风光新能源接入台区级新型电力系统面临的问题及对策研究

国网张家界供电公司科技互联网部 颜学杰 罗 昆 卓家全 华自科技股份有限公司 曹 攀 唐碧波 深圳市精实机电科技有限公司 张福兴

1 引言

近年来，我国提出“整县光伏”“新型电力系统”“源网荷储一体化”等新能源发展战略。尤其在用户侧，光伏发电的数量骤增，由此导致变压器重过载、输配电线路阻塞、电能质量下降、电网谐波污染增多等现象产生。因此，风力、光伏发电的有序接入，以及以台区为核心构建新型电力系统成为学术界和产业界研究的热点。本文重点围绕用户侧台区级风光新能源接入，以及接入后台区新型电力系统面临的问题进行讨论分析，并基于分析结果给出提升我国台区新型电力系统科学构建、风光新能源有序接入与消纳的对策建议。

2 国内外研究综述

国内外有关新型电力系统的研究较多，形成了比较完善的理论体系。然而，对于台区级新型电力系统以及风光新能源有序接入、消纳问题的研究相对较少。通过文献研读和梳理，本文将用户侧风光新能源有序接入、台区新型电力系统建设、台区配套储能系统选址定容、台区新型电力系统控制策略等进行综述如下：

文献[1]指出电化学储能在电源侧、电网侧、用户侧的调压、顶峰、调频、削峰填谷等方面得到了广泛应用，重点介绍了电化学储能系统在变电台区中的作用及实现方式，并对电网公司每年批量退役电池在变电台区的合理利用提出了合理建议。文献[2]从配电台区规划的角度对风光储接入的台区选址定容问题开展研究，分别对光伏、负载的出力模型进行了构建，考虑变电台区不同运行场景下的使用寿命与运行特性，提出了基于可变寿命的配变全寿命周期成本模型，并通过算例验证了模型的可行性与有效性。

文献[3]提出储能系统在提升低压配电台区顶峰、可靠性及电能质量的重要作用，对当前配电台区配置储能的容量配置、接入方式、系统结构及有序调度进行了研究，研制了一款100kW/300kWh储能系统进行了测试与验证。文献[4]对光伏发电系统配储能的配置策略进行了详细分析，据此解决光伏发电输出功率随机波动性大的问题。在对光伏发电特性、典型负荷特性进行分析的基础上，提出配网光伏系统储能容量配置模型。采用江苏省典型居民与工业负荷进行分析，指出光储联合发电能够进一步维持终端用户的高收益。文献[5]利用先进的电力电子技术构建台区配储能的等效电路，基于切换系统理论构建能够表征台区、储能系统构成及运行的等效模型，针对模型中出现的电路结构性故障进行诊断，能够准确确定故障的位置、类型，并将故障信息进行有效反馈。

3 面临的问题

3.1 系统架构

台区级新型电力系统包括了台区、储能系统、充电桩、风光发电等。相比于传统台区系统，其在一次架构方面既有产能系统也有用能系统，并需要根据源荷匹配情况、实时电价信息、无功缺额及电压波动情况及时调整储能系统的充放电状态及功率，是典型的局域性复杂能源系统；其在二次架构方面需要具备终端全息感知、信息快速上传、云边有效协同、业务多场景应用等，需要提升系统对信息的采集、传输、处理、应用能力。然而，现有台区架构在储能系统选址定容、风光发电建设及接入、充电桩安全运营、信息采集共享、网络高频传输、业务协同与集成等方面还处于探索阶段，需要在实践中进一步完善。

3.2 关键技术

台区级新型电力系统容量、可供电范围虽小，但是接入终端较多、关联关系复杂，亟需先进的终端开发、系统集成与运营维护技术进行支撑。当前，台区新型电力系统在终端接入可靠性、信息传输安全性，以及系统管理集约化、智能化、无人化方面还存在较多技术难题。如不同厂家、不同类型终端设备的接口协议存在差异；一些重要的终端信息通过4G/5G 无线传输，信息传输的时效性与安全性无法得到保证；台区新型电力系统在终端选址定容的过程中，容易出现少配、错配及冗余配置的情况；有些终端设备无法实现远程通信与控制，需要增加额外的改造成本；建成的台区储能系统还需人为参与运行、维护，有些升级、更新业务需到现场完成，不仅增加大量的人力、资源浪费，而且不利于规模化台区级新型电力系统的集约化、智能化管理。

3.3 核心设备

台区级新型电力系统在风光互补发电系统、一体化储能系统、直流充电桩（堆）、能量协调控制与管理、数据接入与可视化、业务协同管控等软硬件设施，一方面需要具备单台套设备的高运行效率与先进性；另一方面，需要具备多终端集成后的系统协作能力。然而，现有台区新型电力系统的核心设备受技术条件、集成约束、场地限制、业主需求变化等限制，在实施的过程中暴露了许多问题，如一体化储能系统的功率/容量按照标准化产品进行设计，导致在标准化产品基础上增加或减少一定的配置比例会变得非常困难；台区级新型电力系统配套的风光发电设备受到场地限制（如风机周边的高楼或大树影响其发电效率、屋顶光伏因承重能力与场地面积导致容量配置比降低）等。

3.4 典型业务

相比于传统台区系统的变配电功能，新型台区电力系统增加了风光新能源消纳、储能系统的调节与控制、充电桩管理与运营、负荷削峰填谷、紧急备用电源、电压与频率调节等业务应用。然而，对标现有台区系统以容量费、电费价差、光伏发电上网为主的盈利模式，无法覆盖台区新型电力系统的业务范围，也难以调动终端用户批量开展台区新型电力系统建设与推广的积极性。同时，一些新增业务功能的贡献无法通过定量的方式进行评价。如储能系统通过合理充放电缓解变压器重过载，由此产生的减少配电设施投资、降低变配电事故风险等不能兑现，风光新能源就地利用与消纳的补贴政策难以享受，以及储能系统对上级10kV 电网支撑、配电末端供电质量改善的效果无法较好地体现。此外，一些新旧业务在融合与相互适应方面还存在较大的不确定性。

3.5 体制机制

台区新型电力系统的规划建设与试点示范正处于起步阶段，有许多体制机制方面的问题还在讨论、完善的过程中。如台区新型电力系统的标准化建设、数据接入与展示规范、碳排放计量与碳减排贡献等。在台区新型电力系统标准化建设方面，国家、行业团体等尚未出台专门针对台区配储能、风光新能源接入、充电桩运营管理的标准，只能参考已有其他相关标准的部分内容，但内容相关部分与台区新型电力系统的规模化建设与发展存在诸多不匹配、不协调的问题。在数据接入与展示的规范性方面，若采用外网接入、传输与展示虽然会存在数据完全与业务风险问题，但是能够为更多优秀企业参与这方面的研究与建设提供机会；如果考虑采用内网接入、传输与展示，一方面也会涉及数据接入风险与网络安全问题，另一方面采用专用内网会造成资源壁垒，一些优秀的数据接入、传输与展示领域的优秀企业就会被排斥在外。

4 解决的对策

4.1 分层递阶架构模式

台区新型电力系统是分部建设、分级管理的局域性综合能源系统，其架构可以分为就地设备层、网络通信层、数据中台层、业务应用层，层级之间实现业务的衔接与匹配。具体而言，在就地设备层构建台区、一体化储能系统、交/直流充电桩、风力发电机、光伏发电系统、常规负荷在内的“源—网—荷—储—充”系统，形成接口协议适配、功能作用互补的终端物联系统；在网络通信层，利用光纤通信、4G/5G 通信、专用网通信等方式，对实时采集的数据信息进行分别接入、分类汇总，并对汇总后的信息快速、精准地上传到数据库或数据中台；在数据中台层，对接入的数据进行加工、处理，形成可以直接调用或展示的业务场景数据；在业务应用层，根据台区新型电力系统新旧业务需求，从数据中台调取相关数据，经加工处理后形成业务结果的数据进行业务支撑及可视化展示。

4.2 云边协同关键技术

台区新型电力系统相比于传统台区系统，接入设备更多、节点关系更复杂、业务更新迭代加快。为了适应这些需求，需要构建云边协同技术体系，实现不同层面、多业务的支撑能力。具体而言，在边缘侧具备各终端关键数据高频采样、择需传送、加工处理、协调控制的能力，即能够及时准确地采集风、光、储、充关键数据，按照统一要求的格式、顺序传输到边缘协调与控制终端，经过对这些信息的快速处理，形成信息上传与指令下达的依据；在云端，部署高复杂业务数据分类与业务支撑的存储器、处理器，开发并定期更新相应的模型、算法，基于边缘侧上传或设备直接上传的数据进行处理，并对处理的结果进行指令下达或可视化展示。

同时，云端还肩负模型、算法训练与更新的重任，基于终端布局及业务需求变化及时调整算法与策略，并将更新后的算法与策略进行下沉，在边缘侧置换已有策略或部署新增策略。通过云边协同与不断更新迭代，逐步开发同时满足终端变化与业务需求的模型、算法、策略，并在应用中及时完善，具备远程部署、更新、升级能力。

4.3 高效适配装备体系

新能源领域现有的电池管理系统BMS、储能变流器PCS、协调控制器CCS、能量管理系统EMS已经在电源侧、电网侧、用户侧不同应用场景中进入试点示范或推广应用阶段。但是专门针对台区新型电力系统的这些装备研发还处于起步阶段，在应用容量、规模、协议、业务支撑能力方面均存在差别。因此，需要在综合考虑台区典型应用场景及其需求的基础上，开发、研制适用于台区新型电力系统内源网荷储充安全接入、便捷传输、协同控制以及完美展示的装备体系，并在装备组态、适配、协同方面不断挖潜增效。如在研制一体化储能系统中，需要充分考虑台区容量大小、过载能力的需求，同时开发多款功率/容量的装备供用户选择，并提升不同装备的现场组网接入、协调控制能力；在研制台区能量协调控制与管理系统中，既要考虑现有源网荷储充终端的接入能力，还要预留足够的接口、空间为后续系统扩容、新装备接入做好准备。

4.4 新旧业务融合方案

无论从技术开发、运营管理，还是各类增值服务的角度上讲，台区新型电力系统的业务面更广、业务复杂度更大，面临的首要问题是如何处理好新旧业务融合。需要从技术、管理、政策多个层面进行创新与尝试，据此探索出稳健的长效机制。从技术的角度上讲，需要支撑台区新型电力系统，一是贯通风光新能源“就地利用、就近消纳”“优先自用、余电上网”的实现路径；二是具备储能系统功率调节、削峰填谷、备用电源、调压稳频能力；三是具备充电桩状态指示、路径导引、费用结算、车网互动等运营与管理能力；四是具备风光储充联合调控支撑台区缓解重过载能力。

在管理层面，需要建立和完善专门针对台区新型电力系统业务的组织机构、管理制度、运营规则及风险防范机制，多措并举提升台区新型管理系统业务开展的效率与效益。在政策层面，积极争取并制定符合批量化台区新型电力系统建设、运维的机制与政策，鼓励有建设条件和需求的企业主动投入到台区新型电力系统，并在运营过程中获得持续、长久的盈利空间。

4.5 完善专用体制机制

台区级新型电力系统现处于探索和试点阶段，在架构、技术、装备、业务模式等方面上不完善。本着“试点先行 经验指导”原则，前期构建面向不同业务场景的试点示范区，从技术、管理、规范多个层面进行尝试探索、去繁留精，形成具备复制推广条件的典型经验和有益做法；中期在试点示范、经验总结的基础上，进行分区分类、重点推广，逐步扩大示范的规模、范围，充分暴露规模化推广过程中面临的各类不适应，为进一步改善及更大规模的推广奠定基础；后期基于试点示范及规模化示范的成果积累、经验教训，从制度、标准、规范等方面进行总结，指导批量化台区新型电力系统的有序建设与规范运营。同时，在试点示范阶段建立完备的预警纠偏、奖励激励机制，鼓励单位、个人进行创新，根据创新成果及贡献大小建立奖励激励的长效机制。

5 结语

本文在对风光新能源发电、新型电力系统、台区级新型电力系统基本概念进行系统阐述的基础上，介绍了积累典型的台区新型电力系统应用场景。同时，指出台区新型电力系统面临的多个问题，并从分层递阶架构模式、云边协同关键技术、高效适配装备体系、新旧业务融合方案、完善专用体制机制等多个方面提出对策建议。在今后的研究中，将详细剖析台区新型电力系统的架构设计，尤其对风光储充终端数据采集、传输、处理、可视化进行详细介绍。本文的研究成果不仅对台区级新型电力系统进行系统阐述，而且为更多该类系统的建设与运用提供借鉴参考。