新能源接入對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)的影響分析

張海浪

（國(guó)網(wǎng)陜西省電力有限公司延安供電公司，陜西 延安 716000）

1 主動(dòng)配電網(wǎng)概念與特征

1.1 概念由來

2004 年，英國(guó)學(xué)者首次刊登和主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)相關(guān)的研究性論文，題目為“含分布式電源配電網(wǎng)的主動(dòng)管理與保護(hù)”（Active Management and Protection of Distriˉ bution Networks with Distributed Generation）。2006 年，國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議CIGRE 正式創(chuàng)立C6.11 工作組，全權(quán)對(duì)有源配電網(wǎng)絡(luò)（active distribution networks, ADN）及其相關(guān)問題展開研究[1]。2008 年，CIGRE 配電與分布式發(fā)電專委會(huì)（C6）首次給出了ADN 的界定：ADN，即利用彈性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)潮流進(jìn)行管理，以便對(duì)分布式能源（distributed energy resource, DER）實(shí)施主動(dòng)控制、管理[2]。2012 年舉辦的CIGRE 年會(huì)上，很多DER 均已成功接入配電網(wǎng)。至此，CIGREC6 正式對(duì)ADN 進(jìn)行改名——主動(dòng)配電系統(tǒng)（ active distribution system,ADS）。同時(shí)，對(duì)分布式能源進(jìn)行了劃分：①分布式發(fā)電（distributed generation, DG）。②分布式電儲(chǔ)能（electriˉ cal energy etorage, EES）。③可控負(fù)荷（controllable load, CL）。④可再生能源（ renewable energy source,RES），如光伏或是風(fēng)力發(fā)電。CL 涵蓋了電動(dòng)汽車（electric vehicle, EV）以及響應(yīng)負(fù)荷（responsive load，RL）[3]。CIGREC6 對(duì)此給出的界定和提出的構(gòu)成設(shè)想，深得CIRED、IEEE 兩大國(guó)際性組織的認(rèn)可。范明天教授同樣也圍繞ADS 技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的進(jìn)展情況展開全面地追蹤。另有學(xué)者也提到，各國(guó)已從概念設(shè)計(jì)、實(shí)施驗(yàn)證以及模型算法等諸多層面上，對(duì)ADS 展開了初步研究。不過，根據(jù)C6.19 工作組對(duì)5 大洲（電力企業(yè)的覆蓋數(shù)量≥20 個(gè)）針對(duì)ADS 規(guī)劃得到的調(diào)研數(shù)據(jù)，除歐洲部分外，很多國(guó)家并未將ADS 融入至配電網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)的范疇。為此，主動(dòng)管理、控制至今仍停留在探索期。

1.2 主動(dòng)配電網(wǎng)的特點(diǎn)

分布式新能源正式以大規(guī)模形式接入配電網(wǎng)后，服務(wù)于電網(wǎng)管理和運(yùn)行的新配用電技術(shù)，具備獨(dú)特的三元結(jié)構(gòu)，也就是“分布式新電源－配電網(wǎng)－用電負(fù)荷”。區(qū)別于二元結(jié)構(gòu)，ADS 技術(shù)可以對(duì)分布式電源本身的性能進(jìn)行“主動(dòng)地”分析、預(yù)測(cè)，利用分布式資源來完成后續(xù)的控制、管理，從而減少分布式能源對(duì)電網(wǎng)造成的不利影響。根據(jù)前述功能，ADS 擁有如下4 個(gè)基本的特征：①有可控的分布式資源。②有相對(duì)較強(qiáng)的可觀可控能力。③有便于協(xié)調(diào)優(yōu)化的控制中心。④有調(diào)節(jié)自如的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

“可觀性”是ADS 控制中心能夠?qū)χ骶W(wǎng)、配電網(wǎng)以及用戶側(cè)承載的負(fù)荷大小、包括分布式電源在電網(wǎng)中的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[4]。在此前提下，預(yù)測(cè)主配電網(wǎng)今后的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，并提出具體的優(yōu)化協(xié)調(diào)策略?！翱煽匦浴奔茨軌?qū)Ψ植际诫娫?、?fù)荷還有儲(chǔ)能進(jìn)行靈活地控制。一旦協(xié)調(diào)控制策略落地后，控制中心就可以立即執(zhí)行?！爸鲃?dòng)性”指的是可以對(duì)潛在的某些危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)提出針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施，由控制中心負(fù)責(zé)具體的事宜。

2 新能源接入對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃的必要性

在現(xiàn)代社會(huì)，電能成為社會(huì)建設(shè)和日常生活不可或缺的能源。伴隨生活水平的逐步提升，社會(huì)各行業(yè)對(duì)電能的需求也在日漸擴(kuò)增。在規(guī)劃調(diào)度的重壓下，電網(wǎng)運(yùn)行缺乏很高的安全性，能源處理、使用情況也變得更加嚴(yán)峻，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)維帶來較大的影響。正因?yàn)榇?，有必要從?yīng)用方面對(duì)新能源電力進(jìn)行設(shè)計(jì)，探究將新能源接入主配網(wǎng)中應(yīng)具備的關(guān)鍵技術(shù)。社會(huì)在進(jìn)步，主配網(wǎng)運(yùn)行對(duì)居民生活更加重要。而新能源接入，反過來也會(huì)阻礙經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)。主配網(wǎng)規(guī)劃和新能源介入，對(duì)電力系統(tǒng)后期運(yùn)維也有很大的意義。該過程中，接入設(shè)備是電網(wǎng)運(yùn)維的傳輸工具，同時(shí)也關(guān)系到新能源電力的正常傳輸。為此，在接入的同時(shí)也要保證新能源引入電網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，幫助電力企業(yè)節(jié)省人力、生產(chǎn)成本。現(xiàn)代社會(huì)，居民用電量正在逐步攀升，主配網(wǎng)規(guī)劃和電力調(diào)度也迎來新的發(fā)展機(jī)會(huì)。配電網(wǎng)的順暢運(yùn)行關(guān)系到社會(huì)生產(chǎn)和生活秩序的穩(wěn)定，可見，確保運(yùn)維和規(guī)劃安全性很有必要。伴隨電網(wǎng)的大規(guī)模投建和并網(wǎng)運(yùn)行，對(duì)能源需求量和采集范圍也有新的需求。同樣地，新能源電力也迎來新的機(jī)遇，提出新型的電力管理模式和應(yīng)用技術(shù)。很大程度上，擴(kuò)大了電網(wǎng)調(diào)度的安全性。在主配網(wǎng)運(yùn)行中，要求電新能源電力具備較高的服務(wù)能力，也要留出一定的可擴(kuò)展性。從當(dāng)前情況分析，想要提高新能源電力整體的應(yīng)用水平，重點(diǎn)是要對(duì)新能源接入后給整個(gè)主配網(wǎng)規(guī)劃、管理方面帶來的不同影響，使其滿足電網(wǎng)運(yùn)行的基本要求。新能源本身就是電網(wǎng)規(guī)劃的重點(diǎn)，其正常接入有助于提高配網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行階段的安全、經(jīng)濟(jì)性。尤其每年進(jìn)入夏季，用電量也會(huì)步入高峰期。用電量大幅驟增，這對(duì)供電系統(tǒng)也是一種不小的挑戰(zhàn)。配電能源不得不承受巨大的壓力，供電系統(tǒng)因能源匱乏也會(huì)出現(xiàn)多起故障事件，造成供電中斷，不僅阻礙了社會(huì)建設(shè)的整個(gè)進(jìn)程，而且給地方群眾的生活帶來各種不便。唯有確保新能源的安全接入，才能從根本上提高主配網(wǎng)整體的輸電質(zhì)量和效率，推動(dòng)電力系統(tǒng)的安全、長(zhǎng)久運(yùn)行。另外，利用新能源來輔助電網(wǎng)規(guī)劃，還可以幫助電力企業(yè)節(jié)省大量的能耗。可見，新能源接入和技術(shù)應(yīng)用有顯著的環(huán)保意義，也是從傳統(tǒng)電網(wǎng)過渡到主配網(wǎng)的可靠之選。

3 新能源發(fā)電接人主配電網(wǎng)的影響

3.1 對(duì)ADS 規(guī)劃的影響

分布式新能源廣泛接入，需要重新對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、規(guī)劃目標(biāo)、網(wǎng)架設(shè)計(jì)、通信自動(dòng)化這些模塊進(jìn)行規(guī)劃、調(diào)整。國(guó)家電網(wǎng)推行的《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》還有《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)手冊(cè)》這幾本指南，同樣也要作出二次地修訂、補(bǔ)充。ADS 技術(shù)的核心目標(biāo)在于解決新能源消納方面的問題。該目標(biāo)，實(shí)質(zhì)上也是配電網(wǎng)規(guī)劃中值得深究的課題。在分布式新能源接入下，如何在中低壓層面上對(duì)“源、網(wǎng)”進(jìn)行協(xié)同規(guī)劃、通信自動(dòng)化還有自動(dòng)控制等，真正明確以“主動(dòng)控制”為特征的協(xié)同規(guī)劃，這才是ADS 規(guī)劃的根本點(diǎn)。主動(dòng)配網(wǎng)規(guī)劃，應(yīng)當(dāng)全面把控變電站、新能源發(fā)電、網(wǎng)架、需求側(cè)響應(yīng)以及環(huán)境效益這些分層、細(xì)化的目標(biāo)，特別是規(guī)劃布點(diǎn)、設(shè)備選型還有目標(biāo)架構(gòu)這幾個(gè)板塊，本身就和傳統(tǒng)配網(wǎng)有顯著的區(qū)別。最關(guān)鍵的一點(diǎn)，新能源接入下的ADS 規(guī)劃除了要重構(gòu)配電網(wǎng)絡(luò)外，也要探究運(yùn)行控制方面的問題，也就是“主動(dòng)控制”功能。相較于傳統(tǒng)配電網(wǎng)，其規(guī)劃難度、流程的確會(huì)更加復(fù)雜、棘手。

3.2 對(duì)運(yùn)行控制的影響

ADS 運(yùn)行控制，需遵從優(yōu)先原則，重點(diǎn)解決接入條件下電壓調(diào)節(jié)以及功率平衡這兩大問題，其次是新型保護(hù)配置，最后才是網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。利用最新的電子裝置或是智能監(jiān)控系統(tǒng)，可以很好地對(duì)ADS 電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。利用新能源交換中心，可以解決功率平衡方面的問題。和過去相比，新保護(hù)裝置應(yīng)該兼容同步、不平衡狀況、異常潮流以及恢復(fù)供電監(jiān)測(cè)等基礎(chǔ)性功能，該類新功能大體上也可以達(dá)到ADS 主動(dòng)保護(hù)之目的。不過，想要對(duì)配網(wǎng)拓?fù)溥M(jìn)行靈活重構(gòu)，這個(gè)目標(biāo)有點(diǎn)困難。自動(dòng)配網(wǎng)重構(gòu)，實(shí)質(zhì)上也是ADS 主動(dòng)控制的分內(nèi)責(zé)任。配網(wǎng)重構(gòu)有兩種不同的情形，①正常重構(gòu)，②事故重構(gòu)。前者，是在檢修或是正常運(yùn)行條件下，通斷設(shè)備開關(guān)，更改網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌源_保網(wǎng)損最低，達(dá)到理想的電壓質(zhì)量，恢復(fù)正常供電。調(diào)度指令，利用“三遙”或是手動(dòng)操作均可達(dá)成。而后者，即配電網(wǎng)已因某種故障陷入停電局面，在恢復(fù)時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)原始的供電路徑、范圍加以優(yōu)化，以控制停電損失，提高電壓質(zhì)量，確保重要用戶繼續(xù)獲得安全的電源。在配電網(wǎng)中，配備諸多的一二次設(shè)備，如開閉所、分段及聯(lián)絡(luò)開關(guān)、熔斷器還有自動(dòng)裝置等。如何在短短數(shù)分鐘內(nèi)對(duì)這些故障進(jìn)行自動(dòng)隔離，建立最優(yōu)供電模式，此乃ADS 技術(shù)需要攻克的最大難關(guān)。

3.3 對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的影響

現(xiàn)行配電網(wǎng)，屬于無源放射性電網(wǎng)。不論信息采集、開關(guān)操作還是電力調(diào)度上，均沒有煩瑣的流程。監(jiān)測(cè)、控制管理，基本上是交給供電部門負(fù)責(zé)。新能源接入后，監(jiān)控方面變得有些復(fù)雜。我們應(yīng)當(dāng)將重點(diǎn)放在“孤島”現(xiàn)象上，做好動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、預(yù)防工作。當(dāng)新能源、主配電網(wǎng)逐步分離后，仍然會(huì)單獨(dú)向配電網(wǎng)傳輸電能，此時(shí)極易陷入“孤島”。在孤島上，不論電壓頻率還是大小，電網(wǎng)都無力把控。一旦這兩大指標(biāo)超出界限，極易損壞用戶的設(shè)備。如果負(fù)載容量相比逆變器容量超出很多，則逆變器容量也會(huì)明顯過載，損壞整個(gè)逆變器，威脅檢測(cè)人員的生命安全。一旦重新合閘，則該線路上也會(huì)重新出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象，其負(fù)荷也會(huì)嚴(yán)重失衡。這種情況會(huì)嚴(yán)重削弱、損害電能質(zhì)量，降低供電可靠性。

3.4 新能源的接入對(duì)配電網(wǎng)的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求

關(guān)于新能源接入，目前并未確立統(tǒng)一的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。在發(fā)電并網(wǎng)方面，大中型新能源很多情況下也會(huì)影響電網(wǎng)安全、調(diào)度和電能質(zhì)量。電網(wǎng)系統(tǒng)成功接入后，在有功、無功功率控制上，也并未找到科學(xué)的檢測(cè)方法，特別是對(duì)逆變器、輸配電、雙向計(jì)量裝置或是控制器相關(guān)的檢測(cè)。伴隨新能源逐步在并網(wǎng)系統(tǒng)的推廣，對(duì)兼容能力、電量調(diào)度以及配套政策均有新的標(biāo)準(zhǔn)和要求。

4 新能源發(fā)電項(xiàng)目接入主動(dòng)配電網(wǎng)的有效控制措施

4.1 優(yōu)化發(fā)電廠的規(guī)劃

不論風(fēng)電還是光伏輸出，在可控性、穩(wěn)定性上均不容樂觀。使用風(fēng)力、太陽(yáng)能這些綠色的新能源進(jìn)行發(fā)電時(shí)，為了提高供電水平和質(zhì)量，防止發(fā)電過多地干擾電網(wǎng)運(yùn)行，有必要對(duì)發(fā)電場(chǎng)作出科學(xué)地規(guī)劃。以風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)為例，它的規(guī)模很大程度上決定了風(fēng)電實(shí)際的穿透功率，同時(shí)也會(huì)影響發(fā)電場(chǎng)最終的流量。所以，有必要對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行科學(xué)地規(guī)劃。電網(wǎng)穿透功率，指的是在電網(wǎng)運(yùn)行條件下，對(duì)風(fēng)電機(jī)容量表現(xiàn)出來的最大承受值。短路容量比，指的是電力系統(tǒng)、風(fēng)電場(chǎng)二者在短路容量上的具體比值。該比值越小，代表抗電能力相對(duì)也就會(huì)越強(qiáng)。對(duì)發(fā)電場(chǎng)進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮電網(wǎng)的實(shí)情，重新優(yōu)化發(fā)電場(chǎng)，減少干擾和影響程度，提高電能傳輸質(zhì)量和速度。

4.2 加強(qiáng)電壓穩(wěn)定性的控制

新能源接入系統(tǒng)后，可能存在電壓不穩(wěn)定的現(xiàn)象。較為常用的調(diào)壓手段：加裝分布式儲(chǔ)能裝置、無功補(bǔ)償、發(fā)電機(jī)組進(jìn)相調(diào)壓以及增設(shè)專門的線路電壓調(diào)節(jié)器等。如線路電壓調(diào)節(jié)器，屬于典型的自耦式變壓器，能夠地變比進(jìn)行自主調(diào)節(jié)，以確保電壓的恒定、安全輸出。在饋電線路上電壓相對(duì)偏低，或是中段位置，我們可以安裝這種調(diào)壓器，以便對(duì)線路電壓進(jìn)行大規(guī)模地調(diào)控，為廣大用戶輸送穩(wěn)定的電源，維持電壓平衡，控制網(wǎng)絡(luò)線損。對(duì)于負(fù)荷超高、傳輸距離長(zhǎng)或是接入分布式電源的線路來說，該裝置十分的適合?；咎卣鳎嚎梢詫?duì)潮流方向加以檢測(cè)、把控，按需對(duì)系統(tǒng)電壓作出調(diào)整，將電壓偏差控制在國(guó)標(biāo)范圍，支持對(duì)電壓柜進(jìn)行雙向、頻繁地調(diào)整。

4.3 采用基于無功優(yōu)化調(diào)度的調(diào)壓措施

無功優(yōu)化調(diào)度，能夠優(yōu)化潮流在電力系統(tǒng)中的具體分布，減小網(wǎng)損和電壓損耗，提高電壓質(zhì)量，保障電網(wǎng)系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)、高質(zhì)量運(yùn)行。傳統(tǒng)配電網(wǎng)，屬于一種被動(dòng)式配電網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)是單向的，類似散射性。無功優(yōu)化，需要依托投切無功補(bǔ)償裝置。和被動(dòng)式配電網(wǎng)相比，主動(dòng)配電網(wǎng)呈現(xiàn)自身的多電源特點(diǎn)。同時(shí)，光伏發(fā)電或是風(fēng)電等順利接入電網(wǎng)后，存在較強(qiáng)的隨機(jī)性、波動(dòng)性。對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)來說，無功優(yōu)化控制也會(huì)變得棘手的多，應(yīng)當(dāng)從不同層面上采取措施加以優(yōu)化。

4.4 引入高效需求側(cè)響應(yīng)

伴隨智能電網(wǎng)的推廣，大規(guī)模新能源迅速出現(xiàn)，同時(shí)伴有少數(shù)調(diào)度自如的負(fù)荷群體。在調(diào)度方案中，我們也要綜合考慮，解決區(qū)域電網(wǎng)、個(gè)體單元二者的分歧，促進(jìn)資源互補(bǔ)。根據(jù)國(guó)外電網(wǎng)多年來的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于間歇性新能源并網(wǎng)，想要確保電力的相對(duì)平衡，最好的方式還是引入需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制。也就是：對(duì)不同類型的新能源發(fā)電進(jìn)行集中利用，調(diào)配資源，形成互補(bǔ)，從根本上提高供電質(zhì)量和安全性。當(dāng)新能源大規(guī)模地接入后，對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)勢(shì)必的各個(gè)方面都會(huì)有較大的影響。特別是電能質(zhì)量、調(diào)壓、穩(wěn)定性還有安全性上。利用多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模式，可以對(duì)現(xiàn)有的電網(wǎng)能源進(jìn)行全方位整合，發(fā)揮出常規(guī)能源（如火電）本身的調(diào)峰能力，依托抽水蓄能電站，引入最新的技術(shù)來對(duì)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際的出力水平進(jìn)行調(diào)控，拓展跨區(qū)電力規(guī)模，彰顯新能源在綠色環(huán)保、循環(huán)利用方面的最大優(yōu)勢(shì)，減少該種負(fù)面的影響，節(jié)省電網(wǎng)在實(shí)踐中的運(yùn)行成本，擴(kuò)大旋轉(zhuǎn)備用容量。

5 結(jié)語

推廣使用風(fēng)力、太陽(yáng)能等綠色的新能源進(jìn)行發(fā)電，能夠引導(dǎo)公民樹立較強(qiáng)的環(huán)保意識(shí)，幫助供電企業(yè)節(jié)省運(yùn)行成本，也是能源發(fā)電今后的主流趨向。但因多種因素的限制，當(dāng)主動(dòng)配電網(wǎng)中全面接入新能源后，對(duì)運(yùn)行調(diào)度、電網(wǎng)質(zhì)量包括整體的安全穩(wěn)定性都會(huì)有較大的影響。正因?yàn)榇?，在新能源發(fā)電期間，我們有必要正確看待現(xiàn)存問題，剖析背后的原因，并采取針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施，以減小新能源接入后對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)造成的不良影響，推動(dòng)配電網(wǎng)的安全、長(zhǎng)效運(yùn)行。