新型电力系统的分布式光伏发展与消纳

国网浙江杭州市萧山区供电有限公司 张稼睿 孔锋峰 朱苑祺 应 莺

在分布式光伏接入配电网的技术日趋成熟的情况下，进行配电网的可靠性设计时，不仅要将常规的装备纳入其中，还要将分布式光伏纳入其中。从经济与可靠两个方面出发，构建考虑可靠性代价的最优目标函数，实现含配电网络资源(线路、变电站、变压器)与含风电、太阳能的分布式能源(光伏)的协调调度。

1 分布式电源的类型

1.1 光伏发电

光电转换技术是一种利用太阳辐射产生的新的能源技术，如图1所示。太阳能电池板利用新型的光电转换技术，能够将太阳能转换为电力并供应电力系统。太阳能电池作为一种清洁、可选择的能源，已被广泛应用于电力系统中。

图1 新型电力系统概念图

1.2 风力发电

其工作机理为：在大自然中，大风刮起时，将引起叶片转动，从而形成机械能，并经传输系统驱动发电机发电，从而完成由风能到电能的转换。风电作为一种低成本、无污染的能源，有着广泛的应用前景。

1.3 燃料电池

所谓的“燃料”，其实就是一种非常规的“燃料”方式，在电池内部发生的化学反应中，将化学能转换成电力。由于其对环境污染小，设备简单等特点，在发电领域中备受重视[1]。

2 新型电力系统的分布式光伏发展难题

2.1 配电网面临结构性难题

随着新能源、电动汽车、可调非制冷空调等交互装置的大量并网，配电系统运行与管理出现了新的变革与挑战。配电网络的主要特性发生了很大的改变。目前，我国配电网络中存在许多具有非线性特征的电气转换装置，这些装置存在着过流、抗干扰、惯性支持等问题，而传统的阻抗、频率、功角、故障电流等特征，在这种新的体系结构下发生了明显的改变。配电网络的运行管理变得更加困难。目前，由于新能源装置与配网之间缺乏自动同步、调频调压和保护协同等功能，使配网中的供求关系发生了变化，也使配网中的电力转换装置数量众多，且其运行状态难以感知，系统关联性差。配电网络中的干扰与约束是不可忽略的。大规模的分布式光伏并网给配电系统带来了严重的安全性和稳定性问题。在一些区域，家庭平均配电网容量较少，有些区域仅为3kV，很难确保DV 的全部消纳与稳定。配电网的源、网、荷、储之间的互动和友好。当前配电网核心设备匮乏，且缺少可持续发展能力与恢复能力，致使大规模分布式发电、蓄能设备并网后，源网荷储交互作用尚未实现“友好”。

2.2 传统电网运营体系已不适应

目前，我国电网的规划、建设、供电和市场反应等运行机制已无法适应我国电网建设的要求体现在以下方面。一是接受性不和谐。DV 与电力系统的产权不一致，建设周期不一致，局部地区的网架较弱，电力系统的结构很难在短期内适应 DV大规模并网和大规模的电力系统的需求，造成了许多不可控的风险。二是供应和需求都很不稳定。由于大规模的分布式发电系统普遍处于“弱调度”甚至“无调度”状态，因此，建立一套贯穿于“发—供用”各环节的协调与调控系统需要很长时间。三是负载峰谷分明。农业灌溉和烟草等受时令和受气候波动等因素的影响，导致太阳能电池对电力负载的承载力不足。四是建立中长期储蓄库，以及战略性储备，是一个漫长的过程。费用之间的联系不一致。目前，为消纳用电带来的电网各个阶段的建设运行费用与社会各方对降费的强烈要求存在较大的冲突，未来的DG 市场交易模式需要综合考量供需双方在安全、环保、稳定等方面的费用波动与冲突疏导[2]。

3 新型电力系统中分布式电源的发展

3.1 分布式能源集群控制

依靠当前技术水平，大规模的分布式电源很难在具有复杂运算能力的情况下，对其进行集中、统一的调度，而分布式电源的输出功率剧烈的波动，使整个配网的协同、最优调度面临着巨大的挑战。目前，通过将分散接入的分布式电源按照地域分组聚集，将其最优调度目标提升到全局簇水平，然后在簇内协调机构的指导下，建立簇内分布式电源的动态等效数学模型，从而达到簇内协同调度。随着电网互联技术的发展，基于多 Agent 的分布式群集控制体系结构的研究变得越来越困难。并联点量测由分簇协调程序完成，并产生分簇控制对象。在电力物联用的无线专用网络中，利用与各个代理之间的广播通信，将输出的控制信号和输入的反馈信号进行安全可靠的传输，而各个邻近代理之间的互动则是由边界计算来实现的。本项目拟通过对多个簇内的分布式能量进行互联感应和调控，实现光伏、风电、储能等多个资源等效融合的精确建模和调度任务的精确配置，并通过交叉方向乘子等分布式优化方法实现对多个簇内多个分布式能量的有效实时调控。本项目提出的这种新型的分布式控制框架，可以降低系统的通信负担，提高响应速度，降低错误的影响。

3.2 分布式光伏净负荷预测

在新能源发电体系中，“源网荷储”体系是必不可少的，其中，“源网荷储”体系中的一个核心环节，通过对其进行分析，可以有效地提高新能源发电的效率，降低化石能源的用量，降低其所占比例、对环境的污染，以及其碳排放量。在新能源电力体系中，对其进行有效的控制，提高其运行效率，降低其能耗、温室气体的释放，提高经济效益，降低二氧化碳排放量。在新能源电网中，其净负荷的预测是一种非常有效的手段，基本原理就是对其进行精确的、动态变化的、新能源的接入，使其在整个电网中的应用变得日益重要，同时，由于新能源的大量涌入，以及新能源的引入，其在一定程度上提高了其在整个电力体系中的应用价值，因而，其在各方面的应用也变得非常重要[3]。

3.3 储能资源管理系统及参与需求响应

由于DRAM 中各个存储设备的相互隔离，使其在某种意义上存在着大量的冗余，从而对DRAM的配置产生了负面的影响，因此，必须对DRAM中的存储设备进行最优配置，将DRAM 转化为存储设备，并利用该设备构建一个系统平台，实现对用户端存储设备的一体化管理。在此背景下，本文拟构建一个基于能量互联的大容量、高效率的用户端大容量储能应用体系。断续成长需求。在此基础上，设计储能调控方案，实现对储能单元充放电过程的调控。用户端的能量存储资源管理与可调节的负载集中控制系统之间的网络数据通信，并采用数据加密的方式来保证数据的安全;在此基础上，采用网络技术，对下级的用户采集控制终端和顾客端的存储设备进行数据交换。通过对用户端存储资源的“捆绑”和“松绑”的方式，实现了资源的集约、高效和可视化的利用和调节。在此基础上，综合考虑实时电价和峰谷价差等多种影响，通过对新能源发电和客户侧可调负载的协同调控，挖掘新能源发电的作用，实现新能源的安全可靠的并网和有效的消纳，以适应不断变化的新能源的快速发展，为新能源的大规模、多层次、多层次的快速发展提供理论指导和技术支撑。

4 新型电力系统建设的思路和举措

4.1 转变发展与治理思维

在大规模发展的大环境下，建设新型电力系统，亟须改变思路。坚持战略性思考，做好新型电力系统建设的总体规划工作。将新型电力系统建设视为一场全面且深入的系统性变革，一场推动能源电力工业升级，指导地方产业结构调整，推动区域协调发展，培养公众的绿色生产生活方式，提高创新、协同治理与服务能力的变革。坚持“破局性”的思想，做好电网的建设工作。在重新构建电力系统的时候，要认识到“以传统能源为主”和“电网容量严重不足”两个事实，坚守电网的运行和能量供给的两条基本原则，警惕过于急功近利，避免出现一次或二次风险。用双赢的思想，做好企业的社会责任。

4.2 技术治理与机制治理并进

建立一种新的电力体系，需要在技术层面和机理层面上对原有电力生产、传输和消费环节中的非适应性环节进行有效的管理。在技术管理方面，主要有：加大调整力度，建立区域性的调峰、调频，多管齐下，提高源网、荷、储各个环节的灵活性；做好电网铺设，健全县级主配网和微网等各级网络架构，努力构建一个连通源网荷储各个环节的资源分配平台;在技术上，加快新能源云、微电网等新技术的研究与推广，努力加强科技支持。在机理性管理上，提出建立县级清洁能源消纳的长效管理办法，加强对县级清洁能源的规划和消纳方式的调整，加强了对县级清洁能源的管理；在新能源、电网、电力消费、储能等方面，健全技术与经营创新的激励体系；要构建有效的“推进+阻尼”正面效应，防止因混乱而产生的“冲动性+抵抗”负面效应；构建与未来市场化、法治化相适应的二者相结合的电力公司治理能力评估体系。在今后的电力市场中，要完善用电双方的价格制度，以最大限度地发掘和利用需求侧的资源，使市场在分配中起到决定性的作用。

4.3 注重各方的协作与联动

参与建设新型电力系统的各方应协同互动，构成一个完整的系统生态链。各职能部门应充当“指挥者”，强化对工程项目的规划导向，使工程项目的施工流程井然有序；电网公司是电网建设的“组织者”，应充分发挥其枢纽、核心环节和资源调配的平台作用，以其自身的优势，补齐电网的短板，铸牢电网的长板，稳固电网的基础；新能源要以“生产者”的身份，协调好电力系统中大小容量并存、集中与分散并存、在网离网运行并存等问题，最大限度地发挥电力系统的智慧与多元能量共生的作用；以用电为主，以“消费者”为主，打通用电与其他资源的协作，解决供求关系；而各种类型的厂商则成了“投资者”，他们将紧紧跟随着新一代电网的发展潮流，共同努力以维持长期稳定的投入。

5 结语

目前，我国对储能工程的示范和负载优化等方面的研究还仅限于对其运行特性的检验，存在数量较少、容量不高等问题，缺乏相关的实验数据。另外，作为电网中能源调控的重要手段，分布式光伏在促进新能源发展和降低碳排放方面也有很大的应用前景。由于分布式光伏具有投资小，见效快，收益高等优点，因此备受政府和公众的青睐。受补助逐年退坡的冲击，各地区出现了“赶政策”和“抢时间”的紧逼态势，致使起步阶段并未建立起完善的规划、论证和审批机制，开发过程中出现了混乱，行业分布也存在较大的随机性。分布式光伏发电等新能源的大量接入，将使“源随荷动”的电力系统的生产与运行格局发生根本性的变化，对电力行业的“管—供—用”关系及各环节的运作机制提出了新的要求。