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配电网的技术发展方向  

2016-11-08 09:50:56|  分类: 生产工艺 |  标签: |举报 |字号 订阅

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配电网的技术发展方向主要体现在配电网新设备、新系统及其智能化应用。文章基于第23届国际供电会议(CIRED 2015)规划分会(Session 5)(简称CIRED2015-S5)中的相关内容以及圆桌会议16(RT16)中的专题报告,首先介绍了目前配电设备和配电系统方面的技术进展,并给出了智能配电网理念在配电设备以及配电系统方面的一些实际应用案例,然后介绍了交直流混合配电网研究的最新进展,最后概括介绍了欧盟及瑞典、挪威的智能配电网发展路线,旨在使读者能够了解配电网技术发展方向的最新研究和应用成果。

  0 引言

  配电网是目前电力系统创新性发展最为集中的地方,大多数配电网的创新发展都集中在配电设备以及配电系统的技术进步方面,各种新材料、新元件和新系统都在不断测试和试点应用中。这意味着在设计未来电网时要考虑其性能;就配电系统的运行而言,这还意味着未来电网的运行需要有更高的资产管理水平,并且可以承受更大的运行风险。

  CIRED是国际上唯一致力于配电领域的传统国际会议,共有6个分会:网络元件、电能质量、运行控制和保护、分布式能源、配电系统规划和电力市场。其中配电系统规划(CIRED2015-S5)分会主要讨论了4个议题,包括风险评估和资产管理、网络发展、配电网规划、规划方法及工具。本专题系列共有7篇文章,主要围绕CIRED2015-S5的议题,从如何消纳高占比可再生能源角度介绍当前规划技术的最新进展。专题系列文章之一基于议题1归纳总结了各国配电系统采用的风险评估和资产管理策略,给出了配电网消纳高占比可再生能源的风险管控方法。

  配电系统技术发展的大致方向是:设备小型化、系统集成化、引入直流、更加智能化。本文基于议题2着重探讨和研究了配电网技术发展方向,以便于能够更经济、安全和可靠地消纳高占比可再生能源。主要内容包括:①配电网设备和系统2个层面的创新性技术发展;②智能电网理念在设备和系统的技术发展方面的实际应用;③交直流配电网未来发展的可行性和有效性;④欧盟及一些欧洲国家(瑞典、挪威等)的智能电网发展概要。

  1 配电网在设备和系统方面的近期进展

  随着社会经济的发展,配电网的建设、规划和运行也在不断改革创新,一些曾经无法实现的功能在新的配电网条件下成为可能。相比于传统的配电网,未来的智能配电网成本更低、同等容量的设备占地面积更小、自动化水平更高、效益更高、网络市场化程度更高,有更多的配电零售商参与到供电的管理工作中,整个配售电结构都将发生巨大的变化。

  本节从电力设备和系统2个层面讨论配电网技术的进展。

1.1 配电设备的技术进展

  在规划未来电网时必须考虑电网新元件和用电新设备带来的新功能。CIRED 2015-S5提到在未来电网中可能广泛应用的几种技术,包括故障限流器(fault current limiters,FCL)、正交增压器(quadrature-booster,QB)和电缆。

  传统的配网限流措施通常包括网络开环运行、安装高阻配变或升级现有的开关柜等几种。故障限流器FCL是一种新的保护装置,目前主要有预饱和铁芯FCL、超导FCL和电力电子FCL 3种,文献[4]介绍了这几种装置的限流原理、成本、以及实现FCL与电网标准化连接在开关柜和保护方面的要求。截至2015年,英国配网已经安装了4台FCL,并计划到2017年再至少增加5台。2013年,英国GridON电网某33/11kV主站安装了一台10MVA饱和铁心FCL,其快速故障恢复能力使得该网络能够同时运行3台变压器,而安装FCL之前由于故障电流过高而只允许两台变压器并列运行。来自GridON的运行数据显示,在正常运行时,与限流电抗器相比,FCL对网络呈现较低的阻抗;而在发生单相、三相故障甚至多重连续故障时能够快速有效的限制故障电流。所有分析和现场测试表明,虽然FCL的成本高于传统限流措施,但具有更为显著的限流效果,能够极大地提高配电系统的安全性和可靠性;并且随着FCL技术的成熟,其成本会进一步下降,因此具有广阔的应用前景。

  正交增压器QB不仅能够提升电网的承载能力,而且可以平衡不同网络间的潮流。文献[6]介绍了一个将QB应用于33kV环网的案例,该案例对调整分接头位置引起的电压变化和负载分配进行了试验,结果表明,QB能够正常实现各种预想功能,同时还能够提升电网的消纳能力,从而使得一台70MW的热电联产机组能够顺利上网。

  文献[7]利用光伏发电输出功率的波动对分级电压调节器(step voltage regulator,SVR)抽头切换频率进行评估,并分析了光伏的容量和输出功率波动平滑度对抽头切换功率的影响。

  相对于架空线路,电缆具有供电安全、灵活和操作维护费用少的优势,但是由于成本较高,适宜于在中长期运行条件下使用。在欧洲,瑞典是大规模使用电缆的典型代表,芬兰某郊区也因经常出现大风暴,架空线路的安全性受到威胁而大量使用电缆。

  1.2 配电系统的技术进展

  除了设备层面,对配电网的优化还体现在系统层面。以无功平衡为例,在高占比分布式能源的条件下,传统并网的大型机组逐渐变少,使得系统中无功电源不足,对此一般的做法是安装无功补偿装置。文献[9]提出了一种由配电网向输电网供给无功功率的思路,该方法以发电机的无功输出、变压器的分接头位置、无功补偿容量和网络拓扑结构等为决策变量来优化输配电之间的无功交换功率。对传统配电网系统的优化还体现在对储能系统的控制和运行上。文献[10]主要讨论了储能装置对电力系统规划运行的各种影响,其中包括延迟电网的规划投资、削峰填谷、调节其无功输出的大小以防止母线电压骤降等;文献[11]设计了一个配合风机发电的储能装置的控制运行策略,在实现风电场输出电量最大化的同时可减小输出功率越限的风险,以期在不影响系统稳定的情况下最大化地利用风力资源。

IEC输配电工作咨询委员会组(Advisory Committee on Electricity Transmission and Distribution Task Force,ACTAD)总结了到2030年输配电网的发展趋势和新兴技术,最近的调查结果显示,尽管世界各地的发展路线不尽相同,但反复出现的关键词都是直流输配电(网)、可再生能源以及特高压交/直流输电。ACTAD总结当前在配电网领域的发展趋势和新技术主要包括:鼓励低碳社会的国际/国内政策、信息和通信技术、资产管理(尤其是对那些电网老化设备的投资策略)、符合电力系统要求的市场设计、管理机制以及广域运行方式等。

  ACTAD认为,在未来15~20年内,配电网的发展特点将是更加“主动”和“智能”,并且可再生能源利用率更高,占比更大;两者的重要性和实现程度取决于不同国家和地区的管理方式和政策,但为了社会的可持续发展而减小碳排放却始终是重中之重。越来越广泛的分布式发电接入,为配网运行带来的变化主要体现在“主动”和“智能”这两个方面。首先,由于分布式发电输送反向潮流需要电网具备相应的电压控制和解列措施,所以原来作为“被动”负荷的配网现在对于整个输配电系统而言变为“主动”的了。其次,为了减小由于集成大量可再生能源引起的电压、频率波动,需要在配网中增加SVC和大规模储能装置。

  英国智能电网论坛工作流7(GB Smart Grid Forum Work Stream 7,GB SGF WS7)同样以2030为时间节点、以英国配电网为例,构建了一个研究电网发展的方法模型,见图1。该模型首先选取基准网络,分别以英国郊区和城市现状电网为基准,将当前到2030年的发展路线划分为若干阶段。其次,对每个发展阶段应用所定义的场景模式;GB SGF WS7定义了2种发/用电模式,不仅考虑最严峻的情形,而且考虑了包括可再生能源在内的低碳技术。第三,分析电网在所选择场景下的表现,利用“用例”中定义的稳态和暂态研究内容,明确关键问题所在。“用例”是软件工程术语,GB SGF WS7用其定义研究内容以得到定性和定量的输出,并作为解决关键问题的分析基础。最后,GB SGF WS7定义了涉及运行、规划、商业和管制等方面的24个关键问题,分别与配电网技术、主动用户、全系统以及通信等其他技术相关,然后针对关键问题给出解决方案。解决方案中则包括传统的方法,如网络强化建设和馈线上的负荷分配;智能的方法包括主动配网管理(active network management,ANM)、储能(electrical energy storage,EES)、故障限流、需求侧响应(demand side response,DSR)等。

  上述研究方法在网络发展的每个阶段反复进行,直到找到一条可信的发展路线。尽管该模型以英国配网为例,但还可应用于研究其他具有类似特征的电网。

  2 智能配电网理念在配电设备及系统方面的体现

  CIRED 2015-S5主要从定义和特征的扩充和完善、技术经济效益的评价以及实践应用的展示等几个方面来阐释和评估智能电网这一理念。

  CIRED 2015-S5采用的评估智能电网项目有效性的方法是:一是对现有的智能电网项目建立数据库(包括自2006启动的165个智能电网的案例工程的所有参数和数据),通过统计综合分数将项目分成可靠、可接受、有疑问和不可接受4类;二是通过建立评估指数评估智能电网项目特征,大众所熟知的特征包括承载能力的增加、供电能力的增强和能源利用效率的提升等;三是建立实验室,致力于检测智能电网项目中设备、系统、性能的有效性;四是分析具体项目在分布式能源高占比条件下对总成本收益经济性的影响,包括利益相关者(用户、市场操作者、配网运营商)的投资成本和运行成本的主要组成成分。

  为了让更多的人了解智能电网的真正含义,BKW Energie AG从电网运行人员的角度编撰了一套智能电网分类大全(英文版下载网址为:http://www.bkw.ch/smart-grid-taxonomy),从发展来源、概念、目的和利益相关者四个方面对这些术语进行分类和解释,并阐述了各要素之间的关联。

 智能电网规划和运行技术的实现程度需要有相关法则来给予评价。欧洲电网专案(The European Electricity Grid Initiative,EEGI)提出了一套衡量智能电网技术效益的方法,其核心是定义了反映电网承载能力、电能质量和能源利用效率的评估指标,比较采用智能电网技术前后这些指标的大小,以此来衡量智能电网技术的实用性和可行性。文献[16]对智能电网评价指标计算进行了优化,在本来仅包括发电、输电、配电、储能和电动汽车、用户服务和商业模型六大类的指标体系中增加了通信技术大类,并且对各指标进行加权平均,从而能更加客观地体现每个指标对智能电网的建设作用。

  文献[17]利用包含起点、终点、路径以及发展速度的智能电网发展方法论分析了巴西配电网公司的现状,并利用成本效益分析方法讨论了其快速智能化和慢速智能化的成本与效益。

  国外很多配电网公司已经开始研究如何从技术、设备、系统几方面将智能电网理念付诸实践,目前,全世界已经有很多智能电网工程正在实施或者已经完成。2014年,法国电力集团研发中心(Electricite De France,EDF R&D)在法国南部城市构建了一个概念电网,用于实践智能电网技术;该电网采用63/20kV配变,中压线路3km,低压线路7km,居民用户见图2,均配置了智能表计、微型风电机组、光伏电池板等先进设备,截至2015年已经实现自动环网恢复、需求响应等技术。文献[19]总结了奥地利近10年智能电网研究项目的主要经验,结论表明,电网的经济性与分布式发电的位置、时间尺度等息息相关,加强低压配电网的电压监控措施能够提高电网的承受能力。文献[20]~[22]研究了如何在配电网中应用基于电压观测器的有载变压器、通信系统、电力电子器件以及智能表计等智能设备。文献[23]介绍了挪威斯塔万格市中心的智能电网工程试验项目,此项目从2015开始实施,预计持续3年,主要目的是试验SCADA、DMS和智能表计等智能电网部件的功能。文献[24]研究需求侧响应对智能电网的影响,结果表明需求响应能够提高资产利用效率,提高新能源的渗透率。文献[25]在奥地利电力市场环境下分析了不同分布式电源渗透率下,不同电力系统利益主体的投资运行成本和效益,结果表明,智能配电网方案能够比传统电网带来更多的利益。

图2概念电网

  文献[26]研究了低碳智能电网的两种规划投资方法,分别是传统电网扩容改造(如增加变电站、线缆等)和建设智能电网(如安装储能、需求响应以及动态能量管理等),并根据2015~2030年英国的热泵上网数量和光伏上网容量数据,分析了两种规划方案的成本和效益,研究结果显示在目前英国电网条件下两种方案结合的方式是最优的。文献[27]提出了一种适用于工商业集中区域的智能配网规划方法,首先统计规划年内包括原始电网情况、负荷结构、电动汽车的增长速度、需求侧管理程度、分布式电源渗透率以及负荷预测增长率等各项基本要素,其次分析规划电网区域的智能化程度,包括智能计量、监控力度、通信覆盖率等;在规划中还综合考虑了各种智能技术灵活性对预测负荷的影响,以基于灵活性调度的新负荷预测曲线作为规划负荷结果。文献[28]讨论了韩国电力公司针对包含分布式电源、燃料电池、热电联产等微网的技术和济管理计划,总结了微网所具备的优势,如提高能源利用效率、考虑分布式电源调度的规划优化模型、涵盖实时控制的能量管理系统等。文献[29]主要针对负荷密度高、能源少的城市智能电网建设进行了研究,以哥本哈根的诺德海文为试验地区,研究动态网络拓扑、多样的智能网络服务、电动汽车充电方案、不同电力资源的优化、新能源系统下集中供热的热泵解决方案、主动负荷对电网投资规划的影响等。文献[30]分别基于灵敏度因数的电子制表法和Python脚本的潮流分析法对削减负荷进行了评估,前一种方法是直接利用电压随有功功率和无功功率变化的灵敏度因数来计算功率变化时电压的变化量,后一种方法则采用潮流方程计算发电机功率变化时电压的变化量,结果表明2种方法均可实现负荷削减评估,前者比后者计算速度快,但精度低。

3 交直流混合配电网研究的近期进展

  近几年,电力电子技术的飞速发展使得交、直流之间的双向转换更加灵活,大大推动了直流配电网的发展。与交流配电技术相比,直流配电技术具有线路成本低、输电损耗小、传输容量大、电能质量高、绿色环保、便于分布式能源接入等优势。和交流配电技术类似,直流配电技术也主要涵盖拓扑结构、设备、控制运行、保护几个方面。直流配电网的接线方式可分为辐射状、环状和两端配电;关键设备则包括AC/DC换流器、DC/DC换流器、直流断路器等;控制技术可分为系统级和设备级两种控制模式,其中系统级控制的目的是实现能量的平衡管理,保证直流母线电压的稳定,设备级控制则针对每个设备单元,结合其特性所需设计相应的控制策略;保护技术主要研究直流配电网的保护设备、接地方式、故障诊断与处理方法等。

  从2004年开始,世界各国相继开展了直流配电网的研究,在供电方式、拓扑结构、连接方式以及控制和保护技术等方面取得了一定的研究成果,但很多关键技术(如直流断路器、直流开关)还不够成熟,经济性也有待提高。目前国内外已有几个国家开展直流配电网真实线路试验运行,文献[32]以芬兰和韩国标配的实际低压直流配电网为对象,分析在不同供电范围和容量情况下,网络建设运行成本与直流母线额定电压的关系;结果表明在其他条件相同的情况下,地域特征、直流母线电压的选择是影响低压直流配电网建设运行成本的关键因素;文中给出芬兰和韩国低压直流配电的成本与直流母线电压之间的关系曲线,由此得到不同条件下的最优直流母线电压。

  建设直流配电网是智能配电网发展的一个重要方向,但是距离纯直流配电的时代还比较遥远,目前最可行的设想仍然是交直流混合配电网,即直流配电网以微网形式经换流站与交流电网相连,但是未来网络规划需要考虑直流配电网对可靠性、经济性的影响以及选址配置等因素。在交直流混合电网的背景下,首先需要对交流电气设备重新改造,例如家用和办公电器设备需要重新设计成不带整流器的设备;其次必须具备交直流电网之间的协调控制和保护。

  4 欧洲智能配电网的发展路线

  基于CIRED 2015 圆桌会议16(RT16)的主要内容,本节介绍欧盟及一些欧洲国家(瑞典、挪威)智能电网的发展路线和建设方案。

  4.1 欧盟智能电网发展概要

  欧盟智能电网中心(European Technology Platform for Smart Grids,ETP SG)的主要职责是推进欧洲各国智能电网的建设与运行,为各国政策制定者提供科技发展建议。ETP SG与欧洲各国技术中心之间、以及各国技术中心之间均相互联系,互通有无,从而形成了一个以此为主干、各国技术中心为分支的欧洲智能电网平台体系。

  ETPSG由两级组织、约150个成员组成,第一级是指导委员会,第二级包括3个工作组,分别负责电网运行与资产管理、储能和并网、智能表计和零售等工作,具体分工如下:①工作组1负责监管电网并给予响应;控制电网双向潮流,确保系统的安全性、弹性和自愈能力;规划智能输电网;管理辅助服务和主动响应。②工作组2负责研发储能相关技术及商业用例;研究整合了储能设备的电力市场以及相关法规;研发用于储能控制的电力电子技术;研究以储能为能量传输载体的热电、气电等特性。③工作组3则负责研究提高电网灵活性的技术;提高智能表计的可用性和可视化以及制定相应的规程;设计电能收费系统,协调欧盟成员国之间的相关规程;调研终端用户的社会反响,并开发需求侧响应的潜能。

  4.2 瑞典智能电网发展概要

  2012年,由瑞典政府任命来自工业、学术界和政界的15名成员组成了瑞典智能电网建设中心,并建立了公网平台,其目的是促进不同利益相关者之间的知识转化,为国家智能电网发展行动计划起草建议书。

  目前,瑞典的总发电量为598TWh,其中国内发电量占69%,新能源发电量占56%,人均CO2排放量为5~6t。瑞典自1991年开始征收碳排放税,自2003年开始为新能源提供绿色证书。瑞典智能电网政策目标是2020年之前实现无化石能源供热,2030年之前实现无化石能源运输,2050年之前实现无碳排放的高效可持续再生能源系统。总体而言,瑞典的指标在世界上是比较先进的。

瑞典智能电网发展行动计划的主要研究领域见图3。

  在法律和规章制度方面,行动计划赋予用户即使不签合同也能免费访问每小时测量数据的权利,并且监督管制框架,以克服在电网中发展储能所存在的困难。在经济方面,行动计划支持各电网公司进行风险平摊,这些风险是在投资未得到完全验证的智能电网试验方案时产生的,另外在集成的智能电网创新策略中包含各种新的和补充的创新形式以资助整个价值链。

  4.3 挪威智能电网发展概要

  挪威智能电网中心(www.smartgrids.no)是一个跨学科建设平台,涉及公共事业和电网运营商,IT软件、硬件和服务行业,电力系统和自动化制造业,智能表计公司,ICT安全顾问和认证机构,研发机构,学校,创新和商业公司,监管部门以及能源协会等领域。

  挪威智能电网中心为政府制定能源白皮书提供建议,其科学委员会制定研究策略,公共研发部门则解决配网运营商遇到的挑战。目前挪威已建成六个智能电网示范单位,并计划在2019年之前完成所有用户智能电表的安装;到2024年实现以下6个方面的研发:

  1)在智能用户方面,通过电网与智能用户之间的互动提高系统的灵活性和能源利用效率。

  2)在分布式电源和新型负荷方面,实现小型分布式电源、储能以及电动汽车充换电站等的高效并网。

  3)在配电网运行方面,实现低压系统监控、中压系统自动化与控制,中低压电网智能表计等功能。

  4)在配网规划和资产管理方面,形成主动配电网规划的方法论,对智能电网资产进行有效的管理。

  5)在电力市场方面,研究适用于智能电网的仿真工具、关税制度等。

  6)在输配电运营商方面,在输电系统运行中考虑配电网的灵活性,包括发电机组和负荷的灵活性,实现系统服务由配网运营商提供,同时开展应急技术和系统恢复功能,电网扩建工具等的研究。

5 结语

  本文基于CIRED2015-S5以及RT16中的相关内容,从配电设备和系统的技术创新、智能电网实践、交直流混合配电网发展、智能电网发展路线共4个方面来阐述配电网的技术发展方向。

  配电设备和系统的整体发展趋势是成本更低、同等容量的设备占地面积更小、自动化水平更高、效益更高以及网络市场化程度更高等,这些都为电网消纳高占比可再生能源提供了便利条件。

  国外很多配电网公司逐渐开始从技术、设备、系统几方面将智能电网的理念付诸实践,目前已经有很多智能电网工程正在实施或者已经完成。

  直流配电网是智能配电网发展的一个重要方向,但相应的研究尚处于起步,很多关键技术还有待完善,因此距离纯直流配电的时代还比较遥远,目前最可行的方案仍然是交直流混合配电网。

  一些国家和国际机构针对未来智能电网的发展制定了适合特定国家具体目标的智能电网路线,从各种角度不同层次地阐述了智能电网面临的各种挑战。

  在明确配电网技术整体发展方向的基础上,就可以对智能配电网进行规划,本专题系列文章连载第三部分将对此进行深入讨论。

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