風光新能源接入臺區級新型電力系統面臨的問題及對策研究

國網張家界供電公司科技互聯網部 顏學杰 羅 昆 卓家全 華自科技股份有限公司 曹 攀 唐碧波 深圳市精實機電科技有限公司 張福興

1 引言

近年來，我國提出“整縣光伏”“新型電力系統”“源網荷儲一體化”等新能源發展戰略。尤其在用戶側，光伏發電的數量驟增，由此導致變壓器重過載、輸配電線路阻塞、電能質量下降、電網諧波污染增多等現象產生。因此，風力、光伏發電的有序接入，以及以臺區為核心構建新型電力系統成為學術界和產業界研究的熱點。本文重點圍繞用戶側臺區級風光新能源接入，以及接入后臺區新型電力系統面臨的問題進行討論分析，并基于分析結果給出提升我國臺區新型電力系統科學構建、風光新能源有序接入與消納的對策建議。

2 國內外研究綜述

國內外有關新型電力系統的研究較多，形成了比較完善的理論體系。然而，對于臺區級新型電力系統以及風光新能源有序接入、消納問題的研究相對較少。通過文獻研讀和梳理，本文將用戶側風光新能源有序接入、臺區新型電力系統建設、臺區配套儲能系統選址定容、臺區新型電力系統控制策略等進行綜述如下：

文獻[1]指出電化學儲能在電源側、電網側、用戶側的調壓、頂峰、調頻、削峰填谷等方面得到了廣泛應用，重點介紹了電化學儲能系統在變電臺區中的作用及實現方式，并對電網公司每年批量退役電池在變電臺區的合理利用提出了合理建議。文獻[2]從配電臺區規劃的角度對風光儲接入的臺區選址定容問題開展研究，分別對光伏、負載的出力模型進行了構建，考慮變電臺區不同運行場景下的使用壽命與運行特性，提出了基于可變壽命的配變全壽命周期成本模型，并通過算例驗證了模型的可行性與有效性。

文獻[3]提出儲能系統在提升低壓配電臺區頂峰、可靠性及電能質量的重要作用，對當前配電臺區配置儲能的容量配置、接入方式、系統結構及有序調度進行了研究，研制了一款100kW/300kWh儲能系統進行了測試與驗證。文獻[4]對光伏發電系統配儲能的配置策略進行了詳細分析，據此解決光伏發電輸出功率隨機波動性大的問題。在對光伏發電特性、典型負荷特性進行分析的基礎上，提出配網光伏系統儲能容量配置模型。采用江蘇省典型居民與工業負荷進行分析，指出光儲聯合發電能夠進一步維持終端用戶的高收益。文獻[5]利用先進的電力電子技術構建臺區配儲能的等效電路，基于切換系統理論構建能夠表征臺區、儲能系統構成及運行的等效模型，針對模型中出現的電路結構性故障進行診斷，能夠準確確定故障的位置、類型，并將故障信息進行有效反饋。

3 面臨的問題

3.1 系統架構

臺區級新型電力系統包括了臺區、儲能系統、充電樁、風光發電等。相比于傳統臺區系統，其在一次架構方面既有產能系統也有用能系統，并需要根據源荷匹配情況、實時電價信息、無功缺額及電壓波動情況及時調整儲能系統的充放電狀態及功率，是典型的局域性復雜能源系統；其在二次架構方面需要具備終端全息感知、信息快速上傳、云邊有效協同、業務多場景應用等，需要提升系統對信息的采集、傳輸、處理、應用能力。然而，現有臺區架構在儲能系統選址定容、風光發電建設及接入、充電樁安全運營、信息采集共享、網絡高頻傳輸、業務協同與集成等方面還處于探索階段，需要在實踐中進一步完善。

3.2 關鍵技術

臺區級新型電力系統容量、可供電范圍雖小，但是接入終端較多、關聯關系復雜，亟需先進的終端開發、系統集成與運營維護技術進行支撐。當前，臺區新型電力系統在終端接入可靠性、信息傳輸安全性，以及系統管理集約化、智能化、無人化方面還存在較多技術難題。如不同廠家、不同類型終端設備的接口協議存在差異；一些重要的終端信息通過4G/5G 無線傳輸，信息傳輸的時效性與安全性無法得到保證；臺區新型電力系統在終端選址定容的過程中，容易出現少配、錯配及冗余配置的情況；有些終端設備無法實現遠程通信與控制，需要增加額外的改造成本；建成的臺區儲能系統還需人為參與運行、維護，有些升級、更新業務需到現場完成，不僅增加大量的人力、資源浪費，而且不利于規模化臺區級新型電力系統的集約化、智能化管理。

3.3 核心設備

臺區級新型電力系統在風光互補發電系統、一體化儲能系統、直流充電樁（堆）、能量協調控制與管理、數據接入與可視化、業務協同管控等軟硬件設施，一方面需要具備單臺套設備的高運行效率與先進性；另一方面，需要具備多終端集成后的系統協作能力。然而，現有臺區新型電力系統的核心設備受技術條件、集成約束、場地限制、業主需求變化等限制，在實施的過程中暴露了許多問題，如一體化儲能系統的功率/容量按照標準化產品進行設計，導致在標準化產品基礎上增加或減少一定的配置比例會變得非常困難；臺區級新型電力系統配套的風光發電設備受到場地限制（如風機周邊的高樓或大樹影響其發電效率、屋頂光伏因承重能力與場地面積導致容量配置比降低）等。

3.4 典型業務

相比于傳統臺區系統的變配電功能，新型臺區電力系統增加了風光新能源消納、儲能系統的調節與控制、充電樁管理與運營、負荷削峰填谷、緊急備用電源、電壓與頻率調節等業務應用。然而，對標現有臺區系統以容量費、電費價差、光伏發電上網為主的盈利模式，無法覆蓋臺區新型電力系統的業務范圍，也難以調動終端用戶批量開展臺區新型電力系統建設與推廣的積極性。同時，一些新增業務功能的貢獻無法通過定量的方式進行評價。如儲能系統通過合理充放電緩解變壓器重過載，由此產生的減少配電設施投資、降低變配電事故風險等不能兌現，風光新能源就地利用與消納的補貼政策難以享受，以及儲能系統對上級10kV 電網支撐、配電末端供電質量改善的效果無法較好地體現。此外，一些新舊業務在融合與相互適應方面還存在較大的不確定性。

3.5 體制機制

臺區新型電力系統的規劃建設與試點示范正處于起步階段，有許多體制機制方面的問題還在討論、完善的過程中。如臺區新型電力系統的標準化建設、數據接入與展示規范、碳排放計量與碳減排貢獻等。在臺區新型電力系統標準化建設方面，國家、行業團體等尚未出臺專門針對臺區配儲能、風光新能源接入、充電樁運營管理的標準，只能參考已有其他相關標準的部分內容，但內容相關部分與臺區新型電力系統的規模化建設與發展存在諸多不匹配、不協調的問題。在數據接入與展示的規范性方面，若采用外網接入、傳輸與展示雖然會存在數據完全與業務風險問題，但是能夠為更多優秀企業參與這方面的研究與建設提供機會；如果考慮采用內網接入、傳輸與展示，一方面也會涉及數據接入風險與網絡安全問題，另一方面采用專用內網會造成資源壁壘，一些優秀的數據接入、傳輸與展示領域的優秀企業就會被排斥在外。

4 解決的對策

4.1 分層遞階架構模式

臺區新型電力系統是分部建設、分級管理的局域性綜合能源系統，其架構可以分為就地設備層、網絡通信層、數據中臺層、業務應用層，層級之間實現業務的銜接與匹配。具體而言，在就地設備層構建臺區、一體化儲能系統、交/直流充電樁、風力發電機、光伏發電系統、常規負荷在內的“源—網—荷—儲—充”系統，形成接口協議適配、功能作用互補的終端物聯系統；在網絡通信層，利用光纖通信、4G/5G 通信、專用網通信等方式，對實時采集的數據信息進行分別接入、分類匯總，并對匯總后的信息快速、精準地上傳到數據庫或數據中臺；在數據中臺層，對接入的數據進行加工、處理，形成可以直接調用或展示的業務場景數據；在業務應用層，根據臺區新型電力系統新舊業務需求，從數據中臺調取相關數據，經加工處理后形成業務結果的數據進行業務支撐及可視化展示。

4.2 云邊協同關鍵技術

臺區新型電力系統相比于傳統臺區系統，接入設備更多、節點關系更復雜、業務更新迭代加快。為了適應這些需求，需要構建云邊協同技術體系，實現不同層面、多業務的支撐能力。具體而言，在邊緣側具備各終端關鍵數據高頻采樣、擇需傳送、加工處理、協調控制的能力，即能夠及時準確地采集風、光、儲、充關鍵數據，按照統一要求的格式、順序傳輸到邊緣協調與控制終端，經過對這些信息的快速處理，形成信息上傳與指令下達的依據；在云端，部署高復雜業務數據分類與業務支撐的存儲器、處理器，開發并定期更新相應的模型、算法，基于邊緣側上傳或設備直接上傳的數據進行處理，并對處理的結果進行指令下達或可視化展示。

同時，云端還肩負模型、算法訓練與更新的重任，基于終端布局及業務需求變化及時調整算法與策略，并將更新后的算法與策略進行下沉，在邊緣側置換已有策略或部署新增策略。通過云邊協同與不斷更新迭代，逐步開發同時滿足終端變化與業務需求的模型、算法、策略，并在應用中及時完善，具備遠程部署、更新、升級能力。

4.3 高效適配裝備體系

新能源領域現有的電池管理系統BMS、儲能變流器PCS、協調控制器CCS、能量管理系統EMS已經在電源側、電網側、用戶側不同應用場景中進入試點示范或推廣應用階段。但是專門針對臺區新型電力系統的這些裝備研發還處于起步階段，在應用容量、規模、協議、業務支撐能力方面均存在差別。因此，需要在綜合考慮臺區典型應用場景及其需求的基礎上，開發、研制適用于臺區新型電力系統內源網荷儲充安全接入、便捷傳輸、協同控制以及完美展示的裝備體系，并在裝備組態、適配、協同方面不斷挖潛增效。如在研制一體化儲能系統中，需要充分考慮臺區容量大小、過載能力的需求，同時開發多款功率/容量的裝備供用戶選擇，并提升不同裝備的現場組網接入、協調控制能力；在研制臺區能量協調控制與管理系統中，既要考慮現有源網荷儲充終端的接入能力，還要預留足夠的接口、空間為后續系統擴容、新裝備接入做好準備。

4.4 新舊業務融合方案

無論從技術開發、運營管理，還是各類增值服務的角度上講，臺區新型電力系統的業務面更廣、業務復雜度更大，面臨的首要問題是如何處理好新舊業務融合。需要從技術、管理、政策多個層面進行創新與嘗試，據此探索出穩健的長效機制。從技術的角度上講，需要支撐臺區新型電力系統，一是貫通風光新能源“就地利用、就近消納”“優先自用、余電上網”的實現路徑；二是具備儲能系統功率調節、削峰填谷、備用電源、調壓穩頻能力；三是具備充電樁狀態指示、路徑導引、費用結算、車網互動等運營與管理能力；四是具備風光儲充聯合調控支撐臺區緩解重過載能力。

在管理層面，需要建立和完善專門針對臺區新型電力系統業務的組織機構、管理制度、運營規則及風險防范機制，多措并舉提升臺區新型管理系統業務開展的效率與效益。在政策層面，積極爭取并制定符合批量化臺區新型電力系統建設、運維的機制與政策，鼓勵有建設條件和需求的企業主動投入到臺區新型電力系統，并在運營過程中獲得持續、長久的盈利空間。

4.5 完善專用體制機制

臺區級新型電力系統現處于探索和試點階段，在架構、技術、裝備、業務模式等方面上不完善。本著“試點先行 經驗指導”原則，前期構建面向不同業務場景的試點示范區，從技術、管理、規范多個層面進行嘗試探索、去繁留精，形成具備復制推廣條件的典型經驗和有益做法；中期在試點示范、經驗總結的基礎上，進行分區分類、重點推廣，逐步擴大示范的規模、范圍，充分暴露規模化推廣過程中面臨的各類不適應，為進一步改善及更大規模的推廣奠定基礎；后期基于試點示范及規模化示范的成果積累、經驗教訓，從制度、標準、規范等方面進行總結，指導批量化臺區新型電力系統的有序建設與規范運營。同時，在試點示范階段建立完備的預警糾偏、獎勵激勵機制，鼓勵單位、個人進行創新，根據創新成果及貢獻大小建立獎勵激勵的長效機制。

5 結語

本文在對風光新能源發電、新型電力系統、臺區級新型電力系統基本概念進行系統闡述的基礎上，介紹了積累典型的臺區新型電力系統應用場景。同時，指出臺區新型電力系統面臨的多個問題，并從分層遞階架構模式、云邊協同關鍵技術、高效適配裝備體系、新舊業務融合方案、完善專用體制機制等多個方面提出對策建議。在今后的研究中，將詳細剖析臺區新型電力系統的架構設計，尤其對風光儲充終端數據采集、傳輸、處理、可視化進行詳細介紹。本文的研究成果不僅對臺區級新型電力系統進行系統闡述，而且為更多該類系統的建設與運用提供借鑒參考。