雙碳目標下新型配電網(wǎng)發(fā)展研究

國網(wǎng)白銀供電公司 楊 建 辛世金 徐 清 魏立保 張 盼 張生慨

電力是我國碳排放量最大的行業(yè)。碳達峰碳中和目標驅動下，配電網(wǎng)作為城鄉(xiāng)經(jīng)濟社會的重要基礎設施以及聯(lián)系能源生產(chǎn)和消費的關鍵樞紐，是實現(xiàn)雙碳目標的基礎平臺。為推動能源電力低碳清潔高效轉型，分布式可再生能源、微電網(wǎng)、儲能系統(tǒng)、電動汽車高比例接入配電網(wǎng)，提高了系統(tǒng)靈活性、能源消納和智能化，但改變了配電系統(tǒng)發(fā)展模式，使未來配電網(wǎng)形態(tài)結構更加復雜化。因此，研究雙碳目標下新型配電網(wǎng)發(fā)展模式及策略具有重要意義。

基于此，文獻[1]分析了我國智能電網(wǎng)政策、技術和基礎設施等方面存在的發(fā)展問題，并介紹了如何在資源與環(huán)境約束條件下，改善電網(wǎng)結構、提高生產(chǎn)率，實現(xiàn)最小社會成本滿足最大經(jīng)濟的發(fā)展策略；文獻[2]為順應配電網(wǎng)未來管理模式，提出了基于智能計量系統(tǒng)的配電網(wǎng)監(jiān)測與狀態(tài)估計方法，根據(jù)配電系統(tǒng)不同層級狀態(tài)估計精度性能構建了互連不同電壓等級評估模型；文獻[3]針對電動汽車充電問題進行了電網(wǎng)智能化研究，并驗證了所提優(yōu)化方案能夠高效地調配充電資源，縮短平均充電行程時長；文獻[4]針對電網(wǎng)設計了一種高效智能化的分布式經(jīng)濟調度策略，實現(xiàn)方便、維護成本低和魯棒性強等優(yōu)勢。

文獻[1-4]針對未來電網(wǎng)智能化發(fā)展進行了規(guī)劃分析，并且提出了相應的智能化改善策略，但并沒有涉及“雙碳”戰(zhàn)略對電網(wǎng)的影響，為此，本文對雙碳目標下新型配電網(wǎng)發(fā)展進行了研究，在配電網(wǎng)現(xiàn)狀的基礎上展望了新型配電網(wǎng)未來發(fā)展模式和策略。

1 “雙碳”目標對配電網(wǎng)影響

傳統(tǒng)配電網(wǎng)是以用戶負荷地理全覆蓋供電為目標進行網(wǎng)架建設粗放型服務平臺。21世紀，隨著用電質量需求的不斷提高，配電網(wǎng)以高供電可靠性為目標進入精細化規(guī)劃階段，致力于打造自動化優(yōu)質服務平臺。雙碳目標下，配電網(wǎng)系統(tǒng)能源供應朝著清潔、低碳、智能化、電力電子化發(fā)展，未來配電網(wǎng)將呈現(xiàn)出高級形態(tài)智能服務平臺。高級形態(tài)下，分布式電源、微電網(wǎng)、虛擬電廠、交直流混合配電等新技術加入配電網(wǎng)[5]。

近年來，分布式可再生能源高比例接入配電網(wǎng)改變的線路潮流，且功率平衡趨于概率化。同時可再生能源的不確定性加大了配電網(wǎng)管控難度，提高了配電網(wǎng)電力電子化水平，需要進一步提高配電網(wǎng)安全性。新型電力系統(tǒng)下，配電網(wǎng)主體多元化、能源流向多樣化，要求配電網(wǎng)具有強大的承載力和調控力，保證能源消納及多元化負荷“即插即用”需求。隨著新能源裝機數(shù)量的持續(xù)增加，為提高電力系統(tǒng)投入產(chǎn)需效益，確保配電網(wǎng)高效可持續(xù)發(fā)展。能源轉型融合互聯(lián)網(wǎng)技術，將海量數(shù)據(jù)與多利益主體集成與配電網(wǎng)平臺完成運行調度和電能交易使配電網(wǎng)更加開放。節(jié)能高效、綠色低碳的發(fā)展理念成為配電網(wǎng)核心目標。

相比于傳統(tǒng)配電網(wǎng)系統(tǒng)，新型配電網(wǎng)系統(tǒng)呈現(xiàn)出綠色、高效、可靠、智能化發(fā)展趨勢，具有如下特征：具有主動消納能源及優(yōu)化調度各種資源以保障負荷供電的能力；具有源-網(wǎng)-荷一體協(xié)調優(yōu)化與互動能力；具備先進電力電子設備和信息與通信技術支撐能力?；诖恕半p碳”目標驅動下，未來智能配電網(wǎng)突破了原有電力基礎設施與特征，發(fā)展為集收集、傳輸、存儲分配于一體的新型電力系統(tǒng)。

2 新型配電網(wǎng)發(fā)展模式及策略分析

不同時期配電網(wǎng)發(fā)展側重點不同，“雙碳”目標下，配電網(wǎng)正處于從中級形態(tài)向高級形態(tài)的過渡階段，增加了許多不確定及多元化因素，為實現(xiàn)配電網(wǎng)精準規(guī)劃，需要全面掌握配電網(wǎng)未來發(fā)展模型。本文通過指出未來智能配電網(wǎng)發(fā)展演化模式，從電源側、電網(wǎng)側、用戶側和基礎共性四個領域分析技術其路線，具體如圖1。

圖1 新型配電網(wǎng)演化模式及技術路線

2.1 電源側

“雙碳”目標下，大規(guī)模開發(fā)利用可再生能源是我國新能源發(fā)展的必然趨勢。新能源高比例接入配電網(wǎng)背景下，風、光可再生能源的隨機性、波動性和間歇性引起了功率雙向流動、電壓波動加大、電能質量凸顯等問題，多種能源交互不僅影響了系統(tǒng)穩(wěn)定運行，還增加了運行風險，限制了新能源并網(wǎng)，且提高了發(fā)電功率預測難度，同時系統(tǒng)機組備用容量不足或線路發(fā)生故障時，也會導致備用電力不能輸送到指定負荷區(qū)域。

為解決上述存在的難題，未來新型配電源側需要發(fā)展態(tài)勢預測技術、發(fā)電支撐控制技術、虛擬同步控制技術、并網(wǎng)仿真技術、調頻調峰控制技術、多能交互隨機優(yōu)化調度技術和風光儲優(yōu)化互補協(xié)同控制，以模擬電網(wǎng)運行軌跡，實現(xiàn)發(fā)電單元主動規(guī)劃、及時調整、負荷精準預測、發(fā)電設備和負荷自動交互、能量供需平衡，保證新型配電網(wǎng)供電可靠、安全穩(wěn)定運行、靈活調控的同時提高系統(tǒng)兼容性問題，保障新能源發(fā)電經(jīng)濟高效并網(wǎng)?？紤]可再生能源發(fā)電優(yōu)化分日前靜態(tài)和實時動態(tài)兩階段調度，依據(jù)仿真技術對發(fā)電機組進行建模分析，靈活應對配電網(wǎng)運行變化。

2.2 電網(wǎng)側

新型配電網(wǎng)電網(wǎng)側發(fā)展主要側重于柔性直流電網(wǎng)技術、柔性交流輸電技術和多能互聯(lián)技術。十八屆IET 交直流輸電國際會議（ACDC 2022）上，中國南方電網(wǎng)公司李立浧院士指出了雙碳目標要求下，直流輸電與電力電子要持續(xù)開展創(chuàng)新實踐、研發(fā)硬核技，才能不斷適應新型電力系統(tǒng)要求。目前，我國柔性直流電網(wǎng)還處于起步階段，相關運行經(jīng)驗還不成熟。為保障其安全可靠、靈活方便運行，需要采用建模與仿真技術模擬其運行過程，并通過控制與保護技術保障與大電網(wǎng)連接和交換功率。我國能源分布不均衡性，為特高壓統(tǒng)一潮流控制器技術電網(wǎng)應用發(fā)展提供了契機，柔性直流輸電技術實現(xiàn)了遠距離大容量高效低耗輸電。

基于互聯(lián)網(wǎng)技術將使配電網(wǎng)實現(xiàn)主動分析協(xié)調功能。未來其發(fā)展方向主要有配電網(wǎng)主動管控形態(tài)及進化趨勢、分布式能源接納能力評估分析、高比例新能源并網(wǎng)的優(yōu)化運行、配電網(wǎng)主動控制與管理技術智能化分析，以及應對電力市場變化的響應技術?；凇盎ヂ?lián)網(wǎng)+”的直流配電網(wǎng)的關鍵技術，在于直流電網(wǎng)設計運行控制、關鍵設備及運行管理、故障機理及保護、潮流優(yōu)化控制和能量調度等方面的研究。為提高配電網(wǎng)接納多種不確定性能源能力和遇到災變時的恢復能力，還需提高配電網(wǎng)彈性能力，如資源優(yōu)化配置及調度技術、彈性評估及規(guī)劃運行策略等方面。

2.3 用戶側

新型配電網(wǎng)模式下，用戶側還需建立管理成本補償機制和激勵機制，以實現(xiàn)經(jīng)濟調控、提高用戶參與度，使配電網(wǎng)友好協(xié)調發(fā)展。電力營銷融合服務技術，提高服務涵蓋范圍，對無法基于移動作業(yè)平臺服務實現(xiàn)的業(yè)務調高移動支撐面，以滿足新型配電網(wǎng)作業(yè)需求。

2.4 基礎共性

智能化發(fā)展背景下，新能源高比例加入配電網(wǎng)增加了電力電子技術和電工新材料的應用。電工新材料包括裝備絕緣材料、高效新能源材料及器件和節(jié)能材料。未來具有可關斷性的量碳化硅電力電子器件，憑借提高變換器開關頻率和縮小磁性元件體積等特性迎來了這一領域的新挑戰(zhàn)。

現(xiàn)階段，配電網(wǎng)業(yè)務量日益增長，以往薄弱的通信網(wǎng)絡傳輸寬帶已無法滿足智能電力建設需求，需進一步加快大容量骨干光傳輸網(wǎng)、電力光纖到戶和電力無線寬帶工程項目的建設，靈活組網(wǎng)，構建科學先進水平的電力通信網(wǎng)絡。同時，增加調度、運檢、管理和客服方面的人工智能化，智能預測功率負荷、基于大量數(shù)據(jù)和輔助決策功能實現(xiàn)智能監(jiān)測、評估運行狀態(tài)和客服自動應答，推動配電網(wǎng)安全高效協(xié)調智能化發(fā)展。