微网系统技术研究

前言
太阳能巨大,清洁无污染,是理想的可持续发展能源之一。但其辐射到地面的功率密度一年四季每时每刻都在变化,是一种不稳定的供能源泉。这样就使太阳能光伏发电与核能发电或火力发电产生差异,其输出功率受气候影响,输出的电能时刻变化,与电网连接后会给电网带来不稳定。小规模时这种影响不明显,当大规模太阳能光伏发电并网输电时,供电波动问题将凸显出来。必须开发把这种不稳定影响限制在最小的控制技术,如能彻底解决这一问题,则人类在动力使用方面可高枕无忧了。
微网系统(Micro-Grid)又称小规模分散型电源网络,从后一个名称上可以看出其灵活性。该系统是由太阳能光伏发电、风力发电、小水利发电、生物质发电、燃气发电或柴油发电、燃料电池、蓄电池组等任意组合起来,再加入计量和控制装置,自成系统,独立于大电网或间歇与大电网连接,不需要长距离输电线(电缆)和架空铁塔等大型设备,投资省,不需要大规模投资,也解决了远距离运输大型设备的成本,尤其可以解决大型设备运往岛屿和山区的困难。由于其自我调衡,因此能把可再生能源发电对大电网的扰动减少到最低程度,还能改善家庭太阳能发电系统从发电、用电到蓄电的效率。它还是解决无法实施大型火力或核能发电的小国、岛国、穷困地区日常用电的最佳方案。
   
2.国外动态
大规模普及PV系统时会出现哪些问题,如何解决这些问题,日本针对这个课题在群马县太田市搞了一个大规模集中并网型太阳光发电系统实证研究(即带有研究性质的样板工程),这个系统由553个家庭PV小系统组成,总功率为2129kW,平均每户3.85kW,是在日本政府的普及目标3~4kW/户的范围内,每家都装有一台并网逆变器和适量的铅酸蓄电池,实际上这个系统可以称之为局域网或微网,由于有蓄电池,因此具备了一定的电力调衡功能。但由于没有设置辅助电源(比如柴油发电机或燃气发电机),其电力调衡能力是很局限的。另外由于采用的是铅酸蓄电池,在快速充放电以调衡PV或负载瞬时波动方面也是力不从心的。该项研究从2002年到2007年共持续5年,在蓄电设备最佳运行方法等方面出了不少成果,形成了一些专利和技术秘密。
日本长崎县在2009年10月提出要在该县的岛屿城市五岛市建立日本版的实验微网系统,进行实机应用试验。主要收集因气象变化引起的PV发电量变化数据和蓄电池容量设计数据。
日本10大电力公司准备调查PV发电对电网的影响度,将在日本全国各地进行实机试验。日本电力行业一直认为现有的电网能够应对1000万kW(10GW)的PV发电,但日本政府目标要在2030年使PV总装机容量达到5300万kW(53GW),因此将来可能要对电网进行改进,以使电网能与可再生能源共存。日本全国各地的PV系统的发电功率受天气影响发生波动,从而影响电力品质,但从全国整体来看,PV系统的电力波动因互相抵消,从而对电网电力品质的影响减弱,即大量的PV子系统形成的全国性PV系统具有一定的自调衡功能。但这种调衡作用有多大、还需要另外配置多大容量的蓄电池、为了填补PV发电量的低谷值需要多大容量的火力或核能发电,澄清这些问题是进行实机试验的主要目的。
日本川崎重工对镍氢电池进行改进,要把目前的电池能量密度提升10倍,从200Ah提升到2000Ah,成本下降40%。与PV或风电系统结合起来,通过蓄电池的高速充放电,调衡PV和风电输出的波动,使电力输出均衡化。
    大阪煤气公司试验用燃气发电机和蓄电系统来调衡PV发电系统的输出波动。

前言
太阳能巨大,清洁无污染,是理想的可持续发展能源之一。但其辐射到地面的功率密度一年四季每时每刻都在变化,是一种不稳定的供能源泉。这样就使太阳能光伏发电与核能发电或火力发电产生差异,其输出功率受气候影响,输出的电能时刻变化,与电网连接后会给电网带来不稳定。小规模时这种影响不明显,当大规模太阳能光伏发电并网输电时,供电波动问题将凸显出来。必须开发把这种不稳定影响限制在最小的控制技术,如能彻底解决这一问题,则人类在动力使用方面可高枕无忧了。
微网系统(Micro-Grid)又称小规模分散型电源网络,从后一个名称上可以看出其灵活性。该系统是由太阳能光伏发电、风力发电、小水利发电、生物质发电、燃气发电或柴油发电、燃料电池、蓄电池组等任意组合起来,再加入计量和控制装置,自成系统,独立于大电网或间歇与大电网连接,不需要长距离输电线(电缆)和架空铁塔等大型设备,投资省,不需要大规模投资,也解决了远距离运输大型设备的成本,尤其可以解决大型设备运往岛屿和山区的困难。由于其自我调衡,因此能把可再生能源发电对大电网的扰动减少到最低程度,还能改善家庭太阳能发电系统从发电、用电到蓄电的效率。它还是解决无法实施大型火力或核能发电的小国、岛国、穷困地区日常用电的最佳方案。
   
2.国外动态
大规模普及PV系统时会出现哪些问题,如何解决这些问题,日本针对这个课题在群马县太田市搞了一个大规模集中并网型太阳光发电系统实证研究(即带有研究性质的样板工程),这个系统由553个家庭PV小系统组成,总功率为2129kW,平均每户3.85kW,是在日本政府的普及目标3~4kW/户的范围内,每家都装有一台并网逆变器和适量的铅酸蓄电池,实际上这个系统可以称之为局域网或微网,由于有蓄电池,因此具备了一定的电力调衡功能。但由于没有设置辅助电源(比如柴油发电机或燃气发电机),其电力调衡能力是很局限的。另外由于采用的是铅酸蓄电池,在快速充放电以调衡PV或负载瞬时波动方面也是力不从心的。该项研究从2002年到2007年共持续5年,在蓄电设备最佳运行方法等方面出了不少成果,形成了一些专利和技术秘密。
日本长崎县在2009年10月提出要在该县的岛屿城市五岛市建立日本版的实验微网系统,进行实机应用试验。主要收集因气象变化引起的PV发电量变化数据和蓄电池容量设计数据。
日本10大电力公司准备调查PV发电对电网的影响度,将在日本全国各地进行实机试验。日本电力行业一直认为现有的电网能够应对1000万kW(10GW)的PV发电,但日本政府目标要在2030年使PV总装机容量达到5300万kW(53GW),因此将来可能要对电网进行改进,以使电网能与可再生能源共存。日本全国各地的PV系统的发电功率受天气影响发生波动,从而影响电力品质,但从全国整体来看,PV系统的电力波动因互相抵消,从而对电网电力品质的影响减弱,即大量的PV子系统形成的全国性PV系统具有一定的自调衡功能。但这种调衡作用有多大、还需要另外配置多大容量的蓄电池、为了填补PV发电量的低谷值需要多大容量的火力或核能发电,澄清这些问题是进行实机试验的主要目的。
日本川崎重工对镍氢电池进行改进,要把目前的电池能量密度提升10倍,从200Ah提升到2000Ah,成本下降40%。与PV或风电系统结合起来,通过蓄电池的高速充放电,调衡PV和风电输出的波动,使电力输出均衡化。
    大阪煤气公司试验用燃气发电机和蓄电系统来调衡PV发电系统的输出波动。

3.微网系统要解决的问题
万里无云的晴天(标准晴天),日出到日落,PV系统可视作渐变电源,通过计算机程序可以很好地控制辅助电源与PV匹配共同给负载供电(包括向蓄电池充电);晴天或多云天气,有云彩,日出到日落,PV系统的输出功率波动很大,甚至因云彩遮住太阳而使PV输出功率发生大变,此时是控制辅助电源增大功率输出(目前市场上几乎没有能做到线性响应的辅助电源,而且响应速度也跟不上)还是让蓄电池快速地放电或者是双管齐下,蓄电池应变速度究竟有多快,这些问题都需要调查研究。当然世界上没有绝对的现象,云彩遮住太阳也是需要一个过程的,也即渐变的,这就给控制系统留下了响应时间;阴天,看不见太阳,日出到日落,PV系统也可视作渐变电源,通过计算机程序可以很好地控制辅助电源与PV匹配共同给负载供电。可以看出,对于一个输出功率发生渐变的电源,可以通过辅助电源作线性调整,而对于突变过程,则需要蓄电池吸收过剩电力和在电力不足时向系统释放电力,因此对蓄电池的性能要求就是具有一定的蓄电能力和吸收释放速度即充放电速度。蓄电池已成为环境技术的重要角色,是电能调衡不可缺少的装置,也是微网或智能网的核心部件。为了减少蓄电池占用的空间,系统必须配备高能量密度和高功率密度的新型蓄电池(这种蓄电池也正是电动汽车所需)。目前能基本达到这一要求的是锂离子蓄电池,但价格较贵。
如何做到经济效果好和无污染(尽量不采用铅酸蓄电池等有二次污染的蓄能设备)也是需要研究的内容。
  
4.系统所需器材
    本系统由PV系统、高性能燃气发电机、高性能蓄电池、逆变器、智能电表(掌控电力需求并发指令给计算机)、集预测、判断、调控执行于一体的控制系统、模拟负载系统等组成。
    多年采集整理的有一定代表性和规律的气象数据。

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