基于能源互联网的新能源及微电网接入对电网的影响

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(1.国家电网公司 华东分部, 上海 200120; 2.上海电力学院 电气工程学院, 上海 200090)

由于环境和资源的限制,世界范围内正在经历着一场能源转型。从建设智能电网到建设能源互联网,发展清洁低碳的可再生能源是这种能源转型努力的具体体现。我国政府已向国际社会承诺,非化石能源占比将在2020年达到15%,2030年达到20%。

这种受天气影响的不确定的电力生产的增加,给电网运营带来了挑战。为应对这一挑战而兴起的能源互联网概念与实践,深度融合先进信息技术和互联网理念,对提高可再生能源利用比重、提升能源综合效率、促进能源转型具有重要的现实意义。本文在对能源互联网定义与实践进行梳理的基础上,分析集中式新能源、分布式新能源对电网产生的影响。

1 能源互联网的概念

世界范围内对能源互联网没有统一的名称和定义,在众多对能源互联网不同形态的描述中,两种具有代表性的观点是:“能源系统的类互联网化”和“互联网+智能电网+智慧能源”。前者借鉴互联网开放对等、即插即用的理念和体系架构,结构上难以区分能源网络和信息网络,运行模式上采用区域自治和骨干管控相结合的方式,其研究和实践还没有统一的目标和方向,现阶段有一些示范工程建设和实验室的研究。后者借助互联网收集信息,分析决策后指导能源网络的运行调度,信息网络可以认为是能源网络的支持决策网络,其本质与早些时候提出的智能电网类似,以德国、中国为代表。在现阶段的技术水平下,后者比前者更具可操作性。

德国在联邦政府基金支持下展开了智慧能源E-Energy示范项目。我国国家发改委、能源局和工信部于2016年2月24日联合发布了《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》[1],将“互联网+”智慧能源简称为能源互联网,以互联网+、 智慧能源、充分竞争市场作为能源互联网的基本要素,认为它是一种互联网与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源产业发展新形态。互联网+使得交易开放成为能源互联网的主要特征之一,因而建设能源互联网,必须要“建立多方参与、平等开放、充分竞争的能源市场交易体系”。

国家电网于2015年提出了全球能源互联网发展构想,认为全球能源互联网以智能电网、特高压、清洁能源、全球视野为基本要素,将由跨国跨洲骨干网架和涵盖各国各电压等级电网的国家泛在智能电网组成,经过洲内互联、跨洲互联、全球互联3个阶段,各层级电网协调发展,坚持清洁发展和全球配置2个基本原则,具备网架坚强、广泛互联、高度智能、开放互动4个重要特征,实现能源传输、资源配置、市场交易、产业带动和公共服务5个主要功能[2]。

上述能源互联网概念的共同点在于核心目标一致,致力于能源转型的研究,最终实现以新能源为主导的能源体系;主要特征相同,都是采用互联网思维,将能源和信息连接起来。德国在能源互联网方面的实践已处于全球领先地位,而中国的电力市场发育程度远不及德国。

本文在上述我国三部委“指导意见”的基础上使用能源互联网这一概念。

2 基于能源互联网的新能源接入对电网的影响

新能源发电对电网的影响基于其应对措施,分成纯技术性和综合性两类。纯技术性指影响的应对措施是纯技术性的。综合性指影响的应对措施不能只靠技术手段解决,要综合体制、机制、政策、管理、技术等各方面来解决问题。

2.1 集中式新能源发电产生的问题、影响及对策

集中式新能源发电产生的纯技术问题基本都与新能源发电和传输中使用电力电子器件相关,体现为:遇交流系统故障时,换流站容易出现换相失败;换流站交流出线重合闸失败时,交流出线断路器可能不能成功开断短路电流,从而导致故障范围扩大;新能源发电的某些电力电子特征会影响电压稳定及产生次/超同步振荡;新能源发电相关设备的非线性、直流与非工频性会带来谐波。

集中式新能源发电带来的综合性问题,主要包括功率平衡和能量平衡(含调峰)、电网稳定、电能质量等[3]。

(1) 使传统电源盈利能力下降。新能源发电抢占了原属传统电源的发电份额,占比不断提高,直接影响了火电设备的发电利用小时,使得火电的投资额呈下降态势,进而使得一些发电厂的利润减少,甚至无法盈利出现亏本现象。

(2) 需要更多的辅助服务资源。新能源(风能、太阳能等)具有随机性、波动性的特点,再加上新能源装机容量持续上升,导致电网调峰、调频的压力进一步增大,对电网辅助服务(调峰、调频、旋转备用、无功补偿等)提出了更高的要求。

(3) 影响电网的稳定性。新能源大规模接入电网加剧的旋转备用资源的不足会影响系统频率稳定和电压稳定。

(4) 影响电能质量。新能源接入电网后,并网电量随机波动较多,在可调性方面又较差,系统容易产生频率偏差和频率波动、电压波动等电能质量问题,需要更多、更优质的辅助服务资源。

上述综合性问题的应对策略如下。

(1) 提高辅助服务定价。新能源发电所带来的上述综合性问题,都需要使用相应的辅助服务来解决。但目前辅助服务的定价偏低,辅助服务资源电厂依靠提供辅助服务获取的收益很有限,需要用电能交易所得补贴辅助服务费用。随着其发电利用小时数的下降,将导致优质电厂无法从整体上盈利;而优质电厂的退出,又会加剧优质辅助服务资源的不足,影响电网的安全稳定运行。这可通过提高辅助服务定价来保证优质辅助服务资源电厂的盈利水平。

(2) 利用区外来电和核电参与辅助服务,而不只是参与分摊补偿辅助服务费用。目前区外来电和核电地位特殊,只分摊其他电源提供的辅助服务费用,且分摊额偏低,本身并不提供辅助服务。应该对区外来电和核电提供辅助服务进行技术经济研究,条件成熟时使其也成为辅助服务资源。规划中未来的区外新能源电力的打捆输送可视为打捆的火电为打捆的风电提供了一定的辅助服务。

(3) 新能源电力充裕以后的主动发电调节。随着新能源发电技术的成熟及新能源发电成本的下降,新能源发电本身就可以作为辅助服务资源,即新能源电力充裕以后的主动“弃风弃光”。

(4) 电能交易市场化。充分竞争的电力市场有助于降低电网运行所需的调峰资源。在竞争性的电价市场化机制下,可以通过不同时段的电价差异达到全网电能供需基本平衡,使所需要的调峰资源大大降低,而辅助服务市场主要调配其他辅助服务资源。但我国现阶段实施的市场机制可能会增加辅助服务的需求。

(5) 辅助服务市场化。电能交易市场化后,更应建立并强化辅助服务市场,用市场价格体现辅助服务的价值。预计未来辅助服务的价格会大幅提升。

2.2 分布式新能源发电产生的问题、影响及对策

分布式新能源发电对电网的影响,可用纯技术手段应对的较少,大部分问题初看可能是纯技术问题,但若要真正解决,最终还要归结到技术解决方案是否具有经济可操作性上[4-6]。

概括说来,纯技术问题除了集中式中已提到的谐波问题外,还有分布式新能源发电中的电力电子装置相互影响引发的新型稳定问题;系统非正常运行状态下可能出现的非计划孤岛影响孤岛中设备安全、影响电网维护人员安全等问题。

非纯技术的综合性问题,除集中式新能源发电已提到的所有问题外,还有以下3方面的问题。

(1) 由潮流的双向流动带来的继电保护配置整定问题。传统的配电网是单向电源网络,主要使用三段式电流保护;当配电网中分布式电源较少时,仍可使用电流保护;但当分布式电源达到一定规模(穿透率较高)时,分布式电源严重影响电流保护的选择性和灵敏性;但如果使用面向双侧电源的差动保护,又会增加配电网投资。因此,分布式电源引起的继电保护问题不是单纯的技术问题[7]。

(2) 由潮流的双向流动带来的配电网电压波动范围增大问题。传统配电网中只一侧有电源,电源端电压高,负荷端电压低。负荷离电源越远,其端电压越低。分布式电源混杂在负荷中,其发电时抬高负荷点电压,发的越多,抬高效应越大。当无电可发时,该点电压表现为纯负荷点电压效应,即电压下降,负荷越重电压越低。因此,对于负荷点电压存在两个极端状况,一是低负荷叠加分布式电源满发时的高电压,二是重负荷又遇分布式电源无电可发时的低电压。这两种极端状况不但影响分布式电源所在负荷点,而且对临近分布式电源的负荷点也有影响。德国VDE-AR-N 4105标准规定,中压并网微源系统引起的公共连接点电压升高不宜超过2%[8]。但是有研究表明,分布式电源所在点控制电压变化范围和保证功率因数达标两者不能兼顾[9]。这样,有分布式电源的用户控制其电压范围就会面临因功率因数不达标而带来的罚款,使用户陷于两难。因此,有必要研究新的功率因数调整电费办法,当用户的分布式电源达到一定规模要求其提供电压服务时,就不再考核其功率因数。

(3) 电网输配电效益下降问题。分布式电源使电网输配电效益下降几乎是不可避免的,主要表现为:分布式发电影响电网的售电量,从而影响电网的效益;增大公共电网网损率,降低公共电网的设备利用率。

因此,建设主动配电网是应对配电网大规模分布式电源接入的一种尝试。根据GIGRE C6.11工作组的工作报告,主动配电网可定义为:可以综合控制分布式能源(分布式电源、柔性、负载和储能)的配电网,可以使用灵活的网络技术实现潮流的有效管理。分布式能源在其合理的监管环境和接入准则的基础上对系统承担一定的支撑作用。从本质上说,主动配电网是利用先进的信息、通信以及电力电子技术对规模化接入分布式能源的配电网实施主动管理,能够自主协调控制间歇式新能源与储能装置等分布式电源单元,积极消纳可再生能源并确保网络的安全经济运行[10]。

虽然主动配电网的设想很好,但其建设需要大量的投资,这些投资在现有体制下难以实现收益。主动配电网的发展既依赖于技术进步,又需要充分竞争的用户侧电力市场。通过技术进步带来投资降低,而充分竞争的电力市场和相应商业模式有望给电网和用户带来切实的收益。

此外,分布式电源的接入还会对电网可靠性产生影响。分布式新能源发电相对传统发电是较新的概念和实践,还在不断探索和改进的阶段,会在一定程度上降低电网可靠性。但随着技术进步和机制体制管理的不断完善,分布式新能源发电将日益发挥其独特优势,提高供电可靠性。分布式发电的合理配置可以降低峰荷时系统对电网输送容量的需求,以避免输配电的阻塞。利用分布式发电满足尖峰负荷的需要,从而延缓相应的输配电建设投资。但用户的分布式电源在属性上是不会由电网根据自身需要配置的,在需要的节点实行节点电价,有利于用户从自身利益出发配置分布式电源,帮助电网延缓设备投资[11]。

3 综合能源系统与微电网的发展研究状况

综合能源系统是对能源的产生、输配、转换、存储、消费等环节进行有机协调与优化的能源产供销一体化系统。它将电力、燃气、供热/供冷、供氢等多种能源环节与交通、信息、医疗等社会基础支撑系统有机结合,通过该系统内多种能源之间的科学调度,实现能源的高效利用、满足用户多种能源的梯级利用、社会供能的安全可靠等目的。

综合能源系统通过多种能源系统的有机协调,有助于消除输配供电系统瓶颈,延缓发、输、配电系统建设,提高各能源设备的利用效率;当电力或燃气系统因天气或意外灾害出现中断时,综合能源系统可利用本地能源实现对重要用户的不间断供能,并为故障后供能系统的快速恢复提供电源支持。

综合能源系统是能源互联网的物理载体,主要着眼于解决能源系统自身面临的问题和发展需求,其研究不过分强调何种能源占主导地位。

微电网本质上是一种社区终端综合能源系统,是集成各种分布式能源和负载的能实现自我控制、保护和管理的小型发配电自治系统。社区能源系统如图1所示。

图1 社区综合能源系统

相对于传统大电网,微电网由电、气、冷、热等的多种分布式能源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成,并通过静态开关关联至常规电网,既可以与外部电网并网运行,也可以孤立运行[12]。

微电网、分布式发电、综合能源系统3者之间具有不可分割的联系。微电网与分布式电源的本质区别就在于前者可控,而后者不可控;微电网允许孤岛运行,而分布式电源需防止孤岛运行。分布式电源、微电网、综合能源系统3者的关系如图2所示。

图2 微电网、分布式发电、综合能源系统3者的关系

从发挥作用的角度看,微电网与大电网之间是相互补充、相互协调的关系。当电网供电能力不足时,而微电网呈现“电源”特性,向电网输送电力,满足本来须限电用户的用电需求;当电网多发时,微电网呈现“负荷”特性,消纳电网的出力。这样微电网就起到了削峰填谷的作用,对提高供电可靠性及电网稳定运行起到了重要作用。

微电网对电网的影响与分布式电源对电网的影响大致相同,特别是在技术方面,这里不再赘述。

微电网技术涉及先进的电力电子技术、计算机控制技术、通信技术等,世界范围内尚无统一、规范的微电网体系技术标准和规范。目前,微电网的发展还存在诸多瓶颈。

(1) 储能是微电网发展的关键技术瓶颈。储能技术可以分为机械储能、电池储能和电磁储能等多种类型。其中,较为成熟且可商业化应用的包括抽水储能和压缩空气储能,但这两种为大规模储能技术,不便用于微电网;而电池储能的商业化应用还面临着成本问题,只有在峰谷电价差较大时,结合可再生能源发电,电池储能才具有经济可行性,虽然随着技术的进步,电池储能的成本在下降,但目前仍无法进行大规模的商业应用。

(2) 微电网体系的高成本制约其自身发展。微电网建设的投资成本较高是制约微电网发展的主要经济因素。除储能系统投资成本较高(目前占到整个微电网控制系统成本的1/3)外,微电网的二次系统投资也不小,加上变配电设置以及后期的运营维护,都导致微电网成本居高不下。

(3) 微电网缺乏有效的控制手段。微电网的控制模式和策略是其维持运行的关键,主要包括主从、对等和综合性控制模式等[13]。主从控制的微电网,其规模受控于主控电源的容量;微电网的对等控制技术基本还在实验室阶段,还有很多问题需要解决;综合性控制模式如图3所示,大致参照大电网的分层控制模式。

(4) 微电网运营相对困难。微电网的能量平衡依赖于大电网,若没有大电网作为支持,其经济性和可靠性无法保证;同时运行也难以取得规模效应。

图3 微电网控制层级

4 结 论

(1) 目前国内外对于能源互联网主要有两种理解——类互联网和互联网+。学术界偏向于类互联网,属于远景设想;德国和中国的实践偏向于互联网+,立足于历史形成的电力系统。中国的电力市场发育程度远不及德国,这是两国现阶段最根本的差别。

(2) 集中式新能源发电与分布式新能源发电(含微电网)对电网的影响有共同之处,也有差异;有纯技术层面的,也有综合层面的。

(3) 微电网集各种分布式电源、负载、储能于一体,是对能源的产生、分配、转换、存储、消费等环节进行协调优化的能源产供销一体化社区综合能源系统,是能源互联网的终端载体之一。微电网与普通分布式电源的主要区别在于微电网内部存在可控的分布式电源和可控负载,其公共连接点的功率也可控,可以并网运行也可以孤岛运行。微电网与公共电网具有平等的法律和商业地位,且在公共电网的支撑下其运行可以取得更好的收益。

(4) 微电网对电网的影响与分布式电源对电网的影响大致相同,但因建设、运营成本、运营环境等因素,现阶段的微电网还不具商业运营价值,对电网的影响可忽略不计。

(5) 为了更好地实现能源转型,建议提高辅助服务定价;让区外来电和核电参与辅助服务,而不是只参与分摊补偿辅助服务费用;鼓励局部地区相对充裕的新能源电力参与辅助服务;修改《功率因数调整电费办法》;研究主动配电网和微电网相关的技术;实现电能交易与辅助服务的市场化竞争;深入研究长期容量市场。