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

李桂鑫，王偉臣，楊白潔，王 哲，孫 闊，劉 洪

（1. 國網(wǎng)天津市電力公司，天津 300010；2. 智能電網(wǎng)教育部重點實驗室（天津大學(xué)），天津 300072）

0 引 言

近幾年來，隨著我國清潔能源技術(shù)的突破和市場推廣，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》預(yù)計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)荷擴大了電網(wǎng)的波動性，城市電網(wǎng)可調(diào)空間和可控資源在迅速萎縮，這對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和運行方式提出了更嚴(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)型升級提供理論與實踐支撐。

1 高比例清潔能源接入對城市電網(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)只能通過切除并網(wǎng)的發(fā)電設(shè)備來實現(xiàn)，導(dǎo)致電源可調(diào)節(jié)容量減小，調(diào)節(jié)性能降低。高比例接入對城市電網(wǎng)“源網(wǎng)”規(guī)劃帶來一系列的影響。

1.1 對電源側(cè)規(guī)劃的影響

當(dāng)具有隨機性和波動性的可再生能源接入占比較低時，傳統(tǒng)發(fā)電機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)的補充，而當(dāng)城市電網(wǎng)接入高比例可再生能源時，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配電網(wǎng)電源出力、可靠性以及安全性都會帶來影響[9]。在規(guī)劃電網(wǎng)的分布式電源時，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)電場以及小容量燃?xì)廨啓C等，接入系統(tǒng)后，配電網(wǎng)由單電源模式變?yōu)槎嚯娫茨Ｊ?，電網(wǎng)功率流動方向?qū)⒋嬖诓淮_定性。同時，分布式電源容量、運行方式及接入位置對配電網(wǎng)節(jié)點電壓、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)可再生能源的瞬時出力大于負(fù)荷時，配電網(wǎng)將會向主網(wǎng)倒送功率，發(fā)生潮流反轉(zhuǎn)，可能產(chǎn)生嚴(yán)重的過電壓問題；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“隨機而動”，導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)線功率波動或雙向流動，形成跨城市區(qū)域的電網(wǎng)互濟(jì)。可見，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，城市電網(wǎng)將從原有的單一電源點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方向發(fā)展。

2 終端電氣化率提升對城市電網(wǎng)及其規(guī)劃的影響

電能具有清潔、安全、便捷等優(yōu)點，在安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性和便捷性等指標(biāo)上相對其他能源使用形式具有較強的優(yōu)勢。因此實施電能替代其他能源，對于落實國家能源戰(zhàn)略、推動能源的消費革命、促進(jìn)能源清潔化發(fā)展等具有很重大的意義[11]。城市交通運輸領(lǐng)域推動“以電代油”換代改造，節(jié)能環(huán)保，不受油氣資源限制，未來城市電網(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)在以下幾個方面。

2.1 對電源規(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，增加了傳統(tǒng)發(fā)電機組平衡功率難度，調(diào)峰調(diào)頻更難實現(xiàn)。為了實現(xiàn)實時平衡，需要靈活調(diào)節(jié)傳統(tǒng)機組、儲能及需求響應(yīng)等多方面資源。因此城市電網(wǎng)中的傳統(tǒng)機組需要實現(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)，在對電源規(guī)劃時需要考慮電氣化提升帶來的影響[12]。

2.2 對配電網(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)對靈活性的需求，其控制和保護(hù)難度加大，原有量測方式和繼電保護(hù)邏輯失效，其控制系統(tǒng)需重新設(shè)計。另外，終端電氣化率的提升使得電網(wǎng)運行參數(shù)波動程度增大，增大了量測和控制的難度，原有調(diào)節(jié)手段和電能質(zhì)量難以保證。

另外，由于越來越多的電能消費者正逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電者參與到電源的運行當(dāng)中，尤其城市負(fù)荷，其性質(zhì)越來越多樣化，傳統(tǒng)的城市電網(wǎng)負(fù)荷主要為照明和異步電動機。隨著時代進(jìn)步和信息技術(shù)的發(fā)展，越來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退郊臆嚥捎秒妱悠嚨?。同時也產(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)，將會對配電網(wǎng)造成污染，并且越靠近開關(guān)頻率，諧波分量就會越大[13]。這些都將在負(fù)荷曲線、局部地區(qū)瞬時功率以及諧波等方面對城市電網(wǎng)產(chǎn)生影響，因此在對城市電網(wǎng)規(guī)劃時需考慮電氣化率提升帶來的影響。

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、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。三次電力交易市場方面，電力市場層面的挑戰(zhàn)主要是多主體參與到城市電網(wǎng)的規(guī)劃運營中，利益訴求和行為動機更加復(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，需考慮市場價格機制和分布式電源的選址對接入方案的影響，以及上級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)輸變配電的各個環(huán)節(jié)都帶來了不確定性，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)運行模式，提高了對城市電網(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)點設(shè)置儲能設(shè)備及利用電動汽車并網(wǎng)技術(shù)等，因儲能系統(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)運行。（2）采用主動配電網(wǎng)和智能用電技術(shù)，來“主動”協(xié)調(diào)和“被動”調(diào)整配電網(wǎng)規(guī)劃和運行水平（3）優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，完善頂層設(shè)計，綜合考慮電力供應(yīng)總成本、新能源利用率和平衡點，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)劃與市場激勵機制建設(shè)。（4）建立健全市場資源優(yōu)化配置，統(tǒng)一電力市場，健全電力輔助體系建設(shè)。

5 結(jié) 論

本文通過闡述清潔能源高比例接入與終端電氣化率提升在國內(nèi)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，分析了對城市電網(wǎng)主體“源網(wǎng)”帶來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)波動性增加以及電網(wǎng)穩(wěn)定可靠經(jīng)濟(jì)運行難度增大等，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，為未來新形態(tài)城市電網(wǎng)規(guī)劃發(fā)展提供參考。

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