國(guó)內(nèi)外直流微網(wǎng)發(fā)展動(dòng)態(tài)

茅龔丹, 楊 靜, 吳佳驊(上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院, 上海 200070)

國(guó)內(nèi)外直流微網(wǎng)發(fā)展動(dòng)態(tài)

茅龔丹, 楊 靜, 吳佳驊
(上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院, 上海 200070)

介紹了直流微網(wǎng)的概念、基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn),簡(jiǎn)要闡述及分析了直流微網(wǎng)技術(shù)發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài),并對(duì)國(guó)內(nèi)相關(guān)政策動(dòng)態(tài)、國(guó)內(nèi)外直流微網(wǎng)示范工程進(jìn)行了調(diào)研,可為直流微網(wǎng)相關(guān)研究提供參考。

直流微網(wǎng); 發(fā)展動(dòng)態(tài); 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn); 示范項(xiàng)目

0 引 言

近年來,直流微網(wǎng)已被認(rèn)為是傳輸電能的一種可靠的方式,能有效地集中微小型分布式微電源,得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。

1 直流微電網(wǎng)技術(shù)

直流微電網(wǎng)是指是以直流配電的形式,通過一條公共直流母線將所有微電源連接起來的獨(dú)立可控系統(tǒng),可對(duì)當(dāng)?shù)靥峁╇娔?。光伏發(fā)電、燃料電池、風(fēng)力發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)等微電源形式,通過一個(gè)集中DC/AC 變流裝置與大電網(wǎng)相連,形成了一個(gè)典型的直流微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)[1],如圖1所示。

相比于交流微電網(wǎng),直流微電網(wǎng)中各種微型電源與直流母線的連接形式更簡(jiǎn)單、方便,無需考慮交流電源輸出電壓的頻率、相位等問題,往往只需一次AC/DC 或者DC/DC 變流轉(zhuǎn)換;直流母線只需通過一個(gè)DC/AC逆變器,即可與交流大電網(wǎng)相連接。因此,直流微網(wǎng)相比交流微網(wǎng)其系統(tǒng)成本和損耗將大幅減少。另外,由于直流微電網(wǎng)控制只取決于直流母線電壓,因此潮流控制更大程度上僅取決于電流,更易于實(shí)現(xiàn)各微電源間的協(xié)調(diào)控制[2]。

2 直流微電網(wǎng)特點(diǎn)

相對(duì)于交流微網(wǎng),直流微網(wǎng)有著許多顯著的特點(diǎn):

(1) 大多數(shù)分布式能源和電力用戶終端負(fù)載是直流的,連接到微網(wǎng)可以減少能量轉(zhuǎn)換次數(shù),減少損耗和故障率[3]。

(2) 由于無集膚效應(yīng),直流電源線提供了更強(qiáng)的帶載能力。

(3) 直流微網(wǎng)比交流微網(wǎng)的抗干擾性更好,而且直流微網(wǎng)在基礎(chǔ)設(shè)施的投資上比交流微網(wǎng)低很多。

(4) 直流微網(wǎng)無需考慮分布式電源的同步性[4]。

(5) 分布式電源與負(fù)載功率波動(dòng)可由儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)償。

(6) 負(fù)載不受電壓調(diào)整、電壓閃變、三相不平衡及諧波的影響。

(7) 電能質(zhì)量不受沖擊電流、單相負(fù)載、單相發(fā)電機(jī)影響。

圖1 直流微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

3 直流微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究動(dòng)態(tài)

目前,直流微網(wǎng)研究的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在直流微網(wǎng)的控制技術(shù)、直流微網(wǎng)保護(hù)技術(shù)以及與之相配套的相關(guān)儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)。

3.1 直流微網(wǎng)控制技術(shù)

直流微電網(wǎng)的控制按照層級(jí)可大體分為變換器控制技術(shù)、微電網(wǎng)控制技術(shù)、配電網(wǎng)層級(jí)控制技術(shù)。變換器控制技術(shù)研究主要集中在網(wǎng)側(cè)雙向AC/DC控制、儲(chǔ)能單元DC/DC雙向控制、光伏DC/DC控制、針對(duì)電動(dòng)汽車充電站的V2G控制等。微電網(wǎng)控制技術(shù)的控制要點(diǎn)是保持微電網(wǎng)能量平衡和母線電壓的穩(wěn)定。目前,對(duì)于配電網(wǎng)層面的研究較少,需要相關(guān)的控制理論與控制方法大規(guī)模向前發(fā)展至成熟階段,并結(jié)合柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展,可將此技術(shù)研究作為共性技術(shù)問題——多端多電壓等級(jí)直流微電網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)進(jìn)行研究,將會(huì)得到解決。

3.2 直流微電網(wǎng)的保護(hù)技術(shù)

與交流微網(wǎng)相比,直流微網(wǎng)保護(hù)技術(shù)研究仍處于起步階段,目前保護(hù)技術(shù)的相關(guān)研究主要集中在對(duì)直流保護(hù)相關(guān)設(shè)備、直流微電網(wǎng)接地方式、故障分析與處理方案的相關(guān)研究上。直流微電網(wǎng)中最危險(xiǎn)的是電弧,在直流微網(wǎng)中,主要采用的滅弧裝置有熔斷器、斷路器等保護(hù)設(shè)備[5]。目前,400 V及以下的低壓直流斷路器技術(shù)已經(jīng)成熟并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化,而中高壓直流斷路器的研發(fā)雖然有些突破,但是距離工業(yè)化尚有不小差距。2012年11月,ABB公司宣稱開發(fā)了世界上第一臺(tái)高壓直流斷路器;2014年11月,西安交通大學(xué)研制的我國(guó)首臺(tái)面向直流電網(wǎng)需求的55 kV高壓直流斷路器單元樣機(jī)取得重要進(jìn)展。直流微電網(wǎng)接地方式已有相關(guān)研究,目前在工程上普遍采用中性點(diǎn)多點(diǎn)接地方式。對(duì)直流微電網(wǎng)故障診斷與處理方法在理論上已經(jīng)取得了相關(guān)突破,但尚未達(dá)到工程應(yīng)用程度。

3.3 直流微電網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)

要使直流微網(wǎng),尤其是獨(dú)立的直流微網(wǎng)輸出穩(wěn)定的電能,儲(chǔ)能系統(tǒng)必不可少。目前,直流微電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)可分為蓄電池、超級(jí)電容器、飛輪儲(chǔ)能等,但各種儲(chǔ)能方法均不能完全兼顧安全性、高比能量、長(zhǎng)使用壽命、技術(shù)成熟以及工作溫度范圍等的要求。由于微電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展仍處于起步階段,因此研發(fā)快速、高效、低成本的儲(chǔ)能電池和實(shí)現(xiàn)各種儲(chǔ)能技術(shù)的有機(jī)結(jié)合技術(shù)是當(dāng)前一個(gè)研究熱點(diǎn)[6]。

4 微電網(wǎng)國(guó)內(nèi)相關(guān)政策動(dòng)態(tài)

隨著交流微網(wǎng)的不斷成熟,國(guó)家能源局出臺(tái)了微電網(wǎng)示范政策,這對(duì)后續(xù)發(fā)展直流微電網(wǎng)和促進(jìn)相關(guān)政策出臺(tái)具有借鑒作用。

2015年7月,國(guó)家能源局《關(guān)于推進(jìn)新能源微電網(wǎng)示范項(xiàng)目建設(shè)的指導(dǎo)意見》發(fā)布,鼓勵(lì)2015年各省(市、區(qū))申報(bào)1～2個(gè)新能源微電網(wǎng)項(xiàng)目,在建設(shè)中大力發(fā)展微電網(wǎng)技術(shù),按照能源互聯(lián)網(wǎng)的理念,采用先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)及信息技術(shù),實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)和使用的智能化匹配及協(xié)同運(yùn)行,以新業(yè)態(tài)方式參與電力市場(chǎng),形成高效清潔的能源利用新載體。

繼7月國(guó)家能源局公布《關(guān)于推進(jìn)新能源微電網(wǎng)示范項(xiàng)目建設(shè)的指導(dǎo)意見》后,國(guó)家能源局下一步將出臺(tái)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)醞釀?wù)呓M合拳,在借力新一輪電力體制改革和已有補(bǔ)貼政策的同時(shí),研究利用專項(xiàng)建設(shè)債券促進(jìn)微電網(wǎng)建設(shè)。

5 微電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)

目前,各國(guó)對(duì)直流微網(wǎng)的研究都還處于試驗(yàn)探索階段,所以關(guān)于直流微網(wǎng)的很多技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也尚未確定,本文主要從直流供電、配電及微電網(wǎng)的方向介紹一些相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)。

2013年11月,住房城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)了2014年工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制訂修訂計(jì)劃,其中《微電網(wǎng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)劃2016年完成制定。該標(biāo)準(zhǔn)適用于10 kV及以下的離網(wǎng)型和并網(wǎng)型微電網(wǎng)在系統(tǒng)一次、二次、保護(hù)控制、通信、能量管理、計(jì)量等方面的設(shè)計(jì),主要技術(shù)內(nèi)容涉及微電網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成、電源配置、電力平衡、接線方式、仿真計(jì)算、儲(chǔ)能配置原則、保護(hù)配置原則、自動(dòng)化配置、通信方式選擇、能量管理功能規(guī)定、計(jì)量方案等。

2014年1月,由華北電力大學(xué)、西安交通大學(xué)、中國(guó)電科院、廣州電力設(shè)計(jì)研究院、南瑞集團(tuán)公司等單位共同申請(qǐng)的IEC/TC8/TS 62898-2《微電網(wǎng)控制與運(yùn)行技術(shù)條件》、IEC/TC8/TS 62898-1《微電網(wǎng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》工作起動(dòng)會(huì)召開,通過參與該兩項(xiàng)IEC標(biāo)準(zhǔn)的編制,有利于中國(guó)電科院掌握該領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外最新動(dòng)態(tài),提升中國(guó)電科院在微電網(wǎng)運(yùn)行控制及規(guī)劃設(shè)計(jì)方面的話語權(quán)。

2014年5月,工業(yè)和信息化部印發(fā)了YD 5210—2014《240 V直流供電系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》,該規(guī)范適用于新建240 V直流供電系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收。主要內(nèi)容包括240 V直流供電系統(tǒng)的組成、設(shè)備配置、導(dǎo)線的選擇和布放、監(jiān)控與告警系統(tǒng)要求、接地與安全要求、工程安裝設(shè)計(jì)要求及工程驗(yàn)收要求等相關(guān)工程建設(shè)的要求。

2014年7月,國(guó)家能源局公布了2014年第一批能源領(lǐng)域行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制(修)訂計(jì)劃,其中《分布式電源接入及微電網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃由能源行業(yè)電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)歸口,電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院、西北電力設(shè)計(jì)院、西南電力設(shè)計(jì)院、江蘇省電力設(shè)計(jì)院、廣東省電力設(shè)計(jì)研究院等單位參與起草,計(jì)劃2016年完成制定。

2014年8月,中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化中心召開了《微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)測(cè)試規(guī)范》、《微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)試與驗(yàn)收規(guī)范》、《微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)運(yùn)行控制規(guī)范》三項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿評(píng)審會(huì)。其中《微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)測(cè)試規(guī)范》明確了微電網(wǎng)并網(wǎng)測(cè)試內(nèi)容,規(guī)范了微電網(wǎng)并網(wǎng)測(cè)試條件、測(cè)試方法以及測(cè)試報(bào)告等內(nèi)容,為微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)的并網(wǎng)測(cè)試提供了依據(jù);《微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)試與驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定了微電網(wǎng)接入系統(tǒng)設(shè)備調(diào)試和系統(tǒng)調(diào)試的項(xiàng)目和方法,規(guī)范了并網(wǎng)驗(yàn)收、試運(yùn)行以及驗(yàn)收?qǐng)?bào)告的內(nèi)容;《微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)運(yùn)行控制規(guī)范》規(guī)定了微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)在聯(lián)絡(luò)線交換功率控制、并網(wǎng)/離網(wǎng)控制、電網(wǎng)異常響應(yīng)等方面應(yīng)滿足的運(yùn)行控制要求。

2015年3月,智能微電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟成立暨標(biāo)準(zhǔn)體系研討大會(huì)在濟(jì)南舉行。聯(lián)盟由濟(jì)南大陸機(jī)電股份有限公司、積成電子有限公司等18家企業(yè)共同發(fā)起成立,共同致力于智能微電網(wǎng)的微網(wǎng)建設(shè),重點(diǎn)是微網(wǎng)中的感知、控制、用電智能終端的標(biāo)準(zhǔn)研制、技術(shù)交流、產(chǎn)品創(chuàng)新等。通過對(duì)感知、控制、用電智能終端的技術(shù)提升與有效管理,實(shí)現(xiàn)整個(gè)微網(wǎng)區(qū)域用電過程的節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行,同時(shí)又可以為本地電網(wǎng)提供準(zhǔn)確的用能供需水平依據(jù),通過儲(chǔ)電、控制裝置,調(diào)節(jié)清潔能源的利用和使用,逐步淘汰微網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的高污染的發(fā)電方式。

2015年6月,IEEE P2030.9《微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)推薦性實(shí)踐》國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)第一次工作組會(huì)議在北京召開,來自IEEE SA、IEEE駐中國(guó)辦事處、國(guó)家電網(wǎng)公司、西門子、施耐德、天津大學(xué)等單位的代表參加討論。該標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)起組織編寫的智能電網(wǎng)領(lǐng)域的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),由電氣與電子工程師學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(IEEE-SA)歸口管理,并設(shè)立SASB/SCC21/Microgrid工作組負(fù)責(zé)本標(biāo)準(zhǔn)的研究和起草工作,對(duì)促進(jìn)可再生能源的發(fā)展,規(guī)范微電網(wǎng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì),促進(jìn)微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。

6 直流微電網(wǎng)國(guó)內(nèi)外示范性工程

隨著對(duì)直流微電網(wǎng)技術(shù)研究的不斷深入,國(guó)內(nèi)外先后建設(shè)了多項(xiàng)直流微電網(wǎng)示范工程,如美國(guó)CERTS試驗(yàn)基地、西班牙LABEIN微網(wǎng)中心、德國(guó)Manheim微網(wǎng)、日本Hachinohe計(jì)劃,中國(guó)廈門大學(xué)、昆明、海裝等直流微電網(wǎng)示范工程,如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)外典型直流微網(wǎng)示范工程

7 結(jié) 語

本文分析了直流微網(wǎng)的發(fā)展優(yōu)勢(shì)及直流微網(wǎng)的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),并提供了這些關(guān)鍵技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)。目前總體來說,直流微電網(wǎng)處于技術(shù)尚未成熟且示范研究平臺(tái)階段,很多直流微網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)亟待突破,相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚在研究中。

[1] 李武華,顧云杰,王宇翔.新能源直流微網(wǎng)的控制架構(gòu)與層次劃分[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2015,39(9):156-162.

[2] 宋強(qiáng),趙彪,劉文華.智能直流配電網(wǎng)研究綜述[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,33(25):9-19.

[3] Hiroaki Kakigano,YushiMiura,ToshifumiIse,et al.DC micro-grid for super high quality distribution-system configuration and control of distributed generations and energy storage devices[C]∥The 37thIEEE Power Electronics Specialists Conference,Jeju,Korea,Repulic,2006:1-6.

[4] 張國(guó)榮,徐宏.直流微網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].低壓電器,2012(15):1-5.

[5] 吳衛(wèi)民,何遠(yuǎn)彬.直流微網(wǎng)研究中的關(guān)鍵技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2012,27(1):98-113.

[6] KALE S A,JAGTAP P P,HELONDE J B.Role of micro sources within micro grid[C]∥Fourth International Conference on Emerging Trends in Engineering and Technology,November 18-21,Port Louis,Mauritius,2011:174-179.

Domestic and Overseas Development Trends of DC Micro Grid

MAO Gongdan, YANG Jing, WU Jiahua

(Central Research Institute of Shanghai Electric Group Co., Ltd., Shanghai 200070, China)

This introduced the concept,fundamental structure,and technical characteristics of DC micro grid.The technical developments and standard trends of DC micro grid are simply elaborated and analyzed.The domestic policy and situation,and domestic and overseas demonstrative projects of DC micro grid were investigated.It can provide references for the correlation research of similar DC micro grids.

DC micro grid; development trend; technical standard; demonstrative project

茅龔丹(1985—),女,工程師,從事標(biāo)準(zhǔn)化研究。

TM 614

B

1674-8417(2015)10-0073-05

2015-09-23

楊 靜(1981—),女,工程師,從事標(biāo)準(zhǔn)化研究。

吳佳驊(1991—),男,從事分布式能源研究。