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解密微电网:多元场景规模化推广,新桃旧符风光无限

更新时间:2023-04-27   点击次数:271次
1. 微电网产业研究1.1 微电网基本情况介绍1.1.1 微电网的构成组分

微电网的主要概念是:由分布式电源、新型储能系统、电子电力设备、电力负荷、计量、保护、能源管理系统等组成。这些信息,包括:

分布式电源:主要是指在各类工业园区、商业综合体、住宅楼、公共建筑中的太阳能、风力发电、生物质发电等非水力可再生能源发电设备(包括 DC/DC变流器、 DC/AC逆变器、变压器、支架等)。另外,在离网运行时,通常使用备用的柴油作为辅助电力。在微电网中,分布式电源的主要作用是产生洁净电能,为用户提供电能,一般采用“自发自用,剩余电量上网"的方式。

新型储能系统:传统的抽水蓄能技术由于其反应缓慢、初期投入大、受地理位置等原因,在微型电网应用中通常不适合。目前,以锂离子电池居多,主要有锂离子电池、钠电池、水系电池、液流电池等。锂离子电池的主要组成是:磷酸铁锂+ BMS+ EMS+ PCS。另外,先进的压缩空气和飞轮等物理存储技术也逐渐被用于微型电网。在微电网中,新型储能的作用是储存新能源产生的电能,并根据微电网的运行情况,对新能源进行削峰、抑制波动,从而达到电力供需平衡和能量分配的目的。它还能作为应急电力系统的“黑启动"或应急供电。

用电负荷:由三种不同的负载组成,一种为可调的建筑物负载(如空调,电梯,照明,电热锅炉);第二种是住户可调负载(如家用空调、电热水器、电冰箱等);第三种是新的负载,如充电桩、 IDC。目前,在全国范围内的微型电网示范中,*典型的就是充电基础设施,它的主要作用是为电动车充电,其中慢充-停充组合(85%左右),既可以充电又可以停车。

电力电子设备:主要分为两大类:一类是传统的电力设备,如线路,断路器,隔离开关,接地刀闸,电缆等;第二种是智能化、数字化的电力设备,如智能功率仪表(与电量传感器相匹配)、柔性直流输电设备、新型台区智能集成终端。传统电力装置在微网中的作用是:电力传输、整流、调压、逆变、变频等;新型电力设备,承担着实时监测、监测、采集电源、储能、负荷(尤其是电源端,新能源的波动、断续、预测、并网控制等功能,电力系统的监控、保护。

智慧能源管理平台:其具体表现为嵌入式软件和控制算法,在微网中的应用比较广泛,它的作用是从更高的层面上来管理和管理各个设备,包括整体的能量管理、调度优化、以及与主网之间的交互以及离网的切换。另外,随着全国碳交易市场的不断完善,能源管理平台也从“以电为主"转向“以碳为中心"的“以碳为中心"为核心的“以碳为中心"的综合管理,同时支持碳核算、碳交易等功能。

总体来说,“源+网+荷+储"是一个自主系统,可以实现自身控制、监控和保护、能量管理,更经济、高效、安全地实现网内功率平衡、系统优化、故障检测、质量保护以及低碳减排,属于一套完整的新型能源系统。

图1 微电网基础架构

1.1.2 两大主要运行模式

微电网按照运行模式的不同,可分为离网型微电网和并网型微电网:

A. 离网型微电网

离网式微网是独立的,不需要与主网进行任何连接,这些设备都是建立在偏远边境、海上孤岛等传统电力系统难以触及的区域,以满足当地的基础供电需求。以海岛为例,我国海岛数量较多,居民较少,总用电量较低,要想与主网连通,必须要在很远的地方架设电力网,而在陆地上,则要铺设海底电缆,这就是一笔庞大的投资和维修费用,而在这个时候,可以利用海岛上丰富的风能、太阳能资源,来解决用电问题。此类微电网的建设难点是电力系统的稳定和维护。

亚洲发展银行曾经把离网微网分为三种类型,分别是“光柴系统"、“光储柴系统—柴发主网"、“光储柴系统—储气网",随着对可再生能源的渗透率不断增加,而第二种方式的应用*多,大多数岛屿都是以柴油发电机为主网,为系统提供稳定的电压、频率支持。

B . 并网型微电网

在并网微电网和主网之间有一种 PCC接口,在正常条件下,能够与主网并网,相互支持,进行能量的双向交流;在发现电网的品质或质量不符合规定时,能够及时切断主网,实现自给自足,同时,离网方式的转换要平稳、迅速。比如:

1)在微网中的总电力消耗大于所管辖的电力供应(含存储系统的备用电力)时,该微电网可以启动“并网模式",向主电网购买电力,并向其供电;当微电网络中有大量的电力,它还可以通过逆向的方式将其卖给主网;

2)在主网负载较大的时候,可以采取脱网方式,将主网与微网的联接切断,以抑制主网的波动,并在突发事件中确保本网所管辖的负载的供电可靠性;

图2 并网型微电网基础架构

1.1.3 三类重点应用场景

当前的微电网主要是并网式的,它的名字也有很多种,每一种名字都代表着不同的应用场景,比如“源网负载与存储一体化"、“光储存储/测试"、“光储数"、“零碳工业区"等。但它的核心就是建立在一个相对封闭的小区、小区、小区、加油站、充电站/数据中心,并根据实际用电负荷水平、周边新能源**条件和电网条件,通过新建分布式新能源、新型储能、电力电子设备等装置,形成一个稳定可靠的区域性综合智慧能源管理体系。

A.  “光储+"场景

“光储充"、“光储数"等概念更加具体,更有针对性,比如“光储充"就是以充电站为核心的。

1)“光储充"微电网,利用分布式光伏发电,为电动汽车充电,补充太阳能电池的非连续性,提高新能源的消纳能力,达到一定程度的削峰填谷;

2)“光储充"系统与外界主网的连接,主要是利用夜晚的低谷电价,在充电高峰期间,由微网中的光伏发电和储能系统和主电网共同为充电站提供电力;

3)特别是在超充时代来临之际,“光储充"技术可以很好地应对高压、大电流对电力网络的影响,“光储、充电站"有望成为未来的发展趋势。

江苏,海南,上海,北京,山东,已建成了大量的光储充电桩。目前的布局厂商有 CATL,华为,领充,天合光能,特斯拉。

另外,“光储充"还衍生出了“光储充放"、“光储充检"、“光储充放检"等新的应用,并将V2G技术与电动汽车智能检测技术相结合,为用户提供绿色、经济、智能、智能、便捷的服务。“光储充放"综合发电站是能源互联网建设、能源数字化和 VPP建设的一项重要措施。

图片图3 “光储充检"一体化场景

B. “零碳+"场景

“零碳工业园区"的重点突出了工业园区的环境,并要求在整个运行期间,将所有的二氧化碳排放量都中和,或者说净量。执行路线包含:

1)能源:采用屋顶光伏、光伏车棚、小型风力发电设备等可再生能源,有条件的园区还应建设沼气和热泵系统,并配备储能电站、储热储冷装置等满足园区的供暖、制冷和供电需求;

2)负载:,每年都要将车辆全部电动化,配备充足的电动车充电站,可利用风力发电、光伏等可再生能源发电;其次,应用节能、隔热、环保等环保技术,在整个园区内都装有智能仪表,并由智能能源管理系统实现集中控制;

3)碳排放(和“光储充+"的*大区别):大规模的森林绿化(一株成熟的树木每年可从大气中吸取21.8公斤二氧化碳);CCUS的专业碳吸附设备/工程,例如某些小而高效的生物碳吸附工程(例如,在大楼的外墙上悬挂海藻,每千克海藻可以吸收2 kg左右的CO2,每年可以生产200 kg的海藻),碳汇的贡献可以和碳交易市场挂钩。

很显然,与“光储充+"等概念不同,“零碳工业园区"是将“净零碳排"这一概念引入到绿色发电体系中,着重研究了“工厂零碳",“建筑零碳"和“交通零碳"三个方面的工业园区;

它不仅突出了我国清洁能源的发电量和消纳率,而且在“节能减排",“绿化碳汇"和“CCUS技术"等方面,还将绿色电力、绿色证券、 CCER等多种贸易手段相结合,拓展了利润空间。

C. 源网荷储一体化"场景

“源网络的负荷与储存整合是*广泛的。按照国家发展改革委、国家联合印发的《关于推进电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见》,“源网荷储一体化"的实施途径主要有“区域(省级)源网荷储一体化"、“市(县)源网荷储一体化"、“园区(居民区)源网荷储一体化"等三种具体模式。

目前,“源网、存储、存储"的*大体现就是“园区级",“光储数"、“光储数"、“存储/存储"、“零碳园区"等,实质上,都是“园区级的源、电、电一体化"。从“园区级"到“市县级"的“源网、荷储一体化",特别是在“整县推进"的分布式光伏政策下,“市、县、县、乡、乡、村、村、乡、县的“源网荷储一体化"正在迅速推广,到目前为止,7个省份已经发布了50 GW以上的“源网荷储"计划。

文章随后统一版本,以“源网荷储"示范工程为代表的并网微网。

另外,需要指出的是,微电网可以在现有的基础上或与现有的配电网络相结合;它可以是一个单一的微电网,也可以是一个由若干个微网组成的小电网。

1.1.4 多种电网架构类型

(1)电网架构类型

根据电网结构的不同,并网微电网可以分为:交流微电网、直流微电网和直流微电网。

AC微网:分布式电源、储能设备等都是由电源设备与 AC汇流排相连的。目前,微网仍以交流微电网为主。

图4 交流微电网运行架构

直流微电网:分布式电源、新型储能系统、各种负载等都与直流母线相连,直流电网由电力电子逆变器与外界的交流电网相连。直流微网采用功率电子转换设备,能够为不同电压等级的交流、直流负载提供电能,并可在直流侧调节分布式供电及负载的变化。

交直流混合微网:它包含交流母线和直流母线,它能对交流负载和直流负载进行直接的电力供应。

图5 直流微电网运行架构

(2)演变趋势预期

在微网中,分布式光伏、(超)充电桩/IDC、新的能量存储系统等都可以提供 DC/DC的输出。“荷"和“储"的“源"直流将推动直流和直流混合结构成为电网中低压侧发展的重要方向,该系统已经在一栋大楼和多栋大楼中进行了应用。

单体建筑:“光储直柔",也就是“直"变直流,让建筑电气设备具有“柔性"(“柔性"),与传统的太阳能建筑相比,太阳能发电系统可以将电力利用率提升6-8%,前期投资降低10%-20%,更节能。

在多个建筑领域:由国网和南网牵头的多个交直流混合微网示范项目已经完工,其中苏州同里的交直流混合微电网示范项目为例:该示范项目已经建成了4.38兆瓦的系统,并具有连续的负载能力,其中包括:

1)“源":2.901 MW多种可再生能源,如太阳能(屋顶/幕墙/道路);

2)“网":交联和直流微电网

3)“荷":2.691 MW的多样化 DC负载,如充电桩(DC快速充电)+数据中心, AC负载0.97 MW;

4)“储":超级电容和磷酸铁锂的混合存储,目前已经建设完成:

利用电力电子变压器,可在10 kV、±750 V、±375 V直流、直流-375 V直流-直流-柔性交叉互联;

图片图6 苏州同里“光储直柔"示范项目

交、直流复合微电网可以有效的改善电力系统的运行效率、可靠性、降低系统的复杂性、稳定的控制、电力的交互作用,是今后配电网络发展的必然趋势。正是基于交直流的混合型网络结构,使得微电网有望从1.0时代的“点消纳",2.0时代的“线消纳"走向3.0时代。

图7 微电网发展阶段演变

1.1.5、微、主电网间关系及发展必要性

(1)微、主电网的核心差异

通过对微电网的分析,我们发现,微网与主网的区别在于:

1)发电端:微网是指分散/分散的新能源,如风电、光伏等,其发电量波动大、间歇性高;目前的主电网主要集中在大型火电、水电等大型集中式电力系统上,属于基础负荷,发电相对稳定;但不管是火电、水电、风电、光伏,都有一个共同点,那就是电力和电力的实时均衡(不能超过某个限度)。

2)电力用户:目前的微电网主要是以工业园区、单位大院、居民小区为主,相对于电网所面对的全社会来说,这种封闭的环境下,电动车的数量密度处于高位,因此,它所承受的随机、无序充电压力也就越大。

其次,不同的体系结构:

1)主网仍然是“源随荷动"的基本结构,也就是说,发电厂把一次能源转化为电能,经过输电、变电、配电,*终实现电能的生产和消费,在此期间,由发电站向用电终端提供了一个单向的能量输送。

2)微型电网的情况就不一样了,它的风机、光伏组件随时间、气候而变化,同时电力负荷也会发生变化,因此需要更多的储能系统、柔性台区等具有能量存储、转换属性的新型路由装置,以实现网内能源生产与用能负荷的动态平衡,并充分保证新能源的消纳,也就是“源—网—荷—储"的联动。

(2)发展微电网必要性

如果我们仍然是煤(火电),而不是像电动汽车这样的随机负载,那么,主电网就能更好地完成火电的发电和输配,*多也就是在增容线路、输配电线路和数字化/智能化运营上投入。

发展微电网的背景是,在“2060年,碳达峰,2060年"的指导下,我国能源产业的碳排放量达到40%的电力工业,应加快建设新能源为主的新型电力体系,提高新能源的消纳和储存能力,以满足“双碳"的目标。与之对应的是,以风力、光伏为首的非水可再生能源在整个社会的发电量中所占比例不断增加(到2021年底已经超过12%),预计到2030年将成为主要的发电站(约25%-35%)。然而,风电、光伏发电虽然绿色、洁净、取之不尽,是的替代传统能源的主要新能源,但其在实际应用中也有许多问题,对电力供需双方都造成了负面影响,从而引发了新的需求,推动了我国的发展。以下文章将从电力供应和电力需求两方面论述发展微型电网的必要性

A. 发电侧必要性:体现为风电、太阳能的并网不利影响。

一方面,风电、光伏发电具有间歇式、波动性的特点,比如风力发电的功率与风速强度有关,而风速又与季节、天气、时间等因素有关;同时,太阳能的发电量与光强有着密切的关系,而这种关系还与日出、高度、日落等因素密切相关。

这种新能源的随机性,会给传统电网(中、低压配电网)带来负面的影响,如:局部电压越界,电压波动加大,潮流逆向流动频繁,短路电流增加,供电可靠度降低,电能质量下降,继电保护装置误动,增加调峰难度。

图片图8 风电、光伏发电随机性