李芳芳 , 韓 瑩

(1.蘭州工業(yè)學院 電氣工程學院，甘肅 蘭州 730050； 2.西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610000)

0 引言

近年來，全球一次能源逐漸緊缺、資源環(huán)境污染嚴重、氣候變暖等問題的日益突出，可再生新能源的開發(fā)和利用越來越多的得到人們的重視。目前，中國作為世界最大的能源消費和生產(chǎn)國，有限的傳統(tǒng)一次能源消費和生產(chǎn)模式已經(jīng)難以適應當前的形勢，必須逐步調(diào)整國家能源結構，將發(fā)展利用可再生新能源提升到重要地位。面對全球范圍內(nèi)的能源危機和環(huán)境壓力，人類渴望利用可再生能源來代替有限且污染環(huán)境的常規(guī)一次能源。

甘肅地區(qū)具有豐富的光、風能源，因此在甘肅利用光和風能源建設了許多大型的發(fā)電廠，特別是風能發(fā)電起步更早，且規(guī)模更大。但這些大型發(fā)電網(wǎng)具有大電網(wǎng)、高電壓、大機組的主要特征，使得它在生產(chǎn)和運營過程中弊端日益顯現(xiàn)，以及大電網(wǎng)的運行成本高、技術難度大、故障容易擴散、大型電網(wǎng)對土地需求和環(huán)境保護的壓力大等情況。甘肅電網(wǎng)“2.24” 事故、“4.17 ”事故和“4.25 ”事故充分說明由于風電大規(guī)模集中開發(fā)，導致因單個風電場發(fā)生事故后波及周圍臨近風電場，從而使場內(nèi)風電機組大規(guī)模脫網(wǎng)，電力系統(tǒng)的頻率、電壓也因此大幅度波動，導致事故直接影響整個風場的安全穩(wěn)定運行，甚至還威脅到了整個電網(wǎng)的安全。面對出現(xiàn)的這些情況，為更加安全、有效地利用甘肅地區(qū)的光能和風能資源，并隨著分布式發(fā)電技術的不斷進步以及人們對環(huán)境的重視，分布式發(fā)電新模式開始走進人們的視野，其特點是充分開發(fā)和利用各種可用的分散存在的能源進行發(fā)電，可以大力促進節(jié)能減排和可再生能源的發(fā)展，實現(xiàn)甘肅地區(qū)分布式發(fā)電與大規(guī)模集中發(fā)電并舉且相互補充的發(fā)電新模式。

1 分布式電源的概念及特點

分布式是相對于集中大規(guī)模式來說的，分布式電源是不直接與集中大電網(wǎng)輸電系統(tǒng)相連的，電壓等級在35kV以下的電源。目前較為常見的新能源有風能、太陽能、天然氣、生物質(zhì)能、地熱能等，這些新能源均為分布式能源，相應的一些發(fā)電技術被稱為分布式發(fā)電技術。

分布式發(fā)電相比集中大規(guī)模發(fā)電有以下特點：

(1)分布式發(fā)電系統(tǒng)中各發(fā)電站是相互獨立的，不會發(fā)生如“2.24”、“4.17 ”事故和“4.25 ”事故等大規(guī)模停電事故，所以安全可靠性相對比較高；

(2)分布式發(fā)電可以成為集中供電的重要補充，在意外災害突發(fā)、重要集會和慶典等特殊場合需求時可繼續(xù)供電，彌補大電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的不足；

(3)分布式發(fā)電由于參與運行的系統(tǒng)少，可實現(xiàn)對區(qū)域電力質(zhì)量和性能實時監(jiān)控，且調(diào)峰性能好，操作簡單，便于實現(xiàn)電氣自動化；

(4)分布式發(fā)電相比集中式發(fā)電輸配電損耗低、無需建配電站的特點，使得分布式發(fā)電非常適合向牧區(qū)、山區(qū)、農(nóng)村等特殊地理位置的居民供電，可以避免或降低附加的輸配電、土建和安裝成本。

2 甘肅地區(qū)分布式能源應用現(xiàn)狀

甘肅省地處西部內(nèi)陸，具有豐富的分布式能源，資源優(yōu)勢非常明顯，特別是太陽能和風能作為中國最為豐富的區(qū)域之一，具有巨大的開發(fā)潛力。據(jù)最新數(shù)據(jù)分析，甘肅和新疆、西藏一起被列為中國太陽能資源最為豐富的一類區(qū)域，甘肅各地年太陽總輻射值約為4800～6400MJ/m3，按現(xiàn)有利用水平測算每年可開發(fā)利用的太陽能資源量相當于520萬噸標準煤所發(fā)出的熱量。

在風能資源方面，在中國區(qū)域內(nèi)甘肅省是除了東南沿海及其島嶼以外，風能資源也是最為豐富的區(qū)域之一，且在甘肅區(qū)域內(nèi)分布范圍廣，理論風能儲量為2.37億kW，技術可開發(fā)量大約在4000萬kW左右。特別是甘肅北部、河西走廊等區(qū)域終年在西風帶控制下，且是冷空氣最先入侵的地方，年平均有效風能密度在150W/m2以上，有效風力出現(xiàn)時間在6000h/a以上，占全年時間的百分率為70%左右。其中，瓜州和玉門更被形象地稱為“世界風庫”和“世界風口”。中國發(fā)展和改革委員會西部司司長秦玉才也曾說，新能源將是甘肅起飛的“引擎”。

近年來，甘肅省也在國家政策的扶持下，積極努力地發(fā)展風力和太陽能發(fā)電項目，也取得了一定的成就。酒泉地區(qū)新建千萬千瓦級風電場，玉門等地風電建設也一直沒有停歇，甘肅省正在積極努力地建設河西“風電走廊”、西部“陸上三峽”。

除風電外，甘肅省幾百萬千瓦光熱光伏發(fā)電等開發(fā)項目陸續(xù)開工。然而，由于大規(guī)模風能、光伏集中發(fā)電的加速建設和原西北電網(wǎng)網(wǎng)架結構薄弱、線路端面窄等因素，使得大規(guī)模集中開發(fā)風電光伏發(fā)電并網(wǎng)和消納正逐步成為制約風電、光伏發(fā)電開發(fā)的最主要因素，發(fā)電企業(yè)不得不采取限電措施，棄風棄光現(xiàn)象突出[1]。

相比可再生能源集中發(fā)電，分布式發(fā)電在國家政策的扶持下在甘肅逐漸發(fā)展了起來。盡管分布式發(fā)電技術相比集中發(fā)電具有多樣、經(jīng)濟、可靠、調(diào)峰等諸多優(yōu)點，但也存在著一系列的問題。由于分布式電源功率輸出具有一定的差異性和不確定性，因此分布式電源接入電網(wǎng)將會對大電網(wǎng)產(chǎn)生難以預測的沖擊，并會威脅到配電網(wǎng)運行安全，給分布式電源的利用造成了很大的阻礙。為了解決分布式電源接入對大電網(wǎng)所造成的一系列影響，充分發(fā)掘利用分布式電源，微電網(wǎng)應運而生[2-3]。

3 直流微電網(wǎng)的概念和特點

微電網(wǎng)是指由分布式電源、負荷、儲能和能量轉(zhuǎn)換裝置等組成的小型發(fā)配電系統(tǒng), 它既可以孤立運行,也可以與外部其他電網(wǎng)并網(wǎng)運行，降低了因分布式電源間歇性的特點而造成對大電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊和對配電網(wǎng)的威脅，并能夠?qū)崿F(xiàn)微電網(wǎng)的自我管理、控制和保護，提高了供電可靠性和電能質(zhì)量。根據(jù)電網(wǎng)母線上電流的性質(zhì)，微電網(wǎng)可分為直流微電網(wǎng)、交流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)三種形式[4]。

由于微電網(wǎng)內(nèi)風機、光伏、儲能裝置等所產(chǎn)生的電能大部分為直流電或非工頻交流電，且目前日常生活中如LED照明、手機、電腦等電器設備都是通過相應的適配器將交流市電變成直流電后再驅(qū)動負載的。因此若要將直流負載或分布式發(fā)電單元接入交流微電網(wǎng)，則需要通過相應的多級能量轉(zhuǎn)換裝置進行交直流和能量等級的轉(zhuǎn)換。若將直流負載或分布式發(fā)電單元接入合適電壓等級的直流微電網(wǎng)，則省去部分交直流能量變換環(huán)節(jié)和裝置，結構、損耗和成本相應的也將隨之減少[5]。

相比交流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)由于不需要對電網(wǎng)電壓的相位和頻率進行控制，只是對母線電壓進行分析和控制，使得直流微電網(wǎng)能量結構簡單、變換環(huán)節(jié)少、線路損耗低、體積小、系統(tǒng)效率高且電磁輻射小，也使微電網(wǎng)的可控性和可靠性大幅提高，從而使直流微電網(wǎng)在分布式電源的協(xié)調(diào)控制、能量管理、經(jīng)濟和環(huán)保等方面具有顯著優(yōu)勢，也更加有利于分布式電源與直流負載的接入[6]。因此，直流微電網(wǎng)作為交流大電網(wǎng)的支持和補充，應用范圍在不斷擴寬，可以有效地解決現(xiàn)有配電網(wǎng)和分布式電源發(fā)展過程中存在的一些問題，既保證大電網(wǎng)安全、可靠、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，也對可再生新能源的廣泛應用具有重要的意義。甘肅可再生新能源不僅十分豐富而且分布區(qū)域廣闊，這也使得在甘肅省范圍內(nèi)非常適合基于分布式能源的微電網(wǎng)的建設、應用和發(fā)展。

在直流微電網(wǎng)研究和應用過程中，由于分布式電源種類和特性的多樣性，分布式電源具有明顯的差異性和不確定性，各類負荷的變化也有一定的隨機性，同時電力電子裝置系統(tǒng)慣量小、易受到擾動，嚴重影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，直流微電網(wǎng)目前的研究重點和難點成為在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)運行中怎樣才能維持母線電壓的穩(wěn)定，以保證直流微電網(wǎng)系統(tǒng)功率的平衡。而風、光等分布式能源容易受到環(huán)境影響，使直流微電網(wǎng)的輸出功率不穩(wěn)定，從而降低系統(tǒng)性能和電能質(zhì)量。同時，系統(tǒng)負荷的變化劇烈且電力電子裝置慣性系數(shù)小等問題也嚴重影響著微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 直流微電網(wǎng)群的概念及特點

微網(wǎng)群作為分布式發(fā)電系統(tǒng)研究和應用過程中出現(xiàn)的一個全新概念，立足于微電網(wǎng)，將地理位置上毗鄰的微電網(wǎng)(子微網(wǎng))、分布式發(fā)電系統(tǒng)互連構成一個微電網(wǎng)群集系統(tǒng)(簡稱微網(wǎng)群)[7]。通過子微網(wǎng)之間的能量協(xié)調(diào)控制、調(diào)度、相互支撐和互濟，來增強彼此間的供電可靠性。微網(wǎng)群在更高層次上實現(xiàn)了微電網(wǎng)群內(nèi)子微網(wǎng)、分布式電源和負荷等的協(xié)調(diào)控制、能源調(diào)度和穩(wěn)定運行。

目前，微網(wǎng)群的研究在國內(nèi)外都還僅處于起步階段。在More Microgrids 項目中，提出了微網(wǎng)群概念的雛形，該項目將地理位置上臨近的低壓微電網(wǎng)、分布式電源、儲能及負荷連接到中壓網(wǎng)絡中構成一個微網(wǎng)群，該微網(wǎng)群作為一個獨立的可調(diào)度單元，與上級電網(wǎng)有一個公共連接點，使得該微網(wǎng)群既可以孤島運行也可以并網(wǎng)運行。美國、加拿大、印度等國的學者將微網(wǎng)群與智能電網(wǎng)的概念相聯(lián)系，提出了多微網(wǎng)控制系統(tǒng)(MMCS)的概念，并指出利用MMCS 控制策略，可以實現(xiàn)分布式電源的“即插即用”[8]。丹麥、希臘等國也已開始從多方面研究微電網(wǎng)群。在我國，四川大學、重慶大學、清華大學等國內(nèi)知名大學也從失效節(jié)點對負載的可靠性、分層協(xié)調(diào)控制策略、群母線儲能能量等不同方向和角度開展了微電網(wǎng)群的研究[9]?？傮w而言，目前對直流微電網(wǎng)群作為一個新的研究領域，微電網(wǎng)群的概念和特征還沒有明確的定義，群網(wǎng)絡結構、組網(wǎng)方式、接入標準、控制策略、能量互濟和電能質(zhì)量監(jiān)測等諸多方面還需開展大量深入的研究和實驗驗證。

5 結語

本文主要根據(jù)甘肅地區(qū)分布式能源利用的現(xiàn)狀和發(fā)展情況探討了分布式電源、直流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)群的概念、特點、研究進展和發(fā)展趨勢。隨著微電網(wǎng)和微電網(wǎng)群的發(fā)展、直流供電系統(tǒng)的開發(fā)、國家政策的支持，甘肅作為中國具有最豐富分布式能源的區(qū)域之一，在分布式發(fā)電和供配電方面必將隨著技術的不斷進步、基礎設施的不斷完善和運行模式的創(chuàng)新而得到矚目的成績。