孫康杰　王　經(jīng)　上海交通大學(xué)工程熱物理研究所

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智能電網(wǎng)技術(shù)在清潔能源中的應(yīng)用現(xiàn)狀

孫康杰王經(jīng)上海交通大學(xué)工程熱物理研究所

摘要：從可再生能源利用現(xiàn)狀入手,重點(diǎn)分析了可再生能源與智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展情況，并以此為基礎(chǔ)，將智能電網(wǎng)技術(shù)引入清潔能源并網(wǎng)研究中，總結(jié)了基于智能電網(wǎng)技術(shù)的清潔能源并網(wǎng)控制方法和技術(shù)，探討了未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：清潔能源；智能電網(wǎng)；并網(wǎng)

在世界各國,電力行業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),其健康有序的發(fā)展是國民經(jīng)濟(jì)增長的基礎(chǔ)和保障。中國既是能源消費(fèi)大國,同時(shí)又是能源生產(chǎn)大國,電力需求增速與國內(nèi)生產(chǎn)總值的相關(guān)度,尤其是重工業(yè)的相關(guān)度較高。從我國各能源類型發(fā)電機(jī)組建設(shè)情況來看,火電比例從建國以來一直高居在70%以上,超過世界平均水平一倍,而其中燃煤發(fā)電又占到了80%以上，煤的開采和利用,會造成地質(zhì)災(zāi)害、運(yùn)力緊張、環(huán)境惡劣等一系列問題,不利于電力工業(yè)的科學(xué)發(fā)展,也不利于整個(gè)社會的可持續(xù)發(fā)展。與此同時(shí),以風(fēng)電、水電、太陽能發(fā)電和其他新能源為代表的清潔能源發(fā)電裝機(jī)比例則是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐洲乃至世界平均水平。所謂清潔能源,是指環(huán)境污染物和CO2等溫室氣體零排放或者低排放的一次能源,主要包括天然氣、核能等其他新能源和太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、水能等可再生能源等。隨著化石資源的日近枯竭,廣泛存在的可再生能源以及清潔能源在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中的作用正日益得到提升。歐美發(fā)達(dá)國家促進(jìn)清潔能源技術(shù)不但在政策上有強(qiáng)制性的規(guī)定,還制定了目標(biāo)明確的重大研究開發(fā)計(jì)劃,再配合稅收刺激、電價(jià)優(yōu)惠和綠色電價(jià)等多種多樣的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)政策,以多種手段促進(jìn)清潔能源的開發(fā)利用。

清潔能源的迅猛發(fā)展為緩解能源緊張、改善環(huán)境與氣候帶來了希望，然而其并入配電網(wǎng)后會給電力系統(tǒng)的監(jiān)控和管理帶來一系列技術(shù)上的挑戰(zhàn)。本文將針對清潔能源并網(wǎng)過程中亟待解決的熱點(diǎn)問題進(jìn)行探討，提出促進(jìn)清潔能源并網(wǎng)發(fā)電的措施，為我國科學(xué)開發(fā)利用清潔能源提供參考。

1　智能電網(wǎng)發(fā)展概述

智能電網(wǎng)（Smart Grid）是近年來美國和歐盟相繼提出的概念，智能電網(wǎng)是以先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、電子設(shè)備和高級元器件等為基礎(chǔ),通過引入通信、自動(dòng)控制和其他信息技術(shù),從實(shí)現(xiàn)對電力網(wǎng)絡(luò)的改造,達(dá)到電力網(wǎng)絡(luò)更加經(jīng)濟(jì)、可靠、安全、環(huán)保這一根本目標(biāo)。為了理解智能電網(wǎng),需要站在全局性的角度觀察問題,綜合考慮智能電網(wǎng)的維度即績效目標(biāo)、性能特征、技術(shù)支撐和功能實(shí)現(xiàn)。智能電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。電能在發(fā)電廠和用戶之間通過輸配電網(wǎng)雙向流動(dòng)；同時(shí)，智能電網(wǎng)可接入并容納各種形式的新能源和清潔能源。

圖1　智能電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

智能電網(wǎng)是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、電網(wǎng)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。智能電網(wǎng)與其之前的電網(wǎng)發(fā)展階段的根本區(qū)別在于電網(wǎng)發(fā)展、電網(wǎng)技術(shù)與市場機(jī)制的結(jié)合更加緊密,以實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化、節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)等可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)。具體來說，智能電網(wǎng)階段較之前的各個(gè)電網(wǎng)發(fā)展階段,對于電網(wǎng)自動(dòng)化而言新增了價(jià)格信號。數(shù)字物理信號用于控制電網(wǎng)的運(yùn)行,價(jià)格信號用于調(diào)節(jié)電力市場參與者各方的利益,兩者相互作用、相互影響,并加入了參與者博弈的智能,致使本來主要按照物理規(guī)律運(yùn)作的電網(wǎng)更加“智能”起來,從而可在電網(wǎng)的投資和運(yùn)行中通盤考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性、可持續(xù)發(fā)展等各種目標(biāo)。

各國對智能電網(wǎng)的理解與我國相比還存在著較大的差異。以美國為例,其智能電網(wǎng)第二階段的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)分為智能網(wǎng)優(yōu)先應(yīng)用項(xiàng)目的管理、奠定需求側(cè)反應(yīng)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)、電動(dòng)運(yùn)輸體系、廣域可視化、儲能等五個(gè)方面?？梢钥闯?美國智能電網(wǎng)的核心是圍繞著可再生能源的利用而設(shè)計(jì)的。

我國的智能電網(wǎng)研究和建設(shè)正方興未艾,國家電網(wǎng)公司曾多次提到智能電網(wǎng)的建設(shè)方針及發(fā)展思路,國家電網(wǎng)公司《堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)綜合研究報(bào)告》中提出建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)為基礎(chǔ),利用先進(jìn)的通信、信息和控制技術(shù),構(gòu)建以信息化、自動(dòng)化、數(shù)字化、互動(dòng)化為特征的自主創(chuàng)新、國際領(lǐng)先的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo),形成了“一個(gè)目標(biāo)、兩條主線、三個(gè)階段、四個(gè)體系、五項(xiàng)內(nèi)涵、六個(gè)應(yīng)用環(huán)節(jié)”的發(fā)展戰(zhàn)略框架。

國內(nèi)外關(guān)于智能電網(wǎng)的建設(shè)存在較大的差異，究其根本原因，主要在于對智能電網(wǎng)建設(shè)中對可再生能源發(fā)電的重視程度不同,從而導(dǎo)致在今后對可再生能源及分布式發(fā)電的應(yīng)用及研究將會出現(xiàn)不同的結(jié)果。國外之所以對智能電網(wǎng)建設(shè)高度重視,主要原因是能源戰(zhàn)略所導(dǎo)致，有研究表明，可開采的化石能源資源的有限性帶來了未來可見的能源危機(jī)，為了未雨綢繆，同時(shí)占領(lǐng)市場，國外投入了大量的資金和人力從事智能電網(wǎng)的研究工作。而在國內(nèi)，智能電網(wǎng)的對象主要包括大型的風(fēng)力、水力、太陽能等可再生能源，建設(shè)智能電網(wǎng)這一舉動(dòng)將為可再生能源的利用帶來了新的變化。

2　智能電網(wǎng)的清潔能源并網(wǎng)方法

2.1基于電力電子技術(shù)的控制方法

風(fēng)機(jī)、光伏電池、燃料電池、儲能組件等都需通過電力電子變換器才能與電網(wǎng)系統(tǒng)相連接。變換器由于其響應(yīng)速度快、慣性小、過流能力弱等特性，使其能量管理的控制理念將與常規(guī)系統(tǒng)有很大的不同。同時(shí)，適用于清潔能源并網(wǎng)中的逆變器除了需要具備常規(guī)逆變器的功能及能并聯(lián)運(yùn)行外，還需根據(jù)清潔能源的特殊需求具備一些控制功能，例如電壓/頻率（U/f）控制和有功無功（PQ）控制?；谙麓固匦缘腢/f控制能實(shí)現(xiàn)負(fù)荷功率變化時(shí)不同清潔電源間變化功率的共享,且在清潔能源發(fā)電單元孤島運(yùn)行時(shí)為智能電網(wǎng)系統(tǒng)提供頻率支撐；PQ控制可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況實(shí)現(xiàn)清潔電源有功和無功功率的指定控制。

2.2基于多代理系統(tǒng)的控制方法

太陽能與風(fēng)能在時(shí)間和地域上具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，風(fēng)光互補(bǔ)混合供電系統(tǒng)是可再生能源獨(dú)立供電系統(tǒng)的一種重要形式。采用基于多代理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)風(fēng)-光發(fā)電系統(tǒng)的電壓優(yōu)化控制，保證發(fā)電廠電壓的穩(wěn)定與安全,使電網(wǎng)運(yùn)行可靠平穩(wěn)。在現(xiàn)代智能電網(wǎng)中，多代理系統(tǒng)由控制代理、發(fā)電單元代理、用戶代理和數(shù)據(jù)庫代理組成。各代理之間通過TCP/IP協(xié)議交換數(shù)據(jù),各代理在自身環(huán)境中互動(dòng),并由控制代理發(fā)送主網(wǎng)控制信息至相應(yīng)的代理。一方面,用戶代理傳送負(fù)荷信息與需求指令至發(fā)電單元代理；另一方面，發(fā)電單元代理將電能生產(chǎn)信息傳送至用戶代理?？梢暬畔⑵脚_收集各代理發(fā)送的信息以便調(diào)度員進(jìn)行下一步處理。該法兼顧發(fā)電單元所需電能質(zhì)量和能量管理的要求，采用集中管理和分散獨(dú)立運(yùn)行相結(jié)合的控制策略，運(yùn)用多代理技術(shù)對各個(gè)清潔電源、負(fù)荷和開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，使智能電網(wǎng)的信息更容易獲取，系統(tǒng)穩(wěn)定性更容易分析,控制器更容易設(shè)計(jì)。

2.3基于智能電網(wǎng)的虛擬發(fā)電廠控制技術(shù)

為適應(yīng)清潔能源、分布式能源的特性，需要研究結(jié)合了電網(wǎng)頻率、聯(lián)絡(luò)線潮流和電壓控制技術(shù)、發(fā)電預(yù)測模型和方法等為一體的高級控制技術(shù)。其中，虛擬發(fā)電廠技術(shù)是解決清潔能源發(fā)電接入與控制的有效途徑之一。虛擬發(fā)電廠技術(shù)將配電網(wǎng)中分散安裝的清潔電源、受控負(fù)荷和儲能系統(tǒng)合并作為一個(gè)特別的電廠參與電網(wǎng)運(yùn)行。在虛擬電廠中，每一部分均與能量管理系統(tǒng)（EMS）相連，控制中心通過智能電網(wǎng)的雙向信息傳送，利用EMS系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度協(xié)調(diào)機(jī)端潮流、受端負(fù)荷以及儲能系統(tǒng)，以達(dá)到降低發(fā)電損耗、減少溫室氣體排放、優(yōu)化資源利用、降低電網(wǎng)峰值負(fù)荷和提高供電可靠性的目的。電廠的高級監(jiān)測功能，測量和計(jì)算各節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)電壓以及故障數(shù)據(jù)，監(jiān)測系統(tǒng)的異步運(yùn)行、頻率波動(dòng)、低頻振蕩、同步發(fā)電機(jī)短時(shí)失磁異步運(yùn)行等動(dòng)態(tài)過程。虛擬電廠利用PMU技術(shù),可為電網(wǎng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控提供信息平臺，進(jìn)一步對互聯(lián)電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)過程特性進(jìn)行分析和評估,辨識系統(tǒng)的失穩(wěn)現(xiàn)象，向調(diào)度運(yùn)行部門提供預(yù)警、預(yù)防控制的在線決策和緊急控制決策,提高電網(wǎng)安全運(yùn)行水平。

3　研究展望

我國清潔能源資源分布與電力負(fù)荷中心分布不一致，隨著清潔能源的大規(guī)模集中開發(fā)，需要加強(qiáng)配套電網(wǎng)建設(shè)，以擴(kuò)大消納范圍和規(guī)模。為提高清潔能源發(fā)電的消納能力，需要在送受端電網(wǎng)、跨省跨區(qū)電網(wǎng)等方面進(jìn)行完善。

（1）加強(qiáng)送端電網(wǎng)建設(shè)。即加強(qiáng)能源資源富集地區(qū)的電網(wǎng)建設(shè)，把清潔能源資源大范圍有效匯集起來，降低清潔能源發(fā)電的不穩(wěn)定性，提高整個(gè)系統(tǒng)消納清潔能源發(fā)電的能力。大范圍匯集入網(wǎng)可促進(jìn)清潔能源發(fā)電出力的互補(bǔ)關(guān)系，提高送出的電力品質(zhì)。

（2） 優(yōu)化輸送通道電網(wǎng)建設(shè)。我國“三北”（東北、西北、華北）地區(qū)的煤電資源豐富，同時(shí)也是風(fēng)電、太陽能開發(fā)的重點(diǎn)地區(qū)。未來通過對“三北”地區(qū)煤電基地輸電通道的建設(shè)，使風(fēng)電等清潔能源和煤電共用輸電通道，不僅可緩解我國鐵路、公路電煤運(yùn)輸?shù)膲毫?，也可以解決跨區(qū)輸送清潔能源的問題。

（3） 加強(qiáng)受端電網(wǎng)建設(shè)。我國華北、華東、華中存在一定的季節(jié)差和時(shí)差，系統(tǒng)負(fù)荷最大、最小值出現(xiàn)的月份和時(shí)段不同。建設(shè)“三華”特高壓同步電網(wǎng)，可錯(cuò)峰、降低峰谷差，同時(shí)加強(qiáng)各區(qū)域電網(wǎng)電源調(diào)節(jié)能力的互補(bǔ)，提高系統(tǒng)對清潔能源的消納能力。

Smart Grid Technology Application Current Situation in Clean Energy

Sun Kangjie, Wang Jing
Shanghai Jiaotong University Engineering Thermophysics Institute

Abstract:The article analyzes development situation of renewable energy and smart grid technology from renewable energy application current situation. Based on it, it applies smart grid technology into clean energy grid-connected research. It summarizes clean energy grid-connected control method and technology based on smart grid and discusses over future development pathways.

Key words:Clean Energy, Smart Grid, Grid-Connected

DOI:10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.02.002