近年来, 世界范围内能源危机日益加剧, 能源的开采和使用加速了人类生存环境的恶化。人类必须在有限资源和环境保护要求的双重制约下发展经济。因此, 作为一次能源的最大使用者, 电力行业综合利用各种新能源具有非常重要的意义。与此同时, 以集中发电、远距离输电和大电网互联为主要特性的电力系统的弊端[1~2]也日益呈现, 如技术复杂、不能灵活跟踪负荷的变化、局部的偶然事故极易扩散, 导致大面积停电等等。因此, 各国不约而同的地提出要建设灵活、清洁、安全、经济、友好的智能电网, 将具有智能电网视为未来电网的发展方向, 我国也提出了建设坚强智能电网的战略部署。我国新能源近年发展迅速。截至2009年底, 风力发电总装机容量超过2500万k W, 光伏发电也已达29万k W[3]。由于新能源发电具有随机性、波动性和间歇性, 其接入电网会影响电力系统的安全稳定运行。同时, 在政府对电动车产业的大力推动下, 我国电动车发展迅速, 电动车的充电行为也具有随机性、间歇性, 并且由于其充电过程中使用整流装置, 将会给配电网带来较大的影响。
在可再生能源中, 光伏发电和风力发电发展最快, 世界各国都将其作为重要的发展方向。新能源的转换、利用和并网运行技术, 是世界各国智能电网技术的研究焦点。
风力发电是目前新能源开发中技术最成熟、最具规模化商业开发前景的发电方式。风力发电是利用天然风吹转叶片, 带动发电机转子旋转发电。其运行方式可分为独立运行、并网运行、与其它发电方式互补运行如与柴油机组、与太阳能光伏发电、与燃料电池发电方式等互补等[4]。除大型风电场外, 人们正在研究各种微型风力发电技术。据报道, 一个由英国、德国和荷兰联合组成的项目已经设计了一幢能利用风力发电的写字楼[5]。大楼呈“双塔”结构, 装有3组巨大的涡轮桨叶;两座主楼体的截面都是弧形的, 能将风挤向中间, 形成“风口”, 提高风扇的工作效率。在3组涡轮桨叶同时工作时, 所产生的电能至少能满足大楼20%的用电需求, 但建造成本昂贵。随着技术的发展成熟, 如果风电大楼可以在城市推广, 它将有望改变城市的供电结构。
光伏发电是应用太阳电池在受到太阳光照时产生光伏效应, 将太阳能转变为直流电能, 主要由光伏阵列、传感器、储能型蓄电池和充放电控制器、升压电路、逆变器、滤波器和系统控制器等组成。光伏发电具有无噪声、无污染、能量随处可得、不受地域限制、不消耗燃料、运行成本低、建设周期短、规模设计自由度大、可就地使用等优点。国际上利用太阳能光伏发电主要有独立光伏发电系统、联网光伏发电系统、屋顶发电三类[2]。目前, 我国光伏电池年产量已突破200万k W, 居世界第一, 但光伏发电安装量还不到世界总量的1%, 与生产大国的地位相差甚远。制约其发展的主要因素是并网成本过高。
新能源发电的目的是增加电力系统的电量, 减少电力系统对一次能源的消耗。新能源发电具有间歇性、随机性、可调度性差的特点。目前, 新能源的接入主要分可离网蓄电、并网发电及两者混合系统三类[6]。在电网接纳能力不足的情况下, 新能源发电并网会给电力系统带来一些不利影响, 存在的主要问题在众多文献中均有描述, 现总结如下。
(1) 对电能质量的影响。
风力发电和光伏发电受天气影响均具有间歇性和波动性特点, 且一般配有整流-逆变设备和大量的电力电子设备, 会产生一定的谐波和直流分量。谐波电流注入电力系统后, 会引起电网电压畸变, 影响电能质量, 造成测量仪表不准确、加重负荷, 还会造成电力系统继电保护、自动装置误动作, 影响电力系统安全运行。由于其并网电量随机波动较大、可调节性差, 并网时会产生较大的冲击电流, 从而会引起电网频率偏差、电压波动与闪变, 引起馈线中的潮流发生变化, 进而影响稳态电压分布和无功特性, 使电网的不可控性和调峰容量余度增大[6]。新能源发电单元的频繁启动会使配电线路的负荷潮流变化大, 从而加大了电压调整的难度。由于发电设备采用大量的电力电子装置, 电压的调节和的控制方式也与传统电网方式有很大不同。虽然一般新能源的发电装置上装有逆功率继电器, 正常运行时不会向电网注入功率, 但当配电系统发生故障时, 短路瞬间会有电流注入电网, 增加配电网开关电流, 可能使配电网的开关短路电流超标, 影响电网安全运行。
(2) 对网损的影响。
新能源接入配电网后, 配电系统将由原有的单电源辐射式网络变为用户互联和多电弱环网络[1]。电网的分布形式将发生根本性的变化, 负荷大小和方向都很难预测。这使得网损不但与负载等因素有关, 还与系统连接的电源具体位置和容量大小密切相关。
(3) 对配电网系统的实时监控的影响。
现行的配电网是一个无源的放射形电网, 信息采集、开关的操作、能源的调度等相应比较简单, 其实施监测、控制和高度是由供电部门统一来执行的。新能源的接入使此过程复杂化, 特别需要对新能源接入后可能出现的“孤岛”现象进行监测预防。当新能源的本电网与主配电网分离后, 仍继续向所在的独立配电网输电, 就会形成“孤岛”现象。孤岛中的电压和频率不受电网控制, 如果电压和频率超出允许的范围, 可能会对用户设备造成损坏;如果负载容量大于孤岛中逆变器容量, 会使逆变器过载, 可能会烧毁逆变器。同时, 会对检修人员造成危险;如果对孤岛进行重合闸操作, 会导致该线路再次跳闸, 而且负荷可能出现供需不平衡, 将严重损害电能质量, 从而降低配电网的供电可靠性。
(4) 并网标准。
目前, 我国还没有统一的关于新能源发电的并网标准, 关于大中型新能源发电并网对电力系统安全稳定性、电能质量、电网调度和运行等的影响因素, 以及电网接纳能力等方面的技术问题尚没有确切定论, 对接入系统的有功/无功控制能力、电能质量及低电压穿越能力等的检测手段也不完善, 包括对控制器、逆变器、输配电设备、双向计量设备及系统安全性方面的检测。随着大中型新能源并网系统的发展, 对电网的接纳能力、电量调度运行、配套政策等方面会提出新的要求。
目前新能源汽车主要有替代燃料汽车、电动汽车、燃料电池汽车三种。电动汽车在环保、清洁、节能等方面有明显优势, 成为了当代汽车的主要发展方向, 是最有潜力的交通工具。电动车能源供给装置对于电动车产业而言是不可缺少的重要设备, 主要包括直流充电机和交流充电桩两种形式。直流充电机功率较大, 充电时间短, 体积较大, 用于大规模的充电站内。交流充电桩一般功率较少, 充电时间较大, 体积小, 占地少。电动车充电模式[7]主要有三种:常规充电、快速充电和更换电池组。常规充电一般需要8h~12h, 甚至更长, 通常在晚间进行。快速充电采用大电流, 可在车辆运行间隙进行, 但会对电网产生有害影响。更换电池组模式需要实现对电池和车辆专业化快速分离, 只适用于充电站。
(1) 对电能质量的影响。
电动车直流充电机采用电力电子技术、整流装置等非线性设备, 在实际使用过程中不可避免的产生谐波和无功电流, 从而影响电能质量。文献[7~10]都对充电设备的谐波影响作了详细的研究与分析。
(2) 对配电网的其他影响。
电动车采用白天行驶、夜间充电的运行方式, 有利于电网的峰谷平衡, 改善电网负荷特点, 减少为维持电网低负荷运转而引起的调峰费用。不过也要看到, 当现存的电力系统容量已经充分利用, 且电动汽车在电力系统非低谷用电期充电时, 额外的电流需求就不可避免地使系统过载, 使其他用电设施受到影响。如果采用增加系统容量的方式就需要增加基础投入, 增加了电网的剩余容量, 资源利用率相应下降。
随着微网、物联网技术、微型风力发电和光伏发电并网技术以及新型滤波充电桩技术越来越成熟, 未来的智能配电网必须可以兼容新能源, 实现负荷侧的交互, 支持多元化电源的灵活接入和方便使用。
首先, 智能配电网可以利用太阳能光伏发电和微型风力发电不受地域限制的特点, 实现新能源的即插即用, 建立微型发网系统, 组成微型电网, 实现自发自用。所谓即插即用是指在配电网低压侧 (或用户侧) 自行组网或并网, 由智能控制器自动控制组网或并网条件, 当满足组网或并网条件时自动组网或并网, 反之, 则随时脱网。该方式无需建配电站, 可降低附加的配电成本, 并减少接入点配电网中的传输功率, 增加输配电网的输电裕度, 减轻输配电网过负荷压力, 提高末端电压和系统对电压的调节性能, 减少线路损耗。文献[11]提出将不同容量的分布式电源和电动汽车储能设备即插即用式接入, 通过收取过网服务费可增加供电企业收入。
其次, 电动车特别是电动汽车产业虽然发展迅速, 但普及率仍不高。文献[12]也提出了以纯电动汽车替代燃油汽车, 很可能是减少了石油进口, 但却要增加煤炭进口, 不能从根本上提高我国能源的安全性并认为目前不是电动汽车发展的最佳时期, 此时建立大型的充电站可能会造成资源浪费。因此, 可以考虑在居民小区、大型企事业单位内设立小规模电动车充电站为电动车提供充电服务。
最后, 智能配电网还应包括数据自动采集应用与信息的双向传输。通过自动采集配电网的相关数据如供用电量、电压、电流、谐波等进行监控分析, 从而实现对智能配电网的实时监控。
综上, 智能配电网应至少包括新能源 (供、用) 接入功能、双向通信网功能、数据自动采集应用功能。目前江门供电局已经建立了一个包括上述功能的智能配电网模型, 以便进一步研究分析新能源供用电接入对智能配电网的综合影响, 实现对配电网各组件的监控和最优供用电组合。
摘要：智能电网的核心内容之一是解决各种新能源的接入问题。风能、光伏、电动车充电站等新能源发、用电存在间歇性、波动性强, 接入电网技术性能差和对电网注入谐波等一系列问题。本文主要介绍了风力、光伏发电、电动车充电站接入电网后对配电网的影响, 希望可以通过建立智能配电网的模型, 深入研究分析新能源供用电接入对智能配电网的综合影响, 实现对配电网各组件的监控和最优供用电组合。
关键词：新能源,智能配电网,风力发电,光伏发电,电动车充电站
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[5] http://www.ycwb.com/gb/content/2002～03/05/content_324507.htm[EB/OL]
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