孫康杰　王　經(jīng)　上海交通大學工程熱物理研究所

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智能電網(wǎng)技術在清潔能源中的應用現(xiàn)狀

孫康杰王經(jīng)上海交通大學工程熱物理研究所

摘要：從可再生能源利用現(xiàn)狀入手,重點分析了可再生能源與智能電網(wǎng)技術的發(fā)展情況，并以此為基礎，將智能電網(wǎng)技術引入清潔能源并網(wǎng)研究中，總結了基于智能電網(wǎng)技術的清潔能源并網(wǎng)控制方法和技術，探討了未來的發(fā)展方向。

關鍵詞：清潔能源；智能電網(wǎng)；并網(wǎng)

在世界各國,電力行業(yè)作為國民經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎產(chǎn)業(yè),其健康有序的發(fā)展是國民經(jīng)濟增長的基礎和保障。中國既是能源消費大國,同時又是能源生產(chǎn)大國,電力需求增速與國內生產(chǎn)總值的相關度,尤其是重工業(yè)的相關度較高。從我國各能源類型發(fā)電機組建設情況來看,火電比例從建國以來一直高居在70%以上,超過世界平均水平一倍,而其中燃煤發(fā)電又占到了80%以上，煤的開采和利用,會造成地質災害、運力緊張、環(huán)境惡劣等一系列問題,不利于電力工業(yè)的科學發(fā)展,也不利于整個社會的可持續(xù)發(fā)展。與此同時,以風電、水電、太陽能發(fā)電和其他新能源為代表的清潔能源發(fā)電裝機比例則是遠遠低于歐洲乃至世界平均水平。所謂清潔能源,是指環(huán)境污染物和CO2等溫室氣體零排放或者低排放的一次能源,主要包括天然氣、核能等其他新能源和太陽能、風能、生物質能、水能等可再生能源等。隨著化石資源的日近枯竭,廣泛存在的可再生能源以及清潔能源在能源結構調整中的作用正日益得到提升。歐美發(fā)達國家促進清潔能源技術不但在政策上有強制性的規(guī)定,還制定了目標明確的重大研究開發(fā)計劃,再配合稅收刺激、電價優(yōu)惠和綠色電價等多種多樣的經(jīng)濟激勵政策,以多種手段促進清潔能源的開發(fā)利用。

清潔能源的迅猛發(fā)展為緩解能源緊張、改善環(huán)境與氣候帶來了希望，然而其并入配電網(wǎng)后會給電力系統(tǒng)的監(jiān)控和管理帶來一系列技術上的挑戰(zhàn)。本文將針對清潔能源并網(wǎng)過程中亟待解決的熱點問題進行探討，提出促進清潔能源并網(wǎng)發(fā)電的措施，為我國科學開發(fā)利用清潔能源提供參考。

1　智能電網(wǎng)發(fā)展概述

智能電網(wǎng)（Smart Grid）是近年來美國和歐盟相繼提出的概念，智能電網(wǎng)是以先進的計算機、電子設備和高級元器件等為基礎,通過引入通信、自動控制和其他信息技術,從實現(xiàn)對電力網(wǎng)絡的改造,達到電力網(wǎng)絡更加經(jīng)濟、可靠、安全、環(huán)保這一根本目標。為了理解智能電網(wǎng),需要站在全局性的角度觀察問題,綜合考慮智能電網(wǎng)的維度即績效目標、性能特征、技術支撐和功能實現(xiàn)。智能電網(wǎng)的基本結構如圖1所示。電能在發(fā)電廠和用戶之間通過輸配電網(wǎng)雙向流動；同時，智能電網(wǎng)可接入并容納各種形式的新能源和清潔能源。

圖1　智能電網(wǎng)基本結構

智能電網(wǎng)是社會經(jīng)濟發(fā)展、電網(wǎng)技術和經(jīng)濟技術結合的產(chǎn)物。智能電網(wǎng)與其之前的電網(wǎng)發(fā)展階段的根本區(qū)別在于電網(wǎng)發(fā)展、電網(wǎng)技術與市場機制的結合更加緊密,以實現(xiàn)資源優(yōu)化、節(jié)能減排和環(huán)境保護等可持續(xù)發(fā)展為目標。具體來說，智能電網(wǎng)階段較之前的各個電網(wǎng)發(fā)展階段,對于電網(wǎng)自動化而言新增了價格信號。數(shù)字物理信號用于控制電網(wǎng)的運行,價格信號用于調節(jié)電力市場參與者各方的利益,兩者相互作用、相互影響,并加入了參與者博弈的智能,致使本來主要按照物理規(guī)律運作的電網(wǎng)更加“智能”起來,從而可在電網(wǎng)的投資和運行中通盤考慮安全性、經(jīng)濟性、可持續(xù)發(fā)展等各種目標。

各國對智能電網(wǎng)的理解與我國相比還存在著較大的差異。以美國為例,其智能電網(wǎng)第二階段的設計標準分為智能網(wǎng)優(yōu)先應用項目的管理、奠定需求側反應系統(tǒng)的標準、電動運輸體系、廣域可視化、儲能等五個方面。可以看出,美國智能電網(wǎng)的核心是圍繞著可再生能源的利用而設計的。

我國的智能電網(wǎng)研究和建設正方興未艾,國家電網(wǎng)公司曾多次提到智能電網(wǎng)的建設方針及發(fā)展思路,國家電網(wǎng)公司《堅強智能電網(wǎng)綜合研究報告》中提出建設以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調發(fā)展的堅強電網(wǎng)為基礎,利用先進的通信、信息和控制技術,構建以信息化、自動化、數(shù)字化、互動化為特征的自主創(chuàng)新、國際領先的堅強智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略發(fā)展目標,形成了“一個目標、兩條主線、三個階段、四個體系、五項內涵、六個應用環(huán)節(jié)”的發(fā)展戰(zhàn)略框架。

國內外關于智能電網(wǎng)的建設存在較大的差異，究其根本原因，主要在于對智能電網(wǎng)建設中對可再生能源發(fā)電的重視程度不同,從而導致在今后對可再生能源及分布式發(fā)電的應用及研究將會出現(xiàn)不同的結果。國外之所以對智能電網(wǎng)建設高度重視,主要原因是能源戰(zhàn)略所導致，有研究表明，可開采的化石能源資源的有限性帶來了未來可見的能源危機，為了未雨綢繆，同時占領市場，國外投入了大量的資金和人力從事智能電網(wǎng)的研究工作。而在國內，智能電網(wǎng)的對象主要包括大型的風力、水力、太陽能等可再生能源，建設智能電網(wǎng)這一舉動將為可再生能源的利用帶來了新的變化。

2　智能電網(wǎng)的清潔能源并網(wǎng)方法

2.1基于電力電子技術的控制方法

風機、光伏電池、燃料電池、儲能組件等都需通過電力電子變換器才能與電網(wǎng)系統(tǒng)相連接。變換器由于其響應速度快、慣性小、過流能力弱等特性，使其能量管理的控制理念將與常規(guī)系統(tǒng)有很大的不同。同時，適用于清潔能源并網(wǎng)中的逆變器除了需要具備常規(guī)逆變器的功能及能并聯(lián)運行外，還需根據(jù)清潔能源的特殊需求具備一些控制功能，例如電壓/頻率（U/f）控制和有功無功（PQ）控制?；谙麓固匦缘腢/f控制能實現(xiàn)負荷功率變化時不同清潔電源間變化功率的共享,且在清潔能源發(fā)電單元孤島運行時為智能電網(wǎng)系統(tǒng)提供頻率支撐；PQ控制可根據(jù)實際運行情況實現(xiàn)清潔電源有功和無功功率的指定控制。

2.2基于多代理系統(tǒng)的控制方法

太陽能與風能在時間和地域上具有很強的互補性，風光互補混合供電系統(tǒng)是可再生能源獨立供電系統(tǒng)的一種重要形式。采用基于多代理系統(tǒng)的協(xié)調優(yōu)化技術，能實現(xiàn)風-光發(fā)電系統(tǒng)的電壓優(yōu)化控制，保證發(fā)電廠電壓的穩(wěn)定與安全,使電網(wǎng)運行可靠平穩(wěn)。在現(xiàn)代智能電網(wǎng)中，多代理系統(tǒng)由控制代理、發(fā)電單元代理、用戶代理和數(shù)據(jù)庫代理組成。各代理之間通過TCP/IP協(xié)議交換數(shù)據(jù),各代理在自身環(huán)境中互動,并由控制代理發(fā)送主網(wǎng)控制信息至相應的代理。一方面,用戶代理傳送負荷信息與需求指令至發(fā)電單元代理；另一方面，發(fā)電單元代理將電能生產(chǎn)信息傳送至用戶代理?？梢暬畔⑵脚_收集各代理發(fā)送的信息以便調度員進行下一步處理。該法兼顧發(fā)電單元所需電能質量和能量管理的要求，采用集中管理和分散獨立運行相結合的控制策略，運用多代理技術對各個清潔電源、負荷和開關狀態(tài)進行監(jiān)控，使智能電網(wǎng)的信息更容易獲取，系統(tǒng)穩(wěn)定性更容易分析,控制器更容易設計。

2.3基于智能電網(wǎng)的虛擬發(fā)電廠控制技術

為適應清潔能源、分布式能源的特性，需要研究結合了電網(wǎng)頻率、聯(lián)絡線潮流和電壓控制技術、發(fā)電預測模型和方法等為一體的高級控制技術。其中，虛擬發(fā)電廠技術是解決清潔能源發(fā)電接入與控制的有效途徑之一。虛擬發(fā)電廠技術將配電網(wǎng)中分散安裝的清潔電源、受控負荷和儲能系統(tǒng)合并作為一個特別的電廠參與電網(wǎng)運行。在虛擬電廠中，每一部分均與能量管理系統(tǒng)（EMS）相連，控制中心通過智能電網(wǎng)的雙向信息傳送，利用EMS系統(tǒng)進行統(tǒng)一調度協(xié)調機端潮流、受端負荷以及儲能系統(tǒng)，以達到降低發(fā)電損耗、減少溫室氣體排放、優(yōu)化資源利用、降低電網(wǎng)峰值負荷和提高供電可靠性的目的。電廠的高級監(jiān)測功能，測量和計算各節(jié)點動態(tài)電壓以及故障數(shù)據(jù)，監(jiān)測系統(tǒng)的異步運行、頻率波動、低頻振蕩、同步發(fā)電機短時失磁異步運行等動態(tài)過程。虛擬電廠利用PMU技術,可為電網(wǎng)實時動態(tài)監(jiān)控提供信息平臺，進一步對互聯(lián)電網(wǎng)的動態(tài)過程特性進行分析和評估,辨識系統(tǒng)的失穩(wěn)現(xiàn)象，向調度運行部門提供預警、預防控制的在線決策和緊急控制決策,提高電網(wǎng)安全運行水平。

3　研究展望

我國清潔能源資源分布與電力負荷中心分布不一致，隨著清潔能源的大規(guī)模集中開發(fā)，需要加強配套電網(wǎng)建設，以擴大消納范圍和規(guī)模。為提高清潔能源發(fā)電的消納能力，需要在送受端電網(wǎng)、跨省跨區(qū)電網(wǎng)等方面進行完善。

（1）加強送端電網(wǎng)建設。即加強能源資源富集地區(qū)的電網(wǎng)建設，把清潔能源資源大范圍有效匯集起來，降低清潔能源發(fā)電的不穩(wěn)定性，提高整個系統(tǒng)消納清潔能源發(fā)電的能力。大范圍匯集入網(wǎng)可促進清潔能源發(fā)電出力的互補關系，提高送出的電力品質。

（2） 優(yōu)化輸送通道電網(wǎng)建設。我國“三北”（東北、西北、華北）地區(qū)的煤電資源豐富，同時也是風電、太陽能開發(fā)的重點地區(qū)。未來通過對“三北”地區(qū)煤電基地輸電通道的建設，使風電等清潔能源和煤電共用輸電通道，不僅可緩解我國鐵路、公路電煤運輸?shù)膲毫?，也可以解決跨區(qū)輸送清潔能源的問題。

（3） 加強受端電網(wǎng)建設。我國華北、華東、華中存在一定的季節(jié)差和時差，系統(tǒng)負荷最大、最小值出現(xiàn)的月份和時段不同。建設“三華”特高壓同步電網(wǎng)，可錯峰、降低峰谷差，同時加強各區(qū)域電網(wǎng)電源調節(jié)能力的互補，提高系統(tǒng)對清潔能源的消納能力。

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