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江蘇消防|淺談新能源接入對智能配電網的影響
作者：江蘇消防檢測設備 來源：http://www.shidaqizhong.com/發布時間：2020-02-07 14:07:25
摘 要:智能電網的核心內容之一是解決各種新能源的接入問題。風能、光伏、電動車充電站等新能源發、用電存在間歇性、波動性強,接入電網技術性能差和對電網注入諧波等一系列問題。本文主要介紹了風力、光伏發電、電動車充電站接入電網后對配電網的影響,希望可以通過建立智能配電網的模型,深入研究分析新能源供用電接入對智能配電網的綜合影響,實現對配電網各組件的監控和最優供用電組合。
關鍵詞:新能源 智能配電網 風力發電 光伏發電 電動車充電站
近年來,世界范圍內能源危機日益加劇,能源的開采和使用加速了人類生存環境的惡化。人類必須在有限資源和環境保護要求的雙重制約下發展經濟。因此,作為一次能源的最大使用者,電力行業綜合利用各種新能源具有非常重要的意義。與此同時,以集中發電、遠距離輸電和大電網互聯為主要特性的電力系統的弊端[1～2]也日益呈現,如技術復雜、不能靈活跟蹤負荷的變化、局部的偶然事故極易擴散,導致大面積停電等等。因此,各國不約而同的地提出要建設靈活、清潔、安全、經濟、友好的智能電網,將具有智能電網視為未來電網的發展方向,我國也提出了建設堅強智能電網的戰略部署。我國新能源近年發展迅速。截至2009年底,風力發電總裝機容量超過2500萬kW,光伏發電也已達29萬kW[3]。由于新能源發電具有隨機性、波動性和間歇性,其接入電網會影響電力系統的安全穩定運行。同時,在政府對電動車產業的大力推動下,我國電動車發展迅速,電動車的充電行為也具有隨機性、間歇性,并且由于其充電過程中使用整流裝置,將會給配電網帶來較大的影響。
1 新能源發電技術及其對智能配電網的影響
在可再生能源中,光伏發電和風力發電發展最快,世界各國都將其作為重要的發展方向。新能源的轉換、利用和并網運行技術,是世界各國智能電網技術的研究焦點。
1 . 1 風力發電簡介
風力發電是目前新能源開發中技術最成熟、最具規模化商業開發前景的發電方式。風力發電是利用天然風吹轉葉片,帶動發電機轉子旋轉發電。其運行方式可分為獨立運行、并網運行、與其它發電方式互補運行如與柴油機組、與太陽能光伏發電、與燃料電池發電方式等互補等[4]。除大型風電場外,人們正在研究各種微型風力發電技術。據報道,一個由英國、德國和荷蘭聯合組成的項目已經設計了一幢能利用風力發電的寫字樓[5]。大樓呈“雙塔”結構,裝有3組巨大的渦輪槳葉兩座主樓體的截面都是弧形的,能將風擠向中間,形成“ 風口”,提高風扇的工作效率。在3組渦輪槳葉同時工作時,所產生的電能至少能滿足大樓20%的用電需求,但建造成本昂貴。隨著技術的發展成熟,如果風電大樓可以在城市推廣,它將有望改變城市的供電結構。
1 . 2 光伏發電簡介
光伏發電是應用太陽電池在受到太陽光照時產生光伏效應,將太陽能轉變為直流電能,主要由光伏陣列、傳感器、儲能型蓄電池和充放電控制器、升壓電路、逆變器、濾波器和系統控制器等組成。光伏發電具有無噪聲、無污染、能量隨處可得、不受地域限制、不消耗燃料、運行成本低、建設周期短、規模設計自由度大、可就地使用等優點。國際上利用太陽能光伏發電主要有獨立光伏發電系統、聯網光伏發電系統、屋頂發電三類[2]。目前,我國光伏電池年產量已突破200萬kW,居世界第一,但光伏發電安裝量還不到世界總量的1%,與生產大國的地位相差甚遠。制約其發展的主要因素是并網成本過高。
1 . 3 新能源發電接入對電網的影響
新能源發電的目的是增加電力系統的電量,減少電力系統對一次能源的消耗。新能源發電具有間歇性、隨機性、可調度性差的特點。目前,新能源的接入主要分可離網蓄電、并網發電及兩者混合系統三類[6]。在電網接納能力不足的情況下,新能源發電并網會給電力系統帶來一些不利影響,存在的主要問題在眾多文獻中均有描述,現總結如下。
(1)對電能質量的影響。
風力發電和光伏發電受天氣影響均具有間歇性和波動性特點,且一般配有整流-逆變設備和大量的電力電子設備,會產生一定的諧波和直流分量。諧波電流注入電力系統后,會引起電網電壓畸變,影響電能質量,造成測量儀表不準確、加重負荷,還會造成電力系統繼電保護、自動裝置誤動作,影響電力系統安全運行。由于其并網電量隨機波動較大、可調節性差,并網時會產生較大的沖擊電流,從而會引起電網頻率偏差、電壓波動與閃變,引起饋線中的潮流發生變化,進而影響穩態電壓分布和無功特性,使電網的不可控性和調峰容量余度增大[6]。新能源發電單元的頻繁啟動會使配電線路的負荷潮流變化大,從而加大了電壓調整的難度。由于發電設備采用大量的電力電子裝置,電壓的調節和的控制方式也與傳統電網方式有很大不同。雖然一般新能源的發電裝置上裝有逆功率繼電器,正常運行時不會向電網注入功率,但當配電系統發生故障時,短路瞬間會有電流注入電網,增加配電網開關電流,可能使配電網的開關短路電流超標,影響電網安全運行。
(2)對網損的影響。
新能源接入配電網后,配電系統將由原有的單電源輻射式網絡變為用戶互聯和多電弱環網絡[1]。電網的分布形式將發生根本性的變化,負荷大小和方向都很難預測。這使得網損不但與負載等因素有關,還與系統連接的電源具體位置和容量大小密切相關。
(3)對配電網系統的實時監控的影響。
現行的配電網是一個無源的放射形電網，信息采集、開關的操作、能源的調度等相應比較簡單，其實施監測、控制和高度是由供電部門統一來執行的。新能源的接入使此過程復雜化，特別需要對新能源接入后可能出現的“孤島”現象進行監測預防。當新能源的本電網與主配電網分離后，仍繼續向所在的獨立配電網輸電，就會形成“孤島”現象。孤島中的電壓和頻率不受電網控制，如果電壓和頻率超出允許的范圍，可能會對用戶設備造成損壞如果負載容量大于孤島中逆變器容量，會使逆變器過載，可能會燒毀逆變器。同時，會對檢修人員造成危險如果對孤島進行重合閘操作，會導致該線路再次跳閘，而且負荷可能出現供需不平衡，將嚴重損害電能質量，從而降低配電網的供電可靠性。
(4)并網標準。
目前,我國還沒有統一的關于新能源發電的并網標準,關于大中型新能源發電并網對電力系統安全穩定性、電能質量、電網調度和運行等的影響因素,以及電網接納能力等方面的技術問題尚沒有確切定論,對接入系統的有功/無功控制能力、電能質量及低電壓穿越能力等的檢測手段也不完善,包括對控制器、逆變器、輸配電設備、雙向計量設備及系統安全性方面的檢測。隨著大中型新能源并網系統的發展,對電網的接納能力、電量調度運行、配套政策等方面會提出新的要求。
2 電動車充電設備及其對智能配電網的影響
2 . 1 電動車充電設備簡介
目前新能源汽車主要有替代燃料汽車、電動汽車、燃料電池汽車三種。電動汽車在環保、清潔、節能等方面有明顯優勢,成為了當代汽車的主要發展方向,是最有潛力的交通工具。電動車能源供給裝置對于電動車產業而言是不可缺少的重要設備,主要包括直流充電機和交流充電樁兩種形式。直流充電機功率較大,充電時間短,體積較大,用于大規模的充電站內。交流充電樁一般功率較少,充電時間較大,體積小,占地少。電動車充電模式[7]主要有三種:常規充電、快速充電和更換電池組。常規充電一般需要8h～ 12h,甚至更長,通常在晚間進行。快速充電采用大電流,可在車輛運行間隙進行,但會對電網產生有害影響。更換電池組模式需要實現對電池和車輛專業化快速分離,只適用于充電站。
2 . 2 電動車充電設備對智能配電網的影響
(1)對電能質量的影響。
電動車直流充電機采用電力電子技術、整流裝置等非線性設備,在實際使用過程中不可避免的產生諧波和無功電流,從而影響電能質量。文獻[7～10]都對充電設備的諧波影響作了詳細的研究與分析。
(2)對配電網的其他影響。
電動車采用白天行駛、夜間充電的運行方式,有利于電網的峰谷平衡,改善電網負荷特點,減少為維持電網低負荷運轉而引起的調峰費用。不過也要看到,當現存的電力系統容量已經充分利用,且電動汽車在電力系統非低谷用電期充電時,額外的電流需求就不可避免地使系統過載,使其他用電設施受到影響。如果采用增加系統容量的方式就需要增加基礎投入,增加了電網的剩余容量,資源利用率相應下降。
3 結語與展望
隨著微網、物聯網技術、微型風力發電和光伏發電并網技術以及新型濾波充電樁技術越來越成熟,未來的智能配電網必須可以兼容新能源,實現負荷側的交互,支持多元化電源的靈活接入和方便使用。首先,智能配電網可以利用太陽能光伏發電和微型風力發電不受地域限制的特點,實現新能源的即插即用,建立微型發網系統,組成微型電網,實現自發自用。所謂即插即用是指在配電網低壓側(或用戶側)自行組網或并網,由智能控制器自動控制組網或并網條件,當滿足組網或并網條件時自動組網或并網,反之,則隨時脫網。該方式無需建配電站,可降低附加的配電成本,并減少接入點配電網中的傳輸功率,增加輸配電網的輸電裕度,減輕輸配電網過負荷壓力,提高末端電壓和系統對電壓的調節性能,減少線路損耗。文獻[11]提出將不同容量的分布式電源和電動汽車儲能設備即插即用式接入,通過收取過網服務費,可增加供電企業收入。
其次,電動車特別是電動汽車產業雖然發展迅速,但普及率仍不高。文獻[12]也提出了以純電動汽車替代燃油汽車,很可能是減少了石油進口,但卻要增加煤炭進口,不能從根本上提高我國能源的安全性,并認為目前不是電動汽車發展的最佳時期,此時建立大型的充電站可能會造成資源浪費。因此,可以考慮在居民小區、大型企事業單位內設立小規模電動車充電站,為電動車提供充電服務。最后,智能配電網還應包括數據自動采集應用與信息的雙向傳輸。通過自動采集配電網的相關數據如供用電量、電壓、電流、諧波等進行監控分析,從而實現對智能配電網的實時監控。綜上,智能配電網應至少包括新能源(供、用)接入功能、雙向通信網功能、數據自動采集應用功能。目前江門供電局已經建立了一個包括上述功能的智能配電網模型,以便進一步研究分析新能源供用電接入對智能配電網的綜合影響,實現對配電網各組件的監控和最優供用電組合。
江蘇智淼消防主營：全套消防檢測設備、消防安全評估設備軟件、甲乙級防雷檢測裝置、電氣檢測設備、火災現場勘查/消防監督檢查箱、二合一消防煙槍、試水/細水霧裝置,產品提供帶送檢服務；江蘇消防檢測設備官網：http://www.shidaqizhong.com/；服務熱線：4006-598-119。
關鍵詞:新能源 智能配電網 風力發電 光伏發電 電動車充電站
近年來,世界范圍內能源危機日益加劇,能源的開采和使用加速了人類生存環境的惡化。人類必須在有限資源和環境保護要求的雙重制約下發展經濟。因此,作為一次能源的最大使用者,電力行業綜合利用各種新能源具有非常重要的意義。與此同時,以集中發電、遠距離輸電和大電網互聯為主要特性的電力系統的弊端[1～2]也日益呈現,如技術復雜、不能靈活跟蹤負荷的變化、局部的偶然事故極易擴散,導致大面積停電等等。因此,各國不約而同的地提出要建設靈活、清潔、安全、經濟、友好的智能電網,將具有智能電網視為未來電網的發展方向,我國也提出了建設堅強智能電網的戰略部署。我國新能源近年發展迅速。截至2009年底,風力發電總裝機容量超過2500萬kW,光伏發電也已達29萬kW[3]。由于新能源發電具有隨機性、波動性和間歇性,其接入電網會影響電力系統的安全穩定運行。同時,在政府對電動車產業的大力推動下,我國電動車發展迅速,電動車的充電行為也具有隨機性、間歇性,并且由于其充電過程中使用整流裝置,將會給配電網帶來較大的影響。
1 新能源發電技術及其對智能配電網的影響
在可再生能源中,光伏發電和風力發電發展最快,世界各國都將其作為重要的發展方向。新能源的轉換、利用和并網運行技術,是世界各國智能電網技術的研究焦點。
1 . 1 風力發電簡介
風力發電是目前新能源開發中技術最成熟、最具規模化商業開發前景的發電方式。風力發電是利用天然風吹轉葉片,帶動發電機轉子旋轉發電。其運行方式可分為獨立運行、并網運行、與其它發電方式互補運行如與柴油機組、與太陽能光伏發電、與燃料電池發電方式等互補等[4]。除大型風電場外,人們正在研究各種微型風力發電技術。據報道,一個由英國、德國和荷蘭聯合組成的項目已經設計了一幢能利用風力發電的寫字樓[5]。大樓呈“雙塔”結構,裝有3組巨大的渦輪槳葉兩座主樓體的截面都是弧形的,能將風擠向中間,形成“ 風口”,提高風扇的工作效率。在3組渦輪槳葉同時工作時,所產生的電能至少能滿足大樓20%的用電需求,但建造成本昂貴。隨著技術的發展成熟,如果風電大樓可以在城市推廣,它將有望改變城市的供電結構。
1 . 2 光伏發電簡介
光伏發電是應用太陽電池在受到太陽光照時產生光伏效應,將太陽能轉變為直流電能,主要由光伏陣列、傳感器、儲能型蓄電池和充放電控制器、升壓電路、逆變器、濾波器和系統控制器等組成。光伏發電具有無噪聲、無污染、能量隨處可得、不受地域限制、不消耗燃料、運行成本低、建設周期短、規模設計自由度大、可就地使用等優點。國際上利用太陽能光伏發電主要有獨立光伏發電系統、聯網光伏發電系統、屋頂發電三類[2]。目前,我國光伏電池年產量已突破200萬kW,居世界第一,但光伏發電安裝量還不到世界總量的1%,與生產大國的地位相差甚遠。制約其發展的主要因素是并網成本過高。
1 . 3 新能源發電接入對電網的影響
新能源發電的目的是增加電力系統的電量,減少電力系統對一次能源的消耗。新能源發電具有間歇性、隨機性、可調度性差的特點。目前,新能源的接入主要分可離網蓄電、并網發電及兩者混合系統三類[6]。在電網接納能力不足的情況下,新能源發電并網會給電力系統帶來一些不利影響,存在的主要問題在眾多文獻中均有描述,現總結如下。
(1)對電能質量的影響。
風力發電和光伏發電受天氣影響均具有間歇性和波動性特點,且一般配有整流-逆變設備和大量的電力電子設備,會產生一定的諧波和直流分量。諧波電流注入電力系統后,會引起電網電壓畸變,影響電能質量,造成測量儀表不準確、加重負荷,還會造成電力系統繼電保護、自動裝置誤動作,影響電力系統安全運行。由于其并網電量隨機波動較大、可調節性差,并網時會產生較大的沖擊電流,從而會引起電網頻率偏差、電壓波動與閃變,引起饋線中的潮流發生變化,進而影響穩態電壓分布和無功特性,使電網的不可控性和調峰容量余度增大[6]。新能源發電單元的頻繁啟動會使配電線路的負荷潮流變化大,從而加大了電壓調整的難度。由于發電設備采用大量的電力電子裝置,電壓的調節和的控制方式也與傳統電網方式有很大不同。雖然一般新能源的發電裝置上裝有逆功率繼電器,正常運行時不會向電網注入功率,但當配電系統發生故障時,短路瞬間會有電流注入電網,增加配電網開關電流,可能使配電網的開關短路電流超標,影響電網安全運行。
(2)對網損的影響。
新能源接入配電網后,配電系統將由原有的單電源輻射式網絡變為用戶互聯和多電弱環網絡[1]。電網的分布形式將發生根本性的變化,負荷大小和方向都很難預測。這使得網損不但與負載等因素有關,還與系統連接的電源具體位置和容量大小密切相關。
(3)對配電網系統的實時監控的影響。
現行的配電網是一個無源的放射形電網，信息采集、開關的操作、能源的調度等相應比較簡單，其實施監測、控制和高度是由供電部門統一來執行的。新能源的接入使此過程復雜化，特別需要對新能源接入后可能出現的“孤島”現象進行監測預防。當新能源的本電網與主配電網分離后，仍繼續向所在的獨立配電網輸電，就會形成“孤島”現象。孤島中的電壓和頻率不受電網控制，如果電壓和頻率超出允許的范圍，可能會對用戶設備造成損壞如果負載容量大于孤島中逆變器容量，會使逆變器過載，可能會燒毀逆變器。同時，會對檢修人員造成危險如果對孤島進行重合閘操作，會導致該線路再次跳閘，而且負荷可能出現供需不平衡，將嚴重損害電能質量，從而降低配電網的供電可靠性。
(4)并網標準。
目前,我國還沒有統一的關于新能源發電的并網標準,關于大中型新能源發電并網對電力系統安全穩定性、電能質量、電網調度和運行等的影響因素,以及電網接納能力等方面的技術問題尚沒有確切定論,對接入系統的有功/無功控制能力、電能質量及低電壓穿越能力等的檢測手段也不完善,包括對控制器、逆變器、輸配電設備、雙向計量設備及系統安全性方面的檢測。隨著大中型新能源并網系統的發展,對電網的接納能力、電量調度運行、配套政策等方面會提出新的要求。
2 電動車充電設備及其對智能配電網的影響
2 . 1 電動車充電設備簡介
目前新能源汽車主要有替代燃料汽車、電動汽車、燃料電池汽車三種。電動汽車在環保、清潔、節能等方面有明顯優勢,成為了當代汽車的主要發展方向,是最有潛力的交通工具。電動車能源供給裝置對于電動車產業而言是不可缺少的重要設備,主要包括直流充電機和交流充電樁兩種形式。直流充電機功率較大,充電時間短,體積較大,用于大規模的充電站內。交流充電樁一般功率較少,充電時間較大,體積小,占地少。電動車充電模式[7]主要有三種:常規充電、快速充電和更換電池組。常規充電一般需要8h～ 12h,甚至更長,通常在晚間進行。快速充電采用大電流,可在車輛運行間隙進行,但會對電網產生有害影響。更換電池組模式需要實現對電池和車輛專業化快速分離,只適用于充電站。
2 . 2 電動車充電設備對智能配電網的影響
(1)對電能質量的影響。
電動車直流充電機采用電力電子技術、整流裝置等非線性設備,在實際使用過程中不可避免的產生諧波和無功電流,從而影響電能質量。文獻[7～10]都對充電設備的諧波影響作了詳細的研究與分析。
(2)對配電網的其他影響。
電動車采用白天行駛、夜間充電的運行方式,有利于電網的峰谷平衡,改善電網負荷特點,減少為維持電網低負荷運轉而引起的調峰費用。不過也要看到,當現存的電力系統容量已經充分利用,且電動汽車在電力系統非低谷用電期充電時,額外的電流需求就不可避免地使系統過載,使其他用電設施受到影響。如果采用增加系統容量的方式就需要增加基礎投入,增加了電網的剩余容量,資源利用率相應下降。
3 結語與展望
隨著微網、物聯網技術、微型風力發電和光伏發電并網技術以及新型濾波充電樁技術越來越成熟,未來的智能配電網必須可以兼容新能源,實現負荷側的交互,支持多元化電源的靈活接入和方便使用。首先,智能配電網可以利用太陽能光伏發電和微型風力發電不受地域限制的特點,實現新能源的即插即用,建立微型發網系統,組成微型電網,實現自發自用。所謂即插即用是指在配電網低壓側(或用戶側)自行組網或并網,由智能控制器自動控制組網或并網條件,當滿足組網或并網條件時自動組網或并網,反之,則隨時脫網。該方式無需建配電站,可降低附加的配電成本,并減少接入點配電網中的傳輸功率,增加輸配電網的輸電裕度,減輕輸配電網過負荷壓力,提高末端電壓和系統對電壓的調節性能,減少線路損耗。文獻[11]提出將不同容量的分布式電源和電動汽車儲能設備即插即用式接入,通過收取過網服務費,可增加供電企業收入。
其次,電動車特別是電動汽車產業雖然發展迅速,但普及率仍不高。文獻[12]也提出了以純電動汽車替代燃油汽車,很可能是減少了石油進口,但卻要增加煤炭進口,不能從根本上提高我國能源的安全性,并認為目前不是電動汽車發展的最佳時期,此時建立大型的充電站可能會造成資源浪費。因此,可以考慮在居民小區、大型企事業單位內設立小規模電動車充電站,為電動車提供充電服務。最后,智能配電網還應包括數據自動采集應用與信息的雙向傳輸。通過自動采集配電網的相關數據如供用電量、電壓、電流、諧波等進行監控分析,從而實現對智能配電網的實時監控。綜上,智能配電網應至少包括新能源(供、用)接入功能、雙向通信網功能、數據自動采集應用功能。目前江門供電局已經建立了一個包括上述功能的智能配電網模型,以便進一步研究分析新能源供用電接入對智能配電網的綜合影響,實現對配電網各組件的監控和最優供用電組合。
江蘇智淼消防主營：全套消防檢測設備、消防安全評估設備軟件、甲乙級防雷檢測裝置、電氣檢測設備、火災現場勘查/消防監督檢查箱、二合一消防煙槍、試水/細水霧裝置,產品提供帶送檢服務；江蘇消防檢測設備官網：http://www.shidaqizhong.com/；服務熱線：4006-598-119。
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