高比例清潔能源接入與終端電氣化率提升對城市電網規劃影響分析

李桂鑫，王偉臣，楊白潔，王 哲，孫 闊，劉 洪

（1. 國網天津市電力公司，天津 300010；2. 智能電網教育部重點實驗室（天津大學），天津 300072）

0 引 言

近幾年來，隨著我國清潔能源技術的突破和市場推廣，清潔能源接入城市電網的比例不斷提升，根據《重塑能源：中國》預計2050年可再生能源發電量占比將達到68%以上，非化石能源發電量達到82%，其中風電和太陽能發電量的比例達到47.3%以上[1]。另外為保障能源安全，提出必須大力發展可再生能源，持續提高終端電氣化水平，加快構建清潔低碳和安全高效的能源體系[2]。

高比例的清潔能源接入與終端電氣化率的不斷提升滲透影響到城市電網的方方面面，城市電網的發展遇到了全新的困難和挑戰。可再生能源并網和新型負荷擴大了電網的波動性，城市電網可調空間和可控資源在迅速萎縮，這對網架結構和運行方式提出了更嚴苛的要求，給城市電網的能源生產清潔化和終端用能電氣化進程造成了巨大阻礙[3-5]。

基于上述背景，本文深入分析清潔能源高比例接入與終端電氣化率提升后對城市電網規劃的影響，以及城市電網發展與能源發展之間的相互制約問題，提出清潔能源高比例接入與終端電氣化率提升背景下城市電網規劃方案建議，為城市電網轉型升級提供理論與實踐支撐。

1 高比例清潔能源接入對城市電網規劃的影響

隨著清潔能源技術發展，發電設備的成本和效率都有了很大的改變，可再生能源效率提升成本下降，已經具備了大規模高比例接入的技術條件，清潔能源將發揮越來越大的作用。在以上背景下，城市電網也將向著大規模高比例清潔能源接入方向發展[6-8]。但是由于可再生能源不具備可調節能力，因此要想調節只能通過切除并網的發電設備來實現，導致電源可調節容量減小，調節性能降低。高比例接入對城市電網“源網”規劃帶來一系列的影響。

1.1 對電源側規劃的影響

當具有隨機性和波動性的可再生能源接入占比較低時，傳統發電機組能夠完全滿足電力電量平衡要求，可再生能源僅作為城市電網的補充，而當城市電網接入高比例可再生能源時，在電力電量平衡中，可再生能源與常規能源一樣承擔一部分負荷。城市電網電力電量平衡及容量充裕度的概念與方法將由目前確定性的狀態向不確定性轉化。

作為清潔能源主要部分的可再生能源接入城市電網后，其安裝位置和接入容量對配電網電源出力、可靠性以及安全性都會帶來影響[9]。在規劃電網的分布式電源時，需分析高比例清潔能源背景下城市電網負荷及電源接入的雙向不確定性因素。

1.2 對配電網規劃的影響

清潔能源的不斷接入使得城市電網電源的分布將越來越趨于分散化，除了傳統的集中式發電廠和集中式可再生能源電站，未來將有大量的分布式電源接入，包括分布式光伏、小型風電場以及小容量燃氣輪機等，接入系統后，配電網由單電源模式變為多電源模式，電網功率流動方向將存在不確定性。同時，分布式電源容量、運行方式及接入位置對配電網節點電壓、線路潮流以及網絡損耗等都將產生較大影響。

當城市配電網局部地區可再生能源的瞬時出力大于負荷時，配電網將會向主網倒送功率，發生潮流反轉，可能產生嚴重的過電壓問題；在城市輸電網中，正常情況下聯絡線傳輸功率保持相對恒定，而為了消納可再生能源或支持集中負荷造成的區域性缺電，聯絡線潮流可能要“隨機而動”，導致聯絡線功率波動或雙向流動，形成跨城市區域的電網互濟。可見，在清潔能源大比例接入背景下，電網不僅僅承擔電能傳輸的作用，而且將更多地承擔電能互濟和備用共享的職能[10]。總結起來，城市電網將從原有的單一電源點和單向潮流的輻射狀電網朝著電源分散接入和潮流多向流動方向發展。

2 終端電氣化率提升對城市電網及其規劃的影響

電能具有清潔、安全、便捷等優點，在安全性、環保性、經濟性和便捷性等指標上相對其他能源使用形式具有較強的優勢。因此實施電能替代其他能源，對于落實國家能源戰略、推動能源的消費革命、促進能源清潔化發展等具有很重大的意義[11]。城市交通運輸領域推動“以電代油”換代改造，節能環保，不受油氣資源限制，未來城市電網將向用戶終端再電氣化程度不斷增加的方向發展。2014-2018年間，我國電能替代進展如圖1所示。

盡管用電能替代其他能源作為終端用能形式有著多種多樣的好處，但是電氣化率的不斷提升對城市配電網的主體元素“源網”產生了很大的影響，具體表現在以下幾個方面。

2.1 對電源規劃的影響

由于電氣化率的不斷提升，使得城市電網電源靈活資源逐步稀缺，尤其是電動汽車等用電負荷接入后，用電負荷不平均情況加重，負荷曲線更加陡峭波動，增加了傳統發電機組平衡功率難度，調峰調頻更難實現。為了實現實時平衡，需要靈活調節傳統機組、儲能及需求響應等多方面資源。因此城市電網中的傳統機組需要實現從“主要能源供應者”向“靈活性資源提供者”的轉變。配電網的控制和管理將變得更加復雜，這就對已經適應單一電源方向的配電網安全管理提出了新的挑戰，在對電源規劃時需要考慮電氣化提升帶來的影響[12]。

2.2 對配電網規劃的影響

由于電氣化的提升，當具有“源”特性的負荷接入城市電網后，城市電網主體變成有源配電網，潮流多變，原有的一二次設備調節能力已經不能滿足城市電網對靈活性的需求，其控制和保護難度加大，原有量測方式和繼電保護邏輯失效，其控制系統需重新設計。另外，終端電氣化率的提升使得電網運行參數波動程度增大，增大了量測和控制的難度，原有調節手段和電能質量難以保證。

另外，由于越來越多的電能消費者正逐漸轉變為發電者參與到電源的運行當中，尤其城市負荷，其性質越來越多樣化，傳統的城市電網負荷主要為照明和異步電動機。隨著時代進步和信息技術的發展，越來越多的終端用能方式轉換為電能，如采暖從燃氣或煤炭轉變為電取暖，公共交通和私家車采用電動汽車等。同時也產生了非常多的新型用電方式，如數據中心和大量電氣化電子設備等都需要采用整流器，而進行能量變換的電力電子設備作為典型的非線性負荷，其頻繁的導通與關斷容易在開關頻率附近產生大量諧波分量，諧波電流注入電網，將會對配電網造成污染，并且越靠近開關頻率，諧波分量就會越大[13]。這些都將在負荷曲線、局部地區瞬時功率以及諧波等方面對城市電網產生影響，因此在對城市電網規劃時需考慮電氣化率提升帶來的影響。

3 城市電網發展遇到的挑戰

清潔能源高比例接入與終端電氣化率提升給城市電網發展帶來的挑戰，主要體現在城市一次網架和設備、二次保護調度控制以及三次電力交易市場等方面。一次網架和設備方面，不僅要考慮城市電網網架結構、柔性電力電子裝備的拓撲結構和端接方式等，而且要調整一次設備容量和安裝位置，以滿足負荷轉供的要求。二次保護調度控制方面，為了保證信息的安全傳輸需要考慮通信中斷、延時、誤碼以及冗余等異常狀態的影響，避免由于信息側故障而引起的一次系統功能失敗。三次電力交易市場方面，電力市場層面的挑戰主要是多主體參與到城市電網的規劃運營中，利益訴求和行為動機更加復雜，相關規范規則制定更加困難。配電網建設和規劃主體越來越趨于多元化，其經濟性選擇和約束條件的確定需要由各投資主體利益共同決定，需考慮市場價格機制和分布式電源的選址對接入方案的影響，以及上級變電站所允許的倒送容量等。

4 新形態城市電網規劃方案建議

綜合分析清潔能源高比例接入與終端電氣化率提升給城市電網帶來的影響可以發現，這些影響是全方位的，給城市電網的發輸變配電的各個環節都帶來了不確定性，減少了系統中的可調節資源，改變了城市電網的傳統運行模式，提高了對城市電網性能的要求。為有效提升可再生能源的消納能力，進一步提高終端電氣化率，提出以下城市配電網規劃建議：（1）調節需求側響應，在并網點設置儲能設備及利用電動汽車并網技術等，因儲能系統可靈活調節可再生能源、快速調節電網功率、參與需求響應以及優化網絡運行。（2）采用主動配電網和智能用電技術，來“主動”協調和“被動”調整配電網規劃和運行水平（3）優化電源結構，完善頂層設計，綜合考慮電力供應總成本、新能源利用率和平衡點，合理安排新能源規模，逐步推進清潔能源接入，做好資源規劃與市場激勵機制建設。（4）建立健全市場資源優化配置，統一電力市場，健全電力輔助體系建設。

5 結 論

本文通過闡述清潔能源高比例接入與終端電氣化率提升在國內的現狀和發展趨勢，分析了對城市電網主體“源網”帶來的影響以及城市電網發展面臨的挑戰，即電網中源的調節空間減少，電網整體可調資源稀缺，可再生能源和新型負荷導致城市電網波動性增加以及電網穩定可靠經濟運行難度增大等，提出了新形態城市電網規劃技術方案相關建議，為未來新形態城市電網規劃發展提供參考。

2.通過不斷摸索和創新，形成了獨特的教、康、保整合服務模式及服務流程，積累了專業整合的服務經驗，為其他同類福利機構提供了教、康、保專業整合的理論依據與實踐經驗。