基于能源互聯網的新能源及微電網接入對電網的影響

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(1.國家電網公司 華東分部, 上海 200120; 2.上海電力學院 電氣工程學院, 上海 200090)

由于環境和資源的限制,世界范圍內正在經歷著一場能源轉型。從建設智能電網到建設能源互聯網,發展清潔低碳的可再生能源是這種能源轉型努力的具體體現。我國政府已向國際社會承諾,非化石能源占比將在2020年達到15%,2030年達到20%。

這種受天氣影響的不確定的電力生產的增加,給電網運營帶來了挑戰。為應對這一挑戰而興起的能源互聯網概念與實踐,深度融合先進信息技術和互聯網理念,對提高可再生能源利用比重、提升能源綜合效率、促進能源轉型具有重要的現實意義。本文在對能源互聯網定義與實踐進行梳理的基礎上,分析集中式新能源、分布式新能源對電網產生的影響。

1 能源互聯網的概念

世界范圍內對能源互聯網沒有統一的名稱和定義,在眾多對能源互聯網不同形態的描述中,兩種具有代表性的觀點是:“能源系統的類互聯網化”和“互聯網+智能電網+智慧能源”。前者借鑒互聯網開放對等、即插即用的理念和體系架構,結構上難以區分能源網絡和信息網絡,運行模式上采用區域自治和骨干管控相結合的方式,其研究和實踐還沒有統一的目標和方向,現階段有一些示范工程建設和實驗室的研究。后者借助互聯網收集信息,分析決策后指導能源網絡的運行調度,信息網絡可以認為是能源網絡的支持決策網絡,其本質與早些時候提出的智能電網類似,以德國、中國為代表。在現階段的技術水平下,后者比前者更具可操作性。

德國在聯邦政府基金支持下展開了智慧能源E-Energy示范項目。我國國家發改委、能源局和工信部于2016年2月24日聯合發布了《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見》[1],將“互聯網+”智慧能源簡稱為能源互聯網,以互聯網+、 智慧能源、充分競爭市場作為能源互聯網的基本要素,認為它是一種互聯網與能源生產、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的能源產業發展新形態。互聯網+使得交易開放成為能源互聯網的主要特征之一,因而建設能源互聯網,必須要“建立多方參與、平等開放、充分競爭的能源市場交易體系”。

國家電網于2015年提出了全球能源互聯網發展構想,認為全球能源互聯網以智能電網、特高壓、清潔能源、全球視野為基本要素,將由跨國跨洲骨干網架和涵蓋各國各電壓等級電網的國家泛在智能電網組成,經過洲內互聯、跨洲互聯、全球互聯3個階段,各層級電網協調發展,堅持清潔發展和全球配置2個基本原則,具備網架堅強、廣泛互聯、高度智能、開放互動4個重要特征,實現能源傳輸、資源配置、市場交易、產業帶動和公共服務5個主要功能[2]。

上述能源互聯網概念的共同點在于核心目標一致,致力于能源轉型的研究,最終實現以新能源為主導的能源體系;主要特征相同,都是采用互聯網思維,將能源和信息連接起來。德國在能源互聯網方面的實踐已處于全球領先地位,而中國的電力市場發育程度遠不及德國。

本文在上述我國三部委“指導意見”的基礎上使用能源互聯網這一概念。

2 基于能源互聯網的新能源接入對電網的影響

新能源發電對電網的影響基于其應對措施,分成純技術性和綜合性兩類。純技術性指影響的應對措施是純技術性的。綜合性指影響的應對措施不能只靠技術手段解決,要綜合體制、機制、政策、管理、技術等各方面來解決問題。

2.1 集中式新能源發電產生的問題、影響及對策

集中式新能源發電產生的純技術問題基本都與新能源發電和傳輸中使用電力電子器件相關,體現為:遇交流系統故障時,換流站容易出現換相失敗;換流站交流出線重合閘失敗時,交流出線斷路器可能不能成功開斷短路電流,從而導致故障范圍擴大;新能源發電的某些電力電子特征會影響電壓穩定及產生次/超同步振蕩;新能源發電相關設備的非線性、直流與非工頻性會帶來諧波。

集中式新能源發電帶來的綜合性問題,主要包括功率平衡和能量平衡(含調峰)、電網穩定、電能質量等[3]。

(1) 使傳統電源盈利能力下降。新能源發電搶占了原屬傳統電源的發電份額,占比不斷提高,直接影響了火電設備的發電利用小時,使得火電的投資額呈下降態勢,進而使得一些發電廠的利潤減少,甚至無法盈利出現虧本現象。

(2) 需要更多的輔助服務資源。新能源(風能、太陽能等)具有隨機性、波動性的特點,再加上新能源裝機容量持續上升,導致電網調峰、調頻的壓力進一步增大,對電網輔助服務(調峰、調頻、旋轉備用、無功補償等)提出了更高的要求。

(3) 影響電網的穩定性。新能源大規模接入電網加劇的旋轉備用資源的不足會影響系統頻率穩定和電壓穩定。

(4) 影響電能質量。新能源接入電網后,并網電量隨機波動較多,在可調性方面又較差,系統容易產生頻率偏差和頻率波動、電壓波動等電能質量問題,需要更多、更優質的輔助服務資源。

上述綜合性問題的應對策略如下。

(1) 提高輔助服務定價。新能源發電所帶來的上述綜合性問題,都需要使用相應的輔助服務來解決。但目前輔助服務的定價偏低,輔助服務資源電廠依靠提供輔助服務獲取的收益很有限,需要用電能交易所得補貼輔助服務費用。隨著其發電利用小時數的下降,將導致優質電廠無法從整體上盈利;而優質電廠的退出,又會加劇優質輔助服務資源的不足,影響電網的安全穩定運行。這可通過提高輔助服務定價來保證優質輔助服務資源電廠的盈利水平。

(2) 利用區外來電和核電參與輔助服務,而不只是參與分攤補償輔助服務費用。目前區外來電和核電地位特殊,只分攤其他電源提供的輔助服務費用,且分攤額偏低,本身并不提供輔助服務。應該對區外來電和核電提供輔助服務進行技術經濟研究,條件成熟時使其也成為輔助服務資源。規劃中未來的區外新能源電力的打捆輸送可視為打捆的火電為打捆的風電提供了一定的輔助服務。

(3) 新能源電力充裕以后的主動發電調節。隨著新能源發電技術的成熟及新能源發電成本的下降,新能源發電本身就可以作為輔助服務資源,即新能源電力充裕以后的主動“棄風棄光”。

(4) 電能交易市場化。充分競爭的電力市場有助于降低電網運行所需的調峰資源。在競爭性的電價市場化機制下,可以通過不同時段的電價差異達到全網電能供需基本平衡,使所需要的調峰資源大大降低,而輔助服務市場主要調配其他輔助服務資源。但我國現階段實施的市場機制可能會增加輔助服務的需求。

(5) 輔助服務市場化。電能交易市場化后,更應建立并強化輔助服務市場,用市場價格體現輔助服務的價值。預計未來輔助服務的價格會大幅提升。

2.2 分布式新能源發電產生的問題、影響及對策

分布式新能源發電對電網的影響,可用純技術手段應對的較少,大部分問題初看可能是純技術問題,但若要真正解決,最終還要歸結到技術解決方案是否具有經濟可操作性上[4-6]。

概括說來,純技術問題除了集中式中已提到的諧波問題外,還有分布式新能源發電中的電力電子裝置相互影響引發的新型穩定問題;系統非正常運行狀態下可能出現的非計劃孤島影響孤島中設備安全、影響電網維護人員安全等問題。

非純技術的綜合性問題,除集中式新能源發電已提到的所有問題外,還有以下3方面的問題。

(1) 由潮流的雙向流動帶來的繼電保護配置整定問題。傳統的配電網是單向電源網絡,主要使用三段式電流保護;當配電網中分布式電源較少時,仍可使用電流保護;但當分布式電源達到一定規模(穿透率較高)時,分布式電源嚴重影響電流保護的選擇性和靈敏性;但如果使用面向雙側電源的差動保護,又會增加配電網投資。因此,分布式電源引起的繼電保護問題不是單純的技術問題[7]。

(2) 由潮流的雙向流動帶來的配電網電壓波動范圍增大問題。傳統配電網中只一側有電源,電源端電壓高,負荷端電壓低。負荷離電源越遠,其端電壓越低。分布式電源混雜在負荷中,其發電時抬高負荷點電壓,發的越多,抬高效應越大。當無電可發時,該點電壓表現為純負荷點電壓效應,即電壓下降,負荷越重電壓越低。因此,對于負荷點電壓存在兩個極端狀況,一是低負荷疊加分布式電源滿發時的高電壓,二是重負荷又遇分布式電源無電可發時的低電壓。這兩種極端狀況不但影響分布式電源所在負荷點,而且對臨近分布式電源的負荷點也有影響。德國VDE-AR-N 4105標準規定,中壓并網微源系統引起的公共連接點電壓升高不宜超過2%[8]。但是有研究表明,分布式電源所在點控制電壓變化范圍和保證功率因數達標兩者不能兼顧[9]。這樣,有分布式電源的用戶控制其電壓范圍就會面臨因功率因數不達標而帶來的罰款,使用戶陷于兩難。因此,有必要研究新的功率因數調整電費辦法,當用戶的分布式電源達到一定規模要求其提供電壓服務時,就不再考核其功率因數。

(3) 電網輸配電效益下降問題。分布式電源使電網輸配電效益下降幾乎是不可避免的,主要表現為:分布式發電影響電網的售電量,從而影響電網的效益;增大公共電網網損率,降低公共電網的設備利用率。

因此,建設主動配電網是應對配電網大規模分布式電源接入的一種嘗試。根據GIGRE C6.11工作組的工作報告,主動配電網可定義為:可以綜合控制分布式能源(分布式電源、柔性、負載和儲能)的配電網,可以使用靈活的網絡技術實現潮流的有效管理。分布式能源在其合理的監管環境和接入準則的基礎上對系統承擔一定的支撐作用。從本質上說,主動配電網是利用先進的信息、通信以及電力電子技術對規?；尤敕植际侥茉吹呐潆娋W實施主動管理,能夠自主協調控制間歇式新能源與儲能裝置等分布式電源單元,積極消納可再生能源并確保網絡的安全經濟運行[10]。

雖然主動配電網的設想很好,但其建設需要大量的投資,這些投資在現有體制下難以實現收益。主動配電網的發展既依賴于技術進步,又需要充分競爭的用戶側電力市場。通過技術進步帶來投資降低,而充分競爭的電力市場和相應商業模式有望給電網和用戶帶來切實的收益。

此外,分布式電源的接入還會對電網可靠性產生影響。分布式新能源發電相對傳統發電是較新的概念和實踐,還在不斷探索和改進的階段,會在一定程度上降低電網可靠性。但隨著技術進步和機制體制管理的不斷完善,分布式新能源發電將日益發揮其獨特優勢,提高供電可靠性。分布式發電的合理配置可以降低峰荷時系統對電網輸送容量的需求,以避免輸配電的阻塞。利用分布式發電滿足尖峰負荷的需要,從而延緩相應的輸配電建設投資。但用戶的分布式電源在屬性上是不會由電網根據自身需要配置的,在需要的節點實行節點電價,有利于用戶從自身利益出發配置分布式電源,幫助電網延緩設備投資[11]。

3 綜合能源系統與微電網的發展研究狀況

綜合能源系統是對能源的產生、輸配、轉換、存儲、消費等環節進行有機協調與優化的能源產供銷一體化系統。它將電力、燃氣、供熱/供冷、供氫等多種能源環節與交通、信息、醫療等社會基礎支撐系統有機結合,通過該系統內多種能源之間的科學調度,實現能源的高效利用、滿足用戶多種能源的梯級利用、社會供能的安全可靠等目的。

綜合能源系統通過多種能源系統的有機協調,有助于消除輸配供電系統瓶頸,延緩發、輸、配電系統建設,提高各能源設備的利用效率;當電力或燃氣系統因天氣或意外災害出現中斷時,綜合能源系統可利用本地能源實現對重要用戶的不間斷供能,并為故障后供能系統的快速恢復提供電源支持。

綜合能源系統是能源互聯網的物理載體,主要著眼于解決能源系統自身面臨的問題和發展需求,其研究不過分強調何種能源占主導地位。

微電網本質上是一種社區終端綜合能源系統,是集成各種分布式能源和負載的能實現自我控制、保護和管理的小型發配電自治系統。社區能源系統如圖1所示。

圖1 社區綜合能源系統

相對于傳統大電網,微電網由電、氣、冷、熱等的多種分布式能源、儲能裝置、能量轉換裝置、負荷、監控和保護裝置等組成,并通過靜態開關關聯至常規電網,既可以與外部電網并網運行,也可以孤立運行[12]。

微電網、分布式發電、綜合能源系統3者之間具有不可分割的聯系。微電網與分布式電源的本質區別就在于前者可控,而后者不可控;微電網允許孤島運行,而分布式電源需防止孤島運行。分布式電源、微電網、綜合能源系統3者的關系如圖2所示。

圖2 微電網、分布式發電、綜合能源系統3者的關系

從發揮作用的角度看,微電網與大電網之間是相互補充、相互協調的關系。當電網供電能力不足時,而微電網呈現“電源”特性,向電網輸送電力,滿足本來須限電用戶的用電需求;當電網多發時,微電網呈現“負荷”特性,消納電網的出力。這樣微電網就起到了削峰填谷的作用,對提高供電可靠性及電網穩定運行起到了重要作用。

微電網對電網的影響與分布式電源對電網的影響大致相同,特別是在技術方面,這里不再贅述。

微電網技術涉及先進的電力電子技術、計算機控制技術、通信技術等,世界范圍內尚無統一、規范的微電網體系技術標準和規范。目前,微電網的發展還存在諸多瓶頸。

(1) 儲能是微電網發展的關鍵技術瓶頸。儲能技術可以分為機械儲能、電池儲能和電磁儲能等多種類型。其中,較為成熟且可商業化應用的包括抽水儲能和壓縮空氣儲能,但這兩種為大規模儲能技術,不便用于微電網;而電池儲能的商業化應用還面臨著成本問題,只有在峰谷電價差較大時,結合可再生能源發電,電池儲能才具有經濟可行性,雖然隨著技術的進步,電池儲能的成本在下降,但目前仍無法進行大規模的商業應用。

(2) 微電網體系的高成本制約其自身發展。微電網建設的投資成本較高是制約微電網發展的主要經濟因素。除儲能系統投資成本較高(目前占到整個微電網控制系統成本的1/3)外,微電網的二次系統投資也不小,加上變配電設置以及后期的運營維護,都導致微電網成本居高不下。

(3) 微電網缺乏有效的控制手段。微電網的控制模式和策略是其維持運行的關鍵,主要包括主從、對等和綜合性控制模式等[13]。主從控制的微電網,其規模受控于主控電源的容量;微電網的對等控制技術基本還在實驗室階段,還有很多問題需要解決;綜合性控制模式如圖3所示,大致參照大電網的分層控制模式。

(4) 微電網運營相對困難。微電網的能量平衡依賴于大電網,若沒有大電網作為支持,其經濟性和可靠性無法保證;同時運行也難以取得規模效應。

圖3 微電網控制層級

4 結 論

(1) 目前國內外對于能源互聯網主要有兩種理解——類互聯網和互聯網+。學術界偏向于類互聯網,屬于遠景設想;德國和中國的實踐偏向于互聯網+,立足于歷史形成的電力系統。中國的電力市場發育程度遠不及德國,這是兩國現階段最根本的差別。

(2) 集中式新能源發電與分布式新能源發電(含微電網)對電網的影響有共同之處,也有差異;有純技術層面的,也有綜合層面的。

(3) 微電網集各種分布式電源、負載、儲能于一體,是對能源的產生、分配、轉換、存儲、消費等環節進行協調優化的能源產供銷一體化社區綜合能源系統,是能源互聯網的終端載體之一。微電網與普通分布式電源的主要區別在于微電網內部存在可控的分布式電源和可控負載,其公共連接點的功率也可控,可以并網運行也可以孤島運行。微電網與公共電網具有平等的法律和商業地位,且在公共電網的支撐下其運行可以取得更好的收益。

(4) 微電網對電網的影響與分布式電源對電網的影響大致相同,但因建設、運營成本、運營環境等因素,現階段的微電網還不具商業運營價值,對電網的影響可忽略不計。

(5) 為了更好地實現能源轉型,建議提高輔助服務定價;讓區外來電和核電參與輔助服務,而不是只參與分攤補償輔助服務費用;鼓勵局部地區相對充裕的新能源電力參與輔助服務;修改《功率因數調整電費辦法》;研究主動配電網和微電網相關的技術;實現電能交易與輔助服務的市場化競爭;深入研究長期容量市場。