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解密微電網(wǎng):多元場景規(guī)?;茝V,新桃舊符風光無限

更新時間:2023-04-27   點擊次數(shù):461次
1. 微電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究1.1 微電網(wǎng)基本情況介紹1.1.1 微電網(wǎng)的構成組分

微電網(wǎng)的主要概念是:由分布式電源、新型儲能系統(tǒng)、電子電力設備、電力負荷、計量、保護、能源管理系統(tǒng)等組成。這些信息,包括:

分布式電源:主要是指在各類工業(yè)園區(qū)、商業(yè)綜合體、住宅樓、公共建筑中的太陽能、風力發(fā)電、生物質發(fā)電等非水力可再生能源發(fā)電設備(包括 DC/DC變流器、 DC/AC逆變器、變壓器、支架等)。另外,在離網(wǎng)運行時,通常使用備用的柴油作為輔助電力。在微電網(wǎng)中,分布式電源的主要作用是產(chǎn)生潔凈電能,為用戶提供電能,一般采用“自發(fā)自用,剩余電量上網(wǎng)"的方式。

新型儲能系統(tǒng):傳統(tǒng)的抽水蓄能技術由于其反應緩慢、初期投入大、受地理位置等原因,在微型電網(wǎng)應用中通常不適合。目前,以鋰離子電池居多,主要有鋰離子電池、鈉電池、水系電池、液流電池等。鋰離子電池的主要組成是:磷酸鐵鋰+ BMS+ EMS+ PCS。另外,先進的壓縮空氣和飛輪等物理存儲技術也逐漸被用于微型電網(wǎng)。在微電網(wǎng)中,新型儲能的作用是儲存新能源產(chǎn)生的電能,并根據(jù)微電網(wǎng)的運行情況,對新能源進行削峰、抑制波動,從而達到電力供需平衡和能量分配的目的。它還能作為應急電力系統(tǒng)的“黑啟動"或應急供電。

用電負荷:由三種不同的負載組成,一種為可調的建筑物負載(如空調,電梯,照明,電熱鍋爐);第二種是住戶可調負載(如家用空調、電熱水器、電冰箱等);第三種是新的負載,如充電樁、 IDC。目前,在全國范圍內(nèi)的微型電網(wǎng)示范中,*典型的就是充電基礎設施,它的主要作用是為電動車充電,其中慢充-停充組合(85%左右),既可以充電又可以停車。

電力電子設備:主要分為兩大類:一類是傳統(tǒng)的電力設備,如線路,斷路器,隔離開關,接地刀閘,電纜等;第二種是智能化、數(shù)字化的電力設備,如智能功率儀表(與電量傳感器相匹配)、柔性直流輸電設備、新型臺區(qū)智能集成終端。傳統(tǒng)電力裝置在微網(wǎng)中的作用是:電力傳輸、整流、調壓、逆變、變頻等;新型電力設備,承擔著實時監(jiān)測、監(jiān)測、采集電源、儲能、負荷(尤其是電源端,新能源的波動、斷續(xù)、預測、并網(wǎng)控制等功能,電力系統(tǒng)的監(jiān)控、保護。

智慧能源管理平臺:其具體表現(xiàn)為嵌入式軟件和控制算法,在微網(wǎng)中的應用比較廣泛,它的作用是從更高的層面上來管理和管理各個設備,包括整體的能量管理、調度優(yōu)化、以及與主網(wǎng)之間的交互以及離網(wǎng)的切換。另外,隨著全國碳交易市場的不斷完善,能源管理平臺也從“以電為主"轉向“以碳為中心"的“以碳為中心"為核心的“以碳為中心"的綜合管理,同時支持碳核算、碳交易等功能。

總體來說,“源+網(wǎng)+荷+儲"是一個自主系統(tǒng),可以實現(xiàn)自身控制、監(jiān)控和保護、能量管理,更經(jīng)濟、高效、安全地實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)功率平衡、系統(tǒng)優(yōu)化、故障檢測、質量保護以及低碳減排,屬于一套完整的新型能源系統(tǒng)。

圖1 微電網(wǎng)基礎架構

1.1.2 兩大主要運行模式

微電網(wǎng)按照運行模式的不同,可分為離網(wǎng)型微電網(wǎng)和并網(wǎng)型微電網(wǎng):

A. 離網(wǎng)型微電網(wǎng)

離網(wǎng)式微網(wǎng)是獨立的,不需要與主網(wǎng)進行任何連接,這些設備都是建立在偏遠邊境、海上孤島等傳統(tǒng)電力系統(tǒng)難以觸及的區(qū)域,以滿足當?shù)氐幕A供電需求。以海島為例,我國海島數(shù)量較多,居民較少,總用電量較低,要想與主網(wǎng)連通,必須要在很遠的地方架設電力網(wǎng),而在陸地上,則要鋪設海底電纜,這就是一筆龐大的投資和維修費用,而在這個時候,可以利用海島上豐富的風能、太陽能資源,來解決用電問題。此類微電網(wǎng)的建設難點是電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和維護。

亞洲發(fā)展銀行曾經(jīng)把離網(wǎng)微網(wǎng)分為三種類型,分別是“光柴系統(tǒng)"、“光儲柴系統(tǒng)—柴發(fā)主網(wǎng)"、“光儲柴系統(tǒng)—儲氣網(wǎng)",隨著對可再生能源的滲透率不斷增加,而第二種方式的應用*多,大多數(shù)島嶼都是以柴油發(fā)電機為主網(wǎng),為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓、頻率支持。

B . 并網(wǎng)型微電網(wǎng)

在并網(wǎng)微電網(wǎng)和主網(wǎng)之間有一種 PCC接口,在正常條件下,能夠與主網(wǎng)并網(wǎng),相互支持,進行能量的雙向交流;在發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)的品質或質量不符合規(guī)定時,能夠及時切斷主網(wǎng),實現(xiàn)自給自足,同時,離網(wǎng)方式的轉換要平穩(wěn)、迅速。比如:

1)在微網(wǎng)中的總電力消耗大于所管轄的電力供應(含存儲系統(tǒng)的備用電力)時,該微電網(wǎng)可以啟動“并網(wǎng)模式",向主電網(wǎng)購買電力,并向其供電;當微電網(wǎng)絡中有大量的電力,它還可以通過逆向的方式將其賣給主網(wǎng);

2)在主網(wǎng)負載較大的時候,可以采取脫網(wǎng)方式,將主網(wǎng)與微網(wǎng)的聯(lián)接切斷,以抑制主網(wǎng)的波動,并在突發(fā)事件中確保本網(wǎng)所管轄的負載的供電可靠性;

圖2 并網(wǎng)型微電網(wǎng)基礎架構

1.1.3 三類重點應用場景

當前的微電網(wǎng)主要是并網(wǎng)式的,它的名字也有很多種,每一種名字都代表著不同的應用場景,比如“源網(wǎng)負載與存儲一體化"、“光儲存儲/測試"、“光儲數(shù)"、“零碳工業(yè)區(qū)"等。但它的核心就是建立在一個相對封閉的小區(qū)、小區(qū)、小區(qū)、加油站、充電站/數(shù)據(jù)中心,并根據(jù)實際用電負荷水平、周邊新能源**條件和電網(wǎng)條件,通過新建分布式新能源、新型儲能、電力電子設備等裝置,形成一個穩(wěn)定可靠的區(qū)域性綜合智慧能源管理體系。

A.  “光儲+"場景

“光儲充"、“光儲數(shù)"等概念更加具體,更有針對性,比如“光儲充"就是以充電站為核心的。

1)“光儲充"微電網(wǎng),利用分布式光伏發(fā)電,為電動汽車充電,補充太陽能電池的非連續(xù)性,提高新能源的消納能力,達到一定程度的削峰填谷;

2)“光儲充"系統(tǒng)與外界主網(wǎng)的連接,主要是利用夜晚的低谷電價,在充電高峰期間,由微網(wǎng)中的光伏發(fā)電和儲能系統(tǒng)和主電網(wǎng)共同為充電站提供電力;

3)特別是在超充時代來臨之際,“光儲充"技術可以很好地應對高壓、大電流對電力網(wǎng)絡的影響,“光儲、充電站"有望成為未來的發(fā)展趨勢。

江蘇,海南,上海,北京,山東,已建成了大量的光儲充電樁。目前的布局廠商有 CATL,華為,領充,天合光能,特斯拉。

另外,“光儲充"還衍生出了“光儲充放"、“光儲充檢"、“光儲充放檢"等新的應用,并將V2G技術與電動汽車智能檢測技術相結合,為用戶提供綠色、經(jīng)濟、智能、智能、便捷的服務。“光儲充放"綜合發(fā)電站是能源互聯(lián)網(wǎng)建設、能源數(shù)字化和 VPP建設的一項重要措施。

圖片圖3 “光儲充檢"一體化場景

B. “零碳+"場景

“零碳工業(yè)園區(qū)"的重點突出了工業(yè)園區(qū)的環(huán)境,并要求在整個運行期間,將所有的二氧化碳排放量都中和,或者說凈量。執(zhí)行路線包含:

1)能源:采用屋頂光伏、光伏車棚、小型風力發(fā)電設備等可再生能源,有條件的園區(qū)還應建設沼氣和熱泵系統(tǒng),并配備儲能電站、儲熱儲冷裝置等滿足園區(qū)的供暖、制冷和供電需求;

2)負載:,每年都要將車輛全部電動化,配備充足的電動車充電站,可利用風力發(fā)電、光伏等可再生能源發(fā)電;其次,應用節(jié)能、隔熱、環(huán)保等環(huán)保技術,在整個園區(qū)內(nèi)都裝有智能儀表,并由智能能源管理系統(tǒng)實現(xiàn)集中控制;

3)碳排放(和“光儲充+"的*大區(qū)別):大規(guī)模的森林綠化(一株成熟的樹木每年可從大氣中吸取21.8公斤二氧化碳);CCUS的專業(yè)碳吸附設備/工程,例如某些小而高效的生物碳吸附工程(例如,在大樓的外墻上懸掛海藻,每千克海藻可以吸收2 kg左右的CO2,每年可以生產(chǎn)200 kg的海藻),碳匯的貢獻可以和碳交易市場掛鉤。

很顯然,與“光儲充+"等概念不同,“零碳工業(yè)園區(qū)"是將“凈零碳排"這一概念引入到綠色發(fā)電體系中,著重研究了“工廠零碳",“建筑零碳"和“交通零碳"三個方面的工業(yè)園區(qū);

它不僅突出了我國清潔能源的發(fā)電量和消納率,而且在“節(jié)能減排",“綠化碳匯"和“CCUS技術"等方面,還將綠色電力、綠色證券、 CCER等多種貿(mào)易手段相結合,拓展了利潤空間。

C. 源網(wǎng)荷儲一體化"場景

“源網(wǎng)絡的負荷與儲存整合是*廣泛的。按照國家發(fā)展改革委、國家聯(lián)合印發(fā)的《關于推進電力源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補發(fā)展的指導意見》,“源網(wǎng)荷儲一體化"的實施途徑主要有“區(qū)域(省級)源網(wǎng)荷儲一體化"、“市(縣)源網(wǎng)荷儲一體化"、“園區(qū)(居民區(qū))源網(wǎng)荷儲一體化"等三種具體模式。

目前,“源網(wǎng)、存儲、存儲"的*大體現(xiàn)就是“園區(qū)級",“光儲數(shù)"、“光儲數(shù)"、“存儲/存儲"、“零碳園區(qū)"等,實質上,都是“園區(qū)級的源、電、電一體化"。從“園區(qū)級"到“市縣級"的“源網(wǎng)、荷儲一體化",特別是在“整縣推進"的分布式光伏政策下,“市、縣、縣、鄉(xiāng)、鄉(xiāng)、村、村、鄉(xiāng)、縣的“源網(wǎng)荷儲一體化"正在迅速推廣,到目前為止,7個省份已經(jīng)發(fā)布了50 GW以上的“源網(wǎng)荷儲"計劃。

文章隨后統(tǒng)一版本,以“源網(wǎng)荷儲"示范工程為代表的并網(wǎng)微網(wǎng)。

另外,需要指出的是,微電網(wǎng)可以在現(xiàn)有的基礎上或與現(xiàn)有的配電網(wǎng)絡相結合;它可以是一個單一的微電網(wǎng),也可以是一個由若干個微網(wǎng)組成的小電網(wǎng)。

1.1.4 多種電網(wǎng)架構類型

(1)電網(wǎng)架構類型

根據(jù)電網(wǎng)結構的不同,并網(wǎng)微電網(wǎng)可以分為:交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)。

AC微網(wǎng):分布式電源、儲能設備等都是由電源設備與 AC匯流排相連的。目前,微網(wǎng)仍以交流微電網(wǎng)為主。

圖4 交流微電網(wǎng)運行架構

直流微電網(wǎng):分布式電源、新型儲能系統(tǒng)、各種負載等都與直流母線相連,直流電網(wǎng)由電力電子逆變器與外界的交流電網(wǎng)相連。直流微網(wǎng)采用功率電子轉換設備,能夠為不同電壓等級的交流、直流負載提供電能,并可在直流側調節(jié)分布式供電及負載的變化。

交直流混合微網(wǎng):它包含交流母線和直流母線,它能對交流負載和直流負載進行直接的電力供應。

圖5 直流微電網(wǎng)運行架構

(2)演變趨勢預期

在微網(wǎng)中,分布式光伏、(超)充電樁/IDC、新的能量存儲系統(tǒng)等都可以提供 DC/DC的輸出?!昂?和“儲"的“源"直流將推動直流和直流混合結構成為電網(wǎng)中低壓側發(fā)展的重要方向,該系統(tǒng)已經(jīng)在一棟大樓和多棟大樓中進行了應用。

單體建筑:“光儲直柔",也就是“直"變直流,讓建筑電氣設備具有“柔性"(“柔性"),與傳統(tǒng)的太陽能建筑相比,太陽能發(fā)電系統(tǒng)可以將電力利用率提升6-8%,前期投資降低10%-20%,更節(jié)能。

在多個建筑領域:由國網(wǎng)和南網(wǎng)牽頭的多個交直流混合微網(wǎng)示范項目已經(jīng)完工,其中蘇州同里的交直流混合微電網(wǎng)示范項目為例:該示范項目已經(jīng)建成了4.38兆瓦的系統(tǒng),并具有連續(xù)的負載能力,其中包括:

1)“源":2.901 MW多種可再生能源,如太陽能(屋頂/幕墻/道路);

2)“網(wǎng)":交聯(lián)和直流微電網(wǎng)

3)“荷":2.691 MW的多樣化 DC負載,如充電樁(DC快速充電)+數(shù)據(jù)中心, AC負載0.97 MW;

4)“儲":超級電容和磷酸鐵鋰的混合存儲,目前已經(jīng)建設完成:

利用電力電子變壓器,可在10 kV、±750 V、±375 V直流、直流-375 V直流-直流-柔性交叉互聯(lián);

圖片圖6 蘇州同里“光儲直柔"示范項目

交、直流復合微電網(wǎng)可以有效的改善電力系統(tǒng)的運行效率、可靠性、降低系統(tǒng)的復雜性、穩(wěn)定的控制、電力的交互作用,是今后配電網(wǎng)絡發(fā)展的必然趨勢。正是基于交直流的混合型網(wǎng)絡結構,使得微電網(wǎng)有望從1.0時代的“點消納",2.0時代的“線消納"走向3.0時代。

圖7 微電網(wǎng)發(fā)展階段演變

1.1.5、微、主電網(wǎng)間關系及發(fā)展必要性

(1)微、主電網(wǎng)的核心差異

通過對微電網(wǎng)的分析,我們發(fā)現(xiàn),微網(wǎng)與主網(wǎng)的區(qū)別在于:

1)發(fā)電端:微網(wǎng)是指分散/分散的新能源,如風電、光伏等,其發(fā)電量波動大、間歇性高;目前的主電網(wǎng)主要集中在大型火電、水電等大型集中式電力系統(tǒng)上,屬于基礎負荷,發(fā)電相對穩(wěn)定;但不管是火電、水電、風電、光伏,都有一個共同點,那就是電力和電力的實時均衡(不能超過某個限度)。

2)電力用戶:目前的微電網(wǎng)主要是以工業(yè)園區(qū)、單位大院、居民小區(qū)為主,相對于電網(wǎng)所面對的全社會來說,這種封閉的環(huán)境下,電動車的數(shù)量密度處于高位,因此,它所承受的隨機、無序充電壓力也就越大。

其次,不同的體系結構:

1)主網(wǎng)仍然是“源隨荷動"的基本結構,也就是說,發(fā)電廠把一次能源轉化為電能,經(jīng)過輸電、變電、配電,*終實現(xiàn)電能的生產(chǎn)和消費,在此期間,由發(fā)電站向用電終端提供了一個單向的能量輸送。

2)微型電網(wǎng)的情況就不一樣了,它的風機、光伏組件隨時間、氣候而變化,同時電力負荷也會發(fā)生變化,因此需要更多的儲能系統(tǒng)、柔性臺區(qū)等具有能量存儲、轉換屬性的新型路由裝置,以實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)能源生產(chǎn)與用能負荷的動態(tài)平衡,并充分保證新能源的消納,也就是“源—網(wǎng)—荷—儲"的聯(lián)動。

(2)發(fā)展微電網(wǎng)必要性

如果我們?nèi)匀皇敲海ɑ痣姡?,而不是像電動汽車這樣的隨機負載,那么,主電網(wǎng)就能更好地完成火電的發(fā)電和輸配,*多也就是在增容線路、輸配電線路和數(shù)字化/智能化運營上投入。

發(fā)展微電網(wǎng)的背景是,在“2060年,碳達峰,2060年"的指導下,我國能源產(chǎn)業(yè)的碳排放量達到40%的電力工業(yè),應加快建設新能源為主的新型電力體系,提高新能源的消納和儲存能力,以滿足“雙碳"的目標。與之對應的是,以風力、光伏為首的非水可再生能源在整個社會的發(fā)電量中所占比例不斷增加(到2021年底已經(jīng)超過12%),預計到2030年將成為主要的發(fā)電站(約25%-35%)。然而,風電、光伏發(fā)電雖然綠色、潔凈、取之不盡,是的替代傳統(tǒng)能源的主要新能源,但其在實際應用中也有許多問題,對電力供需雙方都造成了負面影響,從而引發(fā)了新的需求,推動了我國的發(fā)展。以下文章將從電力供應和電力需求兩方面論述發(fā)展微型電網(wǎng)的必要性

A. 發(fā)電側必要性:體現(xiàn)為風電、太陽能的并網(wǎng)不利影響。

一方面,風電、光伏發(fā)電具有間歇式、波動性的特點,比如風力發(fā)電的功率與風速強度有關,而風速又與季節(jié)、天氣、時間等因素有關;同時,太陽能的發(fā)電量與光強有著密切的關系,而這種關系還與日出、高度、日落等因素密切相關。

這種新能源的隨機性,會給傳統(tǒng)電網(wǎng)(中、低壓配電網(wǎng))帶來負面的影響,如:局部電壓越界,電壓波動加大,潮流逆向流動頻繁,短路電流增加,供電可靠度降低,電能質量下降,繼電保護裝置誤動,增加調峰難度。

圖片圖8 風電、光伏發(fā)電隨機性