來源:中國電力報 時間:2024-02-28 14:40
侯慶峰 武賡
核心提要
●配電網與大電網需要更加緊密互聯,但此“互聯”并不一定是電氣聯系更緊密,而是強化運行信息和價值信號的互動互通,這樣才能夠真正發揮配電網在支撐分布式可再生能源消納和系統運行中的作用。
●未來新型電力系統背景下配電網發展模式將呈現潮流雙向化、網架分層分區化、分散資源可測可控化的特點。
●對于分布式發電、儲能、電動汽車、需求響應資源等分散式資源進行調度控制是實現未來配電網高效運行的關鍵。
實現“雙碳”目標,推動可再生能源實現安全可靠替代,是未來一段時期內我國電力行業發展的主要目標。我國可再生能源的資源稟賦和能源分布格局,決定了我國需要堅持可再生能源集中式和分布式開發并舉的發展路徑。電力系統的發展形態需要與能源結構調整方式相適應,未來新型電力系統建設也需要能夠適應集中式和分布式可再生能源發展需求。配電網將成為支撐分布式可再生能源發展的重要物理平臺,將在新型電力系統建設中發揮舉足輕重的作用。
配電網與大電網的互聯關系
電網互聯仍是當前階段解決可再生能源發展和利用問題的關鍵路徑。從國外能源結構調整和電網發展方式來看,在輸電網層面進行更緊密的電網互聯是各國解決可再生能源消納的重要技術路徑。歐洲、美國均通過這樣的方式進一步降低了系統運行成本,提升了可再生能源的消納利用比例。歐洲輸電系統運營商網絡(ENTSO-E)在2021年制定的10年電網規劃中,明確提出更緊密、更大范圍的電網互聯和建設歐洲統一電力市場是實現歐洲可再生能源發展和減碳目標的重要手段。圍繞美國加州電力市場建立的西部不平衡市場,也說明了可再生能源經濟消納需要依托于更大的物理電網平臺。在長時儲能沒有取得重大突破的前提下,特高壓多端柔性直流等具有安全可靠、控制靈活優勢的先進輸電技術,是我國實現高比例可再生能源遠距離送電的重要技術手段。
配電網與大電網同樣需要更加緊密互聯,但此“互聯”并不一定是電氣聯系更緊密,而是強化運行信息和價值信號的互動互通。隨著分布式可再生能源的快速發展,配電網的結構形態將發生根本性的變化,“智能化”和“產消者”將成為未來配電網最主要的特征。配電網將逐步成為具有電力電量支撐能力的自治平衡單元,配電網與大電網之間的支撐關系也將發生變化,互聯可能并不體現在輸變電容量的增加上,而是體現在支撐交互能力上。一方面,自治性的配電網同樣需要更大的物理平臺消納利用本地的可再生能源,并在自身可再生能源出力不足時,通過與大電網互聯獲得電力供應保障能力。另一方面,大系統也需要自治性的地方電網或者配電網給予一定的支撐,包括頻率、電壓、轉動慣量等。在局部電網出現故障時,配電網能夠及時隔離故障,避免故障范圍擴大。因此,配電網運營商對于配電網內部資源的調度控制、信息監測的加強,以及配電網和大電網互補支撐方式的變化,都需要配電網和大電網建立更加高效的數據和控制信息傳遞方式。只有大電網和配電網之間實現更精細化、更加及時的信息交互,才能真正發揮配電網在支撐分布式可再生能源消納和系統運行中的作用。
未來配電網發展模式呈現新特點
大量分布式電源接入將使得中低壓配電網形態和結構發生根本性變革。未來配電網發展的主要目標方向是最大程度地接納分布式可再生能源,對包括分布式可再生能源、用戶側儲能、電動汽車等在內的分散式資源進行有效管理,支撐本地電力供應保障和大電網安全穩定運行。電源型資源的大規模接入將會使配電網逐步呈現有源化特征。未來新型電力系統背景下配電網發展模式將呈現以下主要特點。
潮流雙向化。以分布式電源為主的“電源型”資源大量接入,使得中低壓配電網成為分布式可再生能源消納的主要物理平臺。在第27屆國際供電會議(CIRED2023)上,一份來自8個國家、13個配電公司的調查結果表明,目前配電網注入的電量比例為22%,2050年將提升至66%。在我國,山東、河北等多個地區局部電網分布式光伏發電裝機占本地負荷的比重超過100%。潮流雙向化意味著傳統配電網的功能發生了根本性改變,帶有輸電網性質的資源配置作用更加凸顯。但是超高比例分布式電源接入使得低壓配電網及聯絡輸電網和低壓系統的中壓系統,調度運行管理更加復雜。分布式可再生能源出力波動,可能引起變壓器過載、過電壓或者電壓暫降等問題,大量逆變器等電力電子設備在低壓系統中的接入,產生的諧波會呈現高密度、分散化、全網化趨勢,影響低壓系統供電臺區的供電質量。因此,隨著低壓配電網的有源化,中低壓配電網內部的系統運行參數監測、估計和運行狀態控制將不可或缺。配電網運營需要配電網內部不斷提升功率和電壓在線監測水平,配置自動電壓控制設備,通過內部能量優化和控制策略,實現分布式電源有功功率預測、控制和電壓調節。配置有源或無源濾波裝置,對中低壓配電網層面的諧波進行監測和控制,可以有效保證電能質量。
網架分層分區化。低壓配電網將形成更加清晰、分層分區的互聯網架結構,需要更加規范的規劃體系,包括供電臺區間互聯及通過換相開關實現的相線間聯絡,滿足低壓配電網自愈性要求;調節臺區間或者相間負荷不平衡程度,保證低壓系統穩定運行。與現有中低壓配電網規劃模式不同,對于中低壓配電網分層分區判斷將成為中低壓配電網規劃的關鍵。在規劃層面,需要根據不同區域的分布式能源資源,合理確定配電網分層分區結構,以最小化功率缺額等作為規劃分層分區的主要依據。在運行層面,從系統角度來看,逐步形成“主配協同—配間協調—局部自律”的運行格局,實現配電網與大電網間的協同運行、配電網與配電網間互補協調運行、配電網內部自治平衡運行。配電網單位對外參與系統整體調度,一方面接受集中層上級調度指令調節有功/無功功率,增強電網靈活性,另一方面控制逆變器模擬同步機提供慣量支撐,改善系統穩定性;對內協調分部層單元個體控制,采用一致性算法優化有功功率互濟分配,設計自適應策略實現各分部層電網的并網電壓控制。
分散資源可測可控化。對于分布式發電、儲能、電動汽車、需求響應資源等分散式資源進行調度控制是實現未來配電網高效運行的關鍵。大數據、信息技術及人工智能技術在中低壓配電網層面的應用,能夠做到及時掌握電網狀態,盡早發現薄弱環節,保證高比例分布式可再生能源運行的安全性。一方面,建設完善由海量小微傳感器構成的智能化感知體系,實現對配電網電氣量和其他相關環境數據的采集。由于低壓系統規模遠遠大于其他電壓等級電網,其底層感知技術應具備泛在部署條件,滿足低成本、高可靠、低運維需求等特點。另一方面,需要依托大數據技術對分散式資源的能量管理進行輔助決策。傳統調控方法基于物理模型,建模及實踐均需詳細的系統參數,對于大體量的分散資源實施具有較大難度,需要通過強化學習等人工智能技術,在不確定性環境中做出順序決策以最大化累積獎勵的機器學習方法,其以歷史數據為基礎,通過反饋學習找到最優策略,最終應用到在線場景中。
(侯慶峰單位為中國南方電網有限責任公司北京分公司、武賡單位為電力規劃設計總院)
責任編輯:閆弘旭