高比例清潔能源接入與終端電氣化率提升對(duì)城市電網(wǎng)規(guī)劃影響分析

李桂鑫，王偉臣，楊白潔，王 哲，孫 闊，劉 洪

（1. 國(guó)網(wǎng)天津市電力公司，天津 300010；2. 智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津 300072）

0 引 言

近幾年來(lái)，隨著我國(guó)清潔能源技術(shù)的突破和市場(chǎng)推廣，清潔能源接入城市電網(wǎng)的比例不斷提升，根據(jù)《重塑能源：中國(guó)》預(yù)計(jì)2050年可再生能源發(fā)電量占比將達(dá)到68%以上，非化石能源發(fā)電量達(dá)到82%，其中風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電量的比例達(dá)到47.3%以上[1]。另外為保障能源安全，提出必須大力發(fā)展可再生能源，持續(xù)提高終端電氣化水平，加快構(gòu)建清潔低碳和安全高效的能源體系[2]。

高比例的清潔能源接入與終端電氣化率的不斷提升滲透影響到城市電網(wǎng)的方方面面，城市電網(wǎng)的發(fā)展遇到了全新的困難和挑戰(zhàn)。可再生能源并網(wǎng)和新型負(fù)荷擴(kuò)大了電網(wǎng)的波動(dòng)性，城市電網(wǎng)可調(diào)空間和可控資源在迅速萎縮，這對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式提出了更嚴(yán)苛的要求，給城市電網(wǎng)的能源生產(chǎn)清潔化和終端用能電氣化進(jìn)程造成了巨大阻礙[3-5]。

基于上述背景，本文深入分析清潔能源高比例接入與終端電氣化率提升后對(duì)城市電網(wǎng)規(guī)劃的影響，以及城市電網(wǎng)發(fā)展與能源發(fā)展之間的相互制約問(wèn)題，提出清潔能源高比例接入與終端電氣化率提升背景下城市電網(wǎng)規(guī)劃方案建議，為城市電網(wǎng)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供理論與實(shí)踐支撐。

1 高比例清潔能源接入對(duì)城市電網(wǎng)規(guī)劃的影響

隨著清潔能源技術(shù)發(fā)展，發(fā)電設(shè)備的成本和效率都有了很大的改變，可再生能源效率提升成本下降，已經(jīng)具備了大規(guī)模高比例接入的技術(shù)條件，清潔能源將發(fā)揮越來(lái)越大的作用。在以上背景下，城市電網(wǎng)也將向著大規(guī)模高比例清潔能源接入方向發(fā)展[6-8]。但是由于可再生能源不具備可調(diào)節(jié)能力，因此要想調(diào)節(jié)只能通過(guò)切除并網(wǎng)的發(fā)電設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致電源可調(diào)節(jié)容量減小，調(diào)節(jié)性能降低。高比例接入對(duì)城市電網(wǎng)“源網(wǎng)”規(guī)劃帶來(lái)一系列的影響。

1.1 對(duì)電源側(cè)規(guī)劃的影響

當(dāng)具有隨機(jī)性和波動(dòng)性的可再生能源接入占比較低時(shí)，傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組能夠完全滿足電力電量平衡要求，可再生能源僅作為城市電網(wǎng)的補(bǔ)充，而當(dāng)城市電網(wǎng)接入高比例可再生能源時(shí)，在電力電量平衡中，可再生能源與常規(guī)能源一樣承擔(dān)一部分負(fù)荷。城市電網(wǎng)電力電量平衡及容量充裕度的概念與方法將由目前確定性的狀態(tài)向不確定性轉(zhuǎn)化。

作為清潔能源主要部分的可再生能源接入城市電網(wǎng)后，其安裝位置和接入容量對(duì)配電網(wǎng)電源出力、可靠性以及安全性都會(huì)帶來(lái)影響[9]。在規(guī)劃電網(wǎng)的分布式電源時(shí)，需分析高比例清潔能源背景下城市電網(wǎng)負(fù)荷及電源接入的雙向不確定性因素。

1.2 對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃的影響

清潔能源的不斷接入使得城市電網(wǎng)電源的分布將越來(lái)越趨于分散化，除了傳統(tǒng)的集中式發(fā)電廠和集中式可再生能源電站，未來(lái)將有大量的分布式電源接入，包括分布式光伏、小型風(fēng)電場(chǎng)以及小容量燃?xì)廨啓C(jī)等，接入系統(tǒng)后，配電網(wǎng)由單電源模式變?yōu)槎嚯娫茨Ｊ剑娋W(wǎng)功率流動(dòng)方向?qū)⒋嬖诓淮_定性。同時(shí)，分布式電源容量、運(yùn)行方式及接入位置對(duì)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓、線路潮流以及網(wǎng)絡(luò)損耗等都將產(chǎn)生較大影響。

當(dāng)城市配電網(wǎng)局部地區(qū)可再生能源的瞬時(shí)出力大于負(fù)荷時(shí)，配電網(wǎng)將會(huì)向主網(wǎng)倒送功率，發(fā)生潮流反轉(zhuǎn)，可能產(chǎn)生嚴(yán)重的過(guò)電壓?jiǎn)栴}；在城市輸電網(wǎng)中，正常情況下聯(lián)絡(luò)線傳輸功率保持相對(duì)恒定，而為了消納可再生能源或支持集中負(fù)荷造成的區(qū)域性缺電，聯(lián)絡(luò)線潮流可能要“隨機(jī)而動(dòng)”，導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)或雙向流動(dòng)，形成跨城市區(qū)域的電網(wǎng)互濟(jì)。可見(jiàn)，在清潔能源大比例接入背景下，電網(wǎng)不僅僅承擔(dān)電能傳輸?shù)淖饔茫覍⒏嗟爻袚?dān)電能互濟(jì)和備用共享的職能[10]。總結(jié)起來(lái)，城市電網(wǎng)將從原有的單一電源點(diǎn)和單向潮流的輻射狀電網(wǎng)朝著電源分散接入和潮流多向流動(dòng)方向發(fā)展。

2 終端電氣化率提升對(duì)城市電網(wǎng)及其規(guī)劃的影響

電能具有清潔、安全、便捷等優(yōu)點(diǎn)，在安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性和便捷性等指標(biāo)上相對(duì)其他能源使用形式具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。因此實(shí)施電能替代其他能源，對(duì)于落實(shí)國(guó)家能源戰(zhàn)略、推動(dòng)能源的消費(fèi)革命、促進(jìn)能源清潔化發(fā)展等具有很重大的意義[11]。城市交通運(yùn)輸領(lǐng)域推動(dòng)“以電代油”換代改造，節(jié)能環(huán)保，不受油氣資源限制，未來(lái)城市電網(wǎng)將向用戶終端再電氣化程度不斷增加的方向發(fā)展。2014-2018年間，我國(guó)電能替代進(jìn)展如圖1所示。

盡管用電能替代其他能源作為終端用能形式有著多種多樣的好處，但是電氣化率的不斷提升對(duì)城市配電網(wǎng)的主體元素“源網(wǎng)”產(chǎn)生了很大的影響，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 對(duì)電源規(guī)劃的影響

由于電氣化率的不斷提升，使得城市電網(wǎng)電源靈活資源逐步稀缺，尤其是電動(dòng)汽車等用電負(fù)荷接入后，用電負(fù)荷不平均情況加重，負(fù)荷曲線更加陡峭波動(dòng)，增加了傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組平衡功率難度，調(diào)峰調(diào)頻更難實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)平衡，需要靈活調(diào)節(jié)傳統(tǒng)機(jī)組、儲(chǔ)能及需求響應(yīng)等多方面資源。因此城市電網(wǎng)中的傳統(tǒng)機(jī)組需要實(shí)現(xiàn)從“主要能源供應(yīng)者”向“靈活性資源提供者”的轉(zhuǎn)變。配電網(wǎng)的控制和管理將變得更加復(fù)雜，這就對(duì)已經(jīng)適應(yīng)單一電源方向的配電網(wǎng)安全管理提出了新的挑戰(zhàn)，在對(duì)電源規(guī)劃時(shí)需要考慮電氣化提升帶來(lái)的影響[12]。

2.2 對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃的影響

由于電氣化的提升，當(dāng)具有“源”特性的負(fù)荷接入城市電網(wǎng)后，城市電網(wǎng)主體變成有源配電網(wǎng)，潮流多變，原有的一二次設(shè)備調(diào)節(jié)能力已經(jīng)不能滿足城市電網(wǎng)對(duì)靈活性的需求，其控制和保護(hù)難度加大，原有量測(cè)方式和繼電保護(hù)邏輯失效，其控制系統(tǒng)需重新設(shè)計(jì)。另外，終端電氣化率的提升使得電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)波動(dòng)程度增大，增大了量測(cè)和控制的難度，原有調(diào)節(jié)手段和電能質(zhì)量難以保證。

另外，由于越來(lái)越多的電能消費(fèi)者正逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電者參與到電源的運(yùn)行當(dāng)中，尤其城市負(fù)荷，其性質(zhì)越來(lái)越多樣化，傳統(tǒng)的城市電網(wǎng)負(fù)荷主要為照明和異步電動(dòng)機(jī)。隨著時(shí)代進(jìn)步和信息技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的終端用能方式轉(zhuǎn)換為電能，如采暖從燃?xì)饣蛎禾哭D(zhuǎn)變?yōu)殡娙∨步煌ê退郊臆嚥捎秒妱?dòng)汽車等。同時(shí)也產(chǎn)生了非常多的新型用電方式，如數(shù)據(jù)中心和大量電氣化電子設(shè)備等都需要采用整流器，而進(jìn)行能量變換的電力電子設(shè)備作為典型的非線性負(fù)荷，其頻繁的導(dǎo)通與關(guān)斷容易在開(kāi)關(guān)頻率附近產(chǎn)生大量諧波分量，諧波電流注入電網(wǎng)，將會(huì)對(duì)配電網(wǎng)造成污染，并且越靠近開(kāi)關(guān)頻率，諧波分量就會(huì)越大[13]。這些都將在負(fù)荷曲線、局部地區(qū)瞬時(shí)功率以及諧波等方面對(duì)城市電網(wǎng)產(chǎn)生影響，因此在對(duì)城市電網(wǎng)規(guī)劃時(shí)需考慮電氣化率提升帶來(lái)的影響。

3 城市電網(wǎng)發(fā)展遇到的挑戰(zhàn)

清潔能源高比例接入與終端電氣化率提升給城市電網(wǎng)發(fā)展帶來(lái)的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在城市一次網(wǎng)架和設(shè)備、二次保護(hù)調(diào)度控制以及三次電力交易市場(chǎng)等方面。一次網(wǎng)架和設(shè)備方面，不僅要考慮城市電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、柔性電力電子裝備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和端接方式等，而且要調(diào)整一次設(shè)備容量和安裝位置，以滿足負(fù)荷轉(zhuǎn)供的要求。二次保護(hù)調(diào)度控制方面，為了保證信息的安全傳輸需要考慮通信中斷、延時(shí)、誤碼以及冗余等異常狀態(tài)的影響，避免由于信息側(cè)故障而引起的一次系統(tǒng)功能失敗。三次電力交易市場(chǎng)方面，電力市場(chǎng)層面的挑戰(zhàn)主要是多主體參與到城市電網(wǎng)的規(guī)劃運(yùn)營(yíng)中，利益訴求和行為動(dòng)機(jī)更加復(fù)雜，相關(guān)規(guī)范規(guī)則制定更加困難。配電網(wǎng)建設(shè)和規(guī)劃主體越來(lái)越趨于多元化，其經(jīng)濟(jì)性選擇和約束條件的確定需要由各投資主體利益共同決定，需考慮市場(chǎng)價(jià)格機(jī)制和分布式電源的選址對(duì)接入方案的影響，以及上級(jí)變電站所允許的倒送容量等。

4 新形態(tài)城市電網(wǎng)規(guī)劃方案建議

綜合分析清潔能源高比例接入與終端電氣化率提升給城市電網(wǎng)帶來(lái)的影響可以發(fā)現(xiàn)，這些影響是全方位的，給城市電網(wǎng)的發(fā)輸變配電的各個(gè)環(huán)節(jié)都帶來(lái)了不確定性，減少了系統(tǒng)中的可調(diào)節(jié)資源，改變了城市電網(wǎng)的傳統(tǒng)運(yùn)行模式，提高了對(duì)城市電網(wǎng)性能的要求。為有效提升可再生能源的消納能力，進(jìn)一步提高終端電氣化率，提出以下城市配電網(wǎng)規(guī)劃建議：（1）調(diào)節(jié)需求側(cè)響應(yīng)，在并網(wǎng)點(diǎn)設(shè)置儲(chǔ)能設(shè)備及利用電動(dòng)汽車并網(wǎng)技術(shù)等，因儲(chǔ)能系統(tǒng)可靈活調(diào)節(jié)可再生能源、快速調(diào)節(jié)電網(wǎng)功率、參與需求響應(yīng)以及優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。（2）采用主動(dòng)配電網(wǎng)和智能用電技術(shù)，來(lái)“主動(dòng)”協(xié)調(diào)和“被動(dòng)”調(diào)整配電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行水平（3）優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，完善頂層設(shè)計(jì)，綜合考慮電力供應(yīng)總成本、新能源利用率和平衡點(diǎn)，合理安排新能源規(guī)模，逐步推進(jìn)清潔能源接入，做好資源規(guī)劃與市場(chǎng)激勵(lì)機(jī)制建設(shè)。（4）建立健全市場(chǎng)資源優(yōu)化配置，統(tǒng)一電力市場(chǎng)，健全電力輔助體系建設(shè)。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)闡述清潔能源高比例接入與終端電氣化率提升在國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，分析了對(duì)城市電網(wǎng)主體“源網(wǎng)”帶來(lái)的影響以及城市電網(wǎng)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，即電網(wǎng)中源的調(diào)節(jié)空間減少，電網(wǎng)整體可調(diào)資源稀缺，可再生能源和新型負(fù)荷導(dǎo)致城市電網(wǎng)波動(dòng)性增加以及電網(wǎng)穩(wěn)定可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行難度增大等，提出了新形態(tài)城市電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)方案相關(guān)建議，為未來(lái)新形態(tài)城市電網(wǎng)規(guī)劃發(fā)展提供參考。

2.通過(guò)不斷摸索和創(chuàng)新，形成了獨(dú)特的教、康、保整合服務(wù)模式及服務(wù)流程，積累了專業(yè)整合的服務(wù)經(jīng)驗(yàn)，為其他同類福利機(jī)構(gòu)提供了教、康、保專業(yè)整合的理論依據(jù)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。