智能电网环境下可再生能源发电并网机制研究
发布时间：2022-06-29
摘 要: 发展智能电网及可再生能源发电技术逐渐成为解决当前能源危机的重要途径之一，同时智能电网的建设也为可再生能源发电的安全并网提供了可能。基于智能电网和可再生能源的基本特征，分析研究了智能电网环境下可再生能源并网运行的相关问题，提出了可再生能源发电并网的主要运行机制，为可再生能源发电并网提供一定的理论支撑。
关键词: 智能电网; 可再生能源; 并网运行机制
“十二五”时期是智能电网发展的关键阶段，也是实现 2020 年碳减排目标的重要过渡阶段。随着经济的快速发展，世界范围的能源与环境危机导致燃料价格持续上涨，节能减排压力不断增大，电力工业亟需推进技术研发和基础设施革新，充分利用可再生能源发电的优势，发展低碳电力，降低负荷对大电网的依赖性，逐渐实现可再生能源发电有序并网。当前关于可再生能源并网的研究已有很多，主要集中在可再生能源发电的技术、经济性及政策等方面。如文献[1-3]分别从风力发电机并网方式的选择、并网后的稳压措施、储能系统应用等发电并网技术方面对可再生能源并网做了研究。文献[4-6]分别对风电并网后系统可用输电能力、调峰能力、短期负荷预测进行建模分析。文献[7，8]从技术经济、优化调度方面对风电并网进行评价和优化分析。本文结合智能电网与可再生能源发电的相关特征，从整体运行角度对智能电网下的可再生能源发电并网机制进行研究，以期能为构建坚强智能电网和可再生能源并网规划提供理论支持。
1 智能电网与可再生能源的基本特征
1. 1 智能电网的基本特征
环境、市场以及基础设施等方面因素的影响给电网的建设发展带来了巨大的挑战，电网未来可利用的合适空间越来越小，健全的市场监管机制与基础设施的革新逐渐成为建设坚强智能电网的关键[9]。针对当前电网技术的发展以及智能电网建设的目标，智能电网是一个以数字化平台为基础，综合智能技术和专家经验，通过实时分析与可视化监控有效应对外部干扰，以自动化、交互式的终端用电方式实现电网可靠、高效、经济、环境友好地运行，具有快速自我修复能力和较强技术兼容性的现代化的、智能化的电力网络。其包括数字化、柔性、智能化、弹性、持续性及客户化等 6 个方面的基本特征，如图 1 所示。
1. 2 可再生能源的重要性及其主要特征
1. 2. 1 可再生能源的重要性
可再生能源包括太阳能、水能、生物质能、氢能、风能、波浪能等。其具有可持续性和环境友好性。随着能源危机与环境污染的加剧，迫切需要引入低排放、低污染的能源以降低环境压力，而可再生能源分布广泛，可就地开发利用，其短期的自我恢复能力保证其能够持续生产更多的电能。为减少温室气体的排放，降低随之产生的社会成本，需要建立考虑可再生能源潜在价值的新能源发展机制。
1. 2. 2 可再生能源发电的特点
可再生能源发电机组的特性及发电方式均与现有火力发电机组有着根本性的差异，受环境因素影响较大，可再生能源发电大规模并网还存在一些重大的运行和规划问题。考虑到可再生能源的多样性及复杂性，以风电为例，简要介绍风力发电的主要特点[10，11]: ( 1) 间歇性，风力发电极易受环境影响而发生变化; ( 2) 调度能力较差，风力发电仅当有风时才能够发电; ( 3) 远程输电，风力发电项目通常集中于边远地区或沿海地区，远离主要的负荷中心，需要坚强的输电系统支持; ( 4) 可预测性差，受当前预测技术的限制，很难准确预测风力情况以安排发电计划; ( 5) 占用空间大，通常生产相同的电量，需要多台风力发电设备才能够达到一台火电机组正常运行时的水平; ( 6) 发电成本高，由于设备等因素，风力发电的成本通常是火电成本的 2 ～ 5 倍; ( 7) 清洁，可再生能源应用过程中排放的污染物很少。
综上可知，虽然可再生能源发电具有清洁性，能够有效降低 CO2 等温室气体的排放，但由其产生的电力具有随机性和间歇性等不稳定特征，直接接入电网会对传统的电网造成巨大的冲击，进而大大降低传统电网的稳定性及可靠性，甚至会危及到整个电力系统的安全。此外，可再生能源分布与负荷中心距离较远的现实要对传统电网的远距离输送电能提出了巨大的挑战。
因此，为了缓解能源与环境危机的影响，针对可再生能源发电的特点及其并网困难等问题，一方面，亟需加强智能电网基础设施建设，在电网中安装储能装置，加强调峰调频力度等措施手段，促进可再生能源发电安全有效并网，促进可能源的有效开发利用; 另一方面，亟需深入探讨新时期下电网环节的规划模式，将电网规划与各类低碳电源的发展规划、并网条件、需求消纳与运行特征相结合，使电网尽力为各类可再生能源发电的接入提供支撑。
2 可再生能源并网机制研究
2. 1 可再生能源发电并网基本框架
随着智能电网的建设发展以及低碳电力发展减排目标的驱动，在技术条件允许的情况下合理实施可再生能源有序并网已成为构建坚强智能电网的一个重要组成部分。可再生能源发电并网的基本框架如图 2 所示。
2. 2 可再生能源发电并网机制
基于上述可再生能源发电并网的基本框架，对可再生能源发电并网运行机制进行研究，提出如图 3 所示的包含从可再生能源发电规划到整合并网全过程的运行机制。
2. 2. 1 可再生能源并网发电规划
基于可再生能源的特征，合理选择可再生能源投建地址，布置发电设备和输电线路，预测其发电时间及发电能力，以实现高效可靠地利用可再生能源发电，并建设其从发电站到负荷地区的坚强输送通道，从而实现其并网目标。
( 1) 可再生能源发电投建选址。风能、太阳能、地热能等可再生能源的发电形式各异，同时会受环境( 如区域、时间等) 的约束。如同一类型的太阳能电池板在不同环境中的发电出力不同，其运行状况可能会影响电网的可靠性与稳定性，因此，在可再生能源发电出力预测中应考虑可再生能源发电选址，将其作为变量融入预测模型中。
( 2) 输电线路选址。由于多数可再生能源发电选址远离负荷中心，输电线路通常须跨地区远距离输电，面临的自然环境和社会环境比较复杂。因此，输电线路建造选址过程中要结合实际、因地制宜，同时综合考虑输电线路的经济性、可行性及安全性等多方面因素，通过技术创新、方案优化，以建设坚强电网为目标，尽可能地满足电网发展的需要。
( 3) 可再生能源发电并网。当前，可再生能源发电并网仍面临着一些亟待解决的关键问题: 1) 考虑可再生能源发电的间歇性，估测有效的并网发电量; 2) 与传统火力发电相比，可再生能源发电的启动和运行较快，为适应电网的互联性要求，需要对其运行过程做出哪些调整; 3) 并网输电网络升级费用，及相关技术科研费用由谁支付; 4) 如何优化配置可再生能源发电设备，减少费用开支。未来，坚强的智能电网基础能够适应风能、太阳能发电等各类间歇性、随机性能源接入和消纳的需要，适应大规模、集约化开发各类能源和电力高效送出的需要。
2. 2. 2 可再生能源发电出力预测
近几年，一些可再生能源发电商及科研机构开始关注风能和太阳能发电出力预测，在发电预测模型中考虑了可再生能源发电出力的不确定因素。在电力系统中，较大的可再生能源发电出力波动会造成发电与负荷需求的不平衡，降低电网运行的稳定性，会对可再生能源发电的市场份额造成较大的影响。
为准确预测可再生能源发电出力，需注意以下几点:
( 1) 预测模型应尽可能地全面考虑可再生能源的基本特征、电源位置、发电设备特征及负荷特征等相关信息;
( 2) 预测易造成较大波动的因素，并将信息链接到报警系统，适时发出预警信号;
( 3) 充分考虑用电负荷多样性，减少发生尾部事件的概率;
( 4) 由于可再生能源发电场通常占地范围较大，在同一时间内，所有的发电机组可能因条件 ( 风力、光照等) 限制而发电出力不同，在发电预测中也应考虑这种情况。
2. 2. 3 可再生能源发电运行与控制
随着可再生能源并网发电量的增加，亟需转变现有的运行方式，实施智能化并网运行。可重点考虑以下几点可再生能源并网措施。
( 1) 互补发电。建立区域间的发电平衡，减少各控制区内的备用容量，以支持适当容量的可再生能源发电。该机制主要是通过协调火力发电和可再生能源发电来平衡地区间的负荷误差。
( 2) 扩大电力联网区域。通过发电并网，降低单个控制区域的控制负担，减少非必要的发电商控制行为，降低造成发电输出不稳定的能源 ( 如风电) 的敏感性，允许控制区域间共享备用容量。
( 3) 建立次级控制中心。随着智能电网建设的推进以及运行程序的不断完善，运行人员须对可再生能源发电过程进行有效监督，加强对电网中如可再生能源发电预测、负荷预测以及分布式智能设备的可用性等概率性因素的控制。由于这项工作需要花费大量时间和精力以及智能电网对模块间智能化互联的强调，须设立专门次级控制中心完成这项工作，分担主控中心的工作量。
2. 2. 4 可再生能源发电并网过程监控
当前的电网监控系统可显示电网的系统结构以及控制区内节点与特定母线的连接，但不能精确地确定节点的地理位置。为结合智能电网建设接入可再生能源发电，可从以下两个角度加强可再生能源发电并网监控。
( 1) 硬件。可充分利用同步相量监测装置 ( SPMU) [12]、高压直流输电( HVDC) [13]和柔性交流输电系统( FACTS) [14]等智能设备加强可再生能源发电并网监控。
1) SPMU 可实现异地相量实时同步采集、处理、记录 和 远 程 传 输，充分结合全球定位系统 ( GPS) 和高速以太网组建全网动态监视与控制系统，具有高精度同步、高处理性能和高速通信能力，广泛应用于输电线路故障定位、自适应失步保护、动态故障录波以及预警系统等。
2) HVDC 输电可进行远距离、大容量的电力输送，为大规模接入可再生能源发电提供了一种经济可靠的方式。通过使用电子故障限流器或限流导体，最大程度地利用线路和系统容量，改善突发事件时的系统运行状况，增强系统稳定性。
3) FACTS 设备( 包括传统的大型 FACTS 设备和新型分布式 FACTS 设备) 通过对输电网实施柔性控制，能在不新增输电线路的情况下提升电网的输电能力，提高输电网的利用效率和稳定性。随着该技术在智能电网建设中的普及应用，将会有效地缓解输电阻塞，从而更好地为可再生能源发电并网提供保障。
( 2) 软件。在未来的智能电网运行控制中心部署一个新的应用板块，主要实现可视化电网的广域监控。该系统能够使运行人员实时了解电网的运行状态，突出互联状态和优先权，协助运行人员及时了解各运行系统的要求以及相关技术设备的可用性，预测间断性发电对电网阻塞、电压水平和无功补偿的影响。
2. 2. 5 响应机制
响应机制能够实现短期的可再生能源发电并网平衡，为电力用户、负荷管控部门以及电网运营商提供运行保护，主要包括需求响应、辅助服务、能量储存等 3 个方面[15，16]。
( 1) 需求响应。在智能电网的设计、运行和通信中，充分考虑用户的用电设备和用电行为，准确把握负荷变动趋势，实时采取负荷控制措施，激励用户主动参与需求响应过程，提高用户参与需求响应的积极性。例如，智能电表与双向通信系统使用户能及时了解实时市场电价、系统负荷以及自身用电负荷等信息，并通过价格信号和激励机制引导用户合理用电，提升需求侧在电力市场中的作用，从而以相对较低的费用实现供需平衡，提高网络运行的灵活性，增强电网运行的可靠性。输电运行部门可利用广泛、无缝、实时的智能电网技术，对需求响应项目进行智能化管理，并对电网运行情况进行智能监控与诊断。同时，结合先进的计量与通信技术进行远程用户管理( 如及时准确地获取各类用户的实时用电量与电费信息) 以节约人力成本、提高工作效率; 还可利用先进的分析技术、控制策略，在系统出现用电高峰或紧急情况之前进行预警，向需求侧用户的智能设备发送需求响应指令，调整负荷运行模式，缓解电网运行的压力。
( 2) 辅助服务。辅助服务是保障电网安全稳定运行和电力供应质量必不可少的一项服务，传统的电力系统辅助服务通常包括: 一次调频、自动发电控制、调峰、无功调节、自动电压控制、旋转备用、黑启动等。而在新型的整合可再生能源的智能电网中，可再生能源发电也将加入到为电网提供辅助服务的行列。可再生能源发电的启停迅速且对发电设备造成的损害很小，从而极大地降低了辅助服务的成本。但是，鉴于可再生能源发电稳定性差的特征，在实施辅助服务时仍需要传统发电的配合，以确保电网运行的稳定性。
( 3) 能量储存。储能设备可临时储存电能，有效调控可再生能源发电的变化特性，在可再生能源发电中起着关键作用。随着储能技术的进步，大量储能设备的使用可以实现可再生能源发电由能量源向可调度发电源的转变。理想的储能设备应具有高能量密度、便携性好且能够实现多次充电/放电，在非用电高峰时期，可储存和转移可再生能源发电，以在用电高峰时段平衡负荷需求。随着可再生能源发电量的增加，储存边际成本低、间歇性的、非可调度的可再生能源发电的市场需求将会增加。
2. 2. 6 可再生能源并网价格与结算
由于技术和规模所限制，当前可再生能源发电的成本仍比较高，其用户电价通常比传统发电的电价要高。为推动可再生能源的发展，需进一步完善相关政策，结合各地实际情况，制定可再生能源发电价格、税收和财政政策，完善可再生能源发电项目和接入工程的补贴政策。
3 结语
智能电网的建设为可再生能源发电并网提供了必要的基础条件，从而可有效实现电网可靠、高效、经济、环境友好地运行。本文提出了一个可再生能源发电并网的基本框架，并详细介绍了其运行机制。可再生能源发电并网是一个新的研究领域，电网企业需要不断加强技术研发与应用，适时部署新的电力设备，优化电网规划，充分利用可再生能源，发展低碳电力，加快坚强智能电网的建设，实现可再生能源发电大规模并网，以促进电力行业的可持续发展。——本文来源于《华东电力》2011年9期，论文作者：吕春泉，厉一梅，刘宏志，刘清宇，张 鲲，许文秀，曾 鸣
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