源網(wǎng)荷協(xié)同—破解智能電網(wǎng)能量管理和運(yùn)行控制難題
當(dāng)大規(guī)模的間歇式可再生能源發(fā)電并入電網(wǎng)、越來越普及的電動(dòng)汽車隨機(jī)接入電網(wǎng),如何才能保障智能電網(wǎng)安全可靠地運(yùn)行?“源、網(wǎng)、荷”協(xié)同的智能電網(wǎng)能量管理和運(yùn)行控制至關(guān)重要,采用“分布自治-集中協(xié)調(diào)”的架構(gòu)和決策機(jī)制,通過能量管理系統(tǒng)家族實(shí)現(xiàn)分散自律控制,通過控制中心能量管理實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷的協(xié)同。
電力是如今人類不可或缺的一種基礎(chǔ)保障。以中國為例,電力消費(fèi)在一次能源消費(fèi)中的比重超過40%,電力和電力系統(tǒng)的重要性正越來越突出。由于目前“電能的大規(guī)模存儲(chǔ)“仍是世界性難題,要保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,就必須保持發(fā)電和負(fù)荷在任何位置、任何時(shí)刻均處于平衡狀態(tài),這對電網(wǎng)運(yùn)行的能量管理和運(yùn)行控制提出了極大的挑戰(zhàn)。
一個(gè)挑戰(zhàn),三大難題
在發(fā)電側(cè),常規(guī)電力系統(tǒng)可以存儲(chǔ)發(fā)電原料,例如水站,有水庫來儲(chǔ)存具有勢能的水,火電廠的燃料也可以存儲(chǔ),因此發(fā)電側(cè)的輸出功率在一定程度上是可以調(diào)整的。但是,為了應(yīng)對全球氣候變化,傳統(tǒng)電力系統(tǒng)正在從主要以燃燒化石能源發(fā)電向可再生能源發(fā)電轉(zhuǎn)型,這使情況發(fā)生了變化。目前可再生能源發(fā)電最主要的形式是風(fēng)能和太陽能光伏發(fā)電,而這兩種能源本身都無法儲(chǔ)存的。另外受自然天氣因素影響,風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電具有很強(qiáng)的波動(dòng)性、間歇性、不確定性,且很難預(yù)測。與傳統(tǒng)能源發(fā)電相比,可再生能源發(fā)電的可控性很差,對其發(fā)電出力的大規(guī)模調(diào)整幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。若要使可再生能源與傳統(tǒng)能源發(fā)電共同入網(wǎng),就需要調(diào)整其他能源發(fā)電出力來維持發(fā)電和負(fù)荷的實(shí)時(shí)平衡,這對其他能源的調(diào)度提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
在負(fù)荷側(cè),能源清潔化還帶來了另外一個(gè)新的變革,即電動(dòng)汽車的發(fā)展。隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的快速發(fā)展,可以預(yù)見,將有大量電動(dòng)汽車涌入大大小小的城市,而這些電動(dòng)汽車又引入了新的不確定性,即什么時(shí)候充電,在哪里充電?另一方面,電動(dòng)汽車的蓄電池作為儲(chǔ)能設(shè)備,在必要的時(shí)候,也可以被電網(wǎng)利用,在高峰負(fù)荷時(shí)放電,在低谷負(fù)荷時(shí)充電,削峰填谷,平抑峰谷差。對傳統(tǒng)負(fù)荷來說,也可以通過價(jià)格杠桿激勵(lì)來引導(dǎo)錯(cuò)峰用電,使負(fù)荷參與到發(fā)電和負(fù)荷的功率平衡中。
在電網(wǎng)側(cè),發(fā)電和負(fù)荷之間的電力傳輸和功率平衡是通過電網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)的,這需要堅(jiān)強(qiáng)的電網(wǎng)作為支撐。我國風(fēng)光電資源主要集中在北部和西北部,這些地區(qū)當(dāng)?shù)氐呢?fù)荷很小,實(shí)際上,我國的負(fù)荷中心主要集中在東部。將電力從中國北部和西北部輸送到東部要跨越遙遠(yuǎn)的距離,需要通過特高壓遠(yuǎn)距離輸電來解決,這對電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)控提出了挑戰(zhàn)。電網(wǎng)是否足夠堅(jiān)強(qiáng)、是否具備足夠的彈性?在電源波動(dòng)性、間歇性、不確定性很強(qiáng)的情況下,是否能保證發(fā)電和負(fù)荷之間功率的時(shí)時(shí)處處平衡?我們必須給出答案。
可以看到,電能不能大規(guī)模存儲(chǔ)這一挑戰(zhàn)實(shí)際上向我們提出了“源、網(wǎng)、荷”三個(gè)方面的問題:如何消納大規(guī)模間歇式可再生能源發(fā)電?如何支撐未來電動(dòng)汽車的廣泛隨機(jī)接入?如何保障智能電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性?這些問題對智能電網(wǎng)能量的管理和運(yùn)行控制至關(guān)重要。
三管齊下,協(xié)同攻克
面對上述問題,智能電網(wǎng)技術(shù)是一種有效的解決方法。為了使電力系統(tǒng)更加靈活、可靠、高效地運(yùn)行,目前世界上的大部分國家都在著手利用現(xiàn)代信息技術(shù)改造電力基礎(chǔ)設(shè)施,發(fā)展智能電網(wǎng)已成為世界各國能源工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略舉措之一。而要通過智能電網(wǎng)技術(shù)解決上述難題,就要針對“源、網(wǎng)、荷”三方面的特性三管齊下,這正是國家973計(jì)劃項(xiàng)目“源網(wǎng)荷協(xié)同的智能電網(wǎng)能量管理和運(yùn)行控制基礎(chǔ)研究”的研究思路和目標(biāo)。
電網(wǎng)的規(guī)模是巨大的。大量的發(fā)電和負(fù)荷元件通過電網(wǎng)在空間上聯(lián)成了一個(gè)整體。我們發(fā)現(xiàn),不同的發(fā)電和負(fù)荷元件,其動(dòng)態(tài)表現(xiàn)差異極大。例如,在運(yùn)行過程中,轉(zhuǎn)動(dòng)的發(fā)電機(jī)具有很大的機(jī)械慣性,而光伏發(fā)電通過電力電子裝置接入電網(wǎng),慣性很小。不同的電源對控制的響應(yīng)很不相同,既有機(jī)電過程,又有電磁過程。在物理上,電以光速傳播,轉(zhuǎn)瞬即達(dá),在這種情況下,既要保證發(fā)電負(fù)荷的即時(shí)平衡,又要追求可再生能源發(fā)電的最大化利用,還要盡可能降低常規(guī)發(fā)電的運(yùn)行成本,難度極大。如果采取局部就地控制的方法,的確可以滿足對快速性的要求,卻無法顧及全局性能;如果采取全局集中控制的方法,則容易顧及全局不同發(fā)電負(fù)荷之間的協(xié)調(diào),而無法滿足快速控制要求。認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)后,我們采用將“分與合”合二為一的方法來解決,也就是“分布自治-集中協(xié)調(diào)”的調(diào)度控制方法,兼顧控制快速性和全局最優(yōu)性。
分布自治,集中協(xié)調(diào)
何為分布自治?實(shí)際上就是分散的自治控制。在一個(gè)典型的風(fēng)(光)電場中,通常有眾多的風(fēng)機(jī)(或光伏陣列),其有功出力和無功出力在一定程度上是可控的,同時(shí)配置有一定容量的可控?zé)o功補(bǔ)償設(shè)備,有時(shí)還配有充放電可控的儲(chǔ)能設(shè)備,這些設(shè)備可通過風(fēng)(光)電場內(nèi)的自治能量管理系統(tǒng)(EMS)實(shí)現(xiàn)自律控制。通過自律控制,可有效降低風(fēng)(光)電出力波動(dòng)對電網(wǎng)的負(fù)面影響,提高風(fēng)(光)電場并網(wǎng)的可控性和友好性,為全電網(wǎng)的協(xié)同調(diào)控和可再生能源的最大化消納夯實(shí)基礎(chǔ),也就是分布自治。
以華北風(fēng)電場為例:通過分布自治,風(fēng)電場在電網(wǎng)接入點(diǎn)的電壓波動(dòng)下降到原來的1/3,大風(fēng)下電壓水平提高5千伏,顯著降低了風(fēng)電場脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)。因此分布自治可以實(shí)現(xiàn)快速?zèng)Q策和快速制,實(shí)現(xiàn)源-荷的自律,實(shí)現(xiàn)控制對象對電網(wǎng)的友好。
何為集中協(xié)調(diào)?實(shí)際上就是通過集中協(xié)調(diào)的全局優(yōu)化,實(shí)源—網(wǎng)—荷的協(xié)同,獲取全局效益,即實(shí)現(xiàn)全局協(xié)調(diào)優(yōu)化。
在電力系統(tǒng)中,不同的電源有不同的特點(diǎn)。火電機(jī)組可以停,可以調(diào)整它們的輸出功率,但是要付出較大的代價(jià);水電機(jī)組最容易調(diào)控,但是水庫中具有勢能的水是有限的,需要在最合適的時(shí)候使用;風(fēng)能和光能屬于自然力,人類無法左右,只能預(yù)測其變化規(guī)律,然后根據(jù)預(yù)測結(jié)果調(diào)控火電、水電等常規(guī)電源的出力,來適應(yīng)風(fēng)光電的變化,進(jìn)而在保證發(fā)電負(fù)荷時(shí)時(shí)平衡的前提下,使得整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行效益達(dá)到最優(yōu)。如果再將負(fù)荷側(cè)的調(diào)控手段考慮進(jìn)來,例如電動(dòng)汽車的充放電和常規(guī)負(fù)荷的錯(cuò)峰,那么我們需要解決的就是一個(gè)考慮時(shí)間和空間的全局協(xié)調(diào)優(yōu)化問題。
關(guān)鍵的EMS系統(tǒng)
我們從能量和信息的共性視角來考慮“源、網(wǎng)、荷”三者協(xié)同運(yùn)行這一目標(biāo)。智能電網(wǎng)中存在兩個(gè)流。第一個(gè)流是在源、網(wǎng)、荷之間雙向流動(dòng)的能量流。“源”包括常規(guī)能源和可再生能源等,“網(wǎng)”包括輸網(wǎng)、配網(wǎng)和微網(wǎng)等,“荷”包括傳統(tǒng)負(fù)荷和主動(dòng)負(fù)荷(含電動(dòng)汽車);在源、網(wǎng)、荷中還可能配置有各類儲(chǔ)能。在任何時(shí)刻、任何位置,能量流都必須保持平衡。第二個(gè)流則是雙向信息流。智能電網(wǎng)控制中心的EMS作為智能電網(wǎng)“智慧”的核心,統(tǒng)領(lǐng)著信息流,調(diào)控著能量流,保障著智能電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)和環(huán)保運(yùn)行。由此可見,于“源、網(wǎng)、荷”三者協(xié)同運(yùn)行這一目標(biāo),滿足“分布自治-集中協(xié)調(diào)”要求的EMS系統(tǒng)是關(guān)鍵。
但值得注意的是,智能電網(wǎng)EMS和常規(guī)EMS有很大的不同。由于智能電網(wǎng)規(guī)模巨大,組成元件眾多,傳統(tǒng)的集中控制已不可能達(dá)到目的。為此,我們提出了智能電網(wǎng)EMS家族概念,由EMS家族成員完成分散的自律控制,由控制中心EMS實(shí)現(xiàn)全局協(xié)調(diào)控制。
EMS 家族囊括了眾多分布在源、網(wǎng)、荷3 個(gè)環(huán)節(jié)各部分的EMS 成員。EMS 家族各成員負(fù)責(zé)各自所管轄部分的能量流的自律控,以保證調(diào)控的敏捷性和可靠性。家族各成員通過通信網(wǎng)絡(luò)互連互動(dòng),形成面向“源、網(wǎng)、荷”協(xié)同的EMS 家族網(wǎng)絡(luò),支撐整個(gè)智能電網(wǎng)的高效安全運(yùn)行。在“源”側(cè),為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電場和光伏電站的自律調(diào)控,分別有風(fēng)電場EMS(W-EMS)和光伏電站EMS(P-EMS)。在“網(wǎng)”側(cè),為了實(shí)現(xiàn)輸電網(wǎng)、變電站、配電網(wǎng)和微網(wǎng)等的自律調(diào)控,分別有輸電EMS(T-EMS)、變電站EMS(S-EMS)、配電EMS(D-EMS)和微網(wǎng)EMS(u-EMS)。在“荷”側(cè),為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車集群、樓宇、家庭等的自律調(diào)控,分別有電動(dòng)車集群EMS(V-EMS)、樓宇EMS(B-EMS)和家庭EMS(H-EMS)。
EMS 家族成員通常具有共性的功能結(jié)構(gòu),主要包括建模(modelling)、感知(awareness)、調(diào)度計(jì)劃(dispatch scheduling)、安全評估(security assessment)、協(xié)調(diào)控制(coordinated control)、與其他成員互動(dòng)(interaction)等應(yīng)用組。由于所管轄對象的運(yùn)行需求和特性不同(例如風(fēng)電和光電就很不相同),EMS 家族成員也具有鮮明的性。
我們的研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)解決了以下兩方面的技術(shù)難題:EMS 家族成員內(nèi)部的自律調(diào)控,即同一EMS 家族的成員要對自己的控制對象實(shí)施自治控制;EMS 家族成員之間的協(xié)同調(diào)控,即在不同EMS 家族成員之間,需要通過協(xié)調(diào)互動(dòng)達(dá)到協(xié)同的目標(biāo),支撐全局電網(wǎng)的安全高效運(yùn)行。由于家族成員的特點(diǎn)不同、功多,這種協(xié)調(diào)具有顯著的多樣性。例如,在家族成員之間,有源—網(wǎng)、輸—配、站—中心、配—微、配—荷、微—荷、源—網(wǎng)—荷等協(xié)調(diào)。
目前,研究團(tuán)隊(duì)初步實(shí)現(xiàn)了支撐大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)的自律協(xié)同EMS,用于自律協(xié)同控制的風(fēng)/ 光電站分布式EMS已在全國349 個(gè)大型風(fēng)電場/ 光伏電站得到應(yīng)用,用于協(xié)同的輸電EMS已在6 個(gè)千萬千瓦級(jí)風(fēng)光基地得到應(yīng)用。截至2015 年底,已經(jīng)接入自律協(xié)同控制網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)/ 光電總裝機(jī)容量為0.487 億千瓦, 占全國集中并網(wǎng)風(fēng)/ 光電總裝機(jī)(1.33 億千瓦)的37%。以冀北風(fēng)電基地為例,僅僅通過EMS 的信息介入和控制,其電場電壓波動(dòng)便平均下降至30%,匯集區(qū)域先后發(fā)生110 千伏以上故障11 次,均未誘發(fā)連鎖脫網(wǎng),張北風(fēng)電匯集區(qū)域外送能力由投運(yùn)前的780 兆瓦提升至1000 兆瓦,顯著提高了可再生能源的并網(wǎng)能力。
在負(fù)荷調(diào)度方面,事實(shí)證明,我們研發(fā)的EMS 能夠解決棄風(fēng)棄光嚴(yán)重的題。以棄風(fēng)棄光率較高的甘肅為例,受經(jīng)濟(jì)下行響,甘肅以高載能企業(yè)為主的重工業(yè)用電量持續(xù)下降,新能源消納問題愈加突出。針對支撐大規(guī)模可再生能源消納的甘肅負(fù)荷調(diào)度,研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過為期一年的現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證,證明高載能負(fù)荷具有小時(shí)級(jí)調(diào)節(jié)能力。在甘肅新能源基地附近,有電解鋁負(fù)荷約140 萬千瓦,可調(diào)容量約5% ~ 10%;碳化硅、鐵合金等按爐冶煉負(fù)荷約300 萬千瓦,可調(diào)容量約10% ~ 20%。此外,部分高載能企業(yè)建有自備電廠,總?cè)萘考s330 萬千瓦。當(dāng)風(fēng)、光電大發(fā)而導(dǎo)致棄電時(shí),這些負(fù)荷可以通過小時(shí)級(jí)功率調(diào)節(jié),并通過自備電廠提供短時(shí)調(diào)峰服務(wù),實(shí)現(xiàn)企業(yè)用電負(fù)荷與可再生能源功率相配,實(shí)現(xiàn)源- 荷協(xié)同的電力平衡。據(jù)初步測算,對2015 年的甘肅網(wǎng),高載能負(fù)荷與可再生能源協(xié)同調(diào)度可提高近8億千瓦時(shí)的棄風(fēng)棄光電量消納。同時(shí),還可以將棄風(fēng)棄光電量以較低電價(jià)銷售給高載能行業(yè),顯著提高高載能用電企業(yè)的盈利能力和用量。
可以看到,面對電力提出的棘手挑戰(zhàn),“源網(wǎng)荷”三管齊下、通過EMS 家族內(nèi)和家族間的協(xié)同管控來支撐電網(wǎng)的高效運(yùn)行,這是一種行之有效的方式,也是對全球電力挑戰(zhàn)的一次有力回?fù)簟?/span>
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