可再生能源并网引发的能源新问题

可再生能源并网引发的能源新问题

1电力黄金律:智能电网,或为己有随着世界经济的快速发展，人口的持续增加，人们生活水平的不断提高，能源和环境污染日益严重。为了可持续使用能源和保护地球环境,各国都在积极开发利用可再生能源。目前的电力系统还是半个世纪以前的格局,属计划经济模式。电力部门总把电力事业据为己有,独占鳌头,从而垄断市场价格,这是黄金律,没商量。20多年前,很多国家引入了电力市场,该黄金律受到了很大挑战。2002年,美国电科院提出了智能电网的概念,并在欧洲得以实现,如今智能电网已得到世界各国的普遍接受。传统电力市场不是真正意义上的理想市场,真正意义上的理想电力市场应该是智能电网。如今从电力电子角度看,新能源并网发电技术似乎比较成熟,但可再生能源大量并网后会出现什么新问题?未来的能源格局将会如何?各国还在探索之中。近期,作者阅读了《富士时报》(富士电机公司内部期刊)的许多有关新能源、微电网、智能电网、智能社区的文章,觉得一些思想值得借鉴,遂推介此“他山之石”,供同行共享。2智能电网,协同电网可再生能源大量使用后,电能质量面临着巨大挑战。如果并入电网的容量超过电网供给量的10%,电网的频率和电压就会不稳定。而且,电能的流动已不是单从电力公司的发电站流向用户一方,而是双方向的,甚至在各用户之间流动。为了应对微电网的波动,须在电网侧增设大量的补偿设备,显然这些设备的运行率并不高,很不经济。通过信息技术将用户和电网融合在一起,实现协调运行,让电网自身具备电力最优供需控制功能,以极大地提高电力供应能力和利用效率,这就是智能电网。智能电网就是为实现该协调控制的一种手段。智能电网以数字化电力设备为基础构成网络节点,既控制能量流,也控制信息流,使强弱电技术相互融合。数字化电力设备涉及智能传感、智能诊断、智能操作、专用集成电路开发、电磁兼容、网络化信息交互等技术。其最终目的是达到测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化及信息互动化。智能电网技术已成为强化国际竞争力的战略支柱。智能电网能够吸纳其所覆盖地区范围内的光伏发电、风力发电、生物质发电等分散型电源,从而大幅度提高该地区的能源自给率。这样,在地震、洪涝等大范围灾害发生时,可以分散能源基础设施遭受损坏的风险,并利用多种当地生成的能源以迅速恢复该地区重要部门的能量供应。在智能电网内,通过大范围扩大利用新能源,结合推广应用具有高节能性能的楼宇、高效率的交通系统、可靠安全的供水系统等,实现低碳、便捷的城市基础设施,这就是智能管理的构想。在此构想下,规划和展开新城市开发、城市改造等工程。3智能社区的结构3.1电网智能化发展随着发展中国家工业园区、新城区的不断创立,其能源供给、水源供给、交通、物流等社会基础构建将需要大量投资;发达国家在经济增长期间所装备的既有能源设施通过基础设施再投资和开发,逐步更新为智能电网是必然趋势。目前,世界上有300多个新城市开发和城市改造正在进行中,涉及的不单纯是电网智能化问题,还拓展到如何构建包括生活用水、交通、物流等与能源相融合的环境友好的城市空间问题,即智能社区、生态城的问题。图1是智能社区的示意图。智能社区的市场需求不是提供单一的核心技术,而是把作为能源基础设施的能源供给、能源流通乃至用户对能源的高效利用等一并考虑,构成一条“一站式”的能源供应链,作为商业规划操作,且要求具有水供给、废弃物处理、交通、物流等综合的社会系统开发者的功能。3.2智能电网swill-内驱力图2是富士电机考虑的智能社区架构。富士电机拥有大规模火力发电、水力发电、地热发电的工厂技术,还能提供可利用低温低热的双工质循环发电、轻量可弯曲的非晶太阳能电池、工业用磷酸燃料电池等很有特色的供电方用的产品,以及为将以上产品安全接入电网的变电站保护系统、为光伏发电/风力发电时的电力波动进行削峰填谷使之平滑并入电网的一系列电力系统稳定化装置。富士电机把“智能社区”作为社会基础设施的一部分,它涵盖了智能电网、交通系统及给排水等公用设施。其中智能电网的结构分为5个层面,即:功率器件、电力电子设备、用户电网、微电网及作为能源基础设施的智能电网本身。电力电子设备:包括UPS、直流大电流电源、电动汽车的电力驱动、交通运输各领域所需的各种电力电子设备、光伏发电系统逆变器、可再生能源剩余电力储存系统、维持电网电压平稳的无功功率补偿及电压调整器等。富士电机利用其特有的反向阻断型IGBT(RB-IGBT)研发出三电平变换器,其功耗降低了30%~40%。用户电网:智能电网的重点是考虑家庭、产业、交通等用户侧的节能。富士电机以工厂和楼宇的用户为对象,利用EMS实现能源的可视化、分析评估及设备整体的优化运行,且通过电力电子设备向用户综合提供节能对策的解决方案,即绿色导航(GreenNavigation)。此外,随着服务器集成化程度的提高和互联网数据中心(IDC)对能量密度需求的不断增大,电力电子设备以IDC为对象,提供了以超高效UPS和当地空调系统为中心的绿色IDC解决方案,进而以便利店、物流业界为对象,提供一站式节能店铺的综合解决方案。微电网:包括光伏组件、燃料电池、风电机、生物质发电、余热发电等组成的网络。孤岛的电力供应多半还是靠柴油发电机,因此存在着燃料运输费用及环保问题。孤岛的微电网通过现有的柴油发电及蓄电系统的协调运行,消除光伏发电/风力发电等可再生能源发电时所引起的能源供需不平衡,并维持良好的电网质量。智能电网:包括发电厂、变电站、高压电网,它将上述EMS与上位地区的EMS在同一个信息平台上分级联结起来。对于家庭类小规模用户来说,通过“智能电表”实现与上位EMS及电力公司间的双向携手。智能电表除了具备原有的电量累计功能外,还装有信息显示终端,能与上位EMS不断进行信息交换,并根据电力公司的电力供应状况和用户需求响应变更电力售价、指导用户控制负荷。图3为富士电机的地区能源管理系统(CEMS)。4智能社区:创新和完善城市供热环境为了实现低碳社会,人们都在考虑使用可再生能源、电动汽车、节能住宅、零排放楼宇,企业也采用高效率机器。在日本国内,能源最优管理方式是以全区域内的电力公司、可再生能源发电者及用户为对象,推进不单纯是电能,还包括热能、燃气、水环境有效利用、居民生活方式变革等在内的和谐型城市空间构建的实证项目,在海外也积极展开城市和工业园区的电力、热、燃气、水环境、交通等基础设施的整备工程。智能社区通过智能电网等最新技术构建起新一代地区社会。这不但能有效利用能源,还能应用可再生能源,改变交通系统,形成一个节能又舒适的生活空间。这里,信息网络在沟通这些部门联系中充当着重要角色。4.1电力调节系统富士电机把对象地区的电力稳定性和节能低碳化以地区分散方式来实现,构建的新一代能源社会系统不影响输电系统。系统通过智能电表直接/间接控制负荷达到节能,还将热能和燃气等在全地区内融合起来,旨在将有关能源的问题在地区内解决。图4为富士电机用在智能电网和智能社区中的地区分散型新能源社会系统的方案。新能源社会系统要关注4个要点:对象规模、电网品质、能源管理、就地消纳。与此相关的技术是配电自动化系统、系统控制、能源管理系统、分散型电源、供需平衡控制、电网品质稳定性、电量检测、配电设备及作为逆变器/变流器应用的电力调节系统(PCS)等。(1)对象规模:有大有小,以紧凑型私人住宅、联合企业、工业园区、孤岛、无电地区为对象地区。(2)电网品质:对象地区使用分散型电源所产生的电压、频率波动在地区内部吸收掉,以确保电力系统的稳定。(3)能源管理:作为用户的住宅、充电站、店铺、商业楼宇、工厂,在使用电能和热能时,通过信息网络实时收集现场信息,使地区内的能源能融合使用。(4)就地消纳:对象地区的能源控制是将输电系统、地区的热电联供系统、分散型电源系统等结合在一起,以实现就地消纳。基于上述要点,富士电机采取如下措施:社区能源管理系统(CEMS)管理整个社区的能源;能源管理系统(REMS、BEMS、FEMS)管理店铺、楼宇、工厂的能源;智能电表、多级中继无线技术具备用电指导显示和应答输入功能,把握并及时停止/解停用户的电力使用量;分散型电源有薄型光伏组件(轻量可弯卷)、商务用100kW磷酸燃料电池、可低落差发电的微型管状水轮机、将低温热能有效变换成电能的双工质地热发电等技术。新一代配电系统技术包括故障点位置探测与修复、功率潮流监测、电压/频率调节功能;高效运行的电力调节系统实现电网内电力控制,蓄电池充放电实现地区内的电力稳定;稳定电网电能品质的配电设备包括负载率控制变压器(LRT)、IT开关、静止无功补偿器(SVC)、自动电压调节器(SVR)、不停电电源等相关技术;对于孤岛类封闭性微电网,需要进行能源供需的快速最优控制及供需平衡控制。图5为富士电机智能电网系统的总图。4.2用户用电结果可视化以及对用户需求抑制方面的应用信息图6是富士电机用在北九州市的新一代能源社会系统的结构图。这里采用的是控制地区整体能源以实现低碳化目标的应对技术,包括可再生能源与热电联供系统的合作、向电动汽车供电、电动汽车再生电能利用、利用设置在地区内的蓄电池实现电力系统稳定、各用户的用电情况可视化以及根据动态定价和环保激励机制的需求抑制措施等。该系统将对象地区的能源供应者与用户通过信息网络对接,地区能源管理系统进行电、热、氢的计量、运营规划、供需平衡控制及与电力系统的合作,从能源管理上看,可作为环境友好型紧凑城市的典型案例。本能源管理系统的特点如下:(1)地区能源管理系统根据快速应答和频度的需要,将通过专用缆线和通用采集顺序采集的综合能源数据收集在一起,进行一元化管理。(2)根据对象地区的要求,可独立配置多个商务处理,实时控制发电、充放电,掌握各用户的能源利用情况,进行能源供需规划。(3)将收集到的信息提供给外部的服务供应商,以便提供新的服务。表1为地区能源管理系统的各功能项,图7为地区能源管理系统结构图。4.3智能电气系统的应用富士电机参与了关西科学城的“以设施电网为对象的能源控制器开发”,推进了对含有出租办公楼、大会厅、宾馆、餐厅等综合楼宇的低碳化技术示范工程,其目标如下:(1)将整幢综合大楼作为一个封闭网,在综合楼内配备蓄电池、光伏电池、燃料电池、智能电表,通过高效运行蓄电池、燃料电池和热泵,将大楼内的可再生电能和热能在大楼内得到有效利用。(2)通过间接控制负荷,推动承租人实现节能和低碳化,增强承租人和楼宇使用者的环保意识,为综合大楼整体的零排放做贡献。用户能源管理系统是通过在综合大楼内设置紧凑型楼宇用能源控制器来实现的。该控制器在直接控制综合大楼内蓄电池、燃料电池的同时,还通过智能电表间接控制承租人的负荷。通过与传统的以监视和可视化为中心的楼宇管理系统的合作,更有效地利用楼宇内的能源。表2所示为楼宇用能源控制器的主要功能项,图8是以综合楼宇为对象的用户能源管理系统的结构图。4.4工业园区特征富士电机与住友商事株式会社、三菱电机株式会社、东电设计株式会社接受了独立行政法人新能源产业技术综合开发机构(NEDO)的委托,准备进入东南亚国家工业园区,需要考虑的是:(1)为确保稳定生产,要求电能质量水平与日本相同。(2)与日本相比,工厂的能源管理里还有节能、低碳化的充分余地。(3)工业园区的电力合同需求量与一个配电用变电站所管理的电力容量相当,规模上与地区能源管理的对象地区相仿。表3为工业园区用智能电网技术,图9为工业园区智能电网的系统模型。该模型把整个工业园区作为能源管理的对象区域,在整个工业园区内利用电力系统化和能源管理系统实施节能和削峰填谷。主要技术有:在工业园区设置“电能品质稳定化装置”,向多家工厂提供高品质电源;在园区中心,“工业园区EMS”集中管理能源和限制工厂的用电要求。5风力发电系统面临的问题世界上有无数的有人孤岛,其中多数是以独立的电力系统运作的。中小规模孤岛因为规模小,发电机的惯性能量小,易受可再生能源输出波动的影响。20世纪90年代后半叶,欧盟各国为应对地球环境,大力推动风力发电,结果也暴露出很多问题,尽快解决这些问题成为当时的当务之急。为此,孤岛微电网也应运而生。5.1孤岛独立发电系统微电网系统使用多套分散型电源,以保持地区内电力的供需平衡。其特点是:适用于多个用户存在的特定地区;由分散型电源和小规模电力供应网络构成;独立于原有的大规模电力系统,是可现场运行的电力供应系统;分并网型和独立型两种;一般利用信息与通信技术(ICT)对多组分散型电源和负荷进行综合控制。孤岛微电网系统继承了原微电网的特点,是独具特色的中小规模系统,目的是维持可再生能源大量应用时电能品质的稳定性,确保供电的可靠性。孤岛独立发电系统由于受到运作上的限制,一般都采用内燃发电机发电,使用的燃料是CO2排放系数较大的化石燃料。由于远程运输燃料加大了发电成本,因此孤岛独立发电有经济性问题。为此,不能使用化石燃料,而必须大量应用可再生能源,这样既减轻对环境污染的压力,也可降低发电成本。可是,大量应用可再生能源会引发电能质量和可靠性的下降,必须采取必要对策。表4为孤岛应用可再生能源面临的课题。5.2柴油发电机运行参数控制问题孤岛微电网系统基本结构如图10所示,由原来的内燃柴油发电机、可再生能源及电力储存设备组成。各设备发出的电力、电能品质(频率、无功功率等)通过传感器检测,经高速传输线送到微电网控制装置。小规模系统多使用惯性能量小的小容量柴油发电机,可再生能源输出的突变或停止都会造成频率波动、电能品质下降。这种突然波动靠原来发电系统的控制装置(调速控制器)是跟踪不了的,如不采取措施,将造成频率偏离规定值,引发电能品质下降。对于规模为数百千瓦的小规模孤岛,这种频率波动变得更显著,必须进行快速补偿。对于更小的孤岛,发电机的台数也更少,运行调节范围很小。此时,如果可再生能源发电的比例较高,则原有发电机很难在运行范围内稳定运行,为此,必须限制可再生能源的输出能力或冗余电力储存设备,通过增大容量以实现高峰后移运行。对于1MW左右的中规模孤岛,一般采用多台柴油发电机发电,以控制其运行台数为主,如果备用电源余量充足,则其运行范围可以设宽些。因此,微电网系统有望在现有发电设备的控制范围内构建出最经济的系统。5.3微电网控制功能富士电机的“UPS8000G系列不停电电源”产品具有缓冲功能,当高效率燃气发电机突加负荷时,该UPS能协助跟踪负荷,并根据负荷的瞬变在数毫秒到10ms内实现对瞬变的补偿。日本“WindPower西目发电站株式会社”从2008年开始实施抑制风电场输出电能波动的稳定装置试验。通过该试验确认了稳定性控制技术和蓄电池的运用管理技术。在此基础上,进一步开发面向小孤岛的微电网控制功能。图11为用于小规模孤岛的控制功能示意图。该方案在风力发电机解列或光伏发电逆变器停机时能确保频率不偏离。对于多台发电机发电的中规模孤岛,利用发电机的惯性能量可以吸收一部分动态过程中的波动。这种系统发电机的运行范围也较宽,考虑到添加储能设备的经济性,须选择合适的蓄电池并适当减小其容量。系统规模再大时,可再生能源的设置点增多,可再生能源输出波动的检测变得很困难。这种情况下,采用包括负载波动在内的系统快速频率补偿是最有效的方法。微电网中,可用于波动补偿的电容种类很多,包括铅酸电池、锂离子电池、锂离子电容、电双层电容等,选用时需考虑其特性、循环寿命、设置面积、经济性等。一般说,对于峰值后移类负荷均衡用途,需要大容量蓄电池,最好选择体功率密度大的蓄电池。经研究发现,对于只有数分钟短周期波动的补偿,最好采用循环寿命长、体功率密度大的电容;而对于数十分钟以上长周期波动的补偿,可采用包括锂离子电池等在内的各种电池。锂离子电容几乎可与双电层电容一样使用,但比双电层电容体积小、重量轻。5.4跟踪控制频率检测微电网频率检测不单只是为确保电能质量这个指标,还可以获得包括内燃发电机在内的微电网域内的电力供需平衡状况等重要指标。为了对孤岛独立系统整体实现协调控制,针对原有控制设备不能跟踪的瞬时频率波动,微电网控制必须具备有效的跟踪控制功能。系统频率检测的方法如下:设在规定的时间内,系统交流电压从负值(-)变为正值(+)N次,则由N次变化所花时间可求出1次交流循环所用时间。该频率检测需要0.1~10s左右。富士电机以交流电压为信号源,采用独特的误差压缩算法及特性优化滤波,开发出了具有30ms的频率跟踪特性的高速频率检测装置,用于微电网控制功能中的高速频率波动补偿。6微能源的电子能源技术用于微电网的电力电子设备必须具备能安全并入电网并应对频率/电压波动的功能。6.1分散型电源并网保护低电压穿越(LVRT):要并网的微电网首先必须具备LVRT功能。在可再生能源应用数量不多的情况下,当电网电压下降时,分散型电源即使解列对系统整体的影响也很小,不会有什么问题。但应用数量很多时,分散型电源的同时解列将产生发电量与负荷间的不平衡,系统频率的稳定性就下降了。此时不是让分散型电源都解列,而是让部分负载退出,以维持系统频率稳定。因此,分散型电源并网必须满足三点要求:1能应对频率的变化;2电网电压跌落时尽量保持与电网连接,继续供电;3即使解列了,但当电网电压恢复时必须迅速再并网并提供发电。6.2孤岛运行状态并网运行的一个不可或缺功能是要能够检测出孤岛运行的状态(注:这里孤岛不是指岛屿,而是指一种运行状态)。在孤岛运行状态下,容易引发触电、损坏设备,应尽快检出并解列。检测的方式有两种:(1)被动式检测:微电网系统转为孤岛运行时,由于发出功率与负载不平衡,会引发电压相位和频率的急剧变化,将该变化检测出来,即可识别出孤岛运行状态。(2)主动式检测:不断给逆变器的输出施以功率或频率扰动,当系统转为孤岛运行时,其输出阻抗或频率会有剧变,通过检测该变化即可识别孤岛运行状态。目前的配电系统中往往负荷大于发电,被动式检测方法尚能奏效。但当分散型电源增加时,配电系统内的发电和负荷可能达到平衡,此时孤岛运行输出的电压相位和频率没有明显变化,被动式检测方法就难以奏效。以前被动式作为主要检测方法,主动式作为备用。现在相反,随着分散型电源的大量应用,被动式方法有检测不出的风险,所以主动式成为主要方式。目前,特别是对于小规模光伏发电,业内一致认为以无相互干扰的主动式检测方式为宜,而对于中大容量功率变换器(光伏/蓄电池的电力并入系统)的孤岛运行方式还在关注中。6.3电力稳定设备以往,负荷的波动靠控制发电机吸收来稳定频率。但可再生能源一旦发生波动,单靠控制发电机就难以控制供需平衡,因此,可再生能源侧也必须调整输出量,使得其对系统的影响降到最小。该功能可通过电力储存来实现,必须根据波动周期改变蓄电池、锂离子电池、电双层电容等的电力储存方式,即控制其充放电。可再生能源发电量往往会有波动,要抑制该波动就需要与发电机(或发电站)相同台数的电力稳定装置。相比之下,在地域大的地方采用广域型电力稳定设备吸收该波动能使波动得到平均,从而减小设备的总容量,这种方法更经济。这种广域型电力稳定设备是在大范围(如城镇、县及以上)内控制包括可再生能源在内的发电量波动的一种设备。这时需要加大用于电力储存的逆变器的单机容量,或采用并联方式来加大容量。小规模孤岛上的发电机惯性常数小,发电量的波动容易引起电力供需不平衡,甚至发生振荡。这种不稳定状态可以通过电力储存装置予以稳定,但需要高速高精度控制的逆变器。6.4电力稳定系统近年来,随着电力电子技术应用范围的不断扩大,在能源流通领域也能方便地实现复杂控制,使得社会基础设施得到有效利用。图12是富士电机在智能电网上所采用的电力流通供应链的智能化示意图。图中,利用传感器、智能电表监视系统信息,使得系统高效运行,实现发电、流通、消费的最优化。(1)发电用的电力电子技术电力稳定装置是发电方面应用电力电子技术的一个例子。电力系统的发电机多以旋转型为主,微电网本质上也是如此。当电力系统大量应用可再生能源后,其发电的不稳定性影响到了系统的频率控制,电力稳定装置控制蓄电池充放电以补偿可再生能源输出的波动,使并网公共点上合成的输出电力是平滑的,目的是稳定系统的电压和频率,如图13所示。图13是风电系统的例子,光伏发电系统也一样。该充放电采用双向逆变器控制。稳定电压通过控制有功和无功补偿;稳定频率有不同控制方式,短时间波动采用自由运行(GF),长时间波动采用负载频率控制(LFC),更长周期的波动采用经济负荷分配控制(ELDC)。控制方式不同,所需的电力储存量也不一样。电池容量对设备投资影响很大,应尽量减小电池容量。(2)流通上用的电力电子技术上述广域型电力稳定装置是用于广地域的电力稳定设备。对于狭小地域,通过调节供需平衡达到电力稳定。图14是京都生态能源工程的示意图。本示范工程设有生物发电站、光伏发电站、风力发电站,这些可再生能源发电设备和预先选定的若干用户间采用定时(5min)供需平衡控制。本系统用传感器检测光伏发电和风力发电的输出,经通信线将监测信号送到控制中心。控制中心根据波动量计算出需要二次电池补偿的出力,将该出力指令经通信线送到二次电池,以此来吸收光伏和风力发电产生的波动量。从数据的测量、收集、处理到向二次电池发送指令需要20s时间,经过数十秒钟的发电波动补偿后,能实现供需平衡调整。在监测与控制中采用了通用的通信网(ADSL、ISDN),所以不受距离限制,检测对象和控制对象可选,可望低成本实现大规模供需平衡调整。本系统面对供需平衡控制,负荷的波动量基本上由燃气发电机调节。当单位时间内负荷波动大、燃气发电机难以跟踪调节时,负荷波动量的调节可由二次电池来完成。实验结果证明,5min内供需平衡的控制精度在3%内,基本达到预期效果,同时也证明了采用通用的广域通信网控制能达到高精度要求,使用二次电池作为供需控制手段是有效的。6.5可再生能源电源装置的基本概念及选用电力系统中,发电、电力流通、电力消费分别由大规模集中型发电站、输配电设备、用户来承担。电力从大规模集中型发电站流向用户,配电系统的建设也是以从上游向下游流动的单方向为前提来构建的。近年来,随着用户端家用光伏发电的兴起及分散型电源的大量应用,配电系统中电力的流向已不是单方向的(如图15所示)。而且可再生能源发电量是不可控的,因此为了管理好频率、电压和潮流,对于分散型电源侧、特定地区或广地域的管理等有必要使用与传统不同的方法。配电用的电力电子装置有自励式无功功率补偿器、供需平衡控制器等。为便于其普及应用,这种装置必须满足屋外设置、柱上设置、免维护、低成本等条件。屋外设置的设备必须满足耐环境、散热、密封等技术要求;柱上安装的设备必须重量轻,且取消与高压电网直接连接的变压器,无冷却风扇,以期免维护、降成本。要使配电用装置充分满足上述功能要求,就必须考虑使用碳化硅(SiC)等新一代功率器件,因此,要达到装置的实用化尚需一定时日。(2)智能PCSPCS的直流侧接光伏电池板、二次电池、电容(包括电双层电容)等。接光伏电池时是光伏PCS,接二次电池时是电力储存器,接电容时是无功功率补偿器。逆变器部分的基本结构大同小异。智能PCS是按标准配备有并网所需的通信功能和并网控制功能的逆变器,构建时就考虑到了多用途目的。关于PCS的通信,目前日本经济产业省正在推进标准化,估计今后在通信接口和协议方面会标准化。因此,研发配备有上述标准化功能、适于多用途的PCS是意料之中的事。系统并网控制功能包括LVRT、孤岛运行识别、并网保护等。这些功能内置后,装置具有通用性,能应对各种标准化。(3)新能源电源模块将发电装置和储能装置做成一体,有望构成新能源电源模块。日本