面向能源互聯(lián)網(wǎng)的主動配電網(wǎng)技術(shù)

葉小忱, 王承民, 孫偉卿, 田坤鵬

(1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240;2.上海理工大學(xué)光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

面向能源互聯(lián)網(wǎng)的主動配電網(wǎng)技術(shù)

葉小忱1, 王承民1, 孫偉卿2, 田坤鵬2

(1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240;2.上海理工大學(xué)光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

主動配電網(wǎng)(ADN)是可以主動控制和管理分布式能源的配電系統(tǒng)，是電力系統(tǒng)乃至能源互聯(lián)網(wǎng)中解決分布式清潔能源高占比問題的有效途徑。介紹了主動配電網(wǎng)的定義和基本特性，總結(jié)了面向能源互聯(lián)網(wǎng)的主動配電網(wǎng)的現(xiàn)實意義。闡述了能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下主動配電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，包括綜合規(guī)劃技術(shù)、需求側(cè)響應(yīng)、多源協(xié)同優(yōu)化調(diào)控技術(shù)等，以及能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下主動配電網(wǎng)技術(shù)支撐，包括交直流主動配電網(wǎng)、儲能技術(shù)、信息通信技術(shù)、電動汽車技術(shù)和電動汽車與電網(wǎng)互動(V2G)技術(shù)等。主動配電網(wǎng)是大規(guī)模分布式能源(DER)并網(wǎng)的有效解決方案。隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，主動配電網(wǎng)將過渡為能源互聯(lián)網(wǎng)背景下智能配電網(wǎng)的核心，并且加速向適應(yīng)能源互聯(lián)網(wǎng)的方向轉(zhuǎn)變，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和可觀的應(yīng)用價值。

電力； 可再生能源； 能源互聯(lián)網(wǎng)； 分布式能源； 配電網(wǎng)； 儲能技術(shù)； 微電網(wǎng)； 可靠性

0 引言

隨著各國對可再生能源開發(fā)的關(guān)注，能源結(jié)構(gòu)逐漸呈現(xiàn)出多元化特征。基于化石燃料大規(guī)模利用的工業(yè)模式正走向終結(jié)，以可再生能源技術(shù)和信息通信技術(shù)為主要特征的新型能源利用體系——能源互聯(lián)網(wǎng)初見雛形。能源互聯(lián)網(wǎng)是能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新形態(tài)。其以可再生能源為主要一次能源，支持大規(guī)模分布式能源(distributed energy resource，DER)接入，依靠互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)廣域能源共享，其網(wǎng)絡(luò)還具有資源優(yōu)化配置與中樞核心優(yōu)勢[1]。能源互聯(lián)網(wǎng)以大電網(wǎng)為“主干網(wǎng)”，以分布式能源和微網(wǎng)等單元為“局域網(wǎng)”，以能源路由器為智能控制單元，實現(xiàn)了能源的雙向按需傳輸和動態(tài)平衡使用。

加快可再生能源在電力生產(chǎn)方面的應(yīng)用主要有兩種途徑：一種是將大型可再生能源基地接入輸電網(wǎng)，通過高電壓遠(yuǎn)距離輸電線路將電能輸送到消費(fèi)端；另一種就是將分布式電源(distributed generation，DG)接入配電網(wǎng)，通過就地消納的方式供給負(fù)荷。風(fēng)電、光伏等分布式電源具有數(shù)量較大、分布分散、間歇出力、潮流波動隨機(jī)等特征，其大量涌入?yún)^(qū)域內(nèi)會對電網(wǎng)的繼電保護(hù)、故障恢復(fù)、電能質(zhì)量等方面產(chǎn)生較大影響。分布式儲能、可控負(fù)荷等分布式能源的滲透率在電力系統(tǒng)中的不斷提高，對電力系統(tǒng)，特別是配電網(wǎng)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行能力提出了更高的要求。因此，要實現(xiàn)分布式能源與配電網(wǎng)的友好集成，提高可再生能源的滲透率，滿足可再生能源安全消納與用戶對電能質(zhì)量和供電可靠性的更高要求，必須采用與之適應(yīng)的先進(jìn)配電網(wǎng)技術(shù)。

基于此現(xiàn)狀，主動配電網(wǎng)(active distribution network,ADN)技術(shù)[2]應(yīng)運(yùn)而生，其被認(rèn)為是電力系統(tǒng)乃至能源互聯(lián)網(wǎng)解決高占比分布式清潔能源問題的有效途徑。本文將闡述主動配電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的基本定義和核心特征，并討論能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下主動配電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)支撐。

1 主動配電網(wǎng)概念綜合剖析

1.1 主動配電網(wǎng)定義

近年來，以分布式發(fā)電、可控負(fù)載、儲能裝置、電動汽車為代表的大規(guī)模分布式能源在用戶側(cè)并網(wǎng)，給依靠較大容量裕度、運(yùn)行控制方法相對簡單的傳統(tǒng)配電網(wǎng)帶來了諸多挑戰(zhàn)，例如不僅使配電網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計與運(yùn)行控制方式變得更加復(fù)雜，而且給運(yùn)營監(jiān)管方式、經(jīng)濟(jì)性評估、故障處理和保護(hù)造成了很大的影響。為了應(yīng)對高滲透率分布式能源的接入，傳統(tǒng)配電網(wǎng)正從被動模式向主動模式過渡，主動配電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。

主動配電網(wǎng)是可以主動控制和管理分布式能源的配電系統(tǒng)。主動配電網(wǎng)利用先進(jìn)的通信與信息技術(shù)和電力電子設(shè)備，對大規(guī)模接入分布式能源的配電網(wǎng)進(jìn)行主動管理，能夠自主協(xié)調(diào)控制不同類型、規(guī)模的分布式能源單元，在積極消納可再生能源的同時保證電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[3]。以前期優(yōu)化的規(guī)劃設(shè)計為基礎(chǔ)，在運(yùn)行中實施主動控制和靈活的市場運(yùn)營方案調(diào)節(jié)電能平衡；同時，采用全局優(yōu)化、局部自治的思想來控制配電網(wǎng)的運(yùn)行，并通過市場手段調(diào)節(jié)用戶的用電行為。

主動配電網(wǎng)構(gòu)建結(jié)構(gòu)靈活，能夠靈活接入分布式能源、實現(xiàn)智能微網(wǎng)的協(xié)同互動，以提高能量傳輸網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化配置能力。針對電力系統(tǒng)實際運(yùn)行狀態(tài)的主動配電網(wǎng)，能夠改善用戶的供電可靠性和電能質(zhì)量，提高配網(wǎng)設(shè)備的利用率，延緩配電網(wǎng)的升級投資，是解決分布式能源與微小能源生產(chǎn)的大規(guī)?？煽拷尤牒拖{的有效途徑，是配電網(wǎng)發(fā)展的高級階段。

1.2 主動配電網(wǎng)基本特性

由于主動配電網(wǎng)可以滿足高滲透率分布式能源的充分消納，因此其被認(rèn)為是電力系統(tǒng)乃至能源互聯(lián)網(wǎng)解決分布式清潔能源接入問題的有效途徑。主動配電網(wǎng)主要有以下六大特點。

①新的綜合規(guī)劃體系。主動配電網(wǎng)規(guī)劃不僅要考慮布線、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、安裝聯(lián)絡(luò)開關(guān)等傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃的內(nèi)容，還要考慮間歇性可再生能源接入以及需求側(cè)響應(yīng)等管理手段帶來的不確定性，提高規(guī)劃的適應(yīng)性和靈活性。

②協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。主動配電網(wǎng)的核心功能是對配電網(wǎng)的主動管理，即采用靈活的協(xié)調(diào)控制技術(shù)和管理手段，實現(xiàn)配電網(wǎng)對可再生能源的高效接納和對現(xiàn)有資產(chǎn)的高效利用。分布式能源的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制有助于潮流管理、網(wǎng)絡(luò)快速重構(gòu)、區(qū)域能源優(yōu)化配置和高效利用。

③靈活的市場運(yùn)營。靈活的市場運(yùn)營核心目標(biāo)是發(fā)揮市場機(jī)制的作用，依靠基于供需情況的實時電價和供售電合同等市場手段，優(yōu)化配置負(fù)荷和可再生能源，保證配用電平衡，促使電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、安全地運(yùn)行[4]。在主動配電網(wǎng)中，電力用戶可以直接參與電力市場互動。

④先進(jìn)的電力電子設(shè)備。安裝有功與電壓無功調(diào)節(jié)設(shè)備，如靜止無功補(bǔ)償裝置(static var compensator，SVC)、靜止同步發(fā)生器(static synchronous compensator，STATCOM)、統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)等。光伏、風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及儲能裝置需要經(jīng)過電力電子變流裝置接入配電網(wǎng)，因此變流器是配電網(wǎng)對分布式電源進(jìn)行主動管理的基本單元。變流器通過適當(dāng)?shù)目刂撇呗裕瑓f(xié)助配電網(wǎng)管理系統(tǒng)完成潮流控制、無功補(bǔ)償和故障保護(hù)等工作[5]。當(dāng)上級供電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障且配電網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)時，通過對變流器的控制，能夠迅速恢復(fù)本地分布式電源對配電網(wǎng)內(nèi)負(fù)載的供電，提高配電網(wǎng)的孤島運(yùn)行能力，進(jìn)而提升配電網(wǎng)絡(luò)的可靠性[6]。

⑤先進(jìn)的信息通信技術(shù)(information communications technology，ICT)。配電網(wǎng)中分布式電源、儲能裝置、負(fù)荷等設(shè)備之間的數(shù)據(jù)信息交換是實現(xiàn)主動管理的基礎(chǔ)，需要依靠信息通信技術(shù)。信息通信技術(shù)主要分為高級量測體系(advanced metering infrastructure，AMI)和相量量測單元(phasor measurement unit，PMU)，AMI是具有測量、收集、儲存和分析用戶信息功能的完整系統(tǒng)。ICT的應(yīng)用有助于廣泛互聯(lián)、高度智能、開放互動的主動配電網(wǎng)建設(shè)。

⑥離網(wǎng)運(yùn)行。主動配電網(wǎng)能夠不依賴輸電網(wǎng)，利用接入的分布式電源與儲能裝置給全部或部分負(fù)荷供電，即可實現(xiàn)離網(wǎng)運(yùn)行。離網(wǎng)運(yùn)行不僅能降低配電網(wǎng)對主網(wǎng)的容量需求、提高電力系統(tǒng)的資產(chǎn)利用率，還能提高對故障的應(yīng)對能力，實現(xiàn)能源的高效利用和高品質(zhì)、高可靠性供電。

2 能源互聯(lián)網(wǎng)及其現(xiàn)實意義

2.1 能源互聯(lián)網(wǎng)定義與特征

能源互聯(lián)網(wǎng)是以電為核心，以清潔能源為主導(dǎo)，采用先進(jìn)信息通信技術(shù)和電力電子技術(shù)，滿足分布式系統(tǒng)接入，對各類能源設(shè)備實施廣域協(xié)調(diào)控制，使電、氣、熱等多種能源可相互轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)能源優(yōu)化配置與效率提升、供需互動的智慧能源系統(tǒng)。從功能的角度出發(fā)，能源互聯(lián)網(wǎng)涉及能源的生產(chǎn)、傳輸、形式轉(zhuǎn)換和供給消費(fèi)多個環(huán)節(jié)。從具體實現(xiàn)的角度出發(fā)，能源互聯(lián)網(wǎng)不僅強(qiáng)調(diào)輸、發(fā)環(huán)節(jié)，而且關(guān)注配用環(huán)節(jié)。在宏觀層面，以特高壓技術(shù)、交直流柔性輸電技術(shù)為依托，建立跨洲際的全球能源互聯(lián)網(wǎng)；通過多能源協(xié)調(diào)調(diào)度控制的主動配電網(wǎng)技術(shù)，打造城市能源互聯(lián)網(wǎng)。全球能源互聯(lián)網(wǎng)和城市能源互聯(lián)網(wǎng)通過聯(lián)合互補(bǔ)，構(gòu)建完整的能源生態(tài)體系[7]。

能源互聯(lián)網(wǎng)具備以下六個主要特征。

①能源清潔互聯(lián)。能源清潔互聯(lián)滿足了大規(guī)模清潔能源的接入與消納，各類能源實現(xiàn)了開放互聯(lián)。

②多能協(xié)調(diào)互補(bǔ)。多能協(xié)調(diào)互補(bǔ)實現(xiàn)了對電力、天然氣、熱能等各類能源的廣域協(xié)同調(diào)度控制與最佳匹配，能源形式多元化，相互轉(zhuǎn)化靈活多變，能夠提高能源綜合使用效率、降低能源使用成本。

③供需分散互動。集中式與分布式能源并行發(fā)展，滿足大規(guī)模分布式能源與分布式系統(tǒng)的接入，實現(xiàn)系統(tǒng)即插即用、能量就地消納，能源的生產(chǎn)、傳輸和使用在空間上不再分隔，供需雙方平衡互動。

④設(shè)備智能自動。各類監(jiān)測、控制、調(diào)度、通信設(shè)備的智能化、自動化水平高，系統(tǒng)通過海量數(shù)據(jù)量測和處理實現(xiàn)自治控制與故障自愈。

⑤信息對稱共享。打破行業(yè)間、角色間的信息不對稱，構(gòu)建開放的能源信息網(wǎng)絡(luò)，允許能源信息的自由共享，支持提供信息增值服務(wù)。

⑥交易平等開放。保證能源市場無障礙、無差別準(zhǔn)入，建立多方互動參與、平等開放、充分競爭的能源市場交易體系，實現(xiàn)能源產(chǎn)銷合一。

2.2 面向能源互聯(lián)網(wǎng)的主動配電網(wǎng)

能源互聯(lián)網(wǎng)以電力系統(tǒng)為核心，依靠互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和新能源發(fā)電技術(shù)，建立了集電力網(wǎng)、信息網(wǎng)、能源網(wǎng)、交通網(wǎng)等多網(wǎng)融合的能源生態(tài)系統(tǒng)。建立能源互聯(lián)網(wǎng)的主要目標(biāo)是實現(xiàn)能源利用由集中式化石能源向分布式可再生能源的轉(zhuǎn)變，同時更加注重多種能源形式之間的綜合互補(bǔ)利用。隨著分布式設(shè)備的增加，供電可靠性和經(jīng)濟(jì)性的要求不降反增，必然要求配電網(wǎng)具有靈活的“源-網(wǎng)-儲-荷”協(xié)調(diào)控制手段，能夠針對電力系統(tǒng)的實際需求和運(yùn)行狀態(tài)，改變其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、發(fā)電及負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)配電網(wǎng)潮流分布。因此，為了構(gòu)建以智能電網(wǎng)、特高壓電網(wǎng)、清潔能源為核心內(nèi)容的能源互聯(lián)網(wǎng)，需要主動配電網(wǎng)的技術(shù)支撐。

主動配電網(wǎng)利用先進(jìn)的信息通信技術(shù)和電力電子技術(shù)對接入分布式能源進(jìn)行主動管理，通過協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)跨區(qū)域資源間的優(yōu)化配置，并通過靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來按需定制潮流。主動配電網(wǎng)承上啟下，向下依靠微網(wǎng)的自治控制管理分布式電源，向上與輸電網(wǎng)進(jìn)行動態(tài)交互，通過配電層的協(xié)調(diào)優(yōu)化來減小分布式電源大規(guī)模接入對輸電網(wǎng)的沖擊，提高對大規(guī)模分布式電源的接納能力。主動配電網(wǎng)的應(yīng)用保證了配電網(wǎng)在分布式電源高滲透率條件下的安全穩(wěn)定運(yùn)行，為能源互聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模使用可再生能源代替化石能源提供了有效途徑。主動配電網(wǎng)是能源互聯(lián)網(wǎng)電力系統(tǒng)層面的建設(shè)基礎(chǔ)，為能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)提供了技術(shù)和設(shè)備支持。隨著不同種類分布式清潔電源滲透率的提高，以及儲能、柔性負(fù)荷等技術(shù)的發(fā)展，主動配電網(wǎng)將過渡為能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下泛在智能電網(wǎng)的配電網(wǎng)部分，并且加速向適應(yīng)能源互聯(lián)網(wǎng)的方向轉(zhuǎn)變。

3 主動配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 主動配電網(wǎng)綜合規(guī)劃技術(shù)

配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的目標(biāo)是找到既滿足電力需求，又可用較低的成本實現(xiàn)安全和運(yùn)行控制目標(biāo)的相對最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案。傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃過于保守，既沒有考慮大規(guī)模分布式電源的接入對配電網(wǎng)的影響，也未考慮主動配電網(wǎng)主動管理、靈活控制的特性，電網(wǎng)資產(chǎn)利用率較低。與傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃不同，主動配電網(wǎng)規(guī)劃在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，考慮間歇式可再生能源發(fā)電及其優(yōu)化配置、負(fù)荷需求增長、需求側(cè)響應(yīng)等因素，實現(xiàn)基于概率性負(fù)荷預(yù)測和差異化設(shè)計，完成基于多時間尺度的綜合規(guī)劃。主動配電網(wǎng)規(guī)劃綜合考慮網(wǎng)絡(luò)解和非網(wǎng)絡(luò)解，引入先進(jìn)二次智能設(shè)備，建設(shè)可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，通過快/慢動態(tài)仿真分析，提升了系統(tǒng)的供電可靠率、可再生能源利用率和總體經(jīng)濟(jì)效益。一般來說，配電網(wǎng)規(guī)劃的步驟包括規(guī)劃前的資料收集和準(zhǔn)備、電網(wǎng)現(xiàn)狀分析與評估、負(fù)荷需求預(yù)測、根據(jù)目標(biāo)函數(shù)擬定配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)布局方案。

提高分布式可再生能源發(fā)電量占比，可以采用兩種方法：傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)改造方法和非網(wǎng)絡(luò)改造方法(即二次方法，如無功補(bǔ)償、電壓調(diào)整、發(fā)電負(fù)荷動態(tài)調(diào)整等)。目前已開展了許多以主動配電網(wǎng)規(guī)劃為中心的研究工作，研究重點在于如何將傳統(tǒng)配電網(wǎng)改造規(guī)劃方法拓展優(yōu)化并與二次方法結(jié)合。文獻(xiàn)[7]在配電網(wǎng)規(guī)劃過程中結(jié)合了高級集中電壓調(diào)整系統(tǒng)，考慮在現(xiàn)有配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、負(fù)荷預(yù)測模型的基礎(chǔ)上，增加高級集中電壓調(diào)整系統(tǒng)所提供的信息作為輔助。文獻(xiàn)[8]提出了一種在主動配電網(wǎng)規(guī)劃過程中考慮諸多優(yōu)化目標(biāo)因素和計算方法的綜合模型。

3.2 需求側(cè)響應(yīng)

需求側(cè)響應(yīng)是主動配電網(wǎng)框架下的重要互動資源，通過價格信號或激勵機(jī)制引導(dǎo)用戶快速作出響應(yīng)，進(jìn)而調(diào)整用電方式，從而靈活部署分布式電源、可控負(fù)荷、儲能設(shè)備、電動汽車等需求側(cè)資源。需求響應(yīng)改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)發(fā)電跟蹤負(fù)荷變化的運(yùn)行模式，使用戶主動參與到配電網(wǎng)管理中；通過雙向信息交互和分時電價引導(dǎo)，平抑間歇性可再生能源的隨機(jī)波動，達(dá)到削峰填谷的目的。結(jié)合柔性負(fù)荷的運(yùn)行和動態(tài)響應(yīng)特征，考慮不同類型能源時域的差異性，通過多能互補(bǔ)、階梯使用、存儲轉(zhuǎn)換等協(xié)調(diào)控制方法，實現(xiàn)高滲透率分布式能源的充分就地消納。需求側(cè)響應(yīng)可有效解決或減輕系統(tǒng)備用短缺、輸配電能力不足等問題，維持配電網(wǎng)供用電平衡，從而提高供電可靠性和電網(wǎng)設(shè)備資產(chǎn)的使用效率和壽命，及系統(tǒng)整體運(yùn)行的綜合能效。

3.3 多源協(xié)同優(yōu)化調(diào)控技術(shù)

在當(dāng)前配電網(wǎng)中，分布式電源的實際運(yùn)行狀態(tài)限制了其自身的調(diào)控能力，柔性負(fù)荷的調(diào)控能力受限于自身特性，兩者的獨立控制無法達(dá)到理想的效果，且增加了配電網(wǎng)的運(yùn)行成本。多源協(xié)同優(yōu)化調(diào)控技術(shù)的核心是對可控資源的聯(lián)合調(diào)度，通過電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)實時感知、態(tài)勢分析和智能計算，建立了可控資源的跨區(qū)域分布式控制模型。在能源互聯(lián)網(wǎng)的背景下，可控資源不僅包括常規(guī)電能，還包括氣、熱、冷等多種能源形式之間的優(yōu)化調(diào)控。但是，與電能的即時性不同，氣、熱、冷等能源具有滯后的調(diào)度特性，在建立目標(biāo)模型時還要考慮時間尺度上的協(xié)調(diào)一致，儲能設(shè)備有助于平衡多種能源形式的時空差異性。

多源協(xié)同優(yōu)化調(diào)控技術(shù)通過柔性負(fù)荷自動需求響應(yīng)、微網(wǎng)自治控制和可再生能源梯級調(diào)用，并根據(jù)設(shè)定的優(yōu)化策略，實現(xiàn)能量跨區(qū)平衡和主動配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行。根據(jù)對時效性和可靠性的不同需求，結(jié)合主動配電網(wǎng)中不同層級的運(yùn)行目標(biāo)，多源協(xié)同優(yōu)化調(diào)控可以分為就地控制、分層控制和全局控制三種模式。

4 主動配電網(wǎng)技術(shù)支撐

4.1 交直流主動配電網(wǎng)

在主動配電網(wǎng)中，光伏、風(fēng)電等可再生能源生產(chǎn)的電能均為直流電或經(jīng)過簡單整流的直流電；用電側(cè)大規(guī)?；ヂ?lián)網(wǎng)、移動通信服務(wù)器、發(fā)電廠和變電站控制機(jī)房也都采用直流供電方式，同時辦公、商業(yè)、居民用電中越來越多的設(shè)備采用直流變頻技術(shù)。直流供電可省去電力電子變流器的大量使用，迅速調(diào)節(jié)有功、無功功率，從而降低系統(tǒng)功率損耗和運(yùn)行成本，提升綜合能源利用率?？稍偕茉?、新型電力電子技術(shù)、柔性負(fù)荷的不斷創(chuàng)新必將促進(jìn)直流配電網(wǎng)的發(fā)展，對于以消納可再生能源、提升電能質(zhì)量和供電經(jīng)濟(jì)性為主要目標(biāo)的主動配電網(wǎng)而言，交直流混合配電網(wǎng)將起到重要的支撐作用。

交直流主動配電網(wǎng)通過柔性互聯(lián)電力電子設(shè)備靈活控制饋線上的有功、無功潮流，實現(xiàn)多母線間的負(fù)荷均衡，優(yōu)化系統(tǒng)的供電能力。柔性環(huán)網(wǎng)控制裝置提供動態(tài)無功支持，在設(shè)備過載、檢修、故障時限制故障電流，實現(xiàn)了負(fù)荷經(jīng)濟(jì)安全轉(zhuǎn)移，減少了轉(zhuǎn)供過程的短時電力中斷。此外，交直流主動配電網(wǎng)能夠提升高滲透率分布式電源的供電容量，實現(xiàn)了其在更廣域的潮流范圍內(nèi)的優(yōu)化調(diào)度。

4.2 儲能技術(shù)

在能源互聯(lián)網(wǎng)中，電力較其他傳統(tǒng)能源具備無可比擬的優(yōu)勢，但是電力無法像其他傳統(tǒng)化石能源那樣進(jìn)行大規(guī)模的儲存。風(fēng)、光等分布式能源帶來的波動性與間歇性，容易對電網(wǎng)形成沖擊進(jìn)而影響運(yùn)行安全；準(zhǔn)確預(yù)測風(fēng)、光發(fā)電功率的技術(shù)也尚未成熟，導(dǎo)致分布式能源發(fā)電能力無法滿足調(diào)度計劃的需求，從而在很大程度上限制了大規(guī)模分布式能源的開發(fā)與使用。因此，隨著主動配電網(wǎng)的逐步發(fā)展和以風(fēng)電與光電為代表的大規(guī)模可再生能源的接入，儲能技術(shù)，特別是大規(guī)模的儲電技術(shù)，就顯得尤為重要。在能源的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，大規(guī)模的儲能設(shè)備可以提供足夠的緩沖，提高可再生能源的供電穩(wěn)定性，提高配電網(wǎng)消納分布式能源的能力；在能源的輸配環(huán)節(jié)中，大規(guī)模的儲能設(shè)備能夠解決調(diào)頻、調(diào)峰問題，同時作為電網(wǎng)故障時的備用和啟動電源；在需求側(cè)方面，大規(guī)模的儲能設(shè)備有助于滿足供電可靠性與電能質(zhì)量的要求，可延緩配電網(wǎng)的升級投資。

電池儲能作為一種應(yīng)用較為廣泛的儲能技術(shù)，具備能量密度高、響應(yīng)速度快、運(yùn)行成本低等諸多優(yōu)點，但是在儲能規(guī)模、使用壽命、環(huán)境污染等方面依然存在不少問題。電池儲能的關(guān)鍵是儲能材料，世界各國均不斷投入成本進(jìn)行深入研究,以獲取更高的能量密度、更大的存儲容量、更好的轉(zhuǎn)換效率和更穩(wěn)定的性能。除了電池儲能技術(shù)之外，儲能技術(shù)還主要包括抽水蓄能、氫儲能、壓縮空氣儲能、混合儲能等。

4.3 信息與通信技術(shù)

在能源互聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施龐大且分布廣泛，大到大型發(fā)電設(shè)備、小到家用電器，涉及產(chǎn)品從生產(chǎn)到使用的所有環(huán)節(jié)，并遍及社會各個角落。能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建，需要能源網(wǎng)絡(luò)和信息通信網(wǎng)絡(luò)的高度、緊密融合，需要對不同層級、規(guī)模的各能源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息化、數(shù)據(jù)化處理，從而實現(xiàn)實時監(jiān)測、感知、信息互通及智能控制等功能。信息通信技術(shù)，是能源互聯(lián)網(wǎng)成為一個真正實施各種能源互補(bǔ)協(xié)調(diào)控制、提高用能效率的智慧型網(wǎng)絡(luò)的有力保障。

同時，由于配電網(wǎng)中分布式能源、負(fù)荷和保護(hù)裝置之間的數(shù)據(jù)信息交換是實現(xiàn)主動配電網(wǎng)管理的基礎(chǔ)，因此，信息通信技術(shù)也被視為主動配電網(wǎng)管理能否成功實施的關(guān)鍵因素之一。信息通信技術(shù)的發(fā)展，可以從根本上改變信息流和電力流單向流動的現(xiàn)狀。通過建立雙向、實時、互動的通信平臺，可實現(xiàn)大規(guī)模分布式能源、儲能設(shè)備、可控負(fù)荷、微網(wǎng)的靈活接入和控制。在面向能源互聯(lián)網(wǎng)的主動配電網(wǎng)中，需要重點關(guān)注采集監(jiān)控技術(shù)、大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)。

主動配電網(wǎng)的運(yùn)行，對數(shù)據(jù)信息的及時性、精確性和完整性有很高的要求，因此采集監(jiān)控技術(shù)是主動配電網(wǎng)信息和運(yùn)行控制的基礎(chǔ)。采集監(jiān)控技術(shù)主要包括采集傳感技術(shù)和物理控制技術(shù)?？紤]到主動配電網(wǎng)中數(shù)量龐大的基礎(chǔ)設(shè)施，采集監(jiān)控技術(shù)需要具有低成本(采集點數(shù)量龐大)、多功能(不同能源的多種信息)、高集成性(多種信息集成)、高可靠性等特性。

在能源互聯(lián)網(wǎng)和主動配電網(wǎng)構(gòu)建的過程中，龐大的物理設(shè)施與能量流，將會產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)信息匯集與高速數(shù)據(jù)信息交換等需求。大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠提升信息跨區(qū)域集成、數(shù)據(jù)多級計算和智能化分析能力，實現(xiàn)協(xié)同數(shù)據(jù)處理、多層次異構(gòu)和復(fù)雜關(guān)聯(lián)分析的功能[9]。由于能源網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)與各種應(yīng)用平臺的數(shù)據(jù)、信息分析需求，大量的計算工作隨之產(chǎn)生，云計算技術(shù)可以提供一個便捷可用的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問平臺。云計算技術(shù)通過對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，實現(xiàn)了實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、可視化、能效分析等功能，形成了包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、應(yīng)用軟件、存儲、服務(wù)等功能的可配置、可共享的計算資源，為能源互聯(lián)網(wǎng)和主動配電網(wǎng)搭建數(shù)據(jù)中心與智能管理平臺。

4.4 電動汽車技術(shù)和V2G技術(shù)

從綠色交通的角度出發(fā)，電動汽車技術(shù)用電能替代汽油，能夠大規(guī)模減少化石能源的使用，因而符合能源互聯(lián)網(wǎng)的核心理念。通過對電動汽車智能充放電管理系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，可以有效利用車載電池的儲能功能，在一定程度上解決削峰填谷與平抑可再生能源電力波動的問題。但是，常見的電動汽車與電網(wǎng)之間頻繁的接入與脫離行為(充放電)，會對電網(wǎng)造成沖擊、危害主動配電網(wǎng)安全，也有可能加劇不同區(qū)域之間的供需不平衡。

汽車入網(wǎng)(vehicle to grid, V2G)技術(shù)的應(yīng)用可以有效解決上述問題。V2G技術(shù)通過車輛用能自主評估和用戶行為規(guī)律分析，實現(xiàn)了電動汽車的即插即用；通過車輛自主智能控制和有序集群管理，實現(xiàn)了和分布式電源之間的雙向交互和協(xié)同增效。V2G技術(shù)充分利用移動儲能的時空自由性，進(jìn)而平抑分布式電源間歇性的功率波動，提升了分布式電源的消納能力和存儲能力?，F(xiàn)有的電動汽車相關(guān)技術(shù)尚未完全成熟，要實現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化、市場化，還需要在電池技術(shù)、能量管理技術(shù)、電力驅(qū)動及控制技術(shù)、整車技術(shù)等方面進(jìn)行大量研究。

另一方面，車輛屬性對V2G的應(yīng)用產(chǎn)生了束縛，而在V2G的基礎(chǔ)上解耦電動汽車本體與動力電池，就可以定義一種新的概念“動力電池與電網(wǎng)交互(battery to grid，B2G)”。B2G技術(shù)依托于大規(guī)模集中式電動汽車充換電電站的建設(shè)，可實現(xiàn)動力電池與電網(wǎng)的電能直接交互，是V2G概念的擴(kuò)展和升級[10]。

5 結(jié)束語

主動配電網(wǎng)支持高占比可再生能源的靈活接入和消納，通過主動控制和主動管理，實現(xiàn)了多種能源協(xié)同優(yōu)化，可大幅提升資產(chǎn)利用率和綜合能源效率。能源互聯(lián)網(wǎng)是能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的主動配電網(wǎng)如何適應(yīng)新環(huán)境、兩者如何相輔相成，都十分具有研究價值。

本文介紹了主動配電網(wǎng)的特征以及能源互聯(lián)網(wǎng)的六大特征和現(xiàn)實意義，分析了主動配電網(wǎng)支持能源互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行模式。圍繞著能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的主動配電網(wǎng)這一概念，對綜合規(guī)劃、需求側(cè)響應(yīng)、多源協(xié)同優(yōu)化調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)；對交直流主動配電網(wǎng)、儲能技術(shù)、信息通信技術(shù)、虛擬電廠技術(shù)、電動汽車技術(shù)和V2G技術(shù)等技術(shù)支持進(jìn)行了歸納。

[1] 劉滌塵,彭思成,廖清芬,等.面向能源互聯(lián)網(wǎng)的未來綜合配電系統(tǒng)形態(tài)展望[J].電網(wǎng)技術(shù),2015,39(11):3023-3034.

[2] 范明天,張祖平,蘇傲雪,等.主動配電系統(tǒng)可行技術(shù)的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2013,33(22):12-18.

[3] 馬釗,梁惠施,蘇劍.主動配電系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行中的重要問題[J].電網(wǎng)技術(shù),2015,39(6):1499-1503.

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[8]NIKOSH,EVANGELOSK,ACHILLEAST,etal.OntheDERhostingcapacityofdistributionfeeders[C]//23rdInternationalConferenceonElectricityDistribution,Lyon,France,2015.

[9] 王繼業(yè),郭經(jīng)紅,曹軍威,等.能源互聯(lián)網(wǎng)信息通信關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].智能電網(wǎng),2015,3(6):473-485.

[10]于強(qiáng)強(qiáng),韓學(xué)山,郝廣濤,等.考慮儲備閾值的電動汽車換電需求分析 [J].電力系統(tǒng)自動化,2014,38(10):49-54.

Technologies of Active Distribution Network Orienting to Energy Internet

YE Xiaochen1, WANG Chengmin1, SUN Weiqing2, TIAN Kunpeng2

(1. School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240，China;2. School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Active distribution network (ADN) is the power distribution system which can actively control and manage distributed energy; it is an effective way to solve the problem of high proportion of distributed clean energy in power system and energy internet.The definition and basic characteristics of ADN are introduced,and the practical significance of the ADN orienting to energy internet is summarized.Some key technologies of AND are presented,including integrated planning,demand response and distributed cooperative dispatch,etc.Also some technical support of ADN are introduced,such as AC and DC active distribution network,energy storage technology,information and communication technologies,electric vehicles and vehicle-to-grid (V2G).ADN is one of the effective approaches to admit large scale distributed energy resource (DER) into grid.With the developing of technologies,ADN will transit to the core of smart distribution network orienting to energy internet,and accelerate to cooperate with energy internet,and it has a wide range of application areas and considerable application value.

Electricity; Renewable energy; Energy internet; Distributed energy resource (DER); Distribution network; Energy storage; Micro-grid; Reliability

葉小忱(通信作者)，女，在讀碩士研究生，主要從事智能配電網(wǎng)和主動配電網(wǎng)可靠性評估方向的研究。E-mail: lnpjhongyang@126.com。 王承民(1970—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方向的研究。E-mail: wangchengmin@sjtu.edu.cn。

TM727;TH-39

A

10686/j.cnki.issn 1000-0380.201701002

修改稿收到日期：2016-11-22