38、微电网与分布式发电对电力系统的影响

微电网与分布式发电对电力系统的影响

微电网发展的现状与挑战

微电网作为一种新兴的电力系统形式，具有提高能源利用效率、增强电网可靠性等诸多优势。然而，目前微电网的广泛应用仍面临着诸多挑战。传统的保护和安全法规旨在不惜一切代价防止电力孤岛的出现，而微电网所提议的部分电网有意孤岛运行，在全球几乎所有国家和地区的法规中目前都是被禁止的。在微电网能够大规模实施之前，需要将微电网的互联过程正式化，并就许多技术和市场监管问题达成协议。

现有微电网项目案例

以下是一些来自世界各地的现有微电网项目示例：
| 名称 | 国家 | 主要特点 |
| — | — | — |
| 基斯诺斯微电网 | 希腊 | 位于希腊一座岛屿上的小村庄微电网，是最早的微电网项目之一。拥有12kW的光伏发电容量、5kW的柴油发电机和总计85kW h的电池容量。用于测试多种通信基础设施和微电网控制策略 |
| 博恩霍尔姆岛电网 | 丹麦 | 位于丹麦一座岛屿上的较大型孤立电网，为28,000名客户供电。分布式发电资源包括34MW的柴油发电、62MW由各种能源驱动的蒸汽轮机、2MW的沼气轮机和29MW的风力发电 |
| 仙台微电网 | 日本 | 位于日本仙台东北福祉大学的校园内。拥有700kW的天然气发电、50kW的光伏和一个小型储能系统。在2011年地震和福岛核灾难期间，该微电网为当地医院供电两天，获得了国际关注 |
| CERTS微电网 | 美国 | 由名为电力可靠性技术解决方案联盟的合作项目开发，位于美国电力公司核桃测试设施。由三个60kW的热电联产源供电。该项目开发的技术已应用于美国的多个后续微电网项目 |
| 圣丽塔监狱微电网 | 美国 | 为加利福尼亚州都柏林的一座监狱供电，峰值负荷为3MW。分布式发电包括1.5MW的光伏发电、1MW的熔融碳酸盐燃料电池和4MW h的锂离子电池。可以在互联和孤岛两种模式下运行 |

微电网能量管理系统

微电网需要一个类似于配电系统能量管理系统（EMS）的系统，来管理微电网中的各种能源资源。这些能源资源可能包括分布式发电（可调度或不可调度类型）、储能和灵活/非灵活负载。微电网EMS的任务是平衡微电网内的供需，并满足技术要求，例如将频率和电压保持在规定范围内。

对于微电网EMS，已经应用了多种不同的方法和控制策略。大多数采用了完全集中式控制器，但也有一些实施了分散式控制，对各种分布式能源资源应用本地控制，或者采用集中/分散相结合的方法。

设计特定微电网的EMS的最佳方法取决于能源资源的组合、连接的负载/分布式发电类型、微电网是否可以在孤岛和互联两种模式下运行以及各种其他技术和经济因素。

下面以一个简化的微电网为例，介绍微电网EMS的能量平衡和储能充电周期优化。假设将一天24小时平均分为四个时间段：T1（00:00 - 06:00）、T2（06:00 - 12:00）、T3（12:00 - 18:00）和T4（18:00 - 24:00），各时间段的需求、分布式发电输出和净进口数据如下表所示：
| 时间间隔 | 小时（h） | 需求（kW） | DG输出（kW） | 净进口（kW h） |
| — | — | — | — | — |
| T1 | 00:00 - 06:00 | 20 | 0 | 120 |
| T2 | 06:00 - 12:00 | 80 | 60 | 120 |
| T3 | 12:00 - 18:00 | 100 | 40 | 360 |
| T4 | 18:00 - 24:00 | 40 | 0 | 240 |

假设电池只能在四个时间段中的一个进行充电，存储从电网进口的能量，最大充电量为电池容量200kW h，并且每天只能进行一次充放电循环，初始充电状态为零，且充放电过程中无能量损失和电气损失。在这些限制条件下，有七种可能的电池充放电解决方案：
1. 解决方案1：不进行电池充电
2. 解决方案2：T1充电，T2放电
3. 解决方案3：T1充电，T3放电
4. 解决方案4：T1充电，T4放电
5. 解决方案5：T2充电，T3放电
6. 解决方案6：T2充电，T4放电
7. 解决方案7：T3充电，T4放电

以下是各解决方案的总功率进口计算结果：
| 解决方案 | T1 | T2 | T3 | T4 | 总进口（kW h） |
| — | — | — | — | — | — |
| 1 | 120 | 120 | 360 | 240 | 840 |
| 2 | 120 | 0 | 360 | 240 | 720 |
| 3 | 120 | 120 | 240 | 240 | 720 |
| 4 | 120 | 120 | 360 | 120 | 720 |
| 5 | 120 | 120 | 240 | 240 | 720 |
| 6 | 120 | 120 | 360 | 120 | 720 |
| 7 | 120 | 120 | 360 | 40 | 640 |

从表中可以看出，解决方案7（T3充电，T4放电）的总功率进口最小。

能量成本优化示例

接下来考虑在不同电价情况下，最小化微电网24小时内的总能量成本。
- 固定电价情况 ：假设从电网进口电力的购买价格固定为0.2 $/kW h，对七种解决方案进行评估，结果如下表所示：
| 解决方案 | T1 | T2 | T3 | T4 | 总成本（$） |
| — | — | — | — | — | — |
| 1 | 24 | 24 | 72 | 48 | 168 |
| 2 | 24 | 0 | 72 | 48 | 144 |
| 3 | 24 | 24 | 48 | 48 | 144 |
| 4 | 24 | 24 | 72 | 24 | 144 |
| 5 | 24 | 24 | 48 | 48 | 144 |
| 6 | 24 | 24 | 72 | 24 | 144 |
| 7 | 24 | 24 | 72 | 8 | 128 |

在固定电价下，解决方案7的总成本最低，为128美元。
- 可变电价情况 ：根据可变电价计算各解决方案的总成本，结果如下表所示：
| 解决方案 | T1 | T2 | T3 | T4 | 总成本（$） |
| — | — | — | — | — | — |
| 1 | 12 | 72 | 144 | 48 | 276 |
| 2 | 12 | 0 | 144 | 48 | 204 |
| 3 | 12 | 72 | 96 | 48 | 228 |
| 4 | 12 | 72 | 144 | 24 | 252 |
| 5 | 12 | 72 | 96 | 48 | 228 |
| 6 | 12 | 72 | 144 | 24 | 252 |
| 7 | 12 | 72 | 144 | 8 | 236 |

在可变电价下，解决方案2（T1充电，T2放电）的总成本最低，为204美元。

在这些简化示例中，由于可能的解决方案数量较少，可以通过完全枚举法轻松找到最优解。但对于更复杂的实际问题，变量更多，可能的解决方案数量会非常大，此时计算机化的整数规划（或混合整数规划，如果部分变量是连续的）方法可能更适合解决此类问题。此外，还可以使用分支定界算法等方法来减少需要评估的解决方案数量，降低计算负担。

mermaid格式流程图展示微电网能量管理决策流程：

graph LR
    A[开始] --> B[确定需求和DG输出时间序列]
    B --> C[设定电池充放电限制条件]
    C --> D[列出所有可能的电池充放电解决方案]
    D --> E[计算各解决方案的总功率进口或总成本]
    E --> F[比较各解决方案结果]
    F --> G[选择最优解决方案]
    G --> H[结束]

微电网与分布式发电对电力系统的影响

多微电网与系统集成

随着分布式发电（DG）、储能和分布式自动化等技术变得更加经济实惠且广泛可用，许多专家预测，未来微电网将大量涌现，并对未来电力系统的运行产生重要影响。有观点设想未来的配电系统中，大多数低压网络将由有源微电网组成。在这种布局下，多个微电网能够相互共享能源资源，并进行协调，以为系统提供诸如频率和电压支持等服务。

一些人认为，基于多微电网的电网是创建更具弹性电网的一种方式，这是通过利用微电网的先进能力实现的，例如有意孤岛运行以及对有功和无功功率消耗/生产的实时控制。这里的弹性是指电力系统承受低概率、高影响事件的能力，确保尽可能减少电力供应中断，并能够快速恢复到正常运行状态。然而，要开发一个以微电网为主导的电力系统，仍需克服许多技术、经济和监管方面的障碍。

分布式发电集成对配电系统可靠性的影响

配电系统可靠性的重要性

配电系统的可靠性对于电力公司和客户来说都是一个重要问题。配电系统几乎占整个电力系统的40%，却承担了80%的客户可靠性问题。随着需求的增加和技术的进步，电网变得更加复杂。现代负载通常具有数字化特性，对中断和许多其他电能质量问题非常敏感。客户自身可能也对中断更加敏感，因为工业制造中断、商业销售损失和居民不便等情况可能会造成巨大损失。电力营销的竞争也可能受到影响，工业客户可能会选择电力系统可靠性高的地区进行选址。

电力公司通常会保证达到所谓的“4个9”的平均电力可用性水平，即电力预计在99.99%的时间内可用。如今，拥有精密和敏感设备的工业和商业客户数量不断增加，如银行、半导体制造商，甚至一些政府机构，他们对电力可用性提出了更高要求，并希望进一步减少电压骤降、尖峰和谐波等电能质量问题。因此，需要更多的研究和技术来评估电力系统的可靠性。

配电系统的转型与挑战

目前，配电系统正处于从具有单向功率流的被动配电系统向具有双向功率流和小型发电机的有源配电网络的重大转型阶段。未来电力系统的发展动力来自于减少全球气候变化影响和降低大气中温室气体浓度的需求，这给电力生产和输送业务带来了巨大挑战。此外，石油、天然气等燃料价格的不确定性也对依赖进口石油的国家的经济稳定构成威胁。

配电系统的可靠性可以定义为在特定时间段内，配电系统连续供电而不发生故障的概率。对配电系统可靠性的评估包括对可用性、客户停电的预期频率和持续时间的评估和计算。配电系统的可靠性通常通过某些计数指标来衡量，如系统平均中断持续时间指数（SAIDI）和系统平均中断频率指数（SAIFI）。

未来配电网络的可靠性评估是一个重要课题，因为客户对更可靠服务的需求不断增加，希望减少停电频率和持续时间。未来配电网络的连接方式可能既不是串联也不是并联，分析这样的网络是一个复杂且耗时的任务。未来的配电系统通常被称为智能电网，其中集成了更多智能技术来监测、控制和操作整个系统。因此，随着系统配置变得更加复杂，小型发电单元的渗透率更高，未来电网的可靠性预计将成为一个更具挑战性的问题。

分布式发电（DG）的类型和规模的多样性和分布性增加了系统的不确定性和敏感性，这也使得控制功率流变得更加困难。考虑到许多国家正在进行的电力市场放松管制过程以及DG等技术的快速发展，可能需要重新审视或扩展和改进传统的配电系统可靠性评估方法。目前，电网的功率是从高压电网流向低压电网，但DG单元份额的增加可能导致功率从低压电网流向中压电网。

可靠性评估面临的新问题

不同类型和规模的分布式发电的多样性和分布性增加了系统的不确定性和敏感性，使得控制功率流变得更加困难。考虑到许多国家正在进行的电力市场放松管制过程以及DG等技术的快速发展，可能需要重新审视或扩展和改进传统的配电系统可靠性评估方法。在当前电网的运行方式下，功率从高压电网流向低压电网，但DG单元份额的增加可能导致功率从低压电网流向中压电网。

mermaid格式流程图展示分布式发电对配电系统可靠性影响的分析流程：

graph LR
    A[开始] --> B[分析分布式发电接入情况]
    B --> C[考虑系统转型与特点]
    C --> D[评估可靠性指标（SAIDI、SAIFI等）]
    D --> E[分析DG对功率流的影响]
    E --> F[识别可靠性评估新问题]
    F --> G[提出改进评估方法或应对策略]
    G --> H[结束]

综上所述，微电网和分布式发电在电力系统中的应用既带来了机遇，也带来了挑战。在未来的发展中，需要不断解决技术、经济和监管等方面的问题，以实现电力系统的高效、可靠和可持续运行。同时，随着技术的不断进步，对配电系统可靠性的评估和管理也需要不断改进和完善，以适应新的系统特点和需求。