“雙碳”目標下未來配電網構建思考與展望

冀肖彤,楊東俊,方仍存,雷何 ,查曉明,孫建軍

(1. 國網湖北省電力有限公司,武漢市 430077;2.水火電和新能源資源優化配置與規劃技術實驗室(國網湖北省電力有限公司經濟技術研究院),武漢市 430077;3. 武漢大學電氣與自動化學院,武漢市 430072)

0 引 言

2021年11月14日,《聯合國氣候變化框架公約》第26次締約方大會(COP26)形成了《格拉斯哥氣候協議》,意味著《巴黎協定》真正進入實施階段[1]。當前我國是世界上排放二氧化碳最多的國家,電力行業是碳排放量最大的行業,其單位供電碳排放為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“雙碳”目標[3]。2021年3月15日,習近平總書記在中央財經委員會第九次會議上提出構建新型電力系統。

構建新型電力系統對實現“雙碳”目標至關重要,對新型電力系統構建路徑及其演變的探索則是重中之重[4]。在電力系統轉型路徑主要措施中,各國積極構建分布式能源網絡,通過屋頂光伏、分散式風電、儲能和微網建設,來滿足終端用戶對冷、熱、電的用能需求,實現分布式能源的高效利用[5]。

微電網能促進分布式電源就地開發利用,國家“十四五”規劃綱要能源篇提出要加快電網基礎設施智能化改造和智能微電網建設,提高電力系統互補互濟和智能調節能力[6]。國家電網有限公司“碳達峰、碳中和”行動方案提出支持分布式電源和微電網發展[7];對于未來電網發展形態,應是“集中式生產、遠距離傳輸”的大電網與分布式微電網的有機結合[8]。微電網通過集成各種形式分布式發電、負荷、儲能等設備,對外“友好”且調控靈活,可并網或離網運行,能提高可再生能源的利用效率,優化配電網運行模式[9-12]。

微能網作為能源互聯網的重要組成形式,集成了風、光、氣等多種能源輸入和熱、電、冷等多種產品輸出[13-14],并綜合考慮了各種能源之間的有機組合與集成優化;可將“冷熱氣電”綜合高效利用,從而實現能源清潔、“零碳”甚至“負碳”消費與經濟協調發展[15-16]。微能網較微電網有更多的能量調配方式,能夠提供更加多樣化的調節手段和調節方案,從而更好地實現能源、環境和經濟的協調發展,將是實現“雙碳”目標和可持續發展的能源系統基本形態[17]。

為積極穩妥推進碳達峰、碳中和,推動能源清潔低碳高效利用,《新型電力系統藍皮書》提出依托電力系統設備設施、運行控制等各類技術以及“云大物移智鏈”等數字技術的創新升級,推動電網向能源互聯網升級。在電網向能源互聯網演進過程中,作為能源生產與能源消費之間的關鍵環節,配電網的網絡形態和功能作用正在逐步轉變升級,承接配送上級電網電力、靈活接入各類分布式能源,并通過電、氣、熱網能量流交互實現多種能源形式的互聯互通互補,實現多類型負荷靈活便捷接入和互動,一般將其稱為“區域能源互聯網”并作為配電網發展的高級形態[18]。

融合多元能源、實現供需互動的能源互聯網是未來配電系統架構及格局的主要特征,探索相應的配電網結構和運行模式是研究未來配電網的基礎和核心[19]。本文針對“雙碳”目標對配電網形態和功能提出的新要求,對基于智慧互聯微能網的未來配電網發展路徑進行了探討。首先,總結分析了傳統配電網到主動配電網、再到未來低碳配電網的配電網發展形態演變路線。其次,根據配電網“源網荷儲”協調互動需求,提出了一種自下而上的未來配電網組網方式,分析了微能網優化構建、微能網互聯互動、微能網與配電網靈活交互三個層級的構建思路,構想了一種面向智慧互聯微能網的原子型未來配電網組網形態。最后,圍繞不同角度對未來配電網構建關鍵技術研究方向進行了展望。

1 配電網演進形態與對比分析

結合“雙碳”目標,基于形態特征、調控方式、適應背景等對比分析了配電網的發展演變路徑,將配電網發展劃分為三個階段,分別是傳統配電網、主動配電網[20]和未來低碳配電網[21]。

1.1 傳統配電網

傳統配電網在結構形態上具有單向輻射狀特征,以上級變電站為電源,自身網絡為線路,用戶為負荷,“源網荷”的角色定位明確且固定。傳統配電網的調節能力較為缺乏,調節的主要方式為調節變壓器的分接頭、串并容量固定的無功補償電容器,或通過調節聯絡開關實現網絡重構[22]。在規劃設計上,傳統配電網采用“閉環設計,開環運行”的設計方法[23-24],只能被動接受上級電網注入的功率來實現電能平衡[25]。在信息共享上,傳統配電網的數據采集和監測設備相對缺乏,各供電區域基本屬于信息孤島[26]。在電力交易方式上較為單一,即用戶向供電公司購電的消費模式。上述特征導致傳統配電網難以適應高滲透率的分布式光伏、風電等分布式電源接入[27]。

1.2 主動配電網

主動配電網的概念最早于2008年在國際大電網會議被提出,與傳統配電網相比,主動配電網強調配電網的主動調節能力[28]。在形態結構上,主動配電網保留了傳統配電網的輻射狀特征,但在網絡中出現了分布式新能源和電力電子調控設備等新元素[29]。在規劃設計方面,主動配電網通過合理規劃新能源和電力電子裝置的接入位置[30-31],可使配電網在改善供電品質方面具有更多手段。在調控手段方面,可控負荷的出現使得配電網和用戶之間的交互不再是配電網根據用戶負荷變化進行調節的單向交互,而是源網荷之間的雙向互動[32-33],進一步增強了配電網的主動調節能力,使其在電能需求上具有一定程度的自給自足能力,從而呈現一定的“自平衡”態勢。在電力交易方面,電量來源增加了新能源就地消納,但在交易上仍由電網公司主導,用戶新能源發電主要采取“自發自用,余量上網”的運營方式[34-37]。

但受限于分布式新能源與可控負荷的滲透率不足、交易機制不完善、配電網網架靈活性缺乏等問題,主動配電網無法實現大范圍自平衡與能源低碳高效使用。

1.3 未來低碳配電網

隨著大量儲能裝置、電動汽車、微電網、微能網和微電/能網群出現在配電網中[38],配電網主體更加多元化。未來低碳配電網應具有自平衡能力,同時能實現各類能源高效低碳利用。在形態結構上,未來低碳配電網可實現電網、熱網和天然氣網等多種網絡的耦合互聯,具備更多的可調度資源,從而實現新能源的高比例消納甚至是完全消納[38-40]。同時為實現能源就地平衡,未來低碳配電網中能源生產和消費主體將逐漸轉變成各微網和微網群,配電網連接的大電網在實際運行中轉變為提供電能備用的輔助服務提供商。在規劃設計方面,由于配電網潮流的雙向隨機性以及“冷-熱-電”等多種用能的就地平衡模式,未來低碳配電網不適合采用自上而下的規劃模式。在調控手段方面,未來低碳配電網將更多地依賴靈活的電力電子裝置與各種智能算法,從而提高配電網潮流調控的自然化。在電力交易方面,未來電力交易市場將實現電能市場與碳市場的深度融合,促進能源以零碳甚至負碳的方式生產與消費[41]。

綜上,為實現多能混合互聯、高效低碳使用,應圍繞配電網拓撲形態、設計方法、調控策略、交易模式等方面,對未來配電網的構建路徑和組網形態開展深入研究。

2 面向微能網的未來配電網組網形態構建路徑

2.1 微能網定義

微能網是冷-熱-電-氣深度耦合的微型能源互聯網,滿足“冷、熱、電、氣”等多種用能需求,實現能源的高效低碳甚至零碳生產消費與使用[42-44]。其中,電網可采用交直流混合模式,以靈活調控設備為核心,實現能源的生產、變換、傳輸與使用,在保持電力電量平衡的同時,還要保證其他形式能源的供需平衡[45-47]。典型的微能網如圖1所示。

圖1 微能網構建示意圖Fig.1 Schematic diagram of micro energy network construction

微能網的主要技術特征體現在以下幾方面:

1)多能互補與高效利用:以電能為核心,多種能源智慧互聯,在電能市場、碳市場等多種市場交易機制協同下,實現廣域的多能互補與高效利用目標。因此微能網不僅面對電力網的潮流調控,還需考慮“冷-熱-氣-電”等多種形式用能調度問題,協調優化更加復雜,需考慮多能量耦合樞紐或聯供系統模型[48-49]。

2)電力電量平衡控制復雜:“雙碳”目標下,能源使用將更多地采用具有強隨機與高波動特征的新能源[50],與此同時,電動汽車時空接入隨機性與充儲電站充放電隨機性復雜、負荷用電模式多變,導致微能網電力平衡控制難度增大[51]。

3)電力電子化程度高:風、光等各種形式的能源以及儲能、電動汽車和可控負荷需要電力電子裝置進行電能變換,因此微能網電力電子化程度極高[52]。由此帶來系統動態響應時間尺度分布廣,穩定機理復雜,在微能網的構建過程中需考慮電力電子交互作用,對微能網的構建方法與運行調控策略提出了更高的要求[53]。

4)能量交易模式復雜:在電能交易市場、碳排放權交易市場與輔助市場相耦合作用下,微能網內外將呈現多主體平等參與、市場交易機制復雜的特征[54-55]。復雜的能量交易模式同時也給異質互補性資源的統籌協調、高效的結算出清規則制定帶來挑戰。

2.2 微能網靈活互聯模式

微能網靈活互聯可以提高能源利用效率,保障用能安全。通常以電力網互聯為主,一般可分為剛性互聯與柔性互聯。

剛性互聯指微能網之間直接通過母線形成互聯,有并聯型、串聯型、混合型等方式,一般采用交直流方式直接互聯[56],如圖2所示。各微能網中的電力網的電壓頻率相位相同,通過隔離開關與公共交流母線實現互聯,并且通過隔離開關控制策略實現微能網群串并聯運行靈活轉換。采取直接互聯結構的微能網群系統雖然成本低,系統架構與運行控制簡單,但該系統缺乏潮流調控能力以及故障隔離能力。

圖2 典型剛性互聯結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of typical rigid interconnection structure

柔性互聯指微能網間通過具有能量調控的電力電子裝置進行互聯,如圖3所示。柔性互聯具有單端口柔性直流互聯、單端口柔性交直流互聯、多端口柔性直流互聯等方式。單端口柔性直流互聯是指各微能網僅有一個端口通過柔性互聯裝置與其他微能網進行互聯,且柔性互聯裝置之間通過直流母線進行能量傳輸;單端口柔性交直流混合互聯是指各微能網與相鄰的微能網進行電能交換,交換節點可以是交流母線也可以是直流母線;多端口柔性直流互聯方式是指各微能網不僅可以與其他微能網實現柔性互聯,同時還具有一個交流端口,通過交流母線與上級配電網連接[57]。對于高比例新能源接入、高比例電力電子裝置接入的微能網,利用柔性互聯裝置實現微能網之間的互聯互動,可以優化微能網之間的能量調度、自主控制、運行穩定等[58-59]。

圖3 典型柔性互聯結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of typical flexible interconnection structure

2.3 面向微能網的自下而上未來配電網構建

當前,有學者提出了多種配電網發展形態,如根據微電網與微電網群類似生物學中細胞與組織的關系,提出細胞組織狀的組網方式,闡釋了微電網與微電網群的形態架構與能量調度關系[43];也有學者提出蜂巢狀組網方式可作為未來配電網的組網形態[48],該類組網方式具有點對點能量傳輸控制能力;此外,還有直流微電網[60]、綜合能源網[61]和能源互聯微電網[62]等。總的來看,傳統的配電網典型組網模式是按照自上而下的思路進行設計,難以解決未來場景下分布式電源大量接入配電網帶來的就地消納困難、潮流反向等問題。

相比以上基于微電網的組網方式,微能網利用多能互補實現自身靈活調節,對未來配電網甚至大電網的形態影響是不言而喻的。自下而上的構建思路如圖4所示:首先從用戶層面對用能需求進行精準分析,以低碳、經濟為目標,基于各種能源相關交易規則開展多能互補的協同規劃;其次從用能負荷自身互補特性角度,開展負荷聚類與微能網構建,實現能源綜合高效低碳使用。為提高微能網安全性、可靠性,微能網可因地制宜采取靈活的互聯方式進行互聯,并在一定的機制和模式下進行互動;進一步,高滲透率可再生能源接入模式下配電網負荷變化將更加靈活多變,傳統變電站投切式調控手段以及信息化調度架構無法應對,需要通過電力電子化裝置、實時化通信等改進手段,提高變電站對潮流調控的靈活水平。當變電站經過以上技術提升后,實際上就成為了一種廣義的能源路由器,或可稱為智慧變電站,此時大電網的構建也將圍繞多能系統時空平衡目標進行[62-64]。

圖4 自下而上的未來配電網構建思路Fig.4 Bottom-up idea of future distribution network construction

根據自下而上的構建思路,未來配電網將具有類似原子的結構。如圖5所示,智慧變電站作為原子核,利用各種靈活調控手段類比化學鍵作用,將外圍的多種形式微能網“束縛”。每個微能網(群)可以根據自身源荷特性以及互聯需求,選擇與鄰近的若干個變電站節點互聯互動,而每個變電站節點也可以選擇與若干個微能網(群)互聯互通,從而實現靈活組網,提升區域電網的自平衡能力以及可擴展性。

圖5 原子型未來配電網組網形態示意圖Fig.5 Schematic diagram of atomic future distribution network configuration

由于微能網具有自平衡能力,且以可再生能源為主,微能網與配電網之間的能量交互是少量、隨機的,與傳統配電網“自上而下”的模式完全不同,但配電網與微能網之間的聯系更緊密。原子型未來配電網組網形態是以智慧變電站為核心,以電能為紐帶,實現一定范圍內多種用能形式充分互動,進而提高整個配電網的靈活性與安全性,確保“雙碳”目標的達成[65-66]。

在實現路徑上,配電網作為微能網(群)的核心,基于風、光、燃氣輪機等不同供能形式,利用電熱(冷)、電氣熱(冷)等進行能源轉換,通過能量路由器、電力電子變壓器、柔性聯絡開關等裝備滿足多種能源即插即用,結合多時間尺度的電儲能、熱儲能以及需求響應調節,實現能源網架的多能互補和耦合互聯。通過能源網架和通信網絡深入融合,實現電-氣-熱(冷)不同能量流之間以及源網荷儲電力流之間的融合互動,促進分布式能源多主體間交易,提升能源資源配置能力。與傳統配電網相比,通過能源轉換和互聯互通,可促進可再生能源就地消納,提升能源綜合利用效率。

3 未來配電網構建關鍵技術展望

能源互聯網是能源未來發展的方向,是推動能源轉型的重要手段。能源互聯網規劃遵循“源網荷儲協同互動、電熱冷氣多能互補、能源信息深度融合”的總體原則[67],以實現能源整體利用效率最優。

配電網是能源互聯網的重要組成部分,在能源網和信息網的支撐下,其規劃設計、運行控制及信息交互需與能源互聯網的總體架構相協調[68]。因此,以微能網為單元構建的未來配電網在規劃設計、運行控制及市場運營等方面存在諸多新的研究方向,具體如圖6所示。

圖6 基于微能網的未來配電網構建關鍵技術Fig.6 Key technologies for future distribution network construction based on micro energy network

3.1 規劃設計技術

在場景建立方面,需要通過假設、預測、模擬等手段生成未來低碳或零碳情景。如何描述和聚合大量分布式、隨機性源荷功率變化,將直接影響配電網調控資源的規劃與運行方案的經濟性和有效性。可從大數據挖掘角度,分析數據樣本的規律與物理關系,開展分布式電源、電動汽車、可控負荷等源荷建模方法研究;可從歷史監測數據樣本集或概率分布曲線中提取出適用于未來配電網特征評估的多維典型場景集[69];也可基于對抗網絡的數據增強算法和遷移學習方法豐富樣本,再借助馬爾可夫鏈模型、高斯混合模型或伊藤模型分析描述新能源隨機性的概率分布、空間相關性、時序相關性等,進而建立功率波動時空分布概率模型[70]。

在優化分析方法方面,需要分析不同情景對目標產生的影響,進而優化各類指標。未來低碳配電網將包含“源網荷儲”在內的整體形態,以碳中和為驅動的未來低碳配電網的優化目標、評價指標體系發生了變化[71-72]。由于源荷功率變化具有明顯的連續、時序相關等特性,且新型電力電子設備的調控時間尺度越來越精細,傳統離散、有限輸入場景下的系統優化分析已難以適用,宜將系統輸入變量看成隨機過程開展系統優化分析。除了常見的配電網優化目標函數,如新能源消納率[73]、發電成本[74]、綜合成本[75]、頻率與電壓偏移[76]等,還應考慮“碳約束”和“電約束”之間的強耦合關系,從而在配電網優化模型中充分考慮碳排放約束;應以碳中和為目標,建立起若干局域自治單元,采用考慮功率波動時空分布概率模型的分布式魯棒優化方法[77-78],并從計算時間、收斂速度和目標函數值等方面不斷優化算法。現有關于配電網運行優化的研究中,由于柔性電力電子設備的引入,所建立的運行分析優化模型同時含有離散變量和連續變量,配電網優化運行常用的求解方法除傳統的優化解法外,啟發式算法因其普遍適用性得到了較多的應用。

在協同規劃方面,需要綜合考慮能源供給和用能需求,實現多能協同供應和能源綜合梯級利用。微能網構建不僅應考慮內部源網荷儲優化配置及網架設備規劃,如可再生能源規劃、儲能規劃和電動汽車充換電設施布局規劃等,還應充分考慮可再生能源的隨機性與間歇性帶來的風險,以碳中和為目標形成各個微能網的局域自治模塊,考慮多個微能網之間的規劃構建,實現更大范圍內的能源互補與負荷互動,為“自治-互聯”的配電網構建模式新格局奠定基礎。

3.2 運行控制技術

在運行模式方面,微能網可作為一個具備獨立運行能力的單元,實現內部能源供需平衡,也可使多個微能網互聯或直接與用戶互聯。在滿足安全穩定要求的前提下宜采用剛性和柔性混合方式互聯,并開展面向多主體混聯系統的可靠性、穩定控制等評估分析方法研究,促進新能源消納和提高系統新能源可容納總量,優化電能質量[79];需要充分挖掘每個微能網自身的特性,定義綜合性指標[80],利用社區挖掘等算法對微能網進行分區分類,最后優化求解確定微能網對外的連接方式、柔性互聯裝置的拓撲結構、安裝位置與容量等[81-82]。此外,還應該設計滿足供電可靠的柔性互聯裝置與配電網保護設備的配合原則[83],確定不同保護優先級、定值與時序的整定配合原則[84-86]。

在穩定性分析方面,應關注隨機電磁尺度擾動建模、傳播特性及引發的多電力電子設備暫態交互特性[87],厘清配電網暫態下不同尺度、相同尺度、離散與連續調控手段之間交互作用機理,采取協調控制和運行手段維持系統平衡和穩定。建立適用不同頻帶的單相逆變器阻抗模型和逆變器群的多輸入多輸出模型[88];分析逆變器交互諧振/振蕩特性與逆變器類型及數量、逆變器結構控制參數及電網參數之間的關系[89];研究微能網中逆變器交互作用分析統一模型、基于哈密頓作用量的逆變器同調等值判據及參數聚合方法,研究孤島模式下多逆變器穩定性判據及交互作用抑制策略[90]。

3.3 市場運營技術

為促進分布式能源就近高效利用,支撐源網荷儲各參與對象間的協調互動和能源交易,需不斷探索深化各類商業運營模式及市場交易機制。

在需求側響應機制方面,現有的基于價格和基于激勵的需求側響應方法在配合碳中和目標、解決供需失衡問題和提升系統可靠性等方面仍存在不足。微能網制定響應策略時需要考慮包括工業用戶、商業用戶、居民用戶、新能源汽車用戶、儲能服務商和新能源服務商等在內的多元用戶響應之間的差異性與協同性[91],需要對整個微能網或者微能網群內的多元用戶進行分類,然后分別建立相應的響應模型;此外還需要考慮不同用戶響應之間的相互影響,通常采用線性模型描述并根據相關系數進行分類[92-93]。

在市場交易機制方面,目前微電網用戶的電能交易仍采取傳統“定價入網、統一銷售”的機制,產消者無法自主選擇交易對象以降低電費或增加收益,因此催生出制定更加靈活的電能交易機制需求,在市場模式、市場監管、市場價格制定、調度機構與交易機構協調分工等方面需要進一步探索[94]。針對基于微能網的電力市場交易機制,需要綜合考慮市場形態和應用技術對電力交易的影響,耦合電能交易市場、碳市場與輔助市場[95]。技術上可通過區塊鏈技術構建去中心化的分布式電能交易系統框架,建立具有保障用戶利益和優化電源分配的多階段混合拍賣的分布式電能交易機制[96-97];可利用配電網的分布式調頻資源,基于區塊鏈構建分布式調頻系統市場,也可對分布式調頻資源的慣性定價豐富市場交易種類[98-99]。

4 結 論

隨著能源供應向著清潔、低碳、電氣化方向轉型,同時受國家政策的引導作用、科技進步的推動作用和用戶需求的拉動作用,支持大量分布式可再生能源接入和多元用戶互動將成為未來配電網發展的新特點。本文首先總結對比分析了配電網發展形態演變路徑,梳理了各階段配電網的主要技術特征。考慮到未來配電網的自平衡需求,提出了一種基于“微能網-微能網群-配電網”自下而上構建的未來配電網組網方式,構想了一種基于智慧互聯微能網的原子型未來配電網組網形態。

未來配電網在“雙高”特征影響下,為實現零碳配電網的終極形態,需要對各個能實現就地消納的微能網進行智慧互聯,形成復雜的網狀、交叉結構,使得各個微能網之間可以根據自身分布式能源、負荷特性等指標進行有選擇性地優化互聯互動。最終,未來配電網將會是高壓變電站與微能網群的網狀復雜結合體。新型網絡形態與關鍵技術能否應用至未來配電網取決于技術可行性和經濟性,本文針對基于智慧互聯微能網的未來配電網發展路徑與形態演化進行了討論和說明,旨在提供一種新的思考路徑。