国内外直流微网发展动态

2015-03-22茅龚丹吴佳骅上海电气集团股份有限公司中央研究院上海200070

现代建筑电气 2015年10期

关键词：微网储能直流

茅龚丹, 杨静, 吴佳骅(上海电气集团股份有限公司中央研究院, 上海 200070)

国内外直流微网发展动态

茅龚丹, 杨静, 吴佳骅
(上海电气集团股份有限公司中央研究院, 上海 200070)

介绍了直流微网的概念、基本结构和技术特点,简要阐述及分析了直流微网技术发展及标准动态,并对国内相关政策动态、国内外直流微网示范工程进行了调研,可为直流微网相关研究提供参考。

直流微网; 发展动态; 技术标准; 示范项目

0 引言

近年来,直流微网已被认为是传输电能的一种可靠的方式,能有效地集中微小型分布式微电源,得到了广泛的关注和应用。

1 直流微电网技术

直流微电网是指是以直流配电的形式,通过一条公共直流母线将所有微电源连接起来的独立可控系统,可对当地提供电能。光伏发电、燃料电池、风力发电、微型燃气轮机等微电源形式,通过一个集中DC/AC 变流装置与大电网相连,形成了一个典型的直流微电网基本结构[1],如图1所示。

相比于交流微电网,直流微电网中各种微型电源与直流母线的连接形式更简单、方便,无需考虑交流电源输出电压的频率、相位等问题,往往只需一次AC/DC 或者DC/DC 变流转换;直流母线只需通过一个DC/AC逆变器,即可与交流大电网相连接。因此,直流微网相比交流微网其系统成本和损耗将大幅减少。另外,由于直流微电网控制只取决于直流母线电压,因此潮流控制更大程度上仅取决于电流,更易于实现各微电源间的协调控制[2]。

2 直流微电网特点

相对于交流微网,直流微网有着许多显著的特点:

(1) 大多数分布式能源和电力用户终端负载是直流的,连接到微网可以减少能量转换次数,减少损耗和故障率[3]。

(2) 由于无集肤效应,直流电源线提供了更强的带载能力。

(3) 直流微网比交流微网的抗干扰性更好,而且直流微网在基础设施的投资上比交流微网低很多。

(4) 直流微网无需考虑分布式电源的同步性[4]。

(5) 分布式电源与负载功率波动可由储能系统补偿。

(6) 负载不受电压调整、电压闪变、三相不平衡及谐波的影响。

(7) 电能质量不受冲击电流、单相负载、单相发电机影响。

图1 直流微电网基本结构

3 直流微电网关键技术研究动态

目前,直流微网研究的关键技术主要集中在直流微网的控制技术、直流微网保护技术以及与之相配套的相关储能系统技术。

3.1 直流微网控制技术

直流微电网的控制按照层级可大体分为变换器控制技术、微电网控制技术、配电网层级控制技术。变换器控制技术研究主要集中在网侧双向AC/DC控制、储能单元DC/DC双向控制、光伏DC/DC控制、针对电动汽车充电站的V2G控制等。微电网控制技术的控制要点是保持微电网能量平衡和母线电压的稳定。目前,对于配电网层面的研究较少,需要相关的控制理论与控制方法大规模向前发展至成熟阶段,并结合柔性直流输电技术的发展,可将此技术研究作为共性技术问题——多端多电压等级直流微电网互联技术进行研究,将会得到解决。

3.2 直流微电网的保护技术

与交流微网相比,直流微网保护技术研究仍处于起步阶段,目前保护技术的相关研究主要集中在对直流保护相关设备、直流微电网接地方式、故障分析与处理方案的相关研究上。直流微电网中最危险的是电弧,在直流微网中,主要采用的灭弧装置有熔断器、断路器等保护设备[5]。目前,400 V及以下的低压直流断路器技术已经成熟并实现工业化,而中高压直流断路器的研发虽然有些突破,但是距离工业化尚有不小差距。2012年11月,ABB公司宣称开发了世界上第一台高压直流断路器;2014年11月,西安交通大学研制的我国首台面向直流电网需求的55 kV高压直流断路器单元样机取得重要进展。直流微电网接地方式已有相关研究,目前在工程上普遍采用中性点多点接地方式。对直流微电网故障诊断与处理方法在理论上已经取得了相关突破,但尚未达到工程应用程度。

3.3 直流微电网的储能系统技术

要使直流微网,尤其是独立的直流微网输出稳定的电能,储能系统必不可少。目前,直流微电网储能技术可分为蓄电池、超级电容器、飞轮储能等,但各种储能方法均不能完全兼顾安全性、高比能量、长使用寿命、技术成熟以及工作温度范围等的要求。由于微电网储能技术发展仍处于起步阶段,因此研发快速、高效、低成本的储能电池和实现各种储能技术的有机结合技术是当前一个研究热点[6]。

4 微电网国内相关政策动态

随着交流微网的不断成熟,国家能源局出台了微电网示范政策,这对后续发展直流微电网和促进相关政策出台具有借鉴作用。

2015年7月,国家能源局《关于推进新能源微电网示范项目建设的指导意见》发布,鼓励2015年各省(市、区)申报1～2个新能源微电网项目,在建设中大力发展微电网技术,按照能源互联网的理念,采用先进的互联网及信息技术,实现能源生产和使用的智能化匹配及协同运行,以新业态方式参与电力市场,形成高效清洁的能源利用新载体。

继7月国家能源局公布《关于推进新能源微电网示范项目建设的指导意见》后,国家能源局下一步将出台微电网设计规范和标准,同时酝酿政策组合拳,在借力新一轮电力体制改革和已有补贴政策的同时,研究利用专项建设债券促进微电网建设。

5 微电网相关技术标准动态

目前,各国对直流微网的研究都还处于试验探索阶段,所以关于直流微网的很多技术标准也尚未确定,本文主要从直流供电、配电及微电网的方向介绍一些相关的技术标准动态。

2013年11月,住房城乡建设部印发了2014年工程建设标准规范制订修订计划,其中《微电网工程设计规范》计划2016年完成制定。该标准适用于10 kV及以下的离网型和并网型微电网在系统一次、二次、保护控制、通信、能量管理、计量等方面的设计,主要技术内容涉及微电网系统构成、电源配置、电力平衡、接线方式、仿真计算、储能配置原则、保护配置原则、自动化配置、通信方式选择、能量管理功能规定、计量方案等。

2014年1月,由华北电力大学、西安交通大学、中国电科院、广州电力设计研究院、南瑞集团公司等单位共同申请的IEC/TC8/TS 62898-2《微电网控制与运行技术条件》、IEC/TC8/TS 62898-1《微电网规划与设计技术导则》工作起动会召开,通过参与该两项IEC标准的编制,有利于中国电科院掌握该领域的国内外最新动态,提升中国电科院在微电网运行控制及规划设计方面的话语权。

2014年5月,工业和信息化部印发了YD 5210—2014《240 V直流供电系统工程技术规范》,该规范适用于新建240 V直流供电系统工程的设计、施工及验收。主要内容包括240 V直流供电系统的组成、设备配置、导线的选择和布放、监控与告警系统要求、接地与安全要求、工程安装设计要求及工程验收要求等相关工程建设的要求。

2014年7月,国家能源局公布了2014年第一批能源领域行业标准制(修)订计划,其中《分布式电源接入及微电网设计规范》标准计划由能源行业电力系统规划设计标准化技术委员会归口,电力规划设计总院、西北电力设计院、西南电力设计院、江苏省电力设计院、广东省电力设计研究院等单位参与起草,计划2016年完成制定。

2014年8月,中国电力企业联合会标准化中心召开了《微电网接入配电网测试规范》、《微电网接入配电网系统调试与验收规范》、《微电网接入配电网运行控制规范》三项国家标准征求意见稿评审会。其中《微电网接入配电网测试规范》明确了微电网并网测试内容,规范了微电网并网测试条件、测试方法以及测试报告等内容,为微电网接入配电网的并网测试提供了依据;《微电网接入配电网系统调试与验收规范》规定了微电网接入系统设备调试和系统调试的项目和方法,规范了并网验收、试运行以及验收报告的内容;《微电网接入配电网运行控制规范》规定了微电网接入配电网在联络线交换功率控制、并网/离网控制、电网异常响应等方面应满足的运行控制要求。

2015年3月,智能微电网产业标准联盟成立暨标准体系研讨大会在济南举行。联盟由济南大陆机电股份有限公司、积成电子有限公司等18家企业共同发起成立,共同致力于智能微电网的微网建设,重点是微网中的感知、控制、用电智能终端的标准研制、技术交流、产品创新等。通过对感知、控制、用电智能终端的技术提升与有效管理,实现整个微网区域用电过程的节能优化运行,同时又可以为本地电网提供准确的用能供需水平依据,通过储电、控制装置,调节清洁能源的利用和使用,逐步淘汰微网区域内的高污染的发电方式。

2015年6月,IEEE P2030.9《微电网规划设计推荐性实践》国际标准第一次工作组会议在北京召开,来自IEEE SA、IEEE驻中国办事处、国家电网公司、西门子、施耐德、天津大学等单位的代表参加讨论。该标准是国家电网公司发起组织编写的智能电网领域的国际标准,由电气与电子工程师学会标准协会(IEEE-SA)归口管理,并设立SASB/SCC21/Microgrid工作组负责本标准的研究和起草工作,对促进可再生能源的发展,规范微电网的规划和设计,促进微电网技术的发展和应用具有重要意义。

6 直流微电网国内外示范性工程

随着对直流微电网技术研究的不断深入,国内外先后建设了多项直流微电网示范工程,如美国CERTS试验基地、西班牙LABEIN微网中心、德国Manheim微网、日本Hachinohe计划,中国厦门大学、昆明、海装等直流微电网示范工程,如表1所示。

表1 国内外典型直流微网示范工程

7 结语

本文分析了直流微网的发展优势及直流微网的几项关键技术,并提供了这些关键技术的最新发展动态。目前总体来说,直流微电网处于技术尚未成熟且示范研究平台阶段,很多直流微网的相关技术亟待突破,相关技术标准尚在研究中。

[1] 李武华,顾云杰,王宇翔.新能源直流微网的控制架构与层次划分[J].电力系统自动化,2015,39(9):156-162.

[2] 宋强,赵彪,刘文华.智能直流配电网研究综述[J].中国电机工程学报,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] 张国荣,徐宏.直流微网中的关键技术综述[J].低压电器,2012(15):1-5.

[5] 吴卫民,何远彬.直流微网研究中的关键技术[J].电工技术学报,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