微电网发展与开发思路

Page 1 微电网发展与开发思路微电网发展与开发思路 许洪华 研究员 北京科诺伟业科技股份有限公司 中国科学院电工研究所 2015年 12月 19日 储能技术、微电网与分布式光伏发电协调发展高级研讨班 Page 2 主要内容 一、发展现状及趋势 二、应用模式及发展机制 三、发展趋势与可持续发展的思考 Page 3 一、发展现状 微电网（微网）定义 微 电网是指由分布式电源、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等 汇集而成的小型 发 /配 /用电系统 ，是一个能够实现自我控制和管理的 自治系 统 [3]。 微电网可以看作是小型的电力系统 ，它具备完整的发电、配电和用电 功能，可以有效实现网内的能量优化。微电网有时在满足网内用户电能需求 的同时，还需满足网内用户热能的需求， 此时的微电网实际上是一个能源网 。按照是否与常规电网连接， 微电网可分为联网型微电网和独立型微电网 。 u微电网没有严格的定义：容量、电压等级 u智能电网是个大筐 Page 5 微电网的特征 u因地制宜 ，综合考虑源、网、荷情况及需求，按技术经济可行设 计，具有 个性化、定制化 特征 u可 并网及自治 运行，并可和电网进行有规律的能量交换， 可调节 的 有电源的负荷或带负荷的电源 u多能源互补、冷热电 综合，可提高供能及用能效率 u多方 “ 跨界 ” ，相关方众多， 非技术因素 深刻影响其应用和推广 u融和性好 ，易增容、减容 Page 6 6 微电网的重要 角色 —— 是 能源互联网 的重要基础单元 u 缓解高密度分布式光伏等对电网影响， 高比例 消纳 可再生 能源 u 实现多种能源的 梯级 高效利用 u 为 用户 提供 定制化 供电服务 u 为 电网故障自愈 提供重要供电支撑 u 给 电网 提供 支撑服务 ：消峰填谷、推迟电网增容改造、电 能质量改善 u 解决海岛和边远地区可靠供电 微电网关键技术 u微电网 规划 、总体方案设计 u微电网 控制 u微电网 保护 u微电网 能量管理 系统 u微电网 仿真与实验 u微电网关键 电力电子装置 及其控制 u储能 技术：电动汽车储能、储冷、储热 —— 目前最好经济性 Page 8 Ø 能源的梯级利用； Ø 可再生能源的安全消纳； Ø 多种能源的协调优化； Ø 提升用户的用能品质； Ø 提高用户的供能可靠性； Ø 降低用户的用能成本； Ø …… 分布式发电含有多种电源形式，但 以光伏为主的可再生能源 将成为未来分布式发电的主要形式。 微电网是进行 用户侧分布式可再生能源开发 和 提高能源利用 效率 的一种有效途径 ! 发展现状 — 背景 Page 9 发展现状 u微电网的 基本特点 ：小型的电力系统，即可联网，又可独立运行 u多种技术 方案 ：共交流母线、直流微电网、交直流混合 u特有的 设备技术 研制示范：电压源逆变器、能量管理系统、负荷 响应、继电保护 u各种储能 技术的应用示范 u应用场景：离网型、联网型 总体而言处于研究示范阶段：技术、经济、商业模式 Page 10 二、应用模式及发展机制 第 11页 2008年完成：西藏阿里光 /水 /柴 /蓄多能互补发电系统技术专题研究 u 项目概况： ━ 阿里地区： 西藏西北部，平均海拔 4500m，面积 31万 km2，人口 8.6万人； ━ 阿里电力： 狮泉河水电站 4×1600kW （年发电量 1300万 kWh） ， 电力供应不足电力供应不足 ━ 太阳能资源： 年均日照 3550h，年平均辐射总量 8250 MJ/m2 ━ 解决措施： 在狮泉河建设在狮泉河建设 10MWp光伏电站，形成光光伏电站，形成光 /水互补发电系统水互补发电系统 ━ 项目性质： 经国务院常务会议原则通过，是西藏 “ 十一五 ” 重点建设工程； ━ 建设周期： 2008～ 2013年； 建设经费： 6亿元； 狮泉河狮泉河 降压站降压站 降压站降压站 光伏电站场址光伏电站场址 狮泉河狮泉河 光伏电站场址光伏电站场址 阿里总体方案 — 综述 Ø方案 1：并网型光伏电站 +水电站 +柴油发电机 Ø方案 2：并网型光伏电站 +少量蓄电池站 +水电站 +柴油发电机 Ø方案 3：光伏电站 (含蓄电池 ) +水电站 +柴油发电机 Ø方案 4：光伏水泵 +抽水蓄能站 +水电站 +柴油发电机 p在狮泉河 10MW光伏电站方案论证过程中，主要有以下 4种方案： 第 13页 西藏阿里 10MWp光伏电站技术专题研究： 总体技术方案 技术专题技术专题 4 技术专题技术专题 5 技术专题技术专题 2 技术专题技术专题 3 总体技术方案需细化并进行初步 设计，主要内容如下： 专题 2:电网能量管理及运行方式研 究 专题 3:电网稳定性技术研究 专题 4:高压并网控制逆变技术的研 究 专题 5:储能系统控制策略研究 解决年供电量严 重不足问题！ u建设地点：青海省玉树藏族自治州巴塘乡（ 2011年 7月 -2011年 12月） u项目来源：金太阳工程，业主单位青海水电集团 u环境恶劣：海拔 4000米，最低气温 -30度 u电网薄弱：无大电网，电能质量极差，频率低至 47Hz， 10kV母线电压低至 7kV 玉树州水光互补微网发电工程玉树州水光互补微网发电工程 项目技术挑战性大，国内外没有可供借鉴的经验！ 项目概况 n 系统组成 光伏阵列： 2MW平单轴跟踪 蓄电池组： 15.2MWh铅酸 逆变器： 150kVA×15 台功率可调度逆变器 150kVA×2 台双模式逆变器 200kVA×3 台自同步电压源逆变器 n 电压等级 直流母线 400V，电站输出交流 35kV n 运行方式 水光储互补运行方式 ，昼储夜发 电站系统结构（ 20条发电支路） 技术创新点 创新点 1： MW级水 /光 /储 互补微 电 网 设计集成技术 关键问题： 1）微电网晚高峰供电问题极其凸出； 2）常规光伏并网直接威胁系统稳定。 采用 基于交直流混合母线的新型光储系统结构 ，将光伏冲击与电网相隔 离。采用 水光储互补发电策略 ，合理设计容量配比，满足当地供电需求。 可调度光伏电站 拉贡 禅古 本地负荷 调度站 柴油发电机组 电网 世界首个 MW级 水 /光 /储 微 电 网 工程，海拔最高 Page 17 示范点 三种典型应用模式 Page 18 18 p应用于 分布式 可再生能源渗透率较高的地区 ， 平抑分布式可再生电源并 网对电网的影响，提高电网对分布式可再生能源的接纳能力 ； p 应用于 热电联产等多能互补地区 ，可以提高能源利用效率，节能降耗； p 应用于 对电能质量和供电可靠性有特殊要求的电力用户 ，能够满足用户 对电能质量的特殊要求 ， 实现 对重要负荷的不间断供电 ； p应用于 灾害多发地区 ， 可以提高供电备用，有利于故障后黑启动 ； p 应用于 峰谷功率差异很大的地区 ， 包括峰值容量占容费与峰谷电价差。 城市型微网模式分析 — 应用场合 Page 19 19 p应用系统 ：（居民、商业、工业）用户、（园区、社区、城市）区域； p网络 ：通过单点（ PCC)接入用户配电网； p能源 ：多种可再生能源、大量电力电子装置、无惯性（储能）； p负荷 ：冷热电多种负荷响应需求、高供电可靠性、高电能质量； p 运行模式 ：具有独立和并网两种运行模式，实现并网点功率可控、消峰 填谷、电网支撑、无功补偿、平滑切换等。 城市型微网模式分析 — 技术特征 Page 20 • 山东东营中国石油大学 p 地理位置： 地处黄河入海口的三角洲地带，依托胜利油田； p 示范意义： 建成新能源示范城市，发展太阳能、风能、地热能及垃圾利用； p 示范工程： 作为东营新能源示范城市的重要组成部分； p 建筑规模： 10万多平米的低碳大厦、师生宿舍、堰萃湖、抽油机等。 抽油机（已有）抽油机（已有）师生宿舍（已有）师生宿舍（已有）低碳科技城孵化基地（规划建设中）低碳科技城孵化基地（规划建设中） 堰萃湖（已有堰萃湖（已有 ）） 城市型微网模式分析 — 案例概况 Page 21 p 分商业、居民、工业三个区域子微网，子微网可孤可并，能源互联； p 从能源的利用形式来看，系统可分为微电网、微冷网和微热网； p 地源热泵是微电网的可控负荷，依托绿色建筑实现冷热电负荷的时空优化； p 污水 /中水处理、雨水回收等多项能源再利用形式，同时这些系统均可看作微电网的可控 负荷 城市型微网模式分析 — 案例技术方案 Page 22 p 补贴形式： 初投资补贴 +电价补贴； p 补贴办法 ： 对微电网系统需要额外增加的储能及能量管理系统部分进行 100%初 投资补贴， 占整个系统投资的 5.83%。 对微电网系统中其他可再生能源均享受 与光伏发电相同的 0.42元 /度的电价补贴，补贴年限 20年。 供能系统 装机容量 初投资（万元） 年运维费（万元） 年均收入（万元） 内部收益率 投资回收期 （年） 风力发电 850kW 935 8 142.8 19.89% 6.12 垃圾发电 100kW 430 4 56.94 15.61% 7.63 风光储微电 网 850kW+2MWp+1MWh+能 量管理 2738.69 28+280(储能更 换） 363.752 11.45% 12.71 风光储垃圾 地热园区微 网 850kW+2MWp+1MWh+100 kW+2.3MW+能量管理 5168.69 82+280(储能更 换） 720.69 15.14% 8.25 城市型微网模式分析 — 机制探讨 1 Page 23 p 补贴形式： 全部初投资补贴； p 补贴办法 ： 对微电网系统需要额外增加的储能及能量管理系统部分进行 100%初 投资补贴。对微电网系统中光伏外其他可再生能源进行初投资补贴，分布式风 电补贴 4元 /W，垃圾发电补贴 20元 /W。 供能系统 装机容量 初投资（万元） 年运维费（万元） 年均收入（万元） 内部收益率 投资回收期 （年） 风力发电 850kW 595 8 89.25 19.2% 5.9 垃圾发电 100kW 230 4 33.40 16.55% 6.99 风光储微电 网 850kW+2MWp+1MWh+能 量管理 2398.69 28+280(储能更 换） 310.20 9.8% 13.42 风光储垃圾 地热园区微 网 850kW+2MWp+1MWh+100 kW+2.3MW+能量管理 4628.69 82+280(储能更 换） 643.606 14.28% 8.93 城市型微网模式分析 — 机制探讨 2 Page 24 24 p西部新型小城镇。 采用多能互补微电网解决能源紧张问题，实现绿色低碳 ，助力美丽城镇、美丽乡村。 p能源利用方式落后的农牧区。 由薪柴能源向可再生能源过渡，提高能源利 用率，改善生活质量。 p可再生能源丰富但电网薄弱的边远地区。 微电网减少了对输电线路的投资 ，提高了可再生能源渗透率，保障了用户可靠供电。 p电能质量要求高的关键负荷 和公共建筑。 保障边远地区中卫生院、学校、 金融通信部分的供电可靠性和供电质量。 偏远地区微网模式分析 — 应用场合 Page 25 25 典型边远地区微电网 p 能源 ： 光伏发电、风力发电、小水电、 公共电网、储能系统； p 负荷需求 ： 新建住宅建筑、既有住宅建 筑、公共事业建筑、商业服务业建筑的 生活用电、炊事用能、采暖用能、办公 用电； p 网络 ： 以电网为骨架，多个分散供用能 系统和子微网协调运行； p 运行模式 ： 联网型微电网，实现并网点 功率可控、消峰填谷、电网支撑；对关 键负荷具有独立和并网两种运行模式、 平滑切换等。 偏远地区微网模式分析 — 技术特征 Page 26 • 青海西宁湟源县兔儿干新型农村社区 p 地理位置： 青海省西宁市湟源县日月藏族乡兔儿干集镇， 3100米，年均气温 3.0℃ （严寒） p 示范意义： 新型小城镇，汉 /藏文化交界，农 /牧区交界，青藏 /黄土高原，唐蕃古道旅游线路 p 城镇建设： 省政府重点支持的新型农村社区示范工程 ,批复建设经费 2.2亿元， 2014年 4月开工 p 建设规模： 居民住宅 1080户（ 700+380）；卫生院、学校、政府等公共建筑；商业服务业等 工地调研 2014 入户调研 2013 小城镇规划 建筑效果图 偏远地区微网模式分析 — 案例概况 Page 27 27 集中式光 伏 分散屋顶光伏 700户 公共建筑微网 偏远地区微网模式分析 — 案例总体方案 Page 28 1. 700户新建住宅能源设计方案 l 被动式 ― 隔热保温设计 (能耗 15W/m2) ― 阳光房、阳光庭院 l 主动式 ― 屋顶光伏发电（建筑结构限制， 750Wp/ 户，日发电 3kWh） ― 电采暖（适合高原边远分散区，电油汀 2kW/户，日用电 14kWh） ― 太阳能热水器（提供生活热水） l 效果 —生活用能全部电气化，低能耗 ++ 偏远地区微网模式分析 — 案例概况 Page 29 2. 兔儿干新型农村社区的能源设计方案 l 水力发电： 采暖季不发电，非采暖季发电 180万 kWh l 光伏发电系统 : ― 原则：光伏发电量 100%满足采暖季负荷用电量 (268.1万 kWh 3.5MWp) ― 分散式：屋顶光伏（ 700户新建 +公共建筑， 585kWp） ― 集中式：光伏电站（ 2.9MWp） l 储能系统： ― 作用：平抑光伏波动；提高重要负荷保障率（公共设施、旅游服务业） ― 配置： 500kW/2小时， 1MWh铅酸储能 l 公共电网： 新社区用电峰值功率 4MVA，现有变压器容量 2MVA 偏远地区微网模式分析 — 案例技术方案 1 Page 30 30 1.卫生院小微网 ― 关键负荷 ― 双模式微网 ― 空气源热泵供暖 (700m2) ― 风 /光互补发电 (10kW+10kW) ― 储能系统 (15kW/4小时 ) ― 零能耗建筑 2.乡政府小微网 ― 办公负荷 /日多夜少 ― 功率可调节微网 ― 太阳能热风供暖 +电辅 助 (1890m2) ― 屋顶光伏发电 (20kW) ― 储能系统 (15kW/2小时 ) ― 零能耗建筑 3.学校小微网 ― 综合负荷 (生活 +办公 ) ― 功率可调节微网 ― 太阳能热水供暖 +电辅助 ― 太阳能热风供暖 +电辅助 ― 屋顶光伏发电 (30kW) ― 储能系统 (30kW/4小时 ) ― 零能耗建筑 3. 热电联供微能源网（公共建筑） 偏远地区微网模式分析 — 案例技术方案 2