摘 要:智能電網(wǎng)的核心內(nèi)容之一是解決各種新能源的接入問題。風能、光伏、電動車充電站等新能源發(fā)、用電存在間歇性、波動性強,接入電網(wǎng)技術(shù)性能差和對電網(wǎng)注入諧波等一系列問題。本文主要介紹了風力、光伏發(fā)電、電動車充電站接入電網(wǎng)后對配電網(wǎng)的影響,希望可以通過建立智能配電網(wǎng)的模型,深入研究分析新能源供用電接入對智能配電網(wǎng)的綜合影響,實現(xiàn)對配電網(wǎng)各組件的監(jiān)控和最優(yōu)供用電組合。
　　關(guān)鍵詞:新能源 智能配電網(wǎng) 風力發(fā)電 光伏發(fā)電 電動車充電站
　　近年來,世界范圍內(nèi)能源危機日益加劇,能源的開采和使用加速了人類生存環(huán)境的惡化。人類必須在有限資源和環(huán)境保護要求的雙重制約下發(fā)展經(jīng)濟。因此,作為一次能源的最大使用者,電力行業(yè)綜合利用各種新能源具有非常重要的意義。與此同時,以集中發(fā)電、遠距離輸電和大電網(wǎng)互聯(lián)為主要特性的電力系統(tǒng)的弊端[1～2]也日益呈現(xiàn),如技術(shù)復雜、不能靈活跟蹤負荷的變化、局部的偶然事故極易擴散,導致大面積停電等等。因此,各國不約而同的地提出要建設靈活、清潔、安全、經(jīng)濟、友好的智能電網(wǎng),將具有智能電網(wǎng)視為未來電網(wǎng)的發(fā)展方向,我國也提出了建設堅強智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略部署。我國新能源近年發(fā)展迅速。截至2009年底,風力發(fā)電總裝機容量超過2500萬kW,光伏發(fā)電也已達29萬kW[3]。由于新能源發(fā)電具有隨機性、波動性和間歇性,其接入電網(wǎng)會影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。同時,在政府對電動車產(chǎn)業(yè)的大力推動下,我國電動車發(fā)展迅速,電動車的充電行為也具有隨機性、間歇性,并且由于其充電過程中使用整流裝置,將會給配電網(wǎng)帶來較大的影響。
　　1 新能源發(fā)電技術(shù)及其對智能配電網(wǎng)的影響
　　在可再生能源中,光伏發(fā)電和風力發(fā)電發(fā)展最快,世界各國都將其作為重要的發(fā)展方向。新能源的轉(zhuǎn)換、利用和并網(wǎng)運行技術(shù),是世界各國智能電網(wǎng)技術(shù)的研究焦點。
　　1 . 1 風力發(fā)電簡介
　　風力發(fā)電是目前新能源開發(fā)中技術(shù)最成熟、最具規(guī)?；虡I(yè)開發(fā)前景的發(fā)電方式。風力發(fā)電是利用天然風吹轉(zhuǎn)葉片,帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)電。其運行方式可分為獨立運行、并網(wǎng)運行、與其它發(fā)電方式互補運行如與柴油機組、與太陽能光伏發(fā)電、與燃料電池發(fā)電方式等互補等[4]。除大型風電場外,人們正在研究各種微型風力發(fā)電技術(shù)。據(jù)報道,一個由英國、德國和荷蘭聯(lián)合組成的項目已經(jīng)設計了一幢能利用風力發(fā)電的寫字樓[5]。大樓呈“雙塔”結(jié)構(gòu),裝有3組巨大的渦輪槳葉;兩座主樓體的截面都是弧形的,能將風擠向中間,形成“ 風口”,提高風扇的工作效率。在3組渦輪槳葉同時工作時,所產(chǎn)生的電能至少能滿足大樓20%的用電需求,但建造成本昂貴。隨著技術(shù)的發(fā)展成熟,如果風電大樓可以在城市推廣,它將有望改變城市的供電結(jié)構(gòu)。
　　1 . 2 光伏發(fā)電簡介
　　光伏發(fā)電是應用太陽電池在受到太陽光照時產(chǎn)生光伏效應,將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔?主要由光伏陣列、傳感器、儲能型蓄電池和充放電控制器、升壓電路、逆變器、濾波器和系統(tǒng)控制器等組成。光伏發(fā)電具有無噪聲、無污染、能量隨處可得、不受地域限制、不消耗燃料、運行成本低、建設周期短、規(guī)模設計自由度大、可就地使用等優(yōu)點。國際上利用太陽能光伏發(fā)電主要有獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)、聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、屋頂發(fā)電三類[2]。目前,我國光伏電池年產(chǎn)量已突破200萬kW,居世界第一,但光伏發(fā)電安裝量還不到世界總量的1%,與生產(chǎn)大國的地位相差甚遠。制約其發(fā)展的主要因素是并網(wǎng)成本過高。
　　1 . 3 新能源發(fā)電接入對電網(wǎng)的影響
　　新能源發(fā)電的目的是增加電力系統(tǒng)的電量,減少電力系統(tǒng)對一次能源的消耗。新能源發(fā)電具有間歇性、隨機性、可調(diào)度性差的特點。目前,新能源的接入主要分可離網(wǎng)蓄電、并網(wǎng)發(fā)電及兩者混合系統(tǒng)三類[6]。在電網(wǎng)接納能力不足的情況下,新能源發(fā)電并網(wǎng)會給電力系統(tǒng)帶來一些不利影響,存在的主要問題在眾多文獻中均有描述,現(xiàn)總結(jié)如下。
　　(1)對電能質(zhì)量的影響。
　　風力發(fā)電和光伏發(fā)電受天氣影響均具有間歇性和波動性特點,且一般配有整流-逆變設備和大量的電力電子設備,會產(chǎn)生一定的諧波和直流分量。諧波電流注入電力系統(tǒng)后,會引起電網(wǎng)電壓畸變,影響電能質(zhì)量,造成測量儀表不準確、加重負荷,還會造成電力系統(tǒng)繼電保護、自動裝置誤動作,影響電力系統(tǒng)安全運行。由于其并網(wǎng)電量隨機波動較大、可調(diào)節(jié)性差,并網(wǎng)時會產(chǎn)生較大的沖擊電流,從而會引起電網(wǎng)頻率偏差、電壓波動與閃變,引起饋線中的潮流發(fā)生變化,進而影響穩(wěn)態(tài)電壓分布和無功特性,使電網(wǎng)的不可控性和調(diào)峰容量余度增大[6]。新能源發(fā)電單元的頻繁啟動會使配電線路的負荷潮流變化大,從而加大了電壓調(diào)整的難度。由于發(fā)電設備采用大量的電力電子裝置,電壓的調(diào)節(jié)和的控制方式也與傳統(tǒng)電網(wǎng)方式有很大不同。雖然一般新能源的發(fā)電裝置上裝有逆功率繼電器,正常運行時不會向電網(wǎng)注入功率,但當配電系統(tǒng)發(fā)生故障時,短路瞬間會有電流注入電網(wǎng),增加配電網(wǎng)開關(guān)電流,可能使配電網(wǎng)的開關(guān)短路電流超標,影響電網(wǎng)安全運行。
　　(2)對網(wǎng)損的影響。
　　新能源接入配電網(wǎng)后,配電系統(tǒng)將由原有的單電源輻射式網(wǎng)絡變?yōu)橛脩艋ヂ?lián)和多電弱環(huán)網(wǎng)絡[1]。電網(wǎng)的分布形式將發(fā)生根本性的變化,負荷大小和方向都很難預測。這使得網(wǎng)損不但與負載等因素有關(guān),還與系統(tǒng)連接的電源具體位置和容量大小密切相關(guān)。
　　(3)對配電網(wǎng)系統(tǒng)的實時監(jiān)控的影響。
　　現(xiàn)行的配電網(wǎng)是一個無源的放射形電網(wǎng)，信息采集、開關(guān)的操作、能源的調(diào)度等相應比較簡單，其實施監(jiān)測、控制和高度是由供電部門統(tǒng)一來執(zhí)行的。新能源的接入使此過程復雜化，特別需要對新能源接入后可能出現(xiàn)的“孤島”現(xiàn)象進行監(jiān)測預防。當新能源的本電網(wǎng)與主配電網(wǎng)分離后，仍繼續(xù)向所在的獨立配電網(wǎng)輸電，就會形成“孤島”現(xiàn)象。孤島中的電壓和頻率不受電網(wǎng)控制，如果電壓和頻率超出允許的范圍，可能會對用戶設備造成損壞;如果負載容量大于孤島中逆變器容量，會使逆變器過載，可能會燒毀逆變器。同時，會對檢修人員造成危險;如果對孤島進行重合閘操作，會導致該線路再次跳閘，而且負荷可能出現(xiàn)供需不平衡，將嚴重損害電能質(zhì)量，從而降低配電網(wǎng)的供電可靠性。
　　(4)并網(wǎng)標準。
　　目前,我國還沒有統(tǒng)一的關(guān)于新能源發(fā)電的并網(wǎng)標準,關(guān)于大中型新能源發(fā)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性、電能質(zhì)量、電網(wǎng)調(diào)度和運行等的影響因素,以及電網(wǎng)接納能力等方面的技術(shù)問題尚沒有確切定論,對接入系統(tǒng)的有功/無功控制能力、電能質(zhì)量及低電壓穿越能力等的檢測手段也不完善,包括對控制器、逆變器、輸配電設備、雙向計量設備及系統(tǒng)安全性方面的檢測。隨著大中型新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展,對電網(wǎng)的接納能力、電量調(diào)度運行、配套政策等方面會提出新的要求。
　　2 電動車充電設備及其對智能配電網(wǎng)的影響
　　2 . 1 電動車充電設備簡介
　　目前新能源汽車主要有替代燃料汽車、電動汽車、燃料電池汽車三種。電動汽車在環(huán)保、清潔、節(jié)能等方面有明顯優(yōu)勢,成為了當代汽車的主要發(fā)展方向,是最有潛力的交通工具。電動車能源供給裝置對于電動車產(chǎn)業(yè)而言是不可缺少的重要設備,主要包括直流充電機和交流充電樁兩種形式。直流充電機功率較大,充電時間短,體積較大,用于大規(guī)模的充電站內(nèi)。交流充電樁一般功率較少,充電時間較大,體積小,占地少。電動車充電模式[7]主要有三種:常規(guī)充電、快速充電和更換電池組。常規(guī)充電一般需要8h～ 12h,甚至更長,通常在晚間進行。快速充電采用大電流,可在車輛運行間隙進行,但會對電網(wǎng)產(chǎn)生有害影響。更換電池組模式需要實現(xiàn)對電池和車輛專業(yè)化快速分離,只適用于充電站。
　　2 . 2 電動車充電設備對智能配電網(wǎng)的影響
　　(1)對電能質(zhì)量的影響。
　　電動車直流充電機采用電力電子技術(shù)、整流裝置等非線性設備,在實際使用過程中不可避免的產(chǎn)生諧波和無功電流,從而影響電能質(zhì)量。文獻[7～10]都對充電設備的諧波影響作了詳細的研究與分析。
　　(2)對配電網(wǎng)的其他影響。
　　電動車采用白天行駛、夜間充電的運行方式,有利于電網(wǎng)的峰谷平衡,改善電網(wǎng)負荷特點,減少為維持電網(wǎng)低負荷運轉(zhuǎn)而引起的調(diào)峰費用。不過也要看到,當現(xiàn)存的電力系統(tǒng)容量已經(jīng)充分利用,且電動汽車在電力系統(tǒng)非低谷用電期充電時,額外的電流需求就不可避免地使系統(tǒng)過載,使其他用電設施受到影響。如果采用增加系統(tǒng)容量的方式就需要增加基礎投入,增加了電網(wǎng)的剩余容量,資源利用率相應下降。
　　3 結(jié)語與展望
　　隨著微網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、微型風力發(fā)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)以及新型濾波充電樁技術(shù)越來越成熟,未來的智能配電網(wǎng)必須可以兼容新能源,實現(xiàn)負荷側(cè)的交互,支持多元化電源的靈活接入和方便使用。首先,智能配電網(wǎng)可以利用太陽能光伏發(fā)電和微型風力發(fā)電不受地域限制的特點,實現(xiàn)新能源的即插即用,建立微型發(fā)網(wǎng)系統(tǒng),組成微型電網(wǎng),實現(xiàn)自發(fā)自用。所謂即插即用是指在配電網(wǎng)低壓側(cè)(或用戶側(cè))自行組網(wǎng)或并網(wǎng),由智能控制器自動控制組網(wǎng)或并網(wǎng)條件,當滿足組網(wǎng)或并網(wǎng)條件時自動組網(wǎng)或并網(wǎng),反之,則隨時脫網(wǎng)。該方式無需建配電站,可降低附加的配電成本,并減少接入點配電網(wǎng)中的傳輸功率,增加輸配電網(wǎng)的輸電裕度,減輕輸配電網(wǎng)過負荷壓力,提高末端電壓和系統(tǒng)對電壓的調(diào)節(jié)性能,減少線路損耗。文獻[11]提出將不同容量的分布式電源和電動汽車儲能設備即插即用式接入,通過收取過網(wǎng)服務費,可增加供電企業(yè)收入。
　　其次,電動車特別是電動汽車產(chǎn)業(yè)雖然發(fā)展迅速,但普及率仍不高。文獻[12]也提出了以純電動汽車替代燃油汽車,很可能是減少了石油進口,但卻要增加煤炭進口,不能從根本上提高我國能源的安全性,并認為目前不是電動汽車發(fā)展的最佳時期,此時建立大型的充電站可能會造成資源浪費。因此,可以考慮在居民小區(qū)、大型企事業(yè)單位內(nèi)設立小規(guī)模電動車充電站,為電動車提供充電服務。最后,智能配電網(wǎng)還應包括數(shù)據(jù)自動采集應用與信息的雙向傳輸。通過自動采集配電網(wǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)如供用電量、電壓、電流、諧波等進行監(jiān)控分析,從而實現(xiàn)對智能配電網(wǎng)的實時監(jiān)控。綜上,智能配電網(wǎng)應至少包括新能源(供、用)接入功能、雙向通信網(wǎng)功能、數(shù)據(jù)自動采集應用功能。目前江門供電局已經(jīng)建立了一個包括上述功能的智能配電網(wǎng)模型,以便進一步研究分析新能源供用電接入對智能配電網(wǎng)的綜合影響,實現(xiàn)對配電網(wǎng)各組件的監(jiān)控和最優(yōu)供用電組合。