智能电网技术在清洁能源中的应用现状

孙康杰　王　经　上海交通大学工程热物理研究所



智能电网技术在清洁能源中的应用现状

孙康杰王经上海交通大学工程热物理研究所

摘要：从可再生能源利用现状入手,重点分析了可再生能源与智能电网技术的发展情况，并以此为基础，将智能电网技术引入清洁能源并网研究中，总结了基于智能电网技术的清洁能源并网控制方法和技术，探讨了未来的发展方向。

关键词：清洁能源；智能电网；并网

在世界各国,电力行业作为国民经济发展的重要基础产业,其健康有序的发展是国民经济增长的基础和保障。中国既是能源消费大国,同时又是能源生产大国,电力需求增速与国内生产总值的相关度,尤其是重工业的相关度较高。从我国各能源类型发电机组建设情况来看,火电比例从建国以来一直高居在70%以上,超过世界平均水平一倍,而其中燃煤发电又占到了80%以上，煤的开采和利用,会造成地质灾害、运力紧张、环境恶劣等一系列问题,不利于电力工业的科学发展,也不利于整个社会的可持续发展。与此同时,以风电、水电、太阳能发电和其他新能源为代表的清洁能源发电装机比例则是远远低于欧洲乃至世界平均水平。所谓清洁能源,是指环境污染物和CO2等温室气体零排放或者低排放的一次能源,主要包括天然气、核能等其他新能源和太阳能、风能、生物质能、水能等可再生能源等。随着化石资源的日近枯竭,广泛存在的可再生能源以及清洁能源在能源结构调整中的作用正日益得到提升。欧美发达国家促进清洁能源技术不但在政策上有强制性的规定,还制定了目标明确的重大研究开发计划,再配合税收刺激、电价优惠和绿色电价等多种多样的经济激励政策,以多种手段促进清洁能源的开发利用。

清洁能源的迅猛发展为缓解能源紧张、改善环境与气候带来了希望，然而其并入配电网后会给电力系统的监控和管理带来一系列技术上的挑战。本文将针对清洁能源并网过程中亟待解决的热点问题进行探讨，提出促进清洁能源并网发电的措施，为我国科学开发利用清洁能源提供参考。

1　智能电网发展概述

智能电网（Smart Grid）是近年来美国和欧盟相继提出的概念，智能电网是以先进的计算机、电子设备和高级元器件等为基础,通过引入通信、自动控制和其他信息技术,从实现对电力网络的改造,达到电力网络更加经济、可靠、安全、环保这一根本目标。为了理解智能电网,需要站在全局性的角度观察问题,综合考虑智能电网的维度即绩效目标、性能特征、技术支撑和功能实现。智能电网的基本结构如图1所示。电能在发电厂和用户之间通过输配电网双向流动；同时，智能电网可接入并容纳各种形式的新能源和清洁能源。

图1　智能电网基本结构

智能电网是社会经济发展、电网技术和经济技术结合的产物。智能电网与其之前的电网发展阶段的根本区别在于电网发展、电网技术与市场机制的结合更加紧密,以实现资源优化、节能减排和环境保护等可持续发展为目标。具体来说，智能电网阶段较之前的各个电网发展阶段,对于电网自动化而言新增了价格信号。数字物理信号用于控制电网的运行,价格信号用于调节电力市场参与者各方的利益,两者相互作用、相互影响,并加入了参与者博弈的智能,致使本来主要按照物理规律运作的电网更加“智能”起来,从而可在电网的投资和运行中通盘考虑安全性、经济性、可持续发展等各种目标。

各国对智能电网的理解与我国相比还存在着较大的差异。以美国为例,其智能电网第二阶段的设计标准分为智能网优先应用项目的管理、奠定需求侧反应系统的标准、电动运输体系、广域可视化、储能等五个方面。可以看出,美国智能电网的核心是围绕着可再生能源的利用而设计的。

我国的智能电网研究和建设正方兴未艾,国家电网公司曾多次提到智能电网的建设方针及发展思路,国家电网公司《坚强智能电网综合研究报告》中提出建设以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础,利用先进的通信、信息和控制技术,构建以信息化、自动化、数字化、互动化为特征的自主创新、国际领先的坚强智能电网的战略发展目标,形成了“一个目标、两条主线、三个阶段、四个体系、五项内涵、六个应用环节”的发展战略框架。

国内外关于智能电网的建设存在较大的差异，究其根本原因，主要在于对智能电网建设中对可再生能源发电的重视程度不同,从而导致在今后对可再生能源及分布式发电的应用及研究将会出现不同的结果。国外之所以对智能电网建设高度重视,主要原因是能源战略所导致，有研究表明，可开采的化石能源资源的有限性带来了未来可见的能源危机，为了未雨绸缪，同时占领市场，国外投入了大量的资金和人力从事智能电网的研究工作。而在国内，智能电网的对象主要包括大型的风力、水力、太阳能等可再生能源，建设智能电网这一举动将为可再生能源的利用带来了新的变化。

2　智能电网的清洁能源并网方法

2.1基于电力电子技术的控制方法

风机、光伏电池、燃料电池、储能组件等都需通过电力电子变换器才能与电网系统相连接。变换器由于其响应速度快、惯性小、过流能力弱等特性，使其能量管理的控制理念将与常规系统有很大的不同。同时，适用于清洁能源并网中的逆变器除了需要具备常规逆变器的功能及能并联运行外，还需根据清洁能源的特殊需求具备一些控制功能，例如电压/频率（U/f）控制和有功无功（PQ）控制。基于下垂特性的U/f控制能实现负荷功率变化时不同清洁电源间变化功率的共享,且在清洁能源发电单元孤岛运行时为智能电网系统提供频率支撑；PQ控制可根据实际运行情况实现清洁电源有功和无功功率的指定控制。

2.2基于多代理系统的控制方法

太阳能与风能在时间和地域上具有很强的互补性，风光互补混合供电系统是可再生能源独立供电系统的一种重要形式。采用基于多代理系统的协调优化技术，能实现风-光发电系统的电压优化控制，保证发电厂电压的稳定与安全,使电网运行可靠平稳。在现代智能电网中，多代理系统由控制代理、发电单元代理、用户代理和数据库代理组成。各代理之间通过TCP/IP协议交换数据,各代理在自身环境中互动,并由控制代理发送主网控制信息至相应的代理。一方面,用户代理传送负荷信息与需求指令至发电单元代理；另一方面，发电单元代理将电能生产信息传送至用户代理。可视化信息平台收集各代理发送的信息以便调度员进行下一步处理。该法兼顾发电单元所需电能质量和能量管理的要求，采用集中管理和分散独立运行相结合的控制策略，运用多代理技术对各个清洁电源、负荷和开关状态进行监控，使智能电网的信息更容易获取，系统稳定性更容易分析,控制器更容易设计。

2.3基于智能电网的虚拟发电厂控制技术

为适应清洁能源、分布式能源的特性，需要研究结合了电网频率、联络线潮流和电压控制技术、发电预测模型和方法等为一体的高级控制技术。其中，虚拟发电厂技术是解决清洁能源发电接入与控制的有效途径之一。虚拟发电厂技术将配电网中分散安装的清洁电源、受控负荷和储能系统合并作为一个特别的电厂参与电网运行。在虚拟电厂中，每一部分均与能量管理系统（EMS）相连，控制中心通过智能电网的双向信息传送，利用EMS系统进行统一调度协调机端潮流、受端负荷以及储能系统，以达到降低发电损耗、减少温室气体排放、优化资源利用、降低电网峰值负荷和提高供电可靠性的目的。电厂的高级监测功能，测量和计算各节点动态电压以及故障数据，监测系统的异步运行、频率波动、低频振荡、同步发电机短时失磁异步运行等动态过程。虚拟电厂利用PMU技术,可为电网实时动态监控提供信息平台，进一步对互联电网的动态过程特性进行分析和评估,辨识系统的失稳现象，向调度运行部门提供预警、预防控制的在线决策和紧急控制决策,提高电网安全运行水平。

3　研究展望

我国清洁能源资源分布与电力负荷中心分布不一致，随着清洁能源的大规模集中开发，需要加强配套电网建设，以扩大消纳范围和规模。为提高清洁能源发电的消纳能力，需要在送受端电网、跨省跨区电网等方面进行完善。

（1）加强送端电网建设。即加强能源资源富集地区的电网建设，把清洁能源资源大范围有效汇集起来，降低清洁能源发电的不稳定性，提高整个系统消纳清洁能源发电的能力。大范围汇集入网可促进清洁能源发电出力的互补关系，提高送出的电力品质。

（2） 优化输送通道电网建设。我国“三北”（东北、西北、华北）地区的煤电资源丰富，同时也是风电、太阳能开发的重点地区。未来通过对“三北”地区煤电基地输电通道的建设，使风电等清洁能源和煤电共用输电通道，不仅可缓解我国铁路、公路电煤运输的压力，也可以解决跨区输送清洁能源的问题。

（3） 加强受端电网建设。我国华北、华东、华中存在一定的季节差和时差，系统负荷最大、最小值出现的月份和时段不同。建设“三华”特高压同步电网，可错峰、降低峰谷差，同时加强各区域电网电源调节能力的互补，提高系统对清洁能源的消纳能力。

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