“雙碳”目標(biāo)下未來(lái)配電網(wǎng)構(gòu)建思考與展望

冀肖彤,楊東俊,方仍存,雷何 ,查曉明,孫建軍

(1. 國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司,武漢市 430077;2.水火電和新能源資源優(yōu)化配置與規(guī)劃技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院),武漢市 430077;3. 武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院,武漢市 430072)

0 引 言

2021年11月14日,《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》第26次締約方大會(huì)(COP26)形成了《格拉斯哥氣候協(xié)議》,意味著《巴黎協(xié)定》真正進(jìn)入實(shí)施階段[1]。當(dāng)前我國(guó)是世界上排放二氧化碳最多的國(guó)家,電力行業(yè)是碳排放量最大的行業(yè),其單位供電碳排放為600 g/kWh左右[2],至少需要以(10 g/kWh)/年左右的下降速度才能完成“雙碳”目標(biāo)[3]。2021年3月15日,習(xí)近平總書(shū)記在中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議上提出構(gòu)建新型電力系統(tǒng)。

構(gòu)建新型電力系統(tǒng)對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)至關(guān)重要,對(duì)新型電力系統(tǒng)構(gòu)建路徑及其演變的探索則是重中之重[4]。在電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型路徑主要措施中,各國(guó)積極構(gòu)建分布式能源網(wǎng)絡(luò),通過(guò)屋頂光伏、分散式風(fēng)電、儲(chǔ)能和微網(wǎng)建設(shè),來(lái)滿足終端用戶對(duì)冷、熱、電的用能需求,實(shí)現(xiàn)分布式能源的高效利用[5]。

微電網(wǎng)能促進(jìn)分布式電源就地開(kāi)發(fā)利用,國(guó)家“十四五”規(guī)劃綱要能源篇提出要加快電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施智能化改造和智能微電網(wǎng)建設(shè),提高電力系統(tǒng)互補(bǔ)互濟(jì)和智能調(diào)節(jié)能力[6]。國(guó)家電網(wǎng)有限公司“碳達(dá)峰、碳中和”行動(dòng)方案提出支持分布式電源和微電網(wǎng)發(fā)展[7];對(duì)于未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展形態(tài),應(yīng)是“集中式生產(chǎn)、遠(yuǎn)距離傳輸”的大電網(wǎng)與分布式微電網(wǎng)的有機(jī)結(jié)合[8]。微電網(wǎng)通過(guò)集成各種形式分布式發(fā)電、負(fù)荷、儲(chǔ)能等設(shè)備,對(duì)外“友好”且調(diào)控靈活,可并網(wǎng)或離網(wǎng)運(yùn)行,能提高可再生能源的利用效率,優(yōu)化配電網(wǎng)運(yùn)行模式[9-12]。

微能網(wǎng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成形式,集成了風(fēng)、光、氣等多種能源輸入和熱、電、冷等多種產(chǎn)品輸出[13-14],并綜合考慮了各種能源之間的有機(jī)組合與集成優(yōu)化;可將“冷熱氣電”綜合高效利用,從而實(shí)現(xiàn)能源清潔、“零碳”甚至“負(fù)碳”消費(fèi)與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展[15-16]。微能網(wǎng)較微電網(wǎng)有更多的能量調(diào)配方式,能夠提供更加多樣化的調(diào)節(jié)手段和調(diào)節(jié)方案,從而更好地實(shí)現(xiàn)能源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展,將是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)基本形態(tài)[17]。

為積極穩(wěn)妥推進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和,推動(dòng)能源清潔低碳高效利用,《新型電力系統(tǒng)藍(lán)皮書(shū)》提出依托電力系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施、運(yùn)行控制等各類技術(shù)以及“云大物移智鏈”等數(shù)字技術(shù)的創(chuàng)新升級(jí),推動(dòng)電網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)升級(jí)。在電網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)過(guò)程中,作為能源生產(chǎn)與能源消費(fèi)之間的關(guān)鍵環(huán)節(jié),配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)和功能作用正在逐步轉(zhuǎn)變升級(jí),承接配送上級(jí)電網(wǎng)電力、靈活接入各類分布式能源,并通過(guò)電、氣、熱網(wǎng)能量流交互實(shí)現(xiàn)多種能源形式的互聯(lián)互通互補(bǔ),實(shí)現(xiàn)多類型負(fù)荷靈活便捷接入和互動(dòng),一般將其稱為“區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)”并作為配電網(wǎng)發(fā)展的高級(jí)形態(tài)[18]。

融合多元能源、實(shí)現(xiàn)供需互動(dòng)的能源互聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)配電系統(tǒng)架構(gòu)及格局的主要特征,探索相應(yīng)的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式是研究未來(lái)配電網(wǎng)的基礎(chǔ)和核心[19]。本文針對(duì)“雙碳”目標(biāo)對(duì)配電網(wǎng)形態(tài)和功能提出的新要求,對(duì)基于智慧互聯(lián)微能網(wǎng)的未來(lái)配電網(wǎng)發(fā)展路徑進(jìn)行了探討。首先,總結(jié)分析了傳統(tǒng)配電網(wǎng)到主動(dòng)配電網(wǎng)、再到未來(lái)低碳配電網(wǎng)的配電網(wǎng)發(fā)展形態(tài)演變路線。其次,根據(jù)配電網(wǎng)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)調(diào)互動(dòng)需求,提出了一種自下而上的未來(lái)配電網(wǎng)組網(wǎng)方式,分析了微能網(wǎng)優(yōu)化構(gòu)建、微能網(wǎng)互聯(lián)互動(dòng)、微能網(wǎng)與配電網(wǎng)靈活交互三個(gè)層級(jí)的構(gòu)建思路,構(gòu)想了一種面向智慧互聯(lián)微能網(wǎng)的原子型未來(lái)配電網(wǎng)組網(wǎng)形態(tài)。最后,圍繞不同角度對(duì)未來(lái)配電網(wǎng)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)研究方向進(jìn)行了展望。

1 配電網(wǎng)演進(jìn)形態(tài)與對(duì)比分析

結(jié)合“雙碳”目標(biāo),基于形態(tài)特征、調(diào)控方式、適應(yīng)背景等對(duì)比分析了配電網(wǎng)的發(fā)展演變路徑,將配電網(wǎng)發(fā)展劃分為三個(gè)階段,分別是傳統(tǒng)配電網(wǎng)、主動(dòng)配電網(wǎng)[20]和未來(lái)低碳配電網(wǎng)[21]。

1.1 傳統(tǒng)配電網(wǎng)

傳統(tǒng)配電網(wǎng)在結(jié)構(gòu)形態(tài)上具有單向輻射狀特征,以上級(jí)變電站為電源,自身網(wǎng)絡(luò)為線路,用戶為負(fù)荷,“源網(wǎng)荷”的角色定位明確且固定。傳統(tǒng)配電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力較為缺乏,調(diào)節(jié)的主要方式為調(diào)節(jié)變壓器的分接頭、串并容量固定的無(wú)功補(bǔ)償電容器,或通過(guò)調(diào)節(jié)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)[22]。在規(guī)劃設(shè)計(jì)上,傳統(tǒng)配電網(wǎng)采用“閉環(huán)設(shè)計(jì),開(kāi)環(huán)運(yùn)行”的設(shè)計(jì)方法[23-24],只能被動(dòng)接受上級(jí)電網(wǎng)注入的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)電能平衡[25]。在信息共享上,傳統(tǒng)配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)設(shè)備相對(duì)缺乏,各供電區(qū)域基本屬于信息孤島[26]。在電力交易方式上較為單一,即用戶向供電公司購(gòu)電的消費(fèi)模式。上述特征導(dǎo)致傳統(tǒng)配電網(wǎng)難以適應(yīng)高滲透率的分布式光伏、風(fēng)電等分布式電源接入[27]。

1.2 主動(dòng)配電網(wǎng)

主動(dòng)配電網(wǎng)的概念最早于2008年在國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議被提出,與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比,主動(dòng)配電網(wǎng)強(qiáng)調(diào)配電網(wǎng)的主動(dòng)調(diào)節(jié)能力[28]。在形態(tài)結(jié)構(gòu)上,主動(dòng)配電網(wǎng)保留了傳統(tǒng)配電網(wǎng)的輻射狀特征,但在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了分布式新能源和電力電子調(diào)控設(shè)備等新元素[29]。在規(guī)劃設(shè)計(jì)方面,主動(dòng)配電網(wǎng)通過(guò)合理規(guī)劃新能源和電力電子裝置的接入位置[30-31],可使配電網(wǎng)在改善供電品質(zhì)方面具有更多手段。在調(diào)控手段方面,可控負(fù)荷的出現(xiàn)使得配電網(wǎng)和用戶之間的交互不再是配電網(wǎng)根據(jù)用戶負(fù)荷變化進(jìn)行調(diào)節(jié)的單向交互,而是源網(wǎng)荷之間的雙向互動(dòng)[32-33],進(jìn)一步增強(qiáng)了配電網(wǎng)的主動(dòng)調(diào)節(jié)能力,使其在電能需求上具有一定程度的自給自足能力,從而呈現(xiàn)一定的“自平衡”態(tài)勢(shì)。在電力交易方面,電量來(lái)源增加了新能源就地消納,但在交易上仍由電網(wǎng)公司主導(dǎo),用戶新能源發(fā)電主要采取“自發(fā)自用,余量上網(wǎng)”的運(yùn)營(yíng)方式[34-37]。

但受限于分布式新能源與可控負(fù)荷的滲透率不足、交易機(jī)制不完善、配電網(wǎng)網(wǎng)架靈活性缺乏等問(wèn)題,主動(dòng)配電網(wǎng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)大范圍自平衡與能源低碳高效使用。

1.3 未來(lái)低碳配電網(wǎng)

隨著大量?jī)?chǔ)能裝置、電動(dòng)汽車(chē)、微電網(wǎng)、微能網(wǎng)和微電/能網(wǎng)群出現(xiàn)在配電網(wǎng)中[38],配電網(wǎng)主體更加多元化。未來(lái)低碳配電網(wǎng)應(yīng)具有自平衡能力,同時(shí)能實(shí)現(xiàn)各類能源高效低碳利用。在形態(tài)結(jié)構(gòu)上,未來(lái)低碳配電網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)、熱網(wǎng)和天然氣網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)的耦合互聯(lián),具備更多的可調(diào)度資源,從而實(shí)現(xiàn)新能源的高比例消納甚至是完全消納[38-40]。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)能源就地平衡,未來(lái)低碳配電網(wǎng)中能源生產(chǎn)和消費(fèi)主體將逐漸轉(zhuǎn)變成各微網(wǎng)和微網(wǎng)群,配電網(wǎng)連接的大電網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行中轉(zhuǎn)變?yōu)樘峁╇娔軅溆玫妮o助服務(wù)提供商。在規(guī)劃設(shè)計(jì)方面,由于配電網(wǎng)潮流的雙向隨機(jī)性以及“冷-熱-電”等多種用能的就地平衡模式,未來(lái)低碳配電網(wǎng)不適合采用自上而下的規(guī)劃模式。在調(diào)控手段方面,未來(lái)低碳配電網(wǎng)將更多地依賴靈活的電力電子裝置與各種智能算法,從而提高配電網(wǎng)潮流調(diào)控的自然化。在電力交易方面,未來(lái)電力交易市場(chǎng)將實(shí)現(xiàn)電能市場(chǎng)與碳市場(chǎng)的深度融合,促進(jìn)能源以零碳甚至負(fù)碳的方式生產(chǎn)與消費(fèi)[41]。

綜上,為實(shí)現(xiàn)多能混合互聯(lián)、高效低碳使用,應(yīng)圍繞配電網(wǎng)拓?fù)湫螒B(tài)、設(shè)計(jì)方法、調(diào)控策略、交易模式等方面,對(duì)未來(lái)配電網(wǎng)的構(gòu)建路徑和組網(wǎng)形態(tài)開(kāi)展深入研究。

2 面向微能網(wǎng)的未來(lái)配電網(wǎng)組網(wǎng)形態(tài)構(gòu)建路徑

2.1 微能網(wǎng)定義

微能網(wǎng)是冷-熱-電-氣深度耦合的微型能源互聯(lián)網(wǎng),滿足“冷、熱、電、氣”等多種用能需求,實(shí)現(xiàn)能源的高效低碳甚至零碳生產(chǎn)消費(fèi)與使用[42-44]。其中,電網(wǎng)可采用交直流混合模式,以靈活調(diào)控設(shè)備為核心,實(shí)現(xiàn)能源的生產(chǎn)、變換、傳輸與使用,在保持電力電量平衡的同時(shí),還要保證其他形式能源的供需平衡[45-47]。典型的微能網(wǎng)如圖1所示。

圖1 微能網(wǎng)構(gòu)建示意圖Fig.1 Schematic diagram of micro energy network construction

微能網(wǎng)的主要技術(shù)特征體現(xiàn)在以下幾方面:

1)多能互補(bǔ)與高效利用:以電能為核心,多種能源智慧互聯(lián),在電能市場(chǎng)、碳市場(chǎng)等多種市場(chǎng)交易機(jī)制協(xié)同下,實(shí)現(xiàn)廣域的多能互補(bǔ)與高效利用目標(biāo)。因此微能網(wǎng)不僅面對(duì)電力網(wǎng)的潮流調(diào)控,還需考慮“冷-熱-氣-電”等多種形式用能調(diào)度問(wèn)題,協(xié)調(diào)優(yōu)化更加復(fù)雜,需考慮多能量耦合樞紐或聯(lián)供系統(tǒng)模型[48-49]。

2)電力電量平衡控制復(fù)雜:“雙碳”目標(biāo)下,能源使用將更多地采用具有強(qiáng)隨機(jī)與高波動(dòng)特征的新能源[50],與此同時(shí),電動(dòng)汽車(chē)時(shí)空接入隨機(jī)性與充儲(chǔ)電站充放電隨機(jī)性復(fù)雜、負(fù)荷用電模式多變,導(dǎo)致微能網(wǎng)電力平衡控制難度增大[51]。

3)電力電子化程度高:風(fēng)、光等各種形式的能源以及儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車(chē)和可控負(fù)荷需要電力電子裝置進(jìn)行電能變換,因此微能網(wǎng)電力電子化程度極高[52]。由此帶來(lái)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間尺度分布廣,穩(wěn)定機(jī)理復(fù)雜,在微能網(wǎng)的構(gòu)建過(guò)程中需考慮電力電子交互作用,對(duì)微能網(wǎng)的構(gòu)建方法與運(yùn)行調(diào)控策略提出了更高的要求[53]。

4)能量交易模式復(fù)雜:在電能交易市場(chǎng)、碳排放權(quán)交易市場(chǎng)與輔助市場(chǎng)相耦合作用下,微能網(wǎng)內(nèi)外將呈現(xiàn)多主體平等參與、市場(chǎng)交易機(jī)制復(fù)雜的特征[54-55]。復(fù)雜的能量交易模式同時(shí)也給異質(zhì)互補(bǔ)性資源的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、高效的結(jié)算出清規(guī)則制定帶來(lái)挑戰(zhàn)。

2.2 微能網(wǎng)靈活互聯(lián)模式

微能網(wǎng)靈活互聯(lián)可以提高能源利用效率,保障用能安全。通常以電力網(wǎng)互聯(lián)為主,一般可分為剛性互聯(lián)與柔性互聯(lián)。

剛性互聯(lián)指微能網(wǎng)之間直接通過(guò)母線形成互聯(lián),有并聯(lián)型、串聯(lián)型、混合型等方式,一般采用交直流方式直接互聯(lián)[56],如圖2所示。各微能網(wǎng)中的電力網(wǎng)的電壓頻率相位相同,通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)與公共交流母線實(shí)現(xiàn)互聯(lián),并且通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)控制策略實(shí)現(xiàn)微能網(wǎng)群串并聯(lián)運(yùn)行靈活轉(zhuǎn)換。采取直接互聯(lián)結(jié)構(gòu)的微能網(wǎng)群系統(tǒng)雖然成本低,系統(tǒng)架構(gòu)與運(yùn)行控制簡(jiǎn)單,但該系統(tǒng)缺乏潮流調(diào)控能力以及故障隔離能力。

圖2 典型剛性互聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of typical rigid interconnection structure

柔性互聯(lián)指微能網(wǎng)間通過(guò)具有能量調(diào)控的電力電子裝置進(jìn)行互聯(lián),如圖3所示。柔性互聯(lián)具有單端口柔性直流互聯(lián)、單端口柔性交直流互聯(lián)、多端口柔性直流互聯(lián)等方式。單端口柔性直流互聯(lián)是指各微能網(wǎng)僅有一個(gè)端口通過(guò)柔性互聯(lián)裝置與其他微能網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián),且柔性互聯(lián)裝置之間通過(guò)直流母線進(jìn)行能量傳輸;單端口柔性交直流混合互聯(lián)是指各微能網(wǎng)與相鄰的微能網(wǎng)進(jìn)行電能交換,交換節(jié)點(diǎn)可以是交流母線也可以是直流母線;多端口柔性直流互聯(lián)方式是指各微能網(wǎng)不僅可以與其他微能網(wǎng)實(shí)現(xiàn)柔性互聯(lián),同時(shí)還具有一個(gè)交流端口,通過(guò)交流母線與上級(jí)配電網(wǎng)連接[57]。對(duì)于高比例新能源接入、高比例電力電子裝置接入的微能網(wǎng),利用柔性互聯(lián)裝置實(shí)現(xiàn)微能網(wǎng)之間的互聯(lián)互動(dòng),可以優(yōu)化微能網(wǎng)之間的能量調(diào)度、自主控制、運(yùn)行穩(wěn)定等[58-59]。

圖3 典型柔性互聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of typical flexible interconnection structure

2.3 面向微能網(wǎng)的自下而上未來(lái)配電網(wǎng)構(gòu)建

當(dāng)前,有學(xué)者提出了多種配電網(wǎng)發(fā)展形態(tài),如根據(jù)微電網(wǎng)與微電網(wǎng)群類似生物學(xué)中細(xì)胞與組織的關(guān)系,提出細(xì)胞組織狀的組網(wǎng)方式,闡釋了微電網(wǎng)與微電網(wǎng)群的形態(tài)架構(gòu)與能量調(diào)度關(guān)系[43];也有學(xué)者提出蜂巢狀組網(wǎng)方式可作為未來(lái)配電網(wǎng)的組網(wǎng)形態(tài)[48],該類組網(wǎng)方式具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)能量傳輸控制能力;此外,還有直流微電網(wǎng)[60]、綜合能源網(wǎng)[61]和能源互聯(lián)微電網(wǎng)[62]等?？偟膩?lái)看,傳統(tǒng)的配電網(wǎng)典型組網(wǎng)模式是按照自上而下的思路進(jìn)行設(shè)計(jì),難以解決未來(lái)場(chǎng)景下分布式電源大量接入配電網(wǎng)帶來(lái)的就地消納困難、潮流反向等問(wèn)題。

相比以上基于微電網(wǎng)的組網(wǎng)方式,微能網(wǎng)利用多能互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)自身靈活調(diào)節(jié),對(duì)未來(lái)配電網(wǎng)甚至大電網(wǎng)的形態(tài)影響是不言而喻的。自下而上的構(gòu)建思路如圖4所示:首先從用戶層面對(duì)用能需求進(jìn)行精準(zhǔn)分析,以低碳、經(jīng)濟(jì)為目標(biāo),基于各種能源相關(guān)交易規(guī)則開(kāi)展多能互補(bǔ)的協(xié)同規(guī)劃;其次從用能負(fù)荷自身互補(bǔ)特性角度,開(kāi)展負(fù)荷聚類與微能網(wǎng)構(gòu)建,實(shí)現(xiàn)能源綜合高效低碳使用。為提高微能網(wǎng)安全性、可靠性,微能網(wǎng)可因地制宜采取靈活的互聯(lián)方式進(jìn)行互聯(lián),并在一定的機(jī)制和模式下進(jìn)行互動(dòng);進(jìn)一步,高滲透率可再生能源接入模式下配電網(wǎng)負(fù)荷變化將更加靈活多變,傳統(tǒng)變電站投切式調(diào)控手段以及信息化調(diào)度架構(gòu)無(wú)法應(yīng)對(duì),需要通過(guò)電力電子化裝置、實(shí)時(shí)化通信等改進(jìn)手段,提高變電站對(duì)潮流調(diào)控的靈活水平。當(dāng)變電站經(jīng)過(guò)以上技術(shù)提升后,實(shí)際上就成為了一種廣義的能源路由器,或可稱為智慧變電站,此時(shí)大電網(wǎng)的構(gòu)建也將圍繞多能系統(tǒng)時(shí)空平衡目標(biāo)進(jìn)行[62-64]。

圖4 自下而上的未來(lái)配電網(wǎng)構(gòu)建思路Fig.4 Bottom-up idea of future distribution network construction

根據(jù)自下而上的構(gòu)建思路,未來(lái)配電網(wǎng)將具有類似原子的結(jié)構(gòu)。如圖5所示,智慧變電站作為原子核,利用各種靈活調(diào)控手段類比化學(xué)鍵作用,將外圍的多種形式微能網(wǎng)“束縛”。每個(gè)微能網(wǎng)(群)可以根據(jù)自身源荷特性以及互聯(lián)需求,選擇與鄰近的若干個(gè)變電站節(jié)點(diǎn)互聯(lián)互動(dòng),而每個(gè)變電站節(jié)點(diǎn)也可以選擇與若干個(gè)微能網(wǎng)(群)互聯(lián)互通,從而實(shí)現(xiàn)靈活組網(wǎng),提升區(qū)域電網(wǎng)的自平衡能力以及可擴(kuò)展性。

圖5 原子型未來(lái)配電網(wǎng)組網(wǎng)形態(tài)示意圖Fig.5 Schematic diagram of atomic future distribution network configuration

由于微能網(wǎng)具有自平衡能力,且以可再生能源為主,微能網(wǎng)與配電網(wǎng)之間的能量交互是少量、隨機(jī)的,與傳統(tǒng)配電網(wǎng)“自上而下”的模式完全不同,但配電網(wǎng)與微能網(wǎng)之間的聯(lián)系更緊密。原子型未來(lái)配電網(wǎng)組網(wǎng)形態(tài)是以智慧變電站為核心,以電能為紐帶,實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)多種用能形式充分互動(dòng),進(jìn)而提高整個(gè)配電網(wǎng)的靈活性與安全性,確保“雙碳”目標(biāo)的達(dá)成[65-66]。

在實(shí)現(xiàn)路徑上,配電網(wǎng)作為微能網(wǎng)(群)的核心,基于風(fēng)、光、燃?xì)廨啓C(jī)等不同供能形式,利用電熱(冷)、電氣熱(冷)等進(jìn)行能源轉(zhuǎn)換,通過(guò)能量路由器、電力電子變壓器、柔性聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)等裝備滿足多種能源即插即用,結(jié)合多時(shí)間尺度的電儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能以及需求響應(yīng)調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)能源網(wǎng)架的多能互補(bǔ)和耦合互聯(lián)。通過(guò)能源網(wǎng)架和通信網(wǎng)絡(luò)深入融合,實(shí)現(xiàn)電-氣-熱(冷)不同能量流之間以及源網(wǎng)荷儲(chǔ)電力流之間的融合互動(dòng),促進(jìn)分布式能源多主體間交易,提升能源資源配置能力。與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比,通過(guò)能源轉(zhuǎn)換和互聯(lián)互通,可促進(jìn)可再生能源就地消納,提升能源綜合利用效率。

3 未來(lái)配電網(wǎng)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)展望

能源互聯(lián)網(wǎng)是能源未來(lái)發(fā)展的方向,是推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型的重要手段。能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃遵循“源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同互動(dòng)、電熱冷氣多能互補(bǔ)、能源信息深度融合”的總體原則[67],以實(shí)現(xiàn)能源整體利用效率最優(yōu)。

配電網(wǎng)是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分,在能源網(wǎng)和信息網(wǎng)的支撐下,其規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行控制及信息交互需與能源互聯(lián)網(wǎng)的總體架構(gòu)相協(xié)調(diào)[68]。因此,以微能網(wǎng)為單元構(gòu)建的未來(lái)配電網(wǎng)在規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行控制及市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)等方面存在諸多新的研究方向,具體如圖6所示。

圖6 基于微能網(wǎng)的未來(lái)配電網(wǎng)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)Fig.6 Key technologies for future distribution network construction based on micro energy network

3.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)

在場(chǎng)景建立方面,需要通過(guò)假設(shè)、預(yù)測(cè)、模擬等手段生成未來(lái)低碳或零碳情景。如何描述和聚合大量分布式、隨機(jī)性源荷功率變化,將直接影響配電網(wǎng)調(diào)控資源的規(guī)劃與運(yùn)行方案的經(jīng)濟(jì)性和有效性?？蓮拇髷?shù)據(jù)挖掘角度,分析數(shù)據(jù)樣本的規(guī)律與物理關(guān)系,開(kāi)展分布式電源、電動(dòng)汽車(chē)、可控負(fù)荷等源荷建模方法研究;可從歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)樣本集或概率分布曲線中提取出適用于未來(lái)配電網(wǎng)特征評(píng)估的多維典型場(chǎng)景集[69];也可基于對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)增強(qiáng)算法和遷移學(xué)習(xí)方法豐富樣本,再借助馬爾可夫鏈模型、高斯混合模型或伊藤模型分析描述新能源隨機(jī)性的概率分布、空間相關(guān)性、時(shí)序相關(guān)性等,進(jìn)而建立功率波動(dòng)時(shí)空分布概率模型[70]。

在優(yōu)化分析方法方面,需要分析不同情景對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生的影響,進(jìn)而優(yōu)化各類指標(biāo)。未來(lái)低碳配電網(wǎng)將包含“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”在內(nèi)的整體形態(tài),以碳中和為驅(qū)動(dòng)的未來(lái)低碳配電網(wǎng)的優(yōu)化目標(biāo)、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系發(fā)生了變化[71-72]。由于源荷功率變化具有明顯的連續(xù)、時(shí)序相關(guān)等特性,且新型電力電子設(shè)備的調(diào)控時(shí)間尺度越來(lái)越精細(xì),傳統(tǒng)離散、有限輸入場(chǎng)景下的系統(tǒng)優(yōu)化分析已難以適用,宜將系統(tǒng)輸入變量看成隨機(jī)過(guò)程開(kāi)展系統(tǒng)優(yōu)化分析。除了常見(jiàn)的配電網(wǎng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),如新能源消納率[73]、發(fā)電成本[74]、綜合成本[75]、頻率與電壓偏移[76]等,還應(yīng)考慮“碳約束”和“電約束”之間的強(qiáng)耦合關(guān)系,從而在配電網(wǎng)優(yōu)化模型中充分考慮碳排放約束;應(yīng)以碳中和為目標(biāo),建立起若干局域自治單元,采用考慮功率波動(dòng)時(shí)空分布概率模型的分布式魯棒優(yōu)化方法[77-78],并從計(jì)算時(shí)間、收斂速度和目標(biāo)函數(shù)值等方面不斷優(yōu)化算法。現(xiàn)有關(guān)于配電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化的研究中,由于柔性電力電子設(shè)備的引入,所建立的運(yùn)行分析優(yōu)化模型同時(shí)含有離散變量和連續(xù)變量,配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行常用的求解方法除傳統(tǒng)的優(yōu)化解法外,啟發(fā)式算法因其普遍適用性得到了較多的應(yīng)用。

在協(xié)同規(guī)劃方面,需要綜合考慮能源供給和用能需求,實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)和能源綜合梯級(jí)利用。微能網(wǎng)構(gòu)建不僅應(yīng)考慮內(nèi)部源網(wǎng)荷儲(chǔ)優(yōu)化配置及網(wǎng)架設(shè)備規(guī)劃,如可再生能源規(guī)劃、儲(chǔ)能規(guī)劃和電動(dòng)汽車(chē)充換電設(shè)施布局規(guī)劃等,還應(yīng)充分考慮可再生能源的隨機(jī)性與間歇性帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn),以碳中和為目標(biāo)形成各個(gè)微能網(wǎng)的局域自治模塊,考慮多個(gè)微能網(wǎng)之間的規(guī)劃構(gòu)建,實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)的能源互補(bǔ)與負(fù)荷互動(dòng),為“自治-互聯(lián)”的配電網(wǎng)構(gòu)建模式新格局奠定基礎(chǔ)。

3.2 運(yùn)行控制技術(shù)

在運(yùn)行模式方面,微能網(wǎng)可作為一個(gè)具備獨(dú)立運(yùn)行能力的單元,實(shí)現(xiàn)內(nèi)部能源供需平衡,也可使多個(gè)微能網(wǎng)互聯(lián)或直接與用戶互聯(lián)。在滿足安全穩(wěn)定要求的前提下宜采用剛性和柔性混合方式互聯(lián),并開(kāi)展面向多主體混聯(lián)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定控制等評(píng)估分析方法研究,促進(jìn)新能源消納和提高系統(tǒng)新能源可容納總量,優(yōu)化電能質(zhì)量[79];需要充分挖掘每個(gè)微能網(wǎng)自身的特性,定義綜合性指標(biāo)[80],利用社區(qū)挖掘等算法對(duì)微能網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)分類,最后優(yōu)化求解確定微能網(wǎng)對(duì)外的連接方式、柔性互聯(lián)裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、安裝位置與容量等[81-82]。此外,還應(yīng)該設(shè)計(jì)滿足供電可靠的柔性互聯(lián)裝置與配電網(wǎng)保護(hù)設(shè)備的配合原則[83],確定不同保護(hù)優(yōu)先級(jí)、定值與時(shí)序的整定配合原則[84-86]。

在穩(wěn)定性分析方面,應(yīng)關(guān)注隨機(jī)電磁尺度擾動(dòng)建模、傳播特性及引發(fā)的多電力電子設(shè)備暫態(tài)交互特性[87],厘清配電網(wǎng)暫態(tài)下不同尺度、相同尺度、離散與連續(xù)調(diào)控手段之間交互作用機(jī)理,采取協(xié)調(diào)控制和運(yùn)行手段維持系統(tǒng)平衡和穩(wěn)定。建立適用不同頻帶的單相逆變器阻抗模型和逆變器群的多輸入多輸出模型[88];分析逆變器交互諧振/振蕩特性與逆變器類型及數(shù)量、逆變器結(jié)構(gòu)控制參數(shù)及電網(wǎng)參數(shù)之間的關(guān)系[89];研究微能網(wǎng)中逆變器交互作用分析統(tǒng)一模型、基于哈密頓作用量的逆變器同調(diào)等值判據(jù)及參數(shù)聚合方法,研究孤島模式下多逆變器穩(wěn)定性判據(jù)及交互作用抑制策略[90]。

3.3 市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)技術(shù)

為促進(jìn)分布式能源就近高效利用,支撐源網(wǎng)荷儲(chǔ)各參與對(duì)象間的協(xié)調(diào)互動(dòng)和能源交易,需不斷探索深化各類商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式及市場(chǎng)交易機(jī)制。

在需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制方面,現(xiàn)有的基于價(jià)格和基于激勵(lì)的需求側(cè)響應(yīng)方法在配合碳中和目標(biāo)、解決供需失衡問(wèn)題和提升系統(tǒng)可靠性等方面仍存在不足。微能網(wǎng)制定響應(yīng)策略時(shí)需要考慮包括工業(yè)用戶、商業(yè)用戶、居民用戶、新能源汽車(chē)用戶、儲(chǔ)能服務(wù)商和新能源服務(wù)商等在內(nèi)的多元用戶響應(yīng)之間的差異性與協(xié)同性[91],需要對(duì)整個(gè)微能網(wǎng)或者微能網(wǎng)群內(nèi)的多元用戶進(jìn)行分類,然后分別建立相應(yīng)的響應(yīng)模型;此外還需要考慮不同用戶響應(yīng)之間的相互影響,通常采用線性模型描述并根據(jù)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分類[92-93]。

在市場(chǎng)交易機(jī)制方面,目前微電網(wǎng)用戶的電能交易仍采取傳統(tǒng)“定價(jià)入網(wǎng)、統(tǒng)一銷(xiāo)售”的機(jī)制,產(chǎn)消者無(wú)法自主選擇交易對(duì)象以降低電費(fèi)或增加收益,因此催生出制定更加靈活的電能交易機(jī)制需求,在市場(chǎng)模式、市場(chǎng)監(jiān)管、市場(chǎng)價(jià)格制定、調(diào)度機(jī)構(gòu)與交易機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)分工等方面需要進(jìn)一步探索[94]。針對(duì)基于微能網(wǎng)的電力市場(chǎng)交易機(jī)制,需要綜合考慮市場(chǎng)形態(tài)和應(yīng)用技術(shù)對(duì)電力交易的影響,耦合電能交易市場(chǎng)、碳市場(chǎng)與輔助市場(chǎng)[95]。技術(shù)上可通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建去中心化的分布式電能交易系統(tǒng)框架,建立具有保障用戶利益和優(yōu)化電源分配的多階段混合拍賣(mài)的分布式電能交易機(jī)制[96-97];可利用配電網(wǎng)的分布式調(diào)頻資源,基于區(qū)塊鏈構(gòu)建分布式調(diào)頻系統(tǒng)市場(chǎng),也可對(duì)分布式調(diào)頻資源的慣性定價(jià)豐富市場(chǎng)交易種類[98-99]。

4 結(jié) 論

隨著能源供應(yīng)向著清潔、低碳、電氣化方向轉(zhuǎn)型,同時(shí)受?chē)?guó)家政策的引導(dǎo)作用、科技進(jìn)步的推動(dòng)作用和用戶需求的拉動(dòng)作用,支持大量分布式可再生能源接入和多元用戶互動(dòng)將成為未來(lái)配電網(wǎng)發(fā)展的新特點(diǎn)。本文首先總結(jié)對(duì)比分析了配電網(wǎng)發(fā)展形態(tài)演變路徑,梳理了各階段配電網(wǎng)的主要技術(shù)特征?？紤]到未來(lái)配電網(wǎng)的自平衡需求,提出了一種基于“微能網(wǎng)-微能網(wǎng)群-配電網(wǎng)”自下而上構(gòu)建的未來(lái)配電網(wǎng)組網(wǎng)方式,構(gòu)想了一種基于智慧互聯(lián)微能網(wǎng)的原子型未來(lái)配電網(wǎng)組網(wǎng)形態(tài)。

未來(lái)配電網(wǎng)在“雙高”特征影響下,為實(shí)現(xiàn)零碳配電網(wǎng)的終極形態(tài),需要對(duì)各個(gè)能實(shí)現(xiàn)就地消納的微能網(wǎng)進(jìn)行智慧互聯(lián),形成復(fù)雜的網(wǎng)狀、交叉結(jié)構(gòu),使得各個(gè)微能網(wǎng)之間可以根據(jù)自身分布式能源、負(fù)荷特性等指標(biāo)進(jìn)行有選擇性地優(yōu)化互聯(lián)互動(dòng)。最終,未來(lái)配電網(wǎng)將會(huì)是高壓變電站與微能網(wǎng)群的網(wǎng)狀復(fù)雜結(jié)合體。新型網(wǎng)絡(luò)形態(tài)與關(guān)鍵技術(shù)能否應(yīng)用至未來(lái)配電網(wǎng)取決于技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性,本文針對(duì)基于智慧互聯(lián)微能網(wǎng)的未來(lái)配電網(wǎng)發(fā)展路徑與形態(tài)演化進(jìn)行了討論和說(shuō)明,旨在提供一種新的思考路徑。