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如何实现灵活高效智能配电网的思路与实践  

2016-11-07 11:02:12|  分类: 生产工艺 |  标签: |举报 |字号 订阅

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为了提高接入高占比可再生能源(RES)智能电网的效率和效益,在规划和运行时都需要有效利用各种灵活性资源。基于第23届国际供电会议(CIRED2015)圆桌会议5(RT5)的内容,文章介绍了在电网规划和运行中使用灵活性资源的思路,并给出了欧美国家提高系统效率的实际案例,主要侧重于配置灵活性资源和降低网络损耗两个方面;最后介绍了一些与降损节能相关的法令政策。案例研究结果表明,通过灵活性资源的合理配置可以显著改善电力系统的运行效率,提高成本效益,这是中国高占比RES智能配电网研究中应重点关注的一个方向。

智能配电网

  0 引言

  可再生能源具有量大面广和间歇性的特点,无论是以集中式接入高压电网还是以分布式接入配电网,若仍采用传统的电力系统规划和运行模式,则意味着不仅会产生昂贵的电网改造费用,还会降低电力系统运行的效率和效益。因此,世界各国都在研究高占比可再生能源条件下电力系统的运行效率问题。

  提高系统运行效率的传统方法是尽可能降低单个电气设备(即所谓“元件级”)的损耗。这种方法简单易行,因为用高性能设备替换系统内的低性能设备即可,但在系统效率达到一定水平后,进一步降损的成本将越来越高。提高效率的另一种方法是从整个系统(即所谓“系统级”)出发,在不影响供电可靠性和供电质量的前提下减少系统的整体输电损耗,从而避免代价高昂的电网改造。根据欧洲电力系统的运行经验,利用灵活性手段可以减少2/3的网络投资费用,参见2015年本刊“欧洲配电网智能化”系列连载,因此可以作为高占比可再生能源(RES)电力系统提高运行效率和效益的有效策略。

  国际供电会议(CIRED)致力于展示和推广供电技术与管理方面的先进技术和理念,包括网络元件、电能质量、运行控制和保护、分布式能源、配电系统规划和DSO监管等6个研究分会。其中,配电系统规划分会(S5分会)包含风险管理和资产管理、网络发展、配电规划、方法及工具等4个议题。相应地,本刊已经推出了4篇“高占比可再生能源发电”系列连载文章,分别介绍了配电网消纳高占比可再生能源的风险管控方法,配电网的技术发展方向,智能配电网规划的关键技术,以及配电网规划的创新性方法模型和工具。作为系列文章之五,本文基于CIRED2015圆桌会议5(CIRED2015-RT5)讨论的内容,介绍了如何从规划与运行的角度实现灵活高效的高占比RES智能配电网的思路和实际案例。

  针对接入高占比RES的智能配电网,首先介绍了在规划和运行中使用灵活性资源的研究思路;然后展示了有效利用发电侧、需求侧和配电侧灵活性资源的案例,并讨论了接入RES对配电网运行效率的影响以及诸如降压节能、电压/无功优化等措施在提高配电网运行效率方面的作用;最后介绍了一些与降损节能有关的法令和政策。

  1 规划和运行中使用灵活性资源的研究思路

  本节根据CIRED2015-RT5中美国电力科学研究院(EPRI)展示的资料,在介绍高占比RES智能配电网净负荷曲线特点的基础上,讨论了提高系统灵活性的可选资源(灵活性资源),以及在规划和运行中如何利用这些资源。

  1.1?高占比RES智能配电网的净负荷曲线特点

  从全球电力系统的发展趋势来看,可再生能源的渗透率越来越大,不仅在送电端有大规模风力、光伏发电场,而且在用电端也有大量的分布式发电。风、光等可再生能源的输出功率具有随机性和波动性,国外的实际运行经验表明,在可再生能源全部并网且不发生弃风弃光的情形下,电网的净负荷曲线将呈现鸭子形状,即所谓“鸭型曲线”。以意大利某公司接入分布式光伏发电的净负荷曲线为例,由于光伏只能在白天发电,且在负荷需求相对较低的中午时分达到峰值,而在负荷需求相对较高的夜晚不能发电,使得净负荷曲线呈现如图1所示的“鸭型”。接入高占比RES条件下净负荷曲线的这一特征对电力系统的运行灵活性提出了更高的要求。

智能配电网

图1分布式可再生能源接入导致系统净负荷曲线呈现“鸭型”

  1.2?接入RES智能配电网中的灵活性资源

  所谓灵活性,是指在某一时间尺度内电力系统能够快速而有效地优化调配现有资源,并快速响应电网功率变化、控制电网关键运行参数的能力;其中电网功率变化不仅包括负荷变化,也包括可再生能源输出功率波动。如1.1节所述,接入RES电网的净负荷为“鸭型曲线”,为保证功率平衡,系统必须具有灵活性。电力系统的发、输、配、用电和储能等环节都可以提供灵活性资源。传统发电出力的经济调节范围为30%左右,除了优化调度之外,电力系统运行中的灵活性资源还包括发电调峰能力、输配电网运行、需求侧响应、储能设备调节能力、可再生能源并网技术等。

  传统发电资源包括火电、水电以及核电,它们是电力系统中较为稳定、可靠的电源,是灵活性资源的重要组成部分。为了满足高占比RES条件下“鸭型曲线”的调度需求,发电机组必须具备能够跟随净负荷曲线快速变化的能力,因此衡量发电灵活性的重要指标是发电出力的爬坡速率。以图1所示情形为例,对于接入分布式光伏发电的系统,在白天要求发电机组具有快速向下的爬坡能力,夜晚则要求其具有快速向上的爬坡能力,从而保证发电与用电的平衡。

  输电网络的灵活性主要体现在区域电网的结构和互联方式上,而需求侧响应的灵活性则体现在通过价格信号和激励机制使用户主动改变原有的用电计划和模式,即通过有效整合和规划供应侧与需求侧的资源来增加系统的备用容量,从而提高运行灵活性。储能技术也属于非常重要的灵活性资源,不仅可以削峰填俗、平滑负荷,从而提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动、降低供电成本,还可以与可再生能源配合以提高其利用率。

  在高占比RES智能配电网规划中,RES的接入方式,即根据负荷需求灵活投切RES,也可作为一种灵活性资源。

1.3?考虑灵活性资源的规划和运行方法及实例研究

  为提高高占比RES智能电网的运行效率和效益,必须在电网规划时考虑如何配置灵活性资源,这与满足容量裕度的N-1规划方法相似,只是规划方法更加复杂,需要考虑不同灵活性资源的特点、网络结构和运行方式。并且,还要在可靠性和经济性之间进行权衡,从而达到合理配置灵活性资源的目的。除了规划,在运行中也要根据实时情况和负荷预测数据,合理调配和激励各种灵活性资源。

  美国工业界专门针对此研究成立了北美电力可靠性委员会(NERC)关键可靠性服务(在爬坡需求方面)的工作组,以及由美国电力科学研究院(EPRI)领导的IEEE灵活性研究工作组。EPRI主要侧重于研究以下内容:①集中发电的灵活性以及提供灵活性所需的系统支持;②考虑灵活性的集成建模框架;③在集成的电网构建考虑系统灵活性的成本效益框架和开展灵活性试验项目。另外,EPRI还发布了灵活性白皮书(FlexibilityWhitePaper)以及容量和电量白皮书(CapacityandEnergyWhitePaper)。

  关于考虑灵活性的配电网络规划的研究,EPRI主要涉及以下几个方面:①用于评估电网是否具有足够灵活性的工具和指标;②多层筛选和细化方法的研究;③考虑输电和资源充足性的研究;④展示和改进方法的案例分析。一些具体项目包括化石能源电厂的灵活运行建模、储能的价值评估、需求侧灵活性的示范等。图2为EPRI174号研究计划“分布式可再生能源集成方式”的总体架构。

图2 EPRI174号研究计划:分布式可再生能源的集成方式

  EPRI从上述研究中得到的一些结论如下:

  1)通过研究时间间隔在60min内的灵活性资源匮乏现象,发现较高的时间分辨率数据将对研究是有利的。

  2)峰荷持续540min(9h)的系统可能需要增加额外的容量,即使有条件,这样的系统也不太可能让长期启动的机组离网运行;在这种情况下,系统内部可能存在不灵活互联的电网,如果互联电网具有灵活性则可以缓解该问题。

  3)通过研究频次少于1h的灵活性资源匮乏情况发现,改变运行状态也许足以满足机组爬坡和备用等的需求,而一些长效的缓解措施则包括互联运行或增加新容量。

  2?有效配置和利用灵活性资源的实践案例

  本节介绍了EPRI从发电侧、德国造纸业从需求侧以及意大利国家电力公司从配电侧出发,有效配置和利用灵活性资源的实践案例。

  2.1?提高发电侧灵活性

  发电侧的灵活性主要体现在适应负荷波动变化的功率、电量和爬坡速率调整几个方面。在传统发电模式下,一般发电机组总容量为年最大负荷的1.3–1.5倍即可满足负荷波动的需求。随着可再生能源发电量占比的不断增加,在各国发电装机总容量数倍于年最大负荷的情况下,发电侧灵活性将面临以下挑战:首先,不仅要预测日负荷曲线,还要预测可再生能源出力曲线;其次,如何调整爬坡速率以满足“鸭型”净负荷曲线的需求;第三,在产能过剩而且不能削减可再生能源发电时,如何调整传统发电出力以满足可再生能源的发电特征。

  早在2013年,美国加州电力调度中心(CAISO)就预测,按照现在加州光伏发电的增长速度,到2020年光伏发电就能取代火力发电,在其电力系统中占领主要地位。图3是从2012–2020年加州某天24h的净负荷曲线,呈现非常明显的鸭子形状;在“鸭颈”区域,3h内约需要13000MW的爬坡能力。

图3 CAISO的“鸭型”净负荷曲线

  EPRI研究了针对需求、风电和净需求在不同时间尺度下的爬坡幅度(用百分位数来表示其可能性),即灵活性需求,如图4所示。对于净需求、风电和需求所要求的爬坡幅度(灵活性)将在各自对应的两条曲线所包络的范围之内变化。

智能配电网规划

图4 净需求、风电和需求所要求的爬坡幅度百分位数随时间的变化

 2.2?提高需求侧灵活性

  需求侧灵活性主要指利用需求侧响应和管理措施来提高电网运行效率。在CIRED2015-RT5上,来自欧洲造纸工业协会的研究人员介绍了德国造纸工业在参与需求侧响应以提高需求侧灵活性方面的经验。从能源使用的视角来分析造纸工业,这是一个可再生的、可循环的、革新的、以生物为基础的工业,具有系统效率和制造经验。与其他策略(如电网扩建等)相比,需求侧响应是满足欧洲能源政策要求、更具成本效益和更易实现的解决方案。其总体思路是:①尽可能离网满足基本工业负荷需求;②尽可能维持平稳的工业负荷需求;③提高设备和流程的效率;④通过分时电价、可中断服务、自动负荷管理来减少或转移峰荷期的电量。

  德国造纸业的需求侧响应模式分为3级,如表1所示。第一级响应最先启动,5min后被第二级响应取代,德国工业(5分钟级)可以响应的功率理论估计值为9?000MW,其中约700MW来自造纸工业;15min后由第三级响应取代第二级。从技术和经济的角度来看,最令人关注的模式是第二级响应,其次是第三级响应。需要说明的是:

  1)正向响应指通过增加发电量和/或减少用电量来平衡功率,负向响应指通过增加用电量和/或减少发电量来平衡功率。

  2)造纸厂参与需求响应必须经过资格预审(通常需要几个月的时间),以确定其响应时间和提供的功率等级。

  3)对于最小功率阈值的要求,可以通过服务供应商和大能源公司绑定用户来满足;最多只允许5家参与提供可削减负荷服务,通常一家造纸厂所能提供的可削减负荷不超过50MW。

  4)借助这种需求响应方式,可以实现对单独功率和电量价格的竞拍。

  根据德国的实践经验,目前在提高需求侧灵活性从而实现节能降损方面还存在很多挑战。首先,来自造纸厂内部的挑战有:①为了减少功率消耗,尤其对于那些能源消耗较大的中间产品而言,需要内部有充裕的容量和额外的储能容量;②为了进一步提高灵活性,可能需要一定的投资(用于储能,电热式蒸汽锅炉等);③对内部生产过程(制浆,造纸或纸板)的干扰必须越小越好,然而对于第二级响应来说,15min如此短的反应时间通常是一个很大的挑战。其次,来自外部的挑战有:①对于每次增加(部分情况下也包括减少)功率消耗,都要支付较高的过网费以作惩罚;②在负荷变化较为剧烈的情况下,最大负荷利用小时数无法满足至少7000h的要求,而这是对享受单独工业用户净费率的最低要求;③在预测耗电量和实际耗电量不一致时,必须支付额外的平衡电量费用。

  为了应对这些挑战,首先,不仅要在政治层面对工业需求侧灵活性的潜力给予足够重视,而且要在需要的时段消除监管壁垒来创造额外的电力需求,具体做法是:①修正电网价格法规,以避免用户在协助维持电网稳定运行时受到任何惩罚,即参与响应的用户不支付额外的过网费;②采用每日竞价方式;③将提供备用裕度的最短时间减至1h。其次,对在线发电维持当前的激励机制,以保证能够在离网状态下满足工业基本负荷的需求。第三,实施需求侧响应的目的应和节能降损的目标一致;理想情况下,当参与需求侧响应计划时,从电网获取电力的能效应为100%。第四,对于监管者和电网运行人员的要求是,当用户(如一家造纸厂)参与需求侧响应时,必须能够清楚预测其每年应被合理调度的总时数。最后,无论从技术还是流程来看,参与需求侧响应都会对工业运作方式产生显著的影响,因此必须对相关的研究、发展和创新给予大力支持。

  2.3?提高电网侧灵活性

  电网侧灵活性主要指改变网络运行状态来提高电网运行效率。在CIRED2015-RT5上,意大利国家电力公司(ENEL)介绍了如何通过对中压网络开关进行优化配置管理来提高运行灵活性从而降低网络损耗的思路,以及针对米兰配电网实现的具体案例分析。配电网多为闭环结构,开环运行,控制馈线上的常闭分段开关和馈线之间的常开联络开关就能改变电网的运行状态;不同的状态对应不同的网络损耗,显然提高电网侧运行灵活性的目的就是找到网损最小的运行状态。ENEL提出从工具(如配电管理系统)、算法和开关切换方案几个角度出发提高配电网运行效率的思路。

  网络优化配置是一个以网损最小为目标的优化问题,必须满足的约束包括电压约束、支路过载约束、变压器过载约束、供电约束(满足负荷需求且不能有孤岛)、网络拓扑约束(辐射状,即不能有环路)等。要实现优化配置就需要获取配电网的电气量、网络拓扑、开关状态等数据,在配电管理系统(DMS)服务器上运行优化算法,根据结果发出控制信号对开关进行控制。其核心就是开发应用在DMS中的优化配置算法,包括最优潮流、支路交换法、人工智能算法(如遗传算法、人工神经网络法)和模拟退火法(SA)等。

  ENEL所研究的米兰配电网案例基本情况是:中压线路总里程14?768km,共25?014个中低压变电站,中压用户数为5?892,低压用户数超过17万,年供电量988?740万kWh,优化前的初始损耗为267.5GWh/a。运行图5所示的优化配置算法得到187个推荐开关切换方案,通过筛选得到20个相对较优的方案,筛选的原则是判断这些方案是否满足中性点补偿系统、自动化系统、反向供电、限制故障电流、电压等要求,是否符合用户分布的均一性、供电质量等标准,是否适应存在不可解列的用户、预先签订的操作协议等运行条件。通过验证最终确定5个方案,仅仅通过这5个方案每年就可减少损耗230万kWh,减损效果达到0.86%。由此可见,通过优化网络配置能够有效提高中压配电网的运行效率。

智能配电网规划

图5 意大利国家电力公司提出的确定最优开关切换方案算法流程

 3 接入RES对配电网运行效率的影响与降损措施

  3.1?接入RES对配电网运行效率(损耗)的影响

  分布式能源的接入使得配电网馈线中传输有功、无功大小和方向发生改变,从而引起配电网节点电压分布及网络损耗的变化。EPRI针对图6所示的简单算例研究了RES对配电网运行效率的影响,其中不同负荷水平下线路损耗随RES的变化情况如图7所示,可见接入RES的系统效率并非一成不变,而是取决于分布式电源的位置、与负荷的不平衡量以及网络的拓扑结构等因素,因此当RES接近负荷时并不总是意味着损耗较低。在上述研究中忽略了RES设备中的损耗、RES侧线圈中的损耗以及与RES互连变压器中的损耗。

图6 研究RES对配电网损耗影响的算例

智能配电网

图7 不同负荷水平下线路损耗随RES的变化

  3.2?提高配电网运行效率的其他措施(CVR和VVO)

  降低配电网损耗、提高运行效率最快捷有效的措施还有降压节能(conservationvoltagereduction,CVR)和电压/无功优化(voltage-varoptimal,VVO)等,这些措施可以减少空载损耗、提高某些负荷设备的效率,以及实现更好的电压无功控制。

  降压节能CVR措施可以减少线路、变压器和终端设备的损耗。EPRI的研究发现,家用电器设备运行在114–120V范围内要比运行在120–126V范围内消耗的能源更少。随着测量技术和通信系统的发展,CVR渐渐成为提高智能配电网运行效率成本最低的方法。

  电压/无功优化VVO是在保证电网安全可靠的前提下,通过合理的调压措施来分配电网中的无功潮流。调压措施既包括如投切无功补偿设备、调节变压器分接头这样的传统方式,也包括如控制边界电网(edge-of-grid)电压这样的新方法,后者还能够使网络容纳更多的可再生能源。无功潮流优化后可以提高线路和变配电设备的功率因数,从而有效地减少功率损耗。EPRI对利用CVR和VVO提高系统运行效率进行了研究,发现电压每降低1%可减少约0.8%的功率损耗(如图8所示),因此采用CVR措施可使系统传输更多的有功功率。

图8 CVR和VVO在节能降损方面的作用

  CVR在节能降损方面的效果用CVR因子来衡量,定义为负荷变化百分值与电压变化百分值之比;EPRI的研究结果显示,CVR因子随负荷类型、季节和区域的不同而不同。由于CVR对馈线运行效率的影响相对于负荷变化较小,直接测量CVR因子是一项极具挑战的工作。EPRI建议以月为周期测量负荷,利用回归分析法确定功率和电能的变化量并提取其特性,据此估算CVR因子。

  4?与提高系统运行效率相关的法令和政策

  为实现在智能配电网中灵活高效地接入高占比RES,离不开相关的法令和政策支持。2009年欧盟委员会发布了能源码设计指令(TheEcodesignDirective,Dir2009/125/EC),构建了一个为能源相关产品的能源效率设置最低法定要求的框架;2010年,欧盟又发布了能源标签指令(TheEnergyLabellingDirective,Dir2010/30/EU),构建了一个为与能耗有关的消费者信息设置标签(将产品从A到G分级)的框架。

  这些法令的应用领域涉及直接和间接对能耗有影响的任何设备。前者指使用、产生、传输或测量能源的设备(如电灯、家用电冰箱、洗衣机、洗碗机等);后者指不使用能源但对能源产生影响的设备(如隔离窗)。颁布法令的目的是通过对设备的耗能情况进行定标,引导消费者购买能耗少的产品。

  根据意大利电力公司的研究,实施能源码设计指令预计到2020年可以总共节省1.932TWh的一次能源,其中1.162TWh来自电能;与2005年相比,所减少的二氧化碳排放量可以达到欧盟排放交易体系(EmissionTradingScheme,ETS)的要求。今后,欧盟的战略将侧重于进一步落实与提高元件级效率有关的计划政策,在系统级管理业务中考虑能源效率问题,并且更加关注在系统级规划中能源系统效率的动态特性。

  5?结语

  由于可再生能源发电的特点,无论是以集中式接入高压电网还是以分布式接入配电网,其发电量占比增加都会给电力系统带来随机性和不确定性,若仍采用传统的规划和运行模式,则不仅意味着会产生高昂的电网改造费用,还会降低电力系统运行的效率和效益。

  根据欧美国家电力系统的运行经验,如果在规划时配置各种灵活性资源并在运行时给予有效利用,不仅可以减少电网投资费用,而且可以灵活应对各种随机性和不确定性因素,从而提高高占比RES电力系统的效率和效益。

  本文结合CIRED2015-RT5的讨论内容,介绍了实现灵活高效智能电网的研究思路和实践案例,侧重于展示对发电侧、需求侧和配电侧灵活性资源的有效利用,以及接入RES和采用节能降损措施时对配电网运行效率的影响,将为中国在提高高占比RES智能配电网运行效率方面的研究提供借鉴与参考。

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