分布式能源接入智能配电网的关键性问题

2022-03-21版权声明我要投稿

  摘要:分布式能源系统由于具备更好的能源利用率与可持续性,成为新形势下我国能源发展转型的必然选择。将分布式能源接入智能配电网能够改善因发电能源不稳定导致的供电质量问题,同时可形成与大电网互为储备的智能联网系统。本文在综述将其接入智能配电网必要性的基础上,针对存在的问题提出了具体改进意见。

  关键词:智能电网;分布式能源;配电网;

  随着化石能源的短缺及其对环境造成的显著负面影响,构建全新的环保节能新能源体系已经成为全球能源市场的主要趋势。在该趋势的影响下,智能电网技术得到了快速发展,越来越多的诸如分布式发电厂、微电网、储能系统、电动汽车以及需求响应资源等分布式能源开始被整合到庞大的配电网中,新兴技术将势必影响到人们生产、分配以及消耗能源的方式,由分布式能源和集中式发电混合运营的智能配电模式正在到来。

  然而,由于分布式能源的出力机制,其本身的间断性、波动性、随机性将给电网的稳定运行带来诸如电压闪变、谐波污染等巨大的挑战,也使电网管控变得更加困难。在分布式能源的渗透率和竞争力快速上升的势头下,电力市场迫切需要新的技术和政策来处理新出现的技术和经济问题。为了解决这一难题,可以聚合大量与多种分布式能源的智能化技术应运而生,当此类智能配电网协调优化各式的分布式能源后,将显著减少分布式能源对电网的冲击,统筹各种分布式能源的出力,达到经济、高效和稳定的目的。

1 分布式能源

  1.1 分布式能源的基本概念

  目前,世界各国所采用的供电系统多为集中式供电系统,表现为大机组、大电网、集中式发电等特征。随着国家的繁荣建设与社会水平的提高,人民对于电能安全供应的质量要求也越来越高。庞大的集中式电网固然有利于经济效益的提高,但也带来了许多安全问题,如任一节点电压引发的波动都将对电网整体造成较大的冲击,甚至造成电网崩溃以及灾难性的停电事故。此外,电力负荷波动无法被集中式发电网精确跟踪,而分布式发电与集中式电网的有机结合也被认为是解决峰荷问题的有力措施。

  分布式能源(distributed energy,DE)是指用多种分散化、小型化的可再生清洁能源发电和储能的电力系统。通常在电力用户周围就近布置这些分布式能源发电系统,以高效输出电、光、热或其他形式的能源。由于分布式能源系统遵循就近发电、就近用电的原则,不需进入长距离输电线路,故线损极小,能源利用效率较高,因此具有节能减排等优势,已经成为新时代下电力工业发展的重要方向。

  常规的火力发电站、核能发电站、水力发电站以及大型的太阳能电站,都属于集中式发电,需要将大量的电能汇入输电网当中并进行长距离输送,这势必要造成巨大的线路损失。相比之下,分布式能源系统具有就地生产与使用的特点,能够减少由于输电所造成的电能损失。

  目前,风力发电、光伏发电、燃料电池等形式是较为普遍、发展势头良好的分布式发电技术。从分布式发电的能源结构看,主要使用作为清洁能源的太阳能、生物质能、波浪能和本地方便获取的化石燃料(主要是天然气)[1],因此也被认为是一项环保可持续发展的举措,从而受到国家各项政策的支持。

  1.2 分布式能源存在的问题

  1.2.1 发电质量不稳定

  电力系统中的电能质量不仅包含电压、电流的大小,还对频率、波形作出了严格的要求,诸如电压波动、谐波干扰等因素对电能质量都将产生较大的影响。大量的整流、逆变以及调压器等其他电力电子装置随着分布式电源接入配电网后,造成了巨大的谐波污染,影响发电电压的频率、波形和大小数值。此外,分布式能源通常就地取材,因发电原料的质量参差不齐或燃料供应短缺,容易造成发电的不稳定,此电能质量时高时低,无法得到可靠保障。若地区无大电网的保障支撑,则当发生发电环境不佳、天灾等原因造成分布式电厂被破坏,短期难以恢复供电。

  1.2.2 继电保护整定复杂化

  电力系统继电保护装置承担了对系统故障或异常情况的检测报警任务和隔离、切除故障部分的重要工作。以电流为工频电气量的三段式电流保护,需要各自整定其每一段的动作电流值,当实际电流超过动作电流,断路器则动作跳闸以切除隔离故障。然而,当含有分布式发电技术的配电网线路出现故障时,线路的继保装置所测得的短路电流会异常减小或增大,严重影响保护动作的灵敏性,这对三段式电流保护定值的整定提出了更高的要求。

  1.2.3 自动重合闸装置误动问题

  自动重合闸装置是一种能够将故障跳开的断路器按需要重新投入的自动装置。由于省去了人工合闸的判断、操作时间,自动重合闸装置可以在很大程度上提高供电的可靠性,减小停电损失。自动重合闸装置常被安装在配电网中的各个环节,从而避免运行过程发生由于瞬时故障引发的长时间停电事故,例如在大风天气,农田上的塑料薄膜受风漂浮跨接在配电线路上所造成的短时停电,在风力渐小后具备自动恢复供电工况的运行条件,重合闸装置将立即操作断路器合闸送电,从而避免了长时间停电事故的发生。而一旦在电网中使用了分布式电源,当电网产生瞬时事故现象时,分布式电源一般拥有为故障地继续供电的能力,这将严重影响断路器电弧的熄灭。此时,自动重合闸装置若错误合闸于故障未消除的事故状态,电力设备、用户都将遭受又一次重创。因此,当自动重合闸装置应用于分布式能源系统中时,应适当延长自动重合闸装置的反应时间,以确保故障电弧彻底熄灭。

2 智能配电网

  2.1 智能配电网的行业现状

  电力系统由发电、变电、输电、配电、用电五大环节组成,其中配电环节作为电力系统向用户分配电能的桥梁,有着十分重要的地位。智能电网指电网的智能化,包括了智能输电网和智能配电网,根据智能电网的定义和核心内涵[2]可知,智能配电网(smart distribution grid,SDG)是一种通过高速双向通信的网络和先进的传感和测量技术、控制方法及决策系统,来达到可靠、安全、经济、高效、环保和安全的六个发展目标的智能服务系统。智能配电网支持分布式能源的接入,并利用现代电子通信和计算机网络技术,将电网中在线和离线、发电以及用电的信息集成,实现配电网的智能化监测、保护、控制和管理。

  目前,我国的智能配电网技术仍处于起步发展和试点摸索的初期阶段,国内城市配网馈线的自动化率低于20%。但在国家政策的大力推动下,智能电网建设逐渐成为我国电力行业的发展趋势。过去十几年时间里,智能配电网技术始终走在智能电网建设的前列。据统计,全国共有300多个城市于“十二五”期间启动了智能配电网的建设工作,“十二五”期间,配电智能化主站加上终端的总市场容量达到280亿元。未来几十年里,智能化配电发展的潜力不可估量。

  2.2 智能配电网的工作模式

  在智能配电网中,先进的计量基础设施使负荷服务实体和各种类型的用户之间的双向通信成为可能。合理的合约安排使消费者能够在给定时间前几分钟接收实时价格信号,并通过随后调整他们的用电量来响应该信号。一个理性的消费者应该通过优化他的用电量来最大化他的效用[3]。由于实时电价反映了发电和输电的时变的边际成本,能够合理运用实时电价是实现电网经济运行的有效措施。智能配电网根据实时电价的信息,通过自身的优化求解器使用优化算法与下层的消费者们交互有关供需的各方面信息。如从消费者处得知该消费者在一天当中各个时段的电能消耗偏好、一天能耗的大致上限或者下限等,再与地区供电网的供应能力、消费者所配置的各式分布式能源出力等约束情况结合,向消费者提供优化计算所需要用到的信息,例如阻塞价格等优化计算乘子。来回的实时信息交互可以对消费者的实时需求做出响应,调度各时段的能耗使其具备最优的经济效益。

3 分布式电源接入智能配电网的必要性

  由于可持续能源当地利用的环保性和经济性,分布式电源系统在我国电力系统中的发展呈现上升趋势。然而,独立式的分布式能源系统的输出能源严重受到当地发电能源质量的制约,供电质量上存在明显的不稳定性,这对电力市场的正常交易与电网的稳定运行造成了较大的影响。此外,由于电能不可大量储存,独立运行的分布式能源系统很有可能因输出电能质量的问题,造成附近重要负荷的用电质量下降,甚至出现停电的问题。

  为了解决独立的分布式能源系统的输出能源不稳定问题,大量的实践研究表明,应当将分布式能源接入智能配电网以并网运行。这相当于整合了多个分布式能源系统,可以降低分布式能源系统的电气量的扰动对电网的冲击。当配电网内接入可再生能源分布式电源时,通常需要在网内配备储能系统以适应不同时段峰谷负荷的变化,从而充分发挥可再生能源的持续性。由此,当配电网以外的区域出现故障时,智能电网可以自动调整为分布式电源系统的独立运行模式,单独为配电网内的重要负荷提供用电服务。这不仅保障了网内的电能质量,还进一步改善了重大用户的供电可靠性问题。此外,智能配电网系统还可依托分布式能源系统提供电网辅助性服务,如黑启动和外送电能。

  综上所述,分布式能源系统的并网接入将改变配电网的运行特性和结构:对于配电网来说可以平衡局部节点的功率波动,对于分布式能源系统自身而言又可以优化能量调度,使得新形成的电力系统具备更高的自控性。并网运行的分布式可再生发电系统与电网互为储备,能够充分发挥可再生能源的经济性而又弥补其来源的不稳定性。因此,将分布式电源以微网形式接入到配电网中是电网智能化发展的必经之路,具有重大的社会经济效益。

4 智能配电网中分布式电源接入的关键问题与对策

  智能配电网所要求的技术指标主要如下:配电数据采集与监控自动化(SCADA)、馈线自动化(feeder automation,FA)、变电站自动化(substation automation,SA)和配电管理自动化(distribution management automation,SDA)。智能配电网以实现分布式能源的经济安全接入并发挥各地方的最大潜力为目标。为了实现该目标,需要解决智能配电网下的一系列关键问题,包括配电网运行的控制与保护、配电网能量输出的优化调度、优化需求互动响应和配电网电能质量检测与治理等多个方面。

  4.1 配电网的控制与保护

  智能配电网接入分布式可再生能源的主要特点,是在大电网的稳定支撑下,能够利用原有电网进行协调控制与保护。与非智能化的电力系统相比,分布式能源系统的容量较小,通过逆变电路的方式并网,在运行过程中存在一定的时变性。此外,智能电网内的电力电子设备种类不一,各种清洁能源运行有着截然不同的条件,导致配电网的运行控制与保护问题变得复杂[4]。为此,应当将以下两个方面的控制保护问题纳入稳定运行配电网的首要任务中。

  (1)频率与电压的稳定性问题。分布式清洁能源的离网与接入甚至是微小扰动都会造成配电网的电压波动,保证配电系统在不同工况和运行模式下频率和电压的稳定是加强智能电网的首要任务。

  (2)运行模式的自动切换。智能电网一般具有联网运行和独立运行两种模式,不同模式切换时由于电气量的迅速变化,容易造成解列等问题。因此,需要将模式切换时的工作重心放在故障筛查上,以稳定完成自同期并网和解列的关键性操作技术。

  4.2 配电网能量输出的优化调度

  分布式能源使用了本地多种易于获取的环保能源(风能、太阳能、潮汐能等),并输出形式不一的复合产品(电、冷、热等)。分布式能源接入智能配电网后,能量输出具备一定的时变性和不确定性,必须采取合适的调节方式,以完成对配电网内各种能量输出的经济调度,提高能源利用效率。配电网的能量管理模式主要分为集中式调度法和分布式调度法两类。

  (1)集中式调度法。智能配电网的主要任务便是调度大量的资源,对于传统的集中式调度法而言,协调无处不在的海量分布式资源是一项非常艰巨的任务,因为它面临着几项技术难题和制度的障碍,包括:(1)随着用户数增加而显著增加的维数导致的计算困难和计算成本的提高;(2)随着规模增加而导致的区域和调度中心之间沉重的通信负担;(3)要以高保真度维护整个系统的数据十分困难;(4)无法进行区域级别的独立操作;(5)集中式优化算法需要知道每个消费者的隐私细节,这使得保护消费者隐私在信息不对称的情况下很难实现[5]。

  (2)分布式调度法。与集中式调度法相比,分布式优化调度只需要少量的用户信息,更易于保护消费者的个人隐私。此外,分布式优化调度可以将大规模的消费者集群模型分解成一系列的子问题,随后这些更易进行处理和计算的子问题模型能够以独立和并行的方式进行解决,这将大大提高整个调度过程的效率。因此,分布式优化调度策略作为一种更优良的调度方法正逐渐被智能化的系统所采用。

  集中调度模式由上层中央能量管理系统和底层分布式电源、负荷等就地设备控制器组成,两层之间要求双向通讯。分散控制模式中,微网内能量优化的任务主要由分散的设备层控制器完成,每个设备层控制器的主要功能并不是最大化该设备的使用效率,而是与微网内其他设备协同工作,以提高整个微网的效能。集中调度模式技术上相对成熟,目前应用得也较为广泛,但距离真正实现微网运行的优化还有很大的挖掘潜力。

  4.3 配电网需求互动响应的优化

  智能配电网将开放互动作为重要特征,为了实现信息的多向互动和建立不同类型互动的新模式,需要构建一套更为完善的电力市场体系。用户实现与智能电网互动的主要方式是需求响应(demand response,DR),需求侧响应作为实现系统各环节协调发展与交互的重要手段,一方面能够帮助大量的用户主动参与资源配置和系统运行,节省电网的监视成本,另一方面可以满足需求多样化的市场发展,改善用户体验。分布式能源作为一个独立的能源接入系统,包含了电力生产的传输和交易两大方面。因此,智能电网的任务并不能局限于接入分布式能源和并网,更应该改善作为需求侧的用户协调交互工作,从而提供智能化的能源服务。

  4.4 配电网的电能质量检测与治理

  在配电网中,分布式电源的间歇式启停和功率变化,都会给用电侧带来波形畸变和电压实际值波动的质量问题;分布式能源系统中的电源通常采用电力电子装置实现控制,会造成大量的谐波污染。值得一提的是,由于单相负荷和分布式电源在配电网中的影响,三相系统的不平衡水平异常增大。因此,很有必要对分布式电源接入配电网后的电能质量进行实时监测。

  目前用于改善电网电能质量的电力电子装置包括无源滤波器和有源滤波器。近些年来,随着静止无功补偿装置(SVC)等高性能电力电子元件的普及和研究,谐波治理等电能质量优化技术正在快速发展。

5 结语

  分布式能源系统就近利用用户周边的可持续环保能源,具备更好的能源利用率与可持续性,在世界各地的政策支持下正蓬勃发展着。将分布式能源接入智能配电网具有十分重要的意义,能够改善因发电能源不稳定导致的供电质量问题,同时形成与大电网互为储备的智能联网系统。本文介绍了分布式能源的基本概念和尚存在的三大问题,阐述了分布式能源接入智能配电网的必要性,提出了目前存在的四大关键性问题与解决对策。

参考文献

  [1]王成山,李鹏.分布式发电、微网与智能配电网的发展与挑战[J].电力系统自动化,2010,34(2):10-14+23.

  [2]徐丙垠,李天友,薛永端.智能配电网与配电自动化[J].电力系统自动化,2009,33(17):38-41+55.

  [3]CONEJO A J,MORALES J M,BARINGO L.RealTime Demand Response Model[J].IEEE Transactions on Smart Grid,2010,1(3):236-242.

  [4] 李大鹏,李立新,杨清波,等.云边协同的调控云数据质量优化[J/OL].电力系统及其自动化学报:1-9[2021-05-22].https://doi.org/10.19635/j.cnki.csu-epsa.000755.

  [5]LAI X W,XIE L,XIA Q,et al.Decentralized Multi-area Economic Dispatch Via Dynamic Multiplier-Based Lagrangian Relaxation[J].IEEE Transactions on Power Systems,2014,30(6):3225-3233.

作者:罗凯 单位:国能浙江北仑第一发电有限公司

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