替代能源的管理
建設(shè)智能電網(wǎng)的最終目的是實(shí)現(xiàn)能源兼容與替代，智能電網(wǎng)使用的各種類型的可再生能源，如太陽(yáng)能和風(fēng)能等。丹麥在全球風(fēng)能領(lǐng)域一直都位居世界前列，據(jù)丹麥政府公布的策略計(jì)劃書，至2025年，丹麥風(fēng)力發(fā)電比例將提高至50%以上[13]。加利福尼亞州州長(zhǎng)杰瑞•布朗(JerryBrown)在2015年宣布了新的能源計(jì)劃目標(biāo)，在2030年之前將可再生能源電力的比例提高到50％，加利福尼亞州在光伏發(fā)電、太陽(yáng)熱發(fā)電和地?zé)岚l(fā)電的引入上迄今一直走在美國(guó)的前列。由于分布式替代能源位置分散，難以實(shí)現(xiàn)大容量?jī)?chǔ)能及系統(tǒng)具有隨機(jī)性的特點(diǎn)，需要建立用以協(xié)調(diào)統(tǒng)一控制的虛擬電廠(VPP)，促進(jìn)可再生能源未來(lái)的高效和可靠的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的集中調(diào)度和市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)[14]。
4.2能源效率與需求響應(yīng)
提高智能電網(wǎng)的能源效率，一方面是通過(guò)使用節(jié)能高效的儀表和通信設(shè)備，使同時(shí)具備通信的可靠性和時(shí)效性；另一途徑是通過(guò)需求響應(yīng)機(jī)制。需求響應(yīng)要求客戶改變他們的正常的消費(fèi)模式，使供電部門和電力用戶可以同時(shí)監(jiān)控和調(diào)整用電行為，以響應(yīng)系統(tǒng)的要求的變化。例如將尖峰時(shí)段的用電需求轉(zhuǎn)移到低谷時(shí)段，顯著提高系統(tǒng)的利用率。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，需要開發(fā)從能源計(jì)量解決方案，到動(dòng)態(tài)電網(wǎng)整合管理和可靠的通信系統(tǒng)一整套智能系統(tǒng)。
4.3自愈系統(tǒng)
在傳統(tǒng)的電力網(wǎng)絡(luò)中，自愈是難以實(shí)現(xiàn)的，在傳統(tǒng)電網(wǎng)中的細(xì)小故障就可能會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間大規(guī)模停電。隨著智能電網(wǎng)的概念的提出，未來(lái)配電網(wǎng)將以更有效的方式來(lái)監(jiān)測(cè)和處置故障，包括故障檢測(cè)、故障定位和自我恢復(fù)。這些都需要強(qiáng)大的通信系統(tǒng)為電力安全提供保障，更重要的是對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定控制體系及故障協(xié)調(diào)的模型和算法的研究，總結(jié)以往大停電事故的相關(guān)演化規(guī)律。
5結(jié)語(yǔ)
本文簡(jiǎn)述了智能電網(wǎng)的主要特征，總結(jié)比較了傳統(tǒng)配電網(wǎng)與智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)手段。此外，通過(guò)介紹美國(guó)、歐洲、亞太地區(qū)微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的研究概況，能夠?qū)Ξ?dāng)今國(guó)外微電網(wǎng)研究進(jìn)展及先進(jìn)理念有更加直觀的了解，這也是進(jìn)一步研究和拓寬研究思路的有效途徑。最后，本文對(duì)智能電網(wǎng)未來(lái)的研究方向作了簡(jiǎn)要的總結(jié)和展望。
參考文獻(xiàn)：
[1]李樹青,陳培育.分布式發(fā)電現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析[J].甘肅科技,2014,30(16):68-71.
[6]陳德桂.智能電網(wǎng)促進(jìn)了低壓電器新品種的發(fā)展與新技術(shù)的應(yīng)用[J].低壓電器,2010,(23):1-7.
[7]張強(qiáng).展望智能電網(wǎng)與智能電能表的發(fā)展[J].中國(guó)計(jì)量,2012,(8):38-40.
[13]陳柳欽.國(guó)內(nèi)外新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)[J].河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,32(5):5-13.
[14]張小平,李佳寧,付灝.配電能源互聯(lián)網(wǎng):從虛擬電廠到虛擬電力系統(tǒng)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2015,35(14):3532-3540.
作者:朱然 孫冀 單位:南京師范大學(xué)
