新型電力系統(tǒng)的分布式光伏發(fā)展與消納

國(guó)網(wǎng)浙江杭州市蕭山區(qū)供電有限公司 張稼睿 孔鋒峰 朱苑祺 應(yīng) 鶯

在分布式光伏接入配電網(wǎng)的技術(shù)日趨成熟的情況下，進(jìn)行配電網(wǎng)的可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要將常規(guī)的裝備納入其中，還要將分布式光伏納入其中。從經(jīng)濟(jì)與可靠?jī)蓚€(gè)方面出發(fā)，構(gòu)建考慮可靠性代價(jià)的最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)含配電網(wǎng)絡(luò)資源(線路、變電站、變壓器)與含風(fēng)電、太陽能的分布式能源(光伏)的協(xié)調(diào)調(diào)度。

1 分布式電源的類型

1.1 光伏發(fā)電

光電轉(zhuǎn)換技術(shù)是一種利用太陽輻射產(chǎn)生的新的能源技術(shù)，如圖1所示。太陽能電池板利用新型的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)換為電力并供應(yīng)電力系統(tǒng)。太陽能電池作為一種清潔、可選擇的能源，已被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。

圖1 新型電力系統(tǒng)概念圖

1.2 風(fēng)力發(fā)電

其工作機(jī)理為：在大自然中，大風(fēng)刮起時(shí)，將引起葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，從而形成機(jī)械能，并經(jīng)傳輸系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，從而完成由風(fēng)能到電能的轉(zhuǎn)換。風(fēng)電作為一種低成本、無污染的能源，有著廣泛的應(yīng)用前景。

1.3 燃料電池

所謂的“燃料”，其實(shí)就是一種非常規(guī)的“燃料”方式，在電池內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)中，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電力。由于其對(duì)環(huán)境污染小，設(shè)備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在發(fā)電領(lǐng)域中備受重視[1]。

2 新型電力系統(tǒng)的分布式光伏發(fā)展難題

2.1 配電網(wǎng)面臨結(jié)構(gòu)性難題

隨著新能源、電動(dòng)汽車、可調(diào)非制冷空調(diào)等交互裝置的大量并網(wǎng)，配電系統(tǒng)運(yùn)行與管理出現(xiàn)了新的變革與挑戰(zhàn)。配電網(wǎng)絡(luò)的主要特性發(fā)生了很大的改變。目前，我國(guó)配電網(wǎng)絡(luò)中存在許多具有非線性特征的電氣轉(zhuǎn)換裝置，這些裝置存在著過流、抗干擾、慣性支持等問題，而傳統(tǒng)的阻抗、頻率、功角、故障電流等特征，在這種新的體系結(jié)構(gòu)下發(fā)生了明顯的改變。配電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行管理變得更加困難。目前，由于新能源裝置與配網(wǎng)之間缺乏自動(dòng)同步、調(diào)頻調(diào)壓和保護(hù)協(xié)同等功能，使配網(wǎng)中的供求關(guān)系發(fā)生了變化，也使配網(wǎng)中的電力轉(zhuǎn)換裝置數(shù)量眾多，且其運(yùn)行狀態(tài)難以感知，系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性差。配電網(wǎng)絡(luò)中的干擾與約束是不可忽略的。大規(guī)模的分布式光伏并網(wǎng)給配電系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的安全性和穩(wěn)定性問題。在一些區(qū)域，家庭平均配電網(wǎng)容量較少，有些區(qū)域僅為3kV，很難確保DV 的全部消納與穩(wěn)定。配電網(wǎng)的源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)之間的互動(dòng)和友好。當(dāng)前配電網(wǎng)核心設(shè)備匱乏，且缺少可持續(xù)發(fā)展能力與恢復(fù)能力，致使大規(guī)模分布式發(fā)電、蓄能設(shè)備并網(wǎng)后，源網(wǎng)荷儲(chǔ)交互作用尚未實(shí)現(xiàn)“友好”。

2.2 傳統(tǒng)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)體系已不適應(yīng)

目前，我國(guó)電網(wǎng)的規(guī)劃、建設(shè)、供電和市場(chǎng)反應(yīng)等運(yùn)行機(jī)制已無法適應(yīng)我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的要求體現(xiàn)在以下方面。一是接受性不和諧。DV 與電力系統(tǒng)的產(chǎn)權(quán)不一致，建設(shè)周期不一致，局部地區(qū)的網(wǎng)架較弱，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)很難在短期內(nèi)適應(yīng) DV大規(guī)模并網(wǎng)和大規(guī)模的電力系統(tǒng)的需求，造成了許多不可控的風(fēng)險(xiǎn)。二是供應(yīng)和需求都很不穩(wěn)定。由于大規(guī)模的分布式發(fā)電系統(tǒng)普遍處于“弱調(diào)度”甚至“無調(diào)度”狀態(tài)，因此，建立一套貫穿于“發(fā)—供用”各環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)與調(diào)控系統(tǒng)需要很長(zhǎng)時(shí)間。三是負(fù)載峰谷分明。農(nóng)業(yè)灌溉和煙草等受時(shí)令和受氣候波動(dòng)等因素的影響，導(dǎo)致太陽能電池對(duì)電力負(fù)載的承載力不足。四是建立中長(zhǎng)期儲(chǔ)蓄庫(kù)，以及戰(zhàn)略性儲(chǔ)備，是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程。費(fèi)用之間的聯(lián)系不一致。目前，為消納用電帶來的電網(wǎng)各個(gè)階段的建設(shè)運(yùn)行費(fèi)用與社會(huì)各方對(duì)降費(fèi)的強(qiáng)烈要求存在較大的沖突，未來的DG 市場(chǎng)交易模式需要綜合考量供需雙方在安全、環(huán)保、穩(wěn)定等方面的費(fèi)用波動(dòng)與沖突疏導(dǎo)[2]。

3 新型電力系統(tǒng)中分布式電源的發(fā)展

3.1 分布式能源集群控制

依靠當(dāng)前技術(shù)水平，大規(guī)模的分布式電源很難在具有復(fù)雜運(yùn)算能力的情況下，對(duì)其進(jìn)行集中、統(tǒng)一的調(diào)度，而分布式電源的輸出功率劇烈的波動(dòng)，使整個(gè)配網(wǎng)的協(xié)同、最優(yōu)調(diào)度面臨著巨大的挑戰(zhàn)。目前，通過將分散接入的分布式電源按照地域分組聚集，將其最優(yōu)調(diào)度目標(biāo)提升到全局簇水平，然后在簇內(nèi)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)的指導(dǎo)下，建立簇內(nèi)分布式電源的動(dòng)態(tài)等效數(shù)學(xué)模型，從而達(dá)到簇內(nèi)協(xié)同調(diào)度。隨著電網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，基于多 Agent 的分布式群集控制體系結(jié)構(gòu)的研究變得越來越困難。并聯(lián)點(diǎn)量測(cè)由分簇協(xié)調(diào)程序完成，并產(chǎn)生分簇控制對(duì)象。在電力物聯(lián)用的無線專用網(wǎng)絡(luò)中，利用與各個(gè)代理之間的廣播通信，將輸出的控制信號(hào)和輸入的反饋信號(hào)進(jìn)行安全可靠的傳輸，而各個(gè)鄰近代理之間的互動(dòng)則是由邊界計(jì)算來實(shí)現(xiàn)的。本項(xiàng)目擬通過對(duì)多個(gè)簇內(nèi)的分布式能量進(jìn)行互聯(lián)感應(yīng)和調(diào)控，實(shí)現(xiàn)光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能等多個(gè)資源等效融合的精確建模和調(diào)度任務(wù)的精確配置，并通過交叉方向乘子等分布式優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)簇內(nèi)多個(gè)分布式能量的有效實(shí)時(shí)調(diào)控。本項(xiàng)目提出的這種新型的分布式控制框架，可以降低系統(tǒng)的通信負(fù)擔(dān)，提高響應(yīng)速度，降低錯(cuò)誤的影響。

3.2 分布式光伏凈負(fù)荷預(yù)測(cè)

在新能源發(fā)電體系中，“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”體系是必不可少的，其中，“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”體系中的一個(gè)核心環(huán)節(jié)，通過對(duì)其進(jìn)行分析，可以有效地提高新能源發(fā)電的效率，降低化石能源的用量，降低其所占比例、對(duì)環(huán)境的污染，以及其碳排放量。在新能源電力體系中，對(duì)其進(jìn)行有效的控制，提高其運(yùn)行效率，降低其能耗、溫室氣體的釋放，提高經(jīng)濟(jì)效益，降低二氧化碳排放量。在新能源電網(wǎng)中，其凈負(fù)荷的預(yù)測(cè)是一種非常有效的手段，基本原理就是對(duì)其進(jìn)行精確的、動(dòng)態(tài)變化的、新能源的接入，使其在整個(gè)電網(wǎng)中的應(yīng)用變得日益重要，同時(shí)，由于新能源的大量涌入，以及新能源的引入，其在一定程度上提高了其在整個(gè)電力體系中的應(yīng)用價(jià)值，因而，其在各方面的應(yīng)用也變得非常重要[3]。

3.3 儲(chǔ)能資源管理系統(tǒng)及參與需求響應(yīng)

由于DRAM 中各個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備的相互隔離，使其在某種意義上存在著大量的冗余，從而對(duì)DRAM的配置產(chǎn)生了負(fù)面的影響，因此，必須對(duì)DRAM中的存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行最優(yōu)配置，將DRAM 轉(zhuǎn)化為存儲(chǔ)設(shè)備，并利用該設(shè)備構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶端存儲(chǔ)設(shè)備的一體化管理。在此背景下，本文擬構(gòu)建一個(gè)基于能量互聯(lián)的大容量、高效率的用戶端大容量?jī)?chǔ)能應(yīng)用體系。斷續(xù)成長(zhǎng)需求。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)儲(chǔ)能調(diào)控方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能單元充放電過程的調(diào)控。用戶端的能量存儲(chǔ)資源管理與可調(diào)節(jié)的負(fù)載集中控制系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，并采用數(shù)據(jù)加密的方式來保證數(shù)據(jù)的安全;在此基礎(chǔ)上，采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)下級(jí)的用戶采集控制終端和顧客端的存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通過對(duì)用戶端存儲(chǔ)資源的“捆綁”和“松綁”的方式，實(shí)現(xiàn)了資源的集約、高效和可視化的利用和調(diào)節(jié)。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮實(shí)時(shí)電價(jià)和峰谷價(jià)差等多種影響，通過對(duì)新能源發(fā)電和客戶側(cè)可調(diào)負(fù)載的協(xié)同調(diào)控，挖掘新能源發(fā)電的作用，實(shí)現(xiàn)新能源的安全可靠的并網(wǎng)和有效的消納，以適應(yīng)不斷變化的新能源的快速發(fā)展，為新能源的大規(guī)模、多層次、多層次的快速發(fā)展提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

4 新型電力系統(tǒng)建設(shè)的思路和舉措

4.1 轉(zhuǎn)變發(fā)展與治理思維

在大規(guī)模發(fā)展的大環(huán)境下，建設(shè)新型電力系統(tǒng)，亟須改變思路。堅(jiān)持戰(zhàn)略性思考，做好新型電力系統(tǒng)建設(shè)的總體規(guī)劃工作。將新型電力系統(tǒng)建設(shè)視為一場(chǎng)全面且深入的系統(tǒng)性變革，一場(chǎng)推動(dòng)能源電力工業(yè)升級(jí)，指導(dǎo)地方產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，推動(dòng)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展，培養(yǎng)公眾的綠色生產(chǎn)生活方式，提高創(chuàng)新、協(xié)同治理與服務(wù)能力的變革。堅(jiān)持“破局性”的思想，做好電網(wǎng)的建設(shè)工作。在重新構(gòu)建電力系統(tǒng)的時(shí)候，要認(rèn)識(shí)到“以傳統(tǒng)能源為主”和“電網(wǎng)容量嚴(yán)重不足”兩個(gè)事實(shí)，堅(jiān)守電網(wǎng)的運(yùn)行和能量供給的兩條基本原則，警惕過于急功近利，避免出現(xiàn)一次或二次風(fēng)險(xiǎn)。用雙贏的思想，做好企業(yè)的社會(huì)責(zé)任。

4.2 技術(shù)治理與機(jī)制治理并進(jìn)

建立一種新的電力體系，需要在技術(shù)層面和機(jī)理層面上對(duì)原有電力生產(chǎn)、傳輸和消費(fèi)環(huán)節(jié)中的非適應(yīng)性環(huán)節(jié)進(jìn)行有效的管理。在技術(shù)管理方面，主要有：加大調(diào)整力度，建立區(qū)域性的調(diào)峰、調(diào)頻，多管齊下，提高源網(wǎng)、荷、儲(chǔ)各個(gè)環(huán)節(jié)的靈活性；做好電網(wǎng)鋪設(shè)，健全縣級(jí)主配網(wǎng)和微網(wǎng)等各級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，努力構(gòu)建一個(gè)連通源網(wǎng)荷儲(chǔ)各個(gè)環(huán)節(jié)的資源分配平臺(tái);在技術(shù)上，加快新能源云、微電網(wǎng)等新技術(shù)的研究與推廣，努力加強(qiáng)科技支持。在機(jī)理性管理上，提出建立縣級(jí)清潔能源消納的長(zhǎng)效管理辦法，加強(qiáng)對(duì)縣級(jí)清潔能源的規(guī)劃和消納方式的調(diào)整，加強(qiáng)了對(duì)縣級(jí)清潔能源的管理；在新能源、電網(wǎng)、電力消費(fèi)、儲(chǔ)能等方面，健全技術(shù)與經(jīng)營(yíng)創(chuàng)新的激勵(lì)體系；要構(gòu)建有效的“推進(jìn)+阻尼”正面效應(yīng)，防止因混亂而產(chǎn)生的“沖動(dòng)性+抵抗”負(fù)面效應(yīng)；構(gòu)建與未來市場(chǎng)化、法治化相適應(yīng)的二者相結(jié)合的電力公司治理能力評(píng)估體系。在今后的電力市場(chǎng)中，要完善用電雙方的價(jià)格制度，以最大限度地發(fā)掘和利用需求側(cè)的資源，使市場(chǎng)在分配中起到?jīng)Q定性的作用。

4.3 注重各方的協(xié)作與聯(lián)動(dòng)

參與建設(shè)新型電力系統(tǒng)的各方應(yīng)協(xié)同互動(dòng)，構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)生態(tài)鏈。各職能部門應(yīng)充當(dāng)“指揮者”，強(qiáng)化對(duì)工程項(xiàng)目的規(guī)劃導(dǎo)向，使工程項(xiàng)目的施工流程井然有序；電網(wǎng)公司是電網(wǎng)建設(shè)的“組織者”，應(yīng)充分發(fā)揮其樞紐、核心環(huán)節(jié)和資源調(diào)配的平臺(tái)作用，以其自身的優(yōu)勢(shì)，補(bǔ)齊電網(wǎng)的短板，鑄牢電網(wǎng)的長(zhǎng)板，穩(wěn)固電網(wǎng)的基礎(chǔ)；新能源要以“生產(chǎn)者”的身份，協(xié)調(diào)好電力系統(tǒng)中大小容量并存、集中與分散并存、在網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行并存等問題，最大限度地發(fā)揮電力系統(tǒng)的智慧與多元能量共生的作用；以用電為主，以“消費(fèi)者”為主，打通用電與其他資源的協(xié)作，解決供求關(guān)系；而各種類型的廠商則成了“投資者”，他們將緊緊跟隨著新一代電網(wǎng)的發(fā)展潮流，共同努力以維持長(zhǎng)期穩(wěn)定的投入。

5 結(jié)語

目前，我國(guó)對(duì)儲(chǔ)能工程的示范和負(fù)載優(yōu)化等方面的研究還僅限于對(duì)其運(yùn)行特性的檢驗(yàn)，存在數(shù)量較少、容量不高等問題，缺乏相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。另外，作為電網(wǎng)中能源調(diào)控的重要手段，分布式光伏在促進(jìn)新能源發(fā)展和降低碳排放方面也有很大的應(yīng)用前景。由于分布式光伏具有投資小，見效快，收益高等優(yōu)點(diǎn)，因此備受政府和公眾的青睞。受補(bǔ)助逐年退坡的沖擊，各地區(qū)出現(xiàn)了“趕政策”和“搶時(shí)間”的緊逼態(tài)勢(shì)，致使起步階段并未建立起完善的規(guī)劃、論證和審批機(jī)制，開發(fā)過程中出現(xiàn)了混亂，行業(yè)分布也存在較大的隨機(jī)性。分布式光伏發(fā)電等新能源的大量接入，將使“源隨荷動(dòng)”的電力系統(tǒng)的生產(chǎn)與運(yùn)行格局發(fā)生根本性的變化，對(duì)電力行業(yè)的“管—供—用”關(guān)系及各環(huán)節(jié)的運(yùn)作機(jī)制提出了新的要求。