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CIGRE 2016未来电力系统及主动配电系统技术新动向
2017-08-28 11:19:52  作者:马钊 尚宇炜 苏剑 刘颖异  来源:中国设计师网  
  •   CIGRE 2016的主旨报告《电力大变革——未来电力系统》指出,各种各样的因素正推动着全球能源系统向着可面对不同挑战风险、不同管理方式、不同条件状况的资源—市场混合型模式转变。

  中国电力科学研究院 马钊 尚宇炜 苏剑

  北京航空航天大学 刘颖异

  1 引言

  2016年8月21日~8月26日,第46届国际大电网委员会年会,在法国巴黎召开。来自全球重要电力企业、科研机构以及制造企业等领域的3000余位代表出席了会议。CIGRE中国国家委员会组织了包括CIGRE论文作者、专委会成员、工作组成员、个人会员和集体会员代表在内的80余人参加了会议。这次会议中国代表参会人数创新高,录取论文数量、工作组中方成员都超过了往届。

  大会以《电力大变革——未来电力系统》的主旨报告作为开始,并以主题为“分布式发电对大容量电网影响的全球视角”召开了开幕论坛。会议邀请了5位报告人从“技术路线图和地区差异”、“电力市场和电能平衡”、“技术与电网运行的互补”、“HVDC是电力市场的可用技术”以及“微网对电能安全和系统稳定的贡献”5个角度分析了分布式发电对全球大容量电网的影响。在开幕式结束之后,CIGRE组委会专门围绕“系统运行和市场特性”的中心议题召开了电网大扰动研讨会。并在此后的几天,安排了技术大会研讨、专委会内部会议、论文张贴和新设备新技术展览等活动。

  会议期间,中国电力科学研究院的马钊博士作为CIGRE配电系统和分布式发电技术专委会的中国委员参加了会议,并参与了CIGRE 2016 SC6相关会议的交流与讨论。本文将基于CIGRE此次年会提出的未来电力十大技术问题以及SC6的具体议题,着重分析配电系统及分布式发电的最新发展动向,并对我国配电系统及分布式发电的发展提出展望与建议。

  2 未来电力系统的进化模式

  CIGRE 2016的主旨报告《电力大变革——未来电力系统》指出,各种各样的因素正推动着全球能源系统向着可面对不同挑战风险、不同管理方式、不同条件状况的资源—市场混合型模式转变。这些因素主要包括:

  (1)国际和国家层面的政策鼓励低碳生产、可再生能源(RES)的使用以及能源的高效利用;

  (2)将RES和分布式电源(DG)接入配电网;

  (3)配电网中日益增加的用户和由此引起的对电网的需求;

  (4)信息科技与通信技术(ICT)的进步;

  (5)电网全寿命周期更新投资的需要;

  (6)利用基于市场的方法控制电网阻塞的必要性;

  (7)市场规划与管理机制向着公平、成本效益最好的方法演变;

  (8)现有及新建设施的稳定性、持续性及其对环境的影响;

  (9)世界上仍有大量的人口用电不足的问题亟待解决。

  上述因素可能促使电网在2020年及以后(甚至到2040年)至少向着以下两种模式发展:

  (1)互联大电网:负荷区域和大型集中式可再生发电站之间大传输功率的互联大电网的重要性的提升。采用大电网连接不同国家的能源市场;

  (2)主动配电网:大量小型及大型包含分散式发电厂、储能、有功用户参与的自我供给配电网的簇拥出现导致必须采用主动配电网对有功和无功进行管理。

  由于大量互联电网的加入,主动配电网被视为解决日益突出的环保、经济、可靠等问题的方法,因此未来电力系统很可能以上述两类模式的混合形式出现。

  3 十大关键技术问题及相关技术挑战

  电网要实现向上述模型的转变必须面临并解决如下十大关键技术问题及相关技术挑战[1]:

  (1)主动配电网将导致在配电网电压等级和更高电压等级网络中产生双向潮流与数据流。在主动配电网中,随着小型电源(发电厂和智能负荷)的大量渗透,传统的消费者可变成能源提供者,电力的潮流分布将呈现出双向性。一方面,为加强对这些小型电源的控制与协调,对于配电系统的智能化要求越来越高。另一方面,由于整个售电市场和输电系统存在很强的相互作用,如何建立合理的智能控制技术来实现大量小型电源之间的协调是一项新的技术挑战。

  为应对上述挑战,首先需要获取配电网自动化、家庭能源管理以及电动汽车的数据信息,这就需要安装大量的智能电表和需求侧响应电表。同时,还需要研究合理的配电网结构以确保其能够为当地的能量平衡提供更好的保障。另外,由于市场和制度正潜移默化地向着高效管理、公平公正、成本回收的方向进化,以市场为导向的分布式发电(如虚拟电厂)控制技术也是应对该项挑战的可能方法之一。

  (2)先进测量与监测设备的使用以及对信息交换的大量需求。

  在未来配电网系统的发展过程中,将会使用大量先进测量与检测设备,对于信息交换的需求也大大增加。其相关的技术挑战主要表现在以下几个方面:

  ①在系统的运行、保护、检修以及全寿命管理等过程中需要新的量测参数、网架信息、通信技术以及相关的新式算法。

  ②交换数据的识别及其相关需求,例如数据的可靠性、安全性等。

  ③故障恢复与转供规划方法。

  ④网络安全与准入控制:现代电力系统越来越多的依靠ICT技术,该技术带来的网络安全、通信安全等问题变的日益重要,这些问题在电网未来的发展过程中将会被重点关注。

  (3)在各电压等级下直流技术与电力电子(PE)应用的增长及其在电能质量、系统控制、系统安全以及系统标准化方面的影响。

  由于大电网互联以及能源远距离输送的需求,高压直流输电以及柔性输电技术越来越显示出重要的作用。因此,相关的直流技术与电力电子技术在各电压等级的应用将明显增长,并将直接影响电能质量、系统控制、系统安全以及系统的标准化,它是未来配电网模式转变的关键技术问题之一。其涉及的技术挑战主要表现在:

  ①计及高压直流(HVDC)和PE系统控制模型的交流电网性能的研究。

  ②在HVDC和PE运行过程中,交流和直流谐波过滤器所产生的谐波失真管理,以及由于电力电子用户日益增加所产生谐波污染的去除。

  ③在交流电网发生故障时,直流和基于电力电子(PE)的发电站在动态响应和性能方面较传统发电厂和交流线路有着显著的区别。许多情况下,如何选用适当的设计和控制方法,从而大大增强全网的可靠性是需要考虑的重要问题。

  ④高压直流电网是一种与传统电网在动态响应和性能上皆有着明显不同的全新电网形式。建立完善的HVDC电网,需要灵活使用制造业的各种设备,并逐步完善各项标准和网络节点。

  ⑤高压直流电网是一种全新电网形式。为了使其逐步的建立起来,需要建立相应的标准以及电网技术准则。同时,不同制造商提供的设备也应该具有互换性。

  ⑥如何满足日益增长的终端直流供电的需求(例如居民用户和商业建筑等)也是挑战之一。

  (4)储能系统中重要设备的发展及其对电力系统发展和运行的影响。

  为实现分布式能源之间的协调,储能系统发挥着越来越重要的作用,同时也带来许多技术问题。

  ①建设问题:先进材料、安装成本和建设成本的下降、环境影响的降低、充放电周期效率的提升、重量减轻且尺寸密度的提升以及全生命周期评价模型的研发等。

  ②运行和网络问题:各电压等级下储能的影响、静态稳定建模和动态仿真、充放电管理、与RES联合运行的混合系统、孤岛管理、削峰能力、以及需求侧管理技术协调运行等。

  ③抽水蓄能和电池储能的发展。

  (5)针对系统运行、系统控制和市场/法规规划,建立计及主动用户与不同发电形式间相互作用的新概念。

  在未来主动配电网的发展模式中,由于用户也可能参与售电,因而必须考虑主动用户与不同发电形式之间的相互作用。因此,针对系统运行、系统控制和市场/法规规划等问题必须要有新的理念。具体涉及到:

  ①发电站随机组合以及柔性负荷和储能导致的负荷变动所带来的运行挑战。包括:功率平衡、阻塞管理、市场规划和规范机制的改进,以及促进含用户和RES参与的电力市场、有功无功储备和风险管理等。

  ②输电系统中电力电子整合技术,如含HVDC线路的内部互联系统会对可靠性、电力市场整合与控制以及电力系统动态性能带来挑战。

  ③各大洲、各国、各地区电力系统控制的发展:输电系统运行人员(TSO)、配电系统运行人员(DSO)、电力市场运行人员、能源服务商以及其他相关人员之间都需要共同协作。应当了解全网的地位、各系统间的界限,信息交互以及生产和负荷中心TSO,DSO及其他相关人员间的可操作接口。

  ④自动化水平的提升:新开发软件的工具可以快速地确定系统在整个网络中的状态,其可提供决策支持,并为系统运行、自动化结构以及电气参数的调整、转供自动化、事故恢复等提供警示。

  ⑤应确保系统运行人员相关培训和具有相应资质。

  (6)发电厂的不同特征和发展中电网保护的新概念。

  随着电网的发展,其保护理念以及发电厂的特征都将与以往有着较大的不同,表现在:

  ①新的输电网广域保护系统(WAPS)将可克服特定类型继电保护在可靠性、灵活性、检修成本方面的局限性和不足。

  ②全新的发电技术会对保护系统产生影响,例如减小短路功率、导致潮流逆向等;

  ③故障穿越能力,即新发电机容量在承受由于故障所引起低电压的能力。

  ④偶然性孤岛检测与蓄意性孤岛运行,即部分配电网由于没有连接至高压网络而呈现物理孤岛情况。

  ⑤使用高效通信网络的配电网中新式保护和自动化功能。

  ⑥其他创新技术,例如直流断路器。

  (7)计及新输电/配电接口的全新规划概念、环境约束的增加以及有功无功潮流控制的新技术。

  在未来电网的模式转变当中,需要建立计及新输电/配电接口的全新规划概念,并需要增加环境约束,研究有功无功潮流控制的新技术。具体涉及:

  ①环境因素的更高社区意识:这一问题正驱动着输电线路的批准、开关绝缘和灭弧气体的选择与设计等的发展。

  ②不确定因素增加下的规划和批准:在保证可靠性和质量的情况下,电力系统角色和供需关系的改变影响着最小资产链规划的能力。较高的不确定性将影响大量的经济和技术因素,当在规划环境时考虑这些因素将为规划带来了新的挑战。

  ③现役设备的最佳利用:通过延长设备的可用寿命、使设备适合新的需求(如双向潮流)、对设备进行更新升级(如新的控制系统)、或者重新部署。上述过程中涉及的技术包括可靠性评估、以及基于大数据分析的资产全寿命周期管理等。

  ④网络投资规划:规划中需要考虑需求响应、分布式电源的分布,以及输电线路和配电线路扩建投资的相互影响等因素。

  ⑤技术变化:需要了解各技术方案的成本、容量以及到期时间,以便进行比较选择。

  ⑥经济驱动力的改变:这会影响资金的可用性和投资风险,并可能对投资产生重大影响,尤其是在以市场为基础的系统。

  ⑦市场和管理环境的改变(对中央规划水平与市场方案的影响的比较)。

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