能源轉(zhuǎn)型背景下亟須加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)與研究

■ 貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 鄧 松 蔡永翔

據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021 年新增光伏發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)中，分布式光伏新增約2900 萬千瓦，約占全部新增光伏發(fā)電裝機(jī)總量的55%，歷史上首次突破50%。戶用光伏已經(jīng)成為我國(guó)如期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)和落實(shí)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要力量。當(dāng)前“千家萬戶沐光行動(dòng)”和“整縣（區(qū)）屋頂分布式光伏開發(fā)”規(guī)范有序推進(jìn)，許多融合“鄉(xiāng)村振興”理念的光伏新村應(yīng)運(yùn)而生，農(nóng)光、林光、牧光、漁光等“光伏+”形式體現(xiàn)出電力和綠色生態(tài)產(chǎn)業(yè)逐步融合的新趨勢(shì)。

對(duì)于山區(qū)電網(wǎng)來說，既有極為豐富的屋頂和光照資源，又有支撐“鄉(xiāng)村振興”的重要使命，但面臨的難題極為顯著。

一是山區(qū)電網(wǎng)投資和設(shè)備利用率間難以平衡。農(nóng)村山區(qū)現(xiàn)有網(wǎng)架和投資方式難以支撐源荷兩端即將發(fā)生的趨勢(shì)性變革。以貴州、云南和廣西等為典型的山區(qū)負(fù)荷具有“季節(jié)性+遷移性”特征。冬季采暖需求驅(qū)動(dòng)下負(fù)荷高峰較為明顯，務(wù)工人員的大規(guī)模遷移，大量臺(tái)區(qū)全年用電峰谷差在8倍以上，但是峰值時(shí)間在全年占比很低，而谷值時(shí)間在全年占比卻很高。長(zhǎng)時(shí)間尺度來看，電網(wǎng)設(shè)備輕載，但是一些負(fù)荷峰值時(shí)段，設(shè)備及線路重載、過載問題非常突出。疊加規(guī)?；r(nóng)村屋頂光伏開發(fā)，光伏和負(fù)荷不匹配的特點(diǎn)進(jìn)一步拉大了功率曲線的峰谷差，很多臺(tái)區(qū)光伏同期滲透率超過300%，個(gè)別光伏臺(tái)區(qū)超過500%，在光伏富余和用電高峰時(shí)都會(huì)導(dǎo)致設(shè)備及線路重過載，不僅加大年度峰谷差，日負(fù)荷特征也發(fā)生顯著的變化，設(shè)備長(zhǎng)期利用率非常低，短期容量不足，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

二是山區(qū)電網(wǎng)供電品質(zhì)與薄弱網(wǎng)架結(jié)構(gòu)間難以平衡。山區(qū)電網(wǎng)低負(fù)荷密度特征下難以避免遠(yuǎn)距離供電，光伏并網(wǎng)疊加如電動(dòng)汽車、電動(dòng)農(nóng)用器具的出現(xiàn)，使得一些臺(tái)區(qū)過電壓和欠電壓并存，導(dǎo)致電器燒損和無法啟動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)存在；此外，三相不平衡、電壓波動(dòng)和諧波等問題直接影響了設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境、線路損耗、用電以及通信，現(xiàn)有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)鄉(xiāng)村振興持續(xù)性推進(jìn)和海量分布式光伏的消納。

三是山區(qū)電網(wǎng)供電可靠性提升和資源受限難以平衡。大量農(nóng)村區(qū)域結(jié)合“鄉(xiāng)村振興”推進(jìn)形成諸如炒茶、烤煙、釀酒、智慧養(yǎng)殖和農(nóng)產(chǎn)品加工等特色產(chǎn)業(yè)，并且通過“電能替代”來進(jìn)一步穩(wěn)定產(chǎn)品品質(zhì)；此外，為了保證效益，大量的屋頂光伏也存在持續(xù)并網(wǎng)發(fā)電的需求，這都對(duì)電網(wǎng)可靠性提出了很高的要求。然而，按照傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的發(fā)展模式，在多山、多林木、多災(zāi)的區(qū)域提升電網(wǎng)的可靠性，每增加一個(gè)點(diǎn)，投資將成幾何倍數(shù)增加，在低負(fù)荷密度難以算清投資與收益間的平衡賬。

電網(wǎng)發(fā)展模式從大基地大網(wǎng)絡(luò)為主逐步向“主網(wǎng)+分布式”兼容互補(bǔ)轉(zhuǎn)變

在能源系統(tǒng)分散化、扁平化、去中心化的背景下，能源生產(chǎn)逐漸向集中式與分散式并重轉(zhuǎn)變，電網(wǎng)的發(fā)展模式由大基地大網(wǎng)絡(luò)為主逐步向“智能主網(wǎng)”和“分布式智能電網(wǎng)”兼容互補(bǔ)轉(zhuǎn)變，其中核心是發(fā)揮好電網(wǎng)的“橋梁”和“紐帶”作用。

多層次的結(jié)構(gòu)是分布式智能電網(wǎng)的主要特征，新型的運(yùn)行控制架構(gòu)和方式是必然選擇。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，通過發(fā)輸變配用等系列環(huán)節(jié)構(gòu)成平衡、穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)。由于新增屋頂光伏、儲(chǔ)能、充電樁等元素，在配電和用電側(cè)，電力產(chǎn)出和消耗形成微型的電能量生態(tài)，有的甚至可以形成閉環(huán)的獨(dú)立運(yùn)行。分布式智能電網(wǎng)的本質(zhì)是分布式電力系統(tǒng)，主要特征就是多層次:（1）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多層次，出于便捷并網(wǎng)和柔性可控的目的，直流網(wǎng)絡(luò)和交流網(wǎng)絡(luò)并存并加深融合，同時(shí)也有冷熱氫等其他能源形式加入構(gòu)建以電為樞紐、具有耦合關(guān)系的微型能源互聯(lián)網(wǎng)。（2）設(shè)備多層次，配電和用電側(cè)從傳統(tǒng)的無源向具備“源網(wǎng)荷儲(chǔ)充”的有源網(wǎng)轉(zhuǎn)變，可控設(shè)備增多、利益主體有別，同時(shí)不同設(shè)備的波動(dòng)特性、響應(yīng)特性和動(dòng)作特性都存在很大的差異。（3）參與者多層次，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中供電用戶接受來自電網(wǎng)提供的電能，隨著配用電側(cè)的分布式電源的加入，電能產(chǎn)銷者逐漸增加，在智能化與信息化技術(shù)的助推下，一些智能產(chǎn)銷者（包括農(nóng)村的特色產(chǎn)業(yè)）也具備一定的能量管理和靈活調(diào)節(jié)能力，并且電壓等級(jí)逐漸下沉。

未來，由上而下的調(diào)度管控方式將會(huì)融合自下而上的分層集群聚合模式，在中低壓側(cè)形成結(jié)構(gòu)清晰，局部堅(jiān)韌、快速恢復(fù)智能體，對(duì)現(xiàn)有的主干網(wǎng)架形成有機(jī)的補(bǔ)充。在擾動(dòng)發(fā)生時(shí)可做出自愈的響應(yīng)，在緊急狀態(tài)下能分片實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)孤島運(yùn)行，緩解主網(wǎng)架的投資和復(fù)電壓力，并在其后快速恢復(fù)全系統(tǒng)的正常運(yùn)行。每一個(gè)分布式智能電網(wǎng)都是一個(gè)獨(dú)立的電力系統(tǒng)，具備靈活性、自洽性、適應(yīng)性、智能性，采用互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議、即插即用和異構(gòu)兼容等技術(shù)形成開放架構(gòu)，支撐源荷儲(chǔ)充的規(guī)?；憬莶⒕W(wǎng)，同時(shí)利用自身的柔性網(wǎng)架特征形成潮流的控制能力。最終，將被動(dòng)消納的清潔電力和新型的用電需求轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)的主動(dòng)調(diào)節(jié)資源和潛力。

多層次智能配電網(wǎng)

數(shù)字化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)分布式智能電網(wǎng)的重要依托。分布式智能電網(wǎng)的構(gòu)建，還需要一套以數(shù)字為尺的綠色低碳價(jià)值體系，形成“數(shù)字-能量-碳排放”的立體價(jià)值標(biāo)簽，引導(dǎo)清潔能源有序并網(wǎng)，形成能源低碳流，讓低碳節(jié)能與收益、效率形成強(qiáng)相關(guān):（1）借助智能傳感、萬物互連和人工智能等技術(shù)，滿足分布式資源接入后的“可觀、可測(cè)、可控、可調(diào)”，同時(shí)強(qiáng)化電網(wǎng)對(duì)于能量流和碳流的感知能力，精準(zhǔn)感知源、荷、儲(chǔ)、充的靈活潛力，充分挖掘由電網(wǎng)傳統(tǒng)調(diào)節(jié)能力以及柔性網(wǎng)架所構(gòu)成調(diào)控裕度。（2）構(gòu)建能源數(shù)據(jù)中心，基于人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，推動(dòng)電力網(wǎng)、信息網(wǎng)與海量數(shù)據(jù)的深度融合，實(shí)現(xiàn)分散資源的主動(dòng)聚合和主動(dòng)同步，同時(shí)通過邊云協(xié)同推動(dòng)“智能主網(wǎng)”與“分布式智能電網(wǎng)”的協(xié)同發(fā)展。（3）通過數(shù)字技術(shù)擴(kuò)展電網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)和服務(wù)領(lǐng)域，建立電網(wǎng)和用戶能量管理系統(tǒng)互動(dòng)機(jī)制，刺激并鼓勵(lì)大量的產(chǎn)銷者進(jìn)入這一綠色低碳價(jià)值鏈，此外發(fā)揮好電網(wǎng)的平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，為整縣光伏開發(fā)商、綜合能源服務(wù)商等提供輔助服務(wù)（如光伏板覆塵、電網(wǎng)故障等）。

清潔電力向分布式和集中式并重發(fā)展轉(zhuǎn)變

在能源清潔低碳轉(zhuǎn)型過程中，電網(wǎng)起到能源轉(zhuǎn)換利用、優(yōu)化配置和供需對(duì)接的平臺(tái)作用:（1）采取光照和風(fēng)力發(fā)電具有清潔、高效、便捷的特點(diǎn)，已成為能源清潔開發(fā)利用的主要方式，也能充分利用好我國(guó)存量的網(wǎng)架優(yōu)勢(shì)。（2）產(chǎn)業(yè)及消費(fèi)升級(jí)帶來的智能化、精細(xì)化和清潔化需求，驅(qū)動(dòng)了電力替代終端化石能源消費(fèi)的趨勢(shì)。

清潔電力的發(fā)展已經(jīng)從以傳統(tǒng)的集中式為主，向分布式與集中式并重發(fā)展轉(zhuǎn)變:一方面，受制于通道資源、土地資源和光照資源的限制，大規(guī)模的清潔能源基地新建及并網(wǎng)受環(huán)境制約，發(fā)電效益也存在一定的邊界遞減趨勢(shì)；另一方面，我國(guó)大量的屋頂和建筑資源還未充分利用，加之“綠色低碳”思維觀念逐漸深入人心，以屋頂光伏為代表的分布式電源存在廣闊的發(fā)展空間。