11.并网光伏发电微网系统-刘士荣

12010 年 8月 28 日并网光伏发电微网系统Grid-Connection Photovoltaic Micro-Grid System杭州电子科技大学 光伏发电微网系统技术中心刘士荣 教授liushirong@hdu.edu.cn2一 、 分布式发电分布式发电（ （ DG）、）、）、微 微 型电网与型电网与智能电网 智能电网二 、 国外微国外微电 电 网发展现状三 、 杭州电子科技大学杭州电子科技大学 PVPV微微 电 网项目介绍四 、 主要研究工作提纲一 、 分布式发电分布式发电、 、 微型电网与智能电网1、 分布式发电分布式发电（ （ Distributed Generation, DG)以清洁能源为主的分布式电源以清洁能源为主的分布式电源（ （ Distributed Energy Resources, DERs ）微型燃气轮机发电微型燃气轮机发电： ： 以天然气以天然气、 、 甲烷甲烷、 、 汽油汽油（ （ 柴油柴油） ） 为燃料的超小型燃气轮机的超小型燃气轮机， ， 发电效率可达 30% 以上以上， ， 实行热电联产实行热电联产， ， 效率可进一步提高率可进一步提高。 。 特点特点： ： 体积小体积小、 、 发电效率高发电效率高、 、 排污少排污少、 、 运行维护简单护简单。 。燃料电池发电燃料电池发电： ： 熔融碳酸盐型 MCFC 、 磷酸盐型 PAFC 、 固体氧化物型 SOFC 、 质子交换膜 PEMFC 。 将燃料将燃料（ （ 天然气天然气、 、 煤制气 、 石油石油） ） 中的氢气借助电解质与空气中的氧气发生化学反应中的氢气借助电解质与空气中的氧气发生化学反应， ，在生成水的同时进行发电在生成水的同时进行发电。 。除电能之外除电能之外， ， 副产品副产品： ： 热 、 水 、 少量 CO2太阳能发电技术太阳能发电技术（ （ 光伏光伏、 、 光热光热） ）风力发电技术生物质能发电技术海洋能发电技术地热能发电技术分布式电源分布式电源（ （ Distributed Energy Resources, DERs）储能装置储能装置： ：蓄电池储能蓄电池储能、 、 超导储能超导储能、 、 飞轮储能可再生能源 清洁能源化石能源分布式发电的不足分布式发电的不足： ：分布式电源单机接入配电网成本高，控制困难分布式电源对于大电网而言是不可控源，通常电力公司是采取限制、隔离的方式来对待 DERs，减少 DERs对大电网的冲击当电力系统出现故障时， DERs必须马上退出运行，影响了 DERs作用的发挥分布式发电分布式发电（ （ DG）2、 微型电网微型电网（ （ Micro Grid ）微型电网微型电网（ （ Micro Grid ）微型电网： 将各类发电装置、储能装置、负荷及控制装置集成起来，形成一个单一可控的单元，同时向用户供给电能和热能。生物能 风能储能微型燃气轮机燃料电池光伏负荷 负荷热力负荷 热力负荷大电网微型电网特点微型电网特点： ： 除了分布式发电的优势之外配电网侧： 微型电网相当于电网中的一个可控单元，它可以在数秒内动作，以响应外部输配电网的需求用户侧： 微型电网相当于可定制的电源，可满足用户多样化的要求。例如增加供电可靠性，降低馈线损耗，支持当地电压，及时提供电压下坍的校正，利用废热提高效率。电压等级： 适合于中、低压配电网电源容量： 微电源的容量在几十千瓦 ~几百千瓦，或几个兆瓦运行模式： 并网运行、自治运行（孤岛运行）微型电网微型电网（ （ Micro Grid ）一种新型的电力系统一种新型的电力系统： ：? 将一定区域内拥有的发电资源联结起来将一定区域内拥有的发电资源联结起来， ， 并通过配电网与主干大电网并网运行? 可以并网运行可以并网运行， ， 也可以孤岛运行11智能电网智能电网（ （ Smart Grid ） ）智能电网应有以下特点:提供符合 21 世纪需求的高品质电能电力系统有故障或干扰发生时，能自愈用户积极参于需求响应，定制用户电力系统容纳所有发电资源及储能装置能柔性应对自然灾害和人为破坏，增强电力安全提供新产品、服务及市场优化资产、高效运作智能电网智能电网： ： 配电网配电网、 、 输电网3、 智能电网智能电网（ （ Smart Grid ）The goals of both the Smart Grid and the Micro Grid are the same: to maximize generation assets through embedded intelligence while dramatically boosting efficiencies, thereby minimizing costs.智能电网和微电网的目的是相同的，即：通过嵌入式智能化来最大化发电资产同时梦幻化地提高效益，从而使成本最小化EMS、 BEMS 、 HEMS12智能电网智能电网（ （ Smart Grid ） 与微型电网与微型电网（ （ Micro Grid ）智能电网智能电网（ （ Smart Grid ）13二 、 国外微网发展现状美国的微网研究 – CERTS（ 最早的微网最早的微网） ）14CERTS微电网的设计特点 微电网的设计特点微电网的设计特点： ：分散的即插即用系统（ plug-and-play system ），整个系统灵活性很好单点并网不上网，公共耦合（ PCC），不外送功率清晰的设计以提供不同层次的电能质量和供电可靠性随时可接入 DERs等美国的微网研究 – CERTS（ （ 美国电力可靠性技术解决方案协会 ）美国夏威夷地区岛屿微网1516加拿大加拿大 HARP微网 微网微网（ （ Hydro Assisted Renewable Power)可再生能源过剩时，由燃料电池储存能量；系统峰荷 或电源发电不足时，由燃料电池发电17加拿大加拿大 HARP微网 微网微网（ （ Hydro Assisted Renewable Power)可再生能源过剩时，由燃料电池储存能量；系统峰荷 或电源发电不足时，由燃料电池发电18加拿大微网加拿大微网（ （ 卑诗省山区微网卑诗省山区微网） ）19加拿大微网加拿大微网（ （ 卑诗省山区独立微网卑诗省山区独立微网） ）20欧盟的微网研究项目欧盟的微网研究项目（ （ Manheim微网 微网微网） ）7个欧盟国家个欧盟国家， ， 14个成员个成员， ， NTUA组织实施组织实施， ， 预算 450万欧元21欧盟的微网研究荷兰 Bronsbergen渡假园微网项目孤岛模式下电子电子装置的并列运行稳定性及负荷分配蓄电池能量管理谐波抑制微网的黑启动能力自动孤岛与重连长期孤岛运行的可能性（？）22主要研究成果主要研究成果： ：DERs 的模型基于代理的控制策略基于代理的控制策略、 、 本地黑启动策略本地黑启动策略、 、 接地和保护方案控制算法控制算法， ， 包括分层式和分布分布式电网内外的能量管理装置以及接口的响应和其它要求可靠性效益和降低的损耗研制了一些稳态和动态分析工具欧盟的微网研究23欧盟第六框架计划 （ II ）） - 多微网2002-200611个欧盟国家个欧盟国家， ， 22个成员单位个成员单位， ， NTUA组织实施组织实施， ，预算 850万欧元24多微网项目的主要目标多微网项目的主要目标： ：研究成熟的分布式电源控制技术研究多个微网的集成研究标准和基准的需要实际微网中的控制技术微网对电力系统运行和计划的影响欧盟的微网研究25希腊 Kythnos岛微网系统26欧洲的微网示范项目荷兰 Continuon 度假村微网系统27日本的微网研究日本的微网研究（ （ NEDO美国新墨西哥实证项目美国新墨西哥实证项目美国新墨西哥实证项目） ）2828通往实验楼排熱回収排热利用综合控制系统冷热水蓄热排热回收型吸收式冷温水发生器热泵冷气机电的流动蓄热槽购电热气的流动太阳能发电 10kW燃气内燃机 350kW燃气内燃机 90kW超级电容（ EDLC ）100kW x ± 2 sec镍氢电池40kW x 10hrs排热回收日本清水建设技研所的日本清水建设技研所的 CHPCHP微网系统微网系统29三 、 HDUHDU-- 光伏发电光伏发电微型电网 微型电网微型电网（ （ PV Micro Grid并网光伏发电微型电网系统以太阳光发电为主要电源以太阳光发电为主要电源， ， 并需有稳定电源并需有稳定电源（ （ 如微型燃气轮机型燃气轮机、 、 燃料电池燃料电池、 、 大容量储能装置等大容量储能装置等） ） 配合具有洁净具有洁净、 、 运行成本低运行成本低、 、 可直接分布在用户负荷中心附近心附近、 、 适合城市化适合城市化、 、 区域化应用提高灾变情况下供电系统可靠性应用场合应用场合： ： 公共设施公共设施、 、 学校学校、 、 社区社区、 、 医院医院、 、 商场商场、 、工厂工厂、 、 农村农村、 、 海岛海岛、 、 国防军事等30电力公司timekW timekWtimekW天然天然ガスコージェネ ガスコージェネ発電機timekW大規模太陽光発電の 導入建物蓄電装置打 ち 消 しあうようにしあうように、 、発電機等発電機等を を 制御蓄電池蓄電池＋ ＋ 発電機受電点timekW平滑化平滑化し し 、 電力品質維持并网光伏发电微型电网31先进稳定的并网光伏发电微网系统中日政府可再生能源科技合作项目2007年 年 中日政府可再生能源科技合作项目之一源科技合作项目之一。 。国家发改委国家发改委、 、 浙江省发改委与日本新能源产业技术综合开发机构开发机构( ( 简称简称 NEDO） ） 合作 。微网系统的电源容量微网系统的电源容量 240kW240kW太阳能发电太阳能发电： ： 120kW柴油发电机柴油发电机： ： 120kW光伏发电光伏发电（ （ 自然变动能源自然变动能源） ）比率提升到比率提升到 50%50%。。中方执行单位中方执行单位： ： 杭州电子科技大学日方执行单位日方执行单位： ： 清水建设技术研究所32光伏发电微网系统的构成超级电容EDLC100kW ± 2sec铅酸蓄电池50kW × 1h柴油发电机120kW质量调节装置100kVA太阳能发电120kW干扰发生装置负荷 B微网供需控制系统瞬间电压跌落补偿器100kVA负荷 A模拟负荷200kW并网点 闭 ： 并网运行开 ：自立運転监测控制大学内的高压系统33微网系统的电源容量微网系统的电源容量： ： 240kW太阳能发电太阳能发电： ： 120kW柴油发电机柴油发电机： ： 120kW光伏发电光伏发电（ （ 自然变动能源自然变动能源） ） 比率提升到比率提升到 50%50%。。国内第一座并网光伏发电微型电网系统世界上第一座自然变动电源比例达 50%的并网光伏发电微网系统34微网构微网构建 建 的位置实证实验系统的构建第 6、 第 ８ 教学楼35第 4变电所控制室４ F发电机室蓄电池室配电盘室太阳能电池地下电缆实证试验系统配置图36太阳能电池太阳能电池（ （ 120ｋｋ W)配置图配置图太 阳 能 电 池板的数量 : 728 张电 池板安装面 积 : 946m2固定 输 出功率 : 120 ｋｋ W37屋顶太阳能光伏发电系统38柴油发电机组柴油发电机组、 、 蓄电池系统柴油 发 电 机 组蓄 电 池 系统39电压跌落补偿系统超 级电 容 、 质 量 调节 装置等EDLC控制系统控制系统控制系统、 、 电压跌落补偿系统40第 4变电 所控制室逆变器逆变器、 、 并网连接并网连接、 、 综合控制室41研究的目标担心会给电网带来影响今后能够大量引进太阳能发电等新能源构筑以太阳能等自然变动能源为主体的稳定微网系统对利用微网安全供电时所需要的技术性课题进行实证研究并网状态：以尽量降低对电网的影响为前提，实现稳定供电独立运行 ： 提供电压、频率稳定的高品质电力42实证研究的内容对微网稳定供电对策进行验证对供需的控制方法进行验证对瞬间对瞬间、 、 短周期短周期（ （ 数秒内数秒内） ） 功率功率（ （ 电压电压、 、 频率频率） ） 变动的追随性能进行验证对在最大程度上利用太阳能发电等自然变动电源的供电系统进行验证对并网及自立运行时的电力供需状态模拟和分析43自立自立（ （ 孤岛孤岛） ） 运行时运行时， ， 电能质量符合国标微网系统在独立微网系统在独立（ （ 孤岛孤岛） ） 运行的电能质量标准标准电压 标准电压标准电压 380V380V：： 380V± ± 7%频率偏差 ± 0.1 ～～ 0.3Hz（ （ 平均值平均值） ）电压闪变 △ V10≦≦ 0.32V（ （ 平均值平均值） ）高次谐波 3～ 5%（（ 综合综合） ）电能质量44项目的特点构建微网系统构建微网系统， ， 把光伏发电比率提升到 50%太阳能发电太阳能发电： ： 120kW 柴油发电机柴油发电机： ： 120kW对并网及独立运行状态下的供电稳定性进行验证通过供需控制系统实现稳定供电利用蓄电池利用蓄电池、 、 超级电容追随负荷变动通过质量调节通过质量调节、 、 瞬间电压跌落补偿装置提高供电品质独立运行时独立运行时， ， 积极利用干扰发生装置验证供电品质通过人工干扰通过人工干扰（ （ 电压变动电压变动、 、 频率变动频率变动、 、 闪变闪变、 、 高次谐波等 ），对维护供电品质的对策进行验证4545供需控制系统结构Load Solar Rad. Power of connecting pointDiesel EngineGenerator Battery Electric DoubleLayer CapacitorOperation PlanningLocal controlLocal controlLocal controlDemand Supply Control SystemLoad followingControlLoad & PV power PredictionLoad & PV output PredictionResults Data微网的供需控制系统46并网点潮流控制LoadＧ PPV BADGEDLC47并网点潮流控制试验LoadＧ PPV BADGEDLC48并网点恒定潮流控制实验LoadＧ PPV BADGEDLC49Constant power flow at the GP could be maintained.The power change of the GP was restrained to targeted purchase power less than ± 5kW并网点恒定潮流控制50自立自立（ （ 独网独网） ） 运行时运行时， ， 通过柴油发电机通过柴油发电机、 、 蓄电池和光伏发电的配合蓄电池和光伏发电的配合， ， 达到负荷平衡荷平衡， ， 电压和频率保持在稳定水平独立独立（ （ 孤岛孤岛） ） 运行实验51四 、 主要研究工作光伏发电微网的规划光伏发电微网的规划、 、 设计设计、 、 分析和系统构建技术光伏发电微网系统建模与仿真光伏发电微网系统的独网光伏发电微网系统的独网（ （ 孤岛孤岛） ） 稳定运行稳定运行（ （ 能量优化优化、 、 管理和控制策略等管理和控制策略等） ）光伏发电微网与电网光伏发电微网与电网（ （ 配电网配电网） ） 的协调运行的协调运行、 、 经济运行运行、 、 控制和保护技术研究具有多自然变动电源具有多自然变动电源（ （ 风电风电、 、 光伏光伏） ） 的微电网系统多微网协调运行52