“双碳”目标下未来配电网构建思考与展望

冀肖彤,杨东俊,方仍存,雷何 ,查晓明,孙建军

(1. 国网湖北省电力有限公司,武汉市 430077;2.水火电和新能源资源优化配置与规划技术实验室(国网湖北省电力有限公司经济技术研究院),武汉市 430077;3. 武汉大学电气与自动化学院,武汉市 430072)

0 引 言

2021年11月14日,《联合国气候变化框架公约》第26次缔约方大会(COP26)形成了《格拉斯哥气候协议》,意味着《巴黎协定》真正进入实施阶段[1]。当前我国是世界上排放二氧化碳最多的国家,电力行业是碳排放量最大的行业,其单位供电碳排放为600 g/kWh左右[2],至少需要以(10 g/kWh)/年左右的下降速度才能完成“双碳”目标[3]。2021年3月15日,习近平总书记在中央财经委员会第九次会议上提出构建新型电力系统。

构建新型电力系统对实现“双碳”目标至关重要,对新型电力系统构建路径及其演变的探索则是重中之重[4]。在电力系统转型路径主要措施中,各国积极构建分布式能源网络,通过屋顶光伏、分散式风电、储能和微网建设,来满足终端用户对冷、热、电的用能需求,实现分布式能源的高效利用[5]。

微电网能促进分布式电源就地开发利用,国家“十四五”规划纲要能源篇提出要加快电网基础设施智能化改造和智能微电网建设,提高电力系统互补互济和智能调节能力[6]。国家电网有限公司“碳达峰、碳中和”行动方案提出支持分布式电源和微电网发展[7];对于未来电网发展形态,应是“集中式生产、远距离传输”的大电网与分布式微电网的有机结合[8]。微电网通过集成各种形式分布式发电、负荷、储能等设备,对外“友好”且调控灵活,可并网或离网运行,能提高可再生能源的利用效率,优化配电网运行模式[9-12]。

微能网作为能源互联网的重要组成形式,集成了风、光、气等多种能源输入和热、电、冷等多种产品输出[13-14],并综合考虑了各种能源之间的有机组合与集成优化;可将“冷热气电”综合高效利用,从而实现能源清洁、“零碳”甚至“负碳”消费与经济协调发展[15-16]。微能网较微电网有更多的能量调配方式,能够提供更加多样化的调节手段和调节方案,从而更好地实现能源、环境和经济的协调发展,将是实现“双碳”目标和可持续发展的能源系统基本形态[17]。

为积极稳妥推进碳达峰、碳中和,推动能源清洁低碳高效利用,《新型电力系统蓝皮书》提出依托电力系统设备设施、运行控制等各类技术以及“云大物移智链”等数字技术的创新升级,推动电网向能源互联网升级。在电网向能源互联网演进过程中,作为能源生产与能源消费之间的关键环节,配电网的网络形态和功能作用正在逐步转变升级,承接配送上级电网电力、灵活接入各类分布式能源,并通过电、气、热网能量流交互实现多种能源形式的互联互通互补,实现多类型负荷灵活便捷接入和互动,一般将其称为“区域能源互联网”并作为配电网发展的高级形态[18]。

融合多元能源、实现供需互动的能源互联网是未来配电系统架构及格局的主要特征,探索相应的配电网结构和运行模式是研究未来配电网的基础和核心[19]。本文针对“双碳”目标对配电网形态和功能提出的新要求,对基于智慧互联微能网的未来配电网发展路径进行了探讨。首先,总结分析了传统配电网到主动配电网、再到未来低碳配电网的配电网发展形态演变路线。其次,根据配电网“源网荷储”协调互动需求,提出了一种自下而上的未来配电网组网方式,分析了微能网优化构建、微能网互联互动、微能网与配电网灵活交互三个层级的构建思路,构想了一种面向智慧互联微能网的原子型未来配电网组网形态。最后,围绕不同角度对未来配电网构建关键技术研究方向进行了展望。

1 配电网演进形态与对比分析

结合“双碳”目标,基于形态特征、调控方式、适应背景等对比分析了配电网的发展演变路径,将配电网发展划分为三个阶段,分别是传统配电网、主动配电网[20]和未来低碳配电网[21]。

1.1 传统配电网

传统配电网在结构形态上具有单向辐射状特征,以上级变电站为电源,自身网络为线路,用户为负荷,“源网荷”的角色定位明确且固定。传统配电网的调节能力较为缺乏,调节的主要方式为调节变压器的分接头、串并容量固定的无功补偿电容器,或通过调节联络开关实现网络重构[22]。在规划设计上,传统配电网采用“闭环设计,开环运行”的设计方法[23-24],只能被动接受上级电网注入的功率来实现电能平衡[25]。在信息共享上,传统配电网的数据采集和监测设备相对缺乏,各供电区域基本属于信息孤岛[26]。在电力交易方式上较为单一,即用户向供电公司购电的消费模式。上述特征导致传统配电网难以适应高渗透率的分布式光伏、风电等分布式电源接入[27]。

1.2 主动配电网

主动配电网的概念最早于2008年在国际大电网会议被提出,与传统配电网相比,主动配电网强调配电网的主动调节能力[28]。在形态结构上,主动配电网保留了传统配电网的辐射状特征,但在网络中出现了分布式新能源和电力电子调控设备等新元素[29]。在规划设计方面,主动配电网通过合理规划新能源和电力电子装置的接入位置[30-31],可使配电网在改善供电品质方面具有更多手段。在调控手段方面,可控负荷的出现使得配电网和用户之间的交互不再是配电网根据用户负荷变化进行调节的单向交互,而是源网荷之间的双向互动[32-33],进一步增强了配电网的主动调节能力,使其在电能需求上具有一定程度的自给自足能力,从而呈现一定的“自平衡”态势。在电力交易方面,电量来源增加了新能源就地消纳,但在交易上仍由电网公司主导,用户新能源发电主要采取“自发自用,余量上网”的运营方式[34-37]。

但受限于分布式新能源与可控负荷的渗透率不足、交易机制不完善、配电网网架灵活性缺乏等问题,主动配电网无法实现大范围自平衡与能源低碳高效使用。

1.3 未来低碳配电网

随着大量储能装置、电动汽车、微电网、微能网和微电/能网群出现在配电网中[38],配电网主体更加多元化。未来低碳配电网应具有自平衡能力,同时能实现各类能源高效低碳利用。在形态结构上,未来低碳配电网可实现电网、热网和天然气网等多种网络的耦合互联,具备更多的可调度资源,从而实现新能源的高比例消纳甚至是完全消纳[38-40]。同时为实现能源就地平衡,未来低碳配电网中能源生产和消费主体将逐渐转变成各微网和微网群,配电网连接的大电网在实际运行中转变为提供电能备用的辅助服务提供商。在规划设计方面,由于配电网潮流的双向随机性以及“冷-热-电”等多种用能的就地平衡模式,未来低碳配电网不适合采用自上而下的规划模式。在调控手段方面,未来低碳配电网将更多地依赖灵活的电力电子装置与各种智能算法,从而提高配电网潮流调控的自然化。在电力交易方面,未来电力交易市场将实现电能市场与碳市场的深度融合,促进能源以零碳甚至负碳的方式生产与消费[41]。

综上,为实现多能混合互联、高效低碳使用,应围绕配电网拓扑形态、设计方法、调控策略、交易模式等方面,对未来配电网的构建路径和组网形态开展深入研究。

2 面向微能网的未来配电网组网形态构建路径

2.1 微能网定义

微能网是冷-热-电-气深度耦合的微型能源互联网,满足“冷、热、电、气”等多种用能需求,实现能源的高效低碳甚至零碳生产消费与使用[42-44]。其中,电网可采用交直流混合模式,以灵活调控设备为核心,实现能源的生产、变换、传输与使用,在保持电力电量平衡的同时,还要保证其他形式能源的供需平衡[45-47]。典型的微能网如图1所示。

图1 微能网构建示意图Fig.1 Schematic diagram of micro energy network construction

微能网的主要技术特征体现在以下几方面:

1)多能互补与高效利用:以电能为核心,多种能源智慧互联,在电能市场、碳市场等多种市场交易机制协同下,实现广域的多能互补与高效利用目标。因此微能网不仅面对电力网的潮流调控,还需考虑“冷-热-气-电”等多种形式用能调度问题,协调优化更加复杂,需考虑多能量耦合枢纽或联供系统模型[48-49]。

2)电力电量平衡控制复杂:“双碳”目标下,能源使用将更多地采用具有强随机与高波动特征的新能源[50],与此同时,电动汽车时空接入随机性与充储电站充放电随机性复杂、负荷用电模式多变,导致微能网电力平衡控制难度增大[51]。

3)电力电子化程度高:风、光等各种形式的能源以及储能、电动汽车和可控负荷需要电力电子装置进行电能变换,因此微能网电力电子化程度极高[52]。由此带来系统动态响应时间尺度分布广,稳定机理复杂,在微能网的构建过程中需考虑电力电子交互作用,对微能网的构建方法与运行调控策略提出了更高的要求[53]。

4)能量交易模式复杂:在电能交易市场、碳排放权交易市场与辅助市场相耦合作用下,微能网内外将呈现多主体平等参与、市场交易机制复杂的特征[54-55]。复杂的能量交易模式同时也给异质互补性资源的统筹协调、高效的结算出清规则制定带来挑战。

2.2 微能网灵活互联模式

微能网灵活互联可以提高能源利用效率,保障用能安全。通常以电力网互联为主,一般可分为刚性互联与柔性互联。

刚性互联指微能网之间直接通过母线形成互联,有并联型、串联型、混合型等方式,一般采用交直流方式直接互联[56],如图2所示。各微能网中的电力网的电压频率相位相同,通过隔离开关与公共交流母线实现互联,并且通过隔离开关控制策略实现微能网群串并联运行灵活转换。采取直接互联结构的微能网群系统虽然成本低,系统架构与运行控制简单,但该系统缺乏潮流调控能力以及故障隔离能力。

图2 典型刚性互联结构示意图Fig.2 Schematic diagram of typical rigid interconnection structure

柔性互联指微能网间通过具有能量调控的电力电子装置进行互联,如图3所示。柔性互联具有单端口柔性直流互联、单端口柔性交直流互联、多端口柔性直流互联等方式。单端口柔性直流互联是指各微能网仅有一个端口通过柔性互联装置与其他微能网进行互联,且柔性互联装置之间通过直流母线进行能量传输;单端口柔性交直流混合互联是指各微能网与相邻的微能网进行电能交换,交换节点可以是交流母线也可以是直流母线;多端口柔性直流互联方式是指各微能网不仅可以与其他微能网实现柔性互联,同时还具有一个交流端口,通过交流母线与上级配电网连接[57]。对于高比例新能源接入、高比例电力电子装置接入的微能网,利用柔性互联装置实现微能网之间的互联互动,可以优化微能网之间的能量调度、自主控制、运行稳定等[58-59]。

图3 典型柔性互联结构示意图Fig.3 Schematic diagram of typical flexible interconnection structure

2.3 面向微能网的自下而上未来配电网构建

当前,有学者提出了多种配电网发展形态,如根据微电网与微电网群类似生物学中细胞与组织的关系,提出细胞组织状的组网方式,阐释了微电网与微电网群的形态架构与能量调度关系[43];也有学者提出蜂巢状组网方式可作为未来配电网的组网形态[48],该类组网方式具有点对点能量传输控制能力;此外,还有直流微电网[60]、综合能源网[61]和能源互联微电网[62]等。总的来看,传统的配电网典型组网模式是按照自上而下的思路进行设计,难以解决未来场景下分布式电源大量接入配电网带来的就地消纳困难、潮流反向等问题。

相比以上基于微电网的组网方式,微能网利用多能互补实现自身灵活调节,对未来配电网甚至大电网的形态影响是不言而喻的。自下而上的构建思路如图4所示:首先从用户层面对用能需求进行精准分析,以低碳、经济为目标,基于各种能源相关交易规则开展多能互补的协同规划;其次从用能负荷自身互补特性角度,开展负荷聚类与微能网构建,实现能源综合高效低碳使用。为提高微能网安全性、可靠性,微能网可因地制宜采取灵活的互联方式进行互联,并在一定的机制和模式下进行互动;进一步,高渗透率可再生能源接入模式下配电网负荷变化将更加灵活多变,传统变电站投切式调控手段以及信息化调度架构无法应对,需要通过电力电子化装置、实时化通信等改进手段,提高变电站对潮流调控的灵活水平。当变电站经过以上技术提升后,实际上就成为了一种广义的能源路由器,或可称为智慧变电站,此时大电网的构建也将围绕多能系统时空平衡目标进行[62-64]。

图4 自下而上的未来配电网构建思路Fig.4 Bottom-up idea of future distribution network construction

根据自下而上的构建思路,未来配电网将具有类似原子的结构。如图5所示,智慧变电站作为原子核,利用各种灵活调控手段类比化学键作用,将外围的多种形式微能网“束缚”。每个微能网(群)可以根据自身源荷特性以及互联需求,选择与邻近的若干个变电站节点互联互动,而每个变电站节点也可以选择与若干个微能网(群)互联互通,从而实现灵活组网,提升区域电网的自平衡能力以及可扩展性。

图5 原子型未来配电网组网形态示意图Fig.5 Schematic diagram of atomic future distribution network configuration

由于微能网具有自平衡能力,且以可再生能源为主,微能网与配电网之间的能量交互是少量、随机的,与传统配电网“自上而下”的模式完全不同,但配电网与微能网之间的联系更紧密。原子型未来配电网组网形态是以智慧变电站为核心,以电能为纽带,实现一定范围内多种用能形式充分互动,进而提高整个配电网的灵活性与安全性,确保“双碳”目标的达成[65-66]。

在实现路径上,配电网作为微能网(群)的核心,基于风、光、燃气轮机等不同供能形式,利用电热(冷)、电气热(冷)等进行能源转换,通过能量路由器、电力电子变压器、柔性联络开关等装备满足多种能源即插即用,结合多时间尺度的电储能、热储能以及需求响应调节,实现能源网架的多能互补和耦合互联。通过能源网架和通信网络深入融合,实现电-气-热(冷)不同能量流之间以及源网荷储电力流之间的融合互动,促进分布式能源多主体间交易,提升能源资源配置能力。与传统配电网相比,通过能源转换和互联互通,可促进可再生能源就地消纳,提升能源综合利用效率。

3 未来配电网构建关键技术展望

能源互联网是能源未来发展的方向,是推动能源转型的重要手段。能源互联网规划遵循“源网荷储协同互动、电热冷气多能互补、能源信息深度融合”的总体原则[67],以实现能源整体利用效率最优。

配电网是能源互联网的重要组成部分,在能源网和信息网的支撑下,其规划设计、运行控制及信息交互需与能源互联网的总体架构相协调[68]。因此,以微能网为单元构建的未来配电网在规划设计、运行控制及市场运营等方面存在诸多新的研究方向,具体如图6所示。

图6 基于微能网的未来配电网构建关键技术Fig.6 Key technologies for future distribution network construction based on micro energy network

3.1 规划设计技术

在场景建立方面,需要通过假设、预测、模拟等手段生成未来低碳或零碳情景。如何描述和聚合大量分布式、随机性源荷功率变化,将直接影响配电网调控资源的规划与运行方案的经济性和有效性。可从大数据挖掘角度,分析数据样本的规律与物理关系,开展分布式电源、电动汽车、可控负荷等源荷建模方法研究;可从历史监测数据样本集或概率分布曲线中提取出适用于未来配电网特征评估的多维典型场景集[69];也可基于对抗网络的数据增强算法和迁移学习方法丰富样本,再借助马尔可夫链模型、高斯混合模型或伊藤模型分析描述新能源随机性的概率分布、空间相关性、时序相关性等,进而建立功率波动时空分布概率模型[70]。

在优化分析方法方面,需要分析不同情景对目标产生的影响,进而优化各类指标。未来低碳配电网将包含“源网荷储”在内的整体形态,以碳中和为驱动的未来低碳配电网的优化目标、评价指标体系发生了变化[71-72]。由于源荷功率变化具有明显的连续、时序相关等特性,且新型电力电子设备的调控时间尺度越来越精细,传统离散、有限输入场景下的系统优化分析已难以适用,宜将系统输入变量看成随机过程开展系统优化分析。除了常见的配电网优化目标函数,如新能源消纳率[73]、发电成本[74]、综合成本[75]、频率与电压偏移[76]等,还应考虑“碳约束”和“电约束”之间的强耦合关系,从而在配电网优化模型中充分考虑碳排放约束;应以碳中和为目标,建立起若干局域自治单元,采用考虑功率波动时空分布概率模型的分布式鲁棒优化方法[77-78],并从计算时间、收敛速度和目标函数值等方面不断优化算法。现有关于配电网运行优化的研究中,由于柔性电力电子设备的引入,所建立的运行分析优化模型同时含有离散变量和连续变量,配电网优化运行常用的求解方法除传统的优化解法外,启发式算法因其普遍适用性得到了较多的应用。

在协同规划方面,需要综合考虑能源供给和用能需求,实现多能协同供应和能源综合梯级利用。微能网构建不仅应考虑内部源网荷储优化配置及网架设备规划,如可再生能源规划、储能规划和电动汽车充换电设施布局规划等,还应充分考虑可再生能源的随机性与间歇性带来的风险,以碳中和为目标形成各个微能网的局域自治模块,考虑多个微能网之间的规划构建,实现更大范围内的能源互补与负荷互动,为“自治-互联”的配电网构建模式新格局奠定基础。

3.2 运行控制技术

在运行模式方面,微能网可作为一个具备独立运行能力的单元,实现内部能源供需平衡,也可使多个微能网互联或直接与用户互联。在满足安全稳定要求的前提下宜采用刚性和柔性混合方式互联,并开展面向多主体混联系统的可靠性、稳定控制等评估分析方法研究,促进新能源消纳和提高系统新能源可容纳总量,优化电能质量[79];需要充分挖掘每个微能网自身的特性,定义综合性指标[80],利用社区挖掘等算法对微能网进行分区分类,最后优化求解确定微能网对外的连接方式、柔性互联装置的拓扑结构、安装位置与容量等[81-82]。此外,还应该设计满足供电可靠的柔性互联装置与配电网保护设备的配合原则[83],确定不同保护优先级、定值与时序的整定配合原则[84-86]。

在稳定性分析方面,应关注随机电磁尺度扰动建模、传播特性及引发的多电力电子设备暂态交互特性[87],厘清配电网暂态下不同尺度、相同尺度、离散与连续调控手段之间交互作用机理,采取协调控制和运行手段维持系统平衡和稳定。建立适用不同频带的单相逆变器阻抗模型和逆变器群的多输入多输出模型[88];分析逆变器交互谐振/振荡特性与逆变器类型及数量、逆变器结构控制参数及电网参数之间的关系[89];研究微能网中逆变器交互作用分析统一模型、基于哈密顿作用量的逆变器同调等值判据及参数聚合方法,研究孤岛模式下多逆变器稳定性判据及交互作用抑制策略[90]。

3.3 市场运营技术

为促进分布式能源就近高效利用,支撑源网荷储各参与对象间的协调互动和能源交易,需不断探索深化各类商业运营模式及市场交易机制。

在需求侧响应机制方面,现有的基于价格和基于激励的需求侧响应方法在配合碳中和目标、解决供需失衡问题和提升系统可靠性等方面仍存在不足。微能网制定响应策略时需要考虑包括工业用户、商业用户、居民用户、新能源汽车用户、储能服务商和新能源服务商等在内的多元用户响应之间的差异性与协同性[91],需要对整个微能网或者微能网群内的多元用户进行分类,然后分别建立相应的响应模型;此外还需要考虑不同用户响应之间的相互影响,通常采用线性模型描述并根据相关系数进行分类[92-93]。

在市场交易机制方面,目前微电网用户的电能交易仍采取传统“定价入网、统一销售”的机制,产消者无法自主选择交易对象以降低电费或增加收益,因此催生出制定更加灵活的电能交易机制需求,在市场模式、市场监管、市场价格制定、调度机构与交易机构协调分工等方面需要进一步探索[94]。针对基于微能网的电力市场交易机制,需要综合考虑市场形态和应用技术对电力交易的影响,耦合电能交易市场、碳市场与辅助市场[95]。技术上可通过区块链技术构建去中心化的分布式电能交易系统框架,建立具有保障用户利益和优化电源分配的多阶段混合拍卖的分布式电能交易机制[96-97];可利用配电网的分布式调频资源,基于区块链构建分布式调频系统市场,也可对分布式调频资源的惯性定价丰富市场交易种类[98-99]。

4 结 论

随着能源供应向着清洁、低碳、电气化方向转型,同时受国家政策的引导作用、科技进步的推动作用和用户需求的拉动作用,支持大量分布式可再生能源接入和多元用户互动将成为未来配电网发展的新特点。本文首先总结对比分析了配电网发展形态演变路径,梳理了各阶段配电网的主要技术特征。考虑到未来配电网的自平衡需求,提出了一种基于“微能网-微能网群-配电网”自下而上构建的未来配电网组网方式,构想了一种基于智慧互联微能网的原子型未来配电网组网形态。

未来配电网在“双高”特征影响下,为实现零碳配电网的终极形态,需要对各个能实现就地消纳的微能网进行智慧互联,形成复杂的网状、交叉结构,使得各个微能网之间可以根据自身分布式能源、负荷特性等指标进行有选择性地优化互联互动。最终,未来配电网将会是高压变电站与微能网群的网状复杂结合体。新型网络形态与关键技术能否应用至未来配电网取决于技术可行性和经济性,本文针对基于智慧互联微能网的未来配电网发展路径与形态演化进行了讨论和说明,旨在提供一种新的思考路径。