国外智能电网技术发展综述范文

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《电子质量杂志》2016年第9期

摘要：

近几十年来，智能电网吸引了大量电力市场参与者与研究人员，它被认为是能源可持续发展战略的重要组成部分。对可再生资源的整合、实时需求的及时响应及间歇性能源的配置管理，是智能电网工程的主要挑战。近年来，信息和通信技术的发展极大推动了当代智能电网的新成员--微电网技术的发展，但微电网的发展还需考虑到诸如系统性能优化、系统建模、实时监控、控制方法等问题。该文阐述了智能电网的概念和主要特征，简述了近年来国外主要微电网实验工程的发展概况。

关键词：

智能电网；微电网；分布式发电；微电源仿真

0引言

随着人们的焦点转向气候变化和能源安全，分布式发电(DG)变得越发引人注目。分布式发电大量采用环境友善的可再生能源，以能源利用最优化及环境效益最大化为目标，来确定分布能源的容量和发电方式[1]。此外，日益增长的全球资源环境压力与公众的节能减排意识，电力市场自由化进程的推进为分布式发电的发展提供了机遇。智能电网将成为促进经济发展的重要工具，它潜在经济与环境效益包括增加技术投资以促进就业、减少二氧化碳排放水平以及劳动与社会生产的发展[2]。智能微电网基于面向系统服务架构，它包含了系统建模、系统监测与系统控制，如图1所示[3]。研究人员提出了许多创新的概念和方法，这些对于建设智能电网中可持续电力系统具有重要价值。智能微电网的建设对实现可持续电力系统有着重要的意义，迄今为止，各国科研人员对智能微电网的建设提出了种种设想和思路，并在实验室中逐一测试和探索[4]。本文回顾了智能电网的特性，并对国外微电网实验工程做了简要介绍。

1智能电网系统概述

1.1智能电网的技术要求

智能电网是综合信息网络和电力网络的网络，即整合能量与通讯体系。在智能电网中，输电网和配电网上的潮流都是双向的，电网输电及配电线路上均有可靠的双向通信。所以，可靠快捷的通信技术对未来智能电网的项目成功实施至关重要。智能电网面临的主要挑战之一，就是将现有的传统的“被动配电网”升级到具有双向通信能力的“主动配电网”。对照智能电网的基本特性，传统电网升级到智能电网具有需要采取的措施如下[5]：

1)自愈性

●电网需具有高可靠性，以及各个层次上具备固有安全性；

●广泛使用传感器和控制设备，进行连续的评估自测，实现电网中问题部分的隔离及恢复。

2)经济性

●资产的最优化利用以及采用应用响应需求和需求侧管理；

●电力生产不再采用分层分布，使用消费驱动的分布式发电；

●使用网络自动化技术减少人工干预。

3)低碳环保

●对多种能源资源进行整合；

●对污染物和二氧化碳的排放进行管理。

4)双向通信

●在双向高速通信网络上使用智能设备传输信息；

●电力消费者与供电公司可以双向沟通，电力消费者可以查询用电情况以及定制合适自身需求的消费方案。除此以外，降低输电网上的电能损耗及环境保护问题也是建设智能电网需要考虑的因素。

1.2从传统电网走向智能电网

智能电网是一种具备自愈性的先进数控输配电网，不仅实现了电网内部信息的数字化通信，还能够与电力市场和用户进行交互和实时响应[6]。在智能电网中，设想包含了成千上万的分布式微电源及大型电力生产企业，安装了分布式发电设备的家庭及个人用户甚至可以将自身富余的功率出售反馈给电网。它类似与互联网模式，无论自何种资源生产的电能，不论其生产方式，不管是传统能源还是可再生能源，都可在电网各处被生产及消耗。与智能电网相比，传统电网是一个刚性系统，没有动态柔性及可组性，主要表现在电源的接入和开出、电能的传输等方面。在传统电网中，电力企业垂直集成独立运作，多级控制机制反应迟缓，系统的实时性差，同时也不可重配制和重组；系统的自愈能力差；对客户服务内容少，信息交流单向；系统内部缺乏信息共享，使得系统中多个子系统被孤立，不能构成一个实时的有机统一整体[7]。智能电网与传统电网的比较详如表1所示。建立一个功能完整的智能配电网有着如下挑战：

1)对配电网所有关键元素安装智能传感器或计量设备，保证其与电网具有双向通信功能；

2)高级测量体系(AMI)系统与测量数据管理系统(M-DMS)及用户室内网(HAN)的集成和同步；

3)用户服务门户系统、企业能源计划系统、客户语音服务系统的建设；

4)智能的在线实时故障检测系统的建设；

5)根据用户响应制定、实行实时电价策略；

6)对高低压电网的SCADA系统进行整合。

2微电网技术的研究和智能电网工程

要实现进化智能配电网络的灵活和智能操作和网络控制，广泛的研究是必要的。电器可靠性技术协会(CERTS)成立于美国，目的是提高电力系统的可靠性，关注电力市场、监管制度与环境影响。CERTS最早提出了微电网的概念，得到了美国能源部的高度重视。微电网是一种将分布式电源、负荷、储能装置、电力电子变换设备及监控保护装置有机结合在一起的小型发配电系统。分布式电源最有效的利用方式之一，就是通过微电网的形式接入配电网。利用微电网的形式将分布式电源接入配电网，将促进分布式发电技术的发展，对电网的性能具有较大改善，包括减少输配电损失，提高输配电容量，便于提高电压等级及电能质量。虽然采用分布式发电技术有着突出的优势，但目前在实际应用上仍有一些问题有待解决，例如，由于目前智能电网的建设并没有达到预期的水平，在正常情况下，“孤岛”运行方式一般只在主网受到扰动或故障时才会发生。当电网中接入间歇性能源进行分布式发电时，会出现从主网脱离而进入“孤岛”模式运行的情况。美国田纳西州库克维尔大学建立了一个微电网实验工程，开始对电网中这两种不同的孤岛模式的检测区分进行研究，通过本地检测和远程检测相结合实现了孤岛检测，将智能算法及模式识别引入孤岛检测是未来的研究方向之一[8]。在欧洲在各大实验室，微电网实验项目正在如火如荼的进行着。例如希腊的国立雅典理工大学(NTUA)的单相试验型微电网[14]，德国ISET研究所中DeMoTec实验室开发的采用太阳能技术作为分布式电源的微电网实验项目，曼彻斯特大学的分布式能源与飞轮储能技术试验系统。这些项目涉及了实验室规模的微电网的运行和模拟[9]。NTUA已经将多系统(MAS)，可控负载和综合监控系统成功整合至微电网实验项目中。MAS是一种适用于自治的多个智能之间行为协调的系统，随着智能电网建设进程的推进，电力系统的控制逐渐由集中式转向分布式，原有的以EMS系统为代表的集中式控制系统将被逐步取代。在NTUA的实验系统中，将复杂的电力系统结构简化为由4种不同的节点组成，包括电能生产单元、电能消费单元、电力系统及微电网中心控制器(MGCC)。DeMoTec微电网实验室将采用风机、光伏、热电连供等多种分布式电源供电，若使微电网成功运行在孤岛模式，系统中的储能设备是不可或缺的，因此系统配备了30KW的铅酸电池储能设备。该实验室证明了合理利用可再生能源进行微电网的系统设计可行可控的，更多的相关信息请参阅文献[10]。在日本，该国最主要的官办新能源开发机构NEDO于2005年开始在青森、爱知县和京都三个区域开展使用分布式可再生能源发电的电网项目。而这些项目侧重于发展与优化系统的控制与能源管理系统。尽管微电网的技术可行性已经在工程中多个实际测试项目中被证实，但是还是所带来的经济效益和环境改善还有待进一步研究[11]。马六甲马来西亚技术大学(UTEM)的电气工程系近期设想了一个实验室级的微电网系统。如图2所示[12]，该系统包含发配电网及数据网络，系统的潮流变化及运行状态都通过传感器和变送器读取，然后使用标准通信协议由以太网送至服务器进行处理，根据实验的需要，在服务器上可以使用自定义的控制算法。

3实验室中的微电源仿真

微电网中使用的电源包括太阳能电池阵列、微型燃气轮机、燃料电池、飞轮储能装置、小型风力发电机等。在实验室环境中直接使用可再生资源进行发电是不合适的，因为取得这些资源的投资是昂贵的，而且需要大量的安置空间。另一个不利因素是可再生资源的重生成是难以准确预测和不可控的。实验室中的微电源仿真对于了解微电源系统的动态特性十分重要，可作为其他研究的实验平台。以下对太阳能电池阵列、风轮机及微型汽轮机的模拟仿真做简要介绍。

3.1太阳能电池阵列的模拟

图3所示为一个太阳能电池模型伏安特性曲线，仿真器模拟直流电压输出的变化调整。光伏模拟器包含一套直流发电机(4000rpm，42V)及一台120V2KW的直流可调电源。

3.2微型涡轮机

微型涡轮机在分布式发电系统中广泛使用，并且在电热联产(CHP)系统中提供电源。微型涡轮机结构简单，是一种单循环燃气轮机，它可以驱动单轴和分轴机组。微型涡轮机可以用直流电机驱动一台同步发电机来模拟。

3.3风轮机模拟

图4所示为一种风轮机模拟的实施方案，它包含了3个部分：风速模拟器、发电机、电力电子转换器。直流电动机和异步电机都使用电力电子调速装置。

4未来研究的方向

智能电网的发展至今仍有许多问题有待解决，全面实现电网的智能化建设是一个循序渐进的过程。通过对更多更复杂的实验系统及对运行数据和并网与孤岛模式过渡的研究，智能电网的可靠性和安全性将进一步提高。下面简要介绍未来智能电网与微电网相关领域的研究方向。

4.1替代能源的管理

建设智能电网的最终目的是实现能源兼容与替代，智能电网使用的各种类型的可再生能源，如太阳能和风能等。丹麦在全球风能领域一直都位居世界前列，据丹麦政府公布的策略计划书，至2025年，丹麦风力发电比例将提高至50%以上[13]。加利福尼亚州州长杰瑞•布朗(JerryBrown)在2015年宣布了新的能源计划目标，在2030年之前将可再生能源电力的比例提高到50％，加利福尼亚州在光伏发电、太阳热发电和地热发电的引入上迄今一直走在美国的前列。由于分布式替代能源位置分散，难以实现大容量储能及系统具有随机性的特点，需要建立用以协调统一控制的虚拟电厂(VPP)，促进可再生能源未来的高效和可靠的发展，实现智能电网的集中调度和市场运营[14]。

4.2能源效率与需求响应

提高智能电网的能源效率，一方面是通过使用节能高效的仪表和通信设备，使同时具备通信的可靠性和时效性；另一途径是通过需求响应机制。需求响应要求客户改变他们的正常的消费模式，使供电部门和电力用户可以同时监控和调整用电行为，以响应系统的要求的变化。例如将尖峰时段的用电需求转移到低谷时段，显著提高系统的利用率。为了实现上述功能，需要开发从能源计量解决方案，到动态电网整合管理和可靠的通信系统一整套智能系统。

4.3自愈系统

在传统的电力网络中，自愈是难以实现的，在传统电网中的细小故障就可能会导致长时间大规模停电。随着智能电网的概念的提出，未来配电网将以更有效的方式来监测和处置故障，包括故障检测、故障定位和自我恢复。这些都需要强大的通信系统为电力安全提供保障，更重要的是对电网稳定控制体系及故障协调的模型和算法的研究，总结以往大停电事故的相关演化规律。

5结语

本文简述了智能电网的主要特征，总结比较了传统配电网与智能电网的关键技术及实现手段。此外，通过介绍美国、欧洲、亚太地区微电网实验项目的研究概况，能够对当今国外微电网研究进展及先进理念有更加直观的了解，这也是进一步研究和拓宽研究思路的有效途径。最后，本文对智能电网未来的研究方向作了简要的总结和展望。

参考文献：

[1]李树青,陈培育.分布式发电现状及发展趋势分析[J].甘肃科技,2014,30(16):68-71.

[6]陈德桂.智能电网促进了低压电器新品种的发展与新技术的应用[J].低压电器,2010,(23):1-7.

[7]张强.展望智能电网与智能电能表的发展[J].中国计量,2012,(8):38-40.

[13]陈柳钦.国内外新能源产业发展动态[J].河北经贸大学学报,2011,32(5):5-13.

[14]张小平,李佳宁,付灏.配电能源互联网:从虚拟电厂到虚拟电力系统[J].中国电机工程学报,2015,35(14):3532-3540.

作者:朱然 孙冀 单位:南京师范大学