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  • 源網荷協(xié)同—破解智能電網能量管理和運行控制難題

    2018-05-22 19:58:09 廈門奕昕科技有限公司  點擊量: 評論 (0)
    當大規(guī)模的間歇式可再生能源發(fā)電并入電網、越來越普及的電動汽車隨機接入電網,如何才能保障智能電網安全可靠地運行?“源、網、荷”協(xié)同的智能電網能量管理和運行控制至關重要

    當大規(guī)模的間歇式可再生能源發(fā)電并入電網、越來越普及的電動汽車隨機接入電網,如何才能保障智能電網安全可靠地運行?“源、網、荷”協(xié)同的智能電網能量管理和運行控制至關重要,采用“分布自治-集中協(xié)調”的架構和決策機制,通過能量管理系統(tǒng)家族實現(xiàn)分散自律控制,通過控制中心能量管理實現(xiàn)源網荷的協(xié)同。

    電力是如今人類不可或缺的一種基礎保障。以中國為例,電力消費在一次能源消費中的比重超過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“仍是世界性難題,要保證電網安全穩(wěn)定運行,就必須保持發(fā)電和負荷在任何位置、任何時刻均處于平衡狀態(tài),這對電網運行的能量管理和運行控制提出了極大的挑戰(zhàn)。

    一個挑戰(zhàn),三大難題

    在發(fā)電側,常規(guī)電力系統(tǒng)可以存儲發(fā)電原料,例如水站,有水庫來儲存具有勢能的水,火電廠的燃料也可以存儲,因此發(fā)電側的輸出功率在一定程度上是可以調整的。但是,為了應對全球氣候變化,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能和太陽能光伏發(fā)電,而這兩種能源本身都無法儲存的。另外受自然天氣因素影響,風能、太陽能等可再生能源發(fā)電具有很強的波動性、間歇性、不確定性,且很難預測。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)模調整幾乎是不可能實現(xiàn)的。若要使可再生能源與傳統(tǒng)能源發(fā)電共同入網,就需要調整其他能源發(fā)電出力來維持發(fā)電和負荷的實時平衡,這對其他能源的調度提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

    在負荷側,能源清潔化還帶來了另外一個新的變革,即電動汽車的發(fā)展。隨著電動汽車技術的快速發(fā)展,可以預見,將有大量電動汽車涌入大大小小的城市,而這些電動汽車又引入了新的不確定性,即什么時候充電,在哪里充電?另一方面,電動汽車的蓄電池作為儲能設備,在必要的時候,也可以被電網利用,在高峰負荷時放電,在低谷負荷時充電,削峰填谷,平抑峰谷差。對傳統(tǒng)負荷來說,也可以通過價格杠桿激勵來引導錯峰用電,使負荷參與到發(fā)電和負荷的功率平衡中。

    在電網側,發(fā)電和負荷之間的電力傳輸和功率平衡是通過電網來實現(xiàn)的,這需要堅強的電網作為支撐。我國風光電資源主要集中在北部和西北部,這些地區(qū)當?shù)氐呢摵珊苄。瑢嶋H上,我國的負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的距離,需要通過特高壓遠距離輸電來解決,這對電網基礎設施和電網運行調控提出了挑戰(zhàn)。電網是否足夠堅強、是否具備足夠的彈性?在電源波動性、間歇性、不確定性很強的情況下,是否能保證發(fā)電和負荷之間功率的時時處處平衡?我們必須給出答案。

    可以看到,電能不能大規(guī)模存儲這一挑戰(zhàn)實際上向我們提出了“源、網、荷”三個方面的問題:如何消納大規(guī)模間歇式可再生能源發(fā)電?如何支撐未來電動汽車的廣泛隨機接入?如何保障智能電網運行的安全可靠性?這些問題對智能電網能量的管理和運行控制至關重要。

    三管齊下,協(xié)同攻克

    面對上述問題,智能電網技術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)代信息技術改造電力基礎設施,發(fā)展智能電網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。而要通過智能電網技術解決上述難題,就要針對“源、網、荷”三方面的特性三管齊下,這正是國家973計劃項目“源網荷協(xié)同的智能電網能量管理和運行控制基礎研究”的研究思路和目標。

    電網的規(guī)模是巨大的。大量的發(fā)電和負荷元件通過電網在空間上聯(lián)成了一個整體。我們發(fā)現(xiàn),不同的發(fā)電和負荷元件,其動態(tài)表現(xiàn)差異極大。例如,在運行過程中,轉動的發(fā)電機具有很大的機械慣性,而光伏發(fā)電通過電力電子裝置接入電網,慣性很小。不同的電源對控制的響應很不相同,既有機電過程,又有電磁過程。在物理上,電以光速傳播,轉瞬即達,在這種情況下,既要保證發(fā)電負荷的即時平衡,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)電負荷之間的協(xié)調,而無法滿足快速控制要求。認識到這一點后,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”的調度控制方法,兼顧控制快速性和全局最優(yōu)性。

    分布自治,集中協(xié)調

    何為分布自治?實際上就是分散的自治控制。在一個典型的風(光)電場中,通常有眾多的風機(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,同時配置有一定容量的可控無功補償設備,有時還配有充放電可控的儲能設備,這些設備可通過風(光)電場內的自治能量管理系統(tǒng)(EMS)實現(xiàn)自律控制。通過自律控制,可有效降低風(光)電出力波動對電網的負面影響,提高風(光)電場并網的可控性和友好性,為全電網的協(xié)同調控和可再生能源的最大化消納夯實基礎,也就是分布自治。

    以華北風電場為例:通過分布自治,風電場在電網接入點的電壓波動下降到原來的1/3,大風下電壓水平提高5千伏,顯著降低了風電場脫網風險。因此分布自治可以實現(xiàn)快速決策和快速制,實現(xiàn)源-荷的自律,實現(xiàn)控制對象對電網的友好。

    何為集中協(xié)調?實際上就是通過集中協(xié)調的全局優(yōu)化,實源—網—荷的協(xié)同,獲取全局效益,即實現(xiàn)全局協(xié)調優(yōu)化。

    在電力系統(tǒng)中,不同的電源有不同的特點。火電機組可以停,可以調整它們的輸出功率,但是要付出較大的代價;水電機組最容易調控,但是水庫中具有勢能的水是有限的,需要在最合適的時候使用;風能和光能屬于自然力,人類無法左右,只能預測其變化規(guī)律,然后根據(jù)預測結果調控火電、水電等常規(guī)電源的出力,來適應風光電的變化,進而在保證發(fā)電負荷時時平衡的前提下,使得整個電力系統(tǒng)的運行效益達到最優(yōu)。如果再將負荷側的調控手段考慮進來,例如電動汽車的充放電和常規(guī)負荷的錯峰,那么我們需要解決的就是一個考慮時間和空間的全局協(xié)調優(yōu)化問題。

    關鍵的EMS系統(tǒng)

    我們從能量和信息的共性視角來考慮“源、網、荷”三者協(xié)同運行這一目標。智能電網中存在兩個流。第一個流是在源、網、荷之間雙向流動的能量流。“源”包括常規(guī)能源和可再生能源等,“網”包括輸網、配網和微網等,“荷”包括傳統(tǒng)負荷和主動負荷(含電動汽車);在源、網、荷中還可能配置有各類儲能。在任何時刻、任何位置,能量流都必須保持平衡。第二個流則是雙向信息流。智能電網控制中心的EMS作為智能電網“智慧”的核心,統(tǒng)領著信息流,調控著能量流,保障著智能電網的安全、經濟、優(yōu)質和環(huán)保運行。由此可見,于“源、網、荷”三者協(xié)同運行這一目標,滿足“分布自治-集中協(xié)調”要求的EMS系統(tǒng)是關鍵。

    但值得注意的是,智能電網EMS和常規(guī)EMS有很大的不同。由于智能電網規(guī)模巨大,組成元件眾多,傳統(tǒng)的集中控制已不可能達到目的。為此,我們提出了智能電網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實現(xiàn)全局協(xié)調控制。

    EMS 家族囊括了眾多分布在源、網、荷3 個環(huán)節(jié)各部分的EMS 成員。EMS 家族各成員負責各自所管轄部分的能量流的自律控,以保證調控的敏捷性和可靠性。家族各成員通過通信網絡互連互動,形成面向“源、網、荷”協(xié)同的EMS 家族網絡,支撐整個智能電網的高效安全運行。在“源”側,為了實現(xiàn)大規(guī)模風電場和光伏電站的自律調控,分別有風電場EMS(W-EMS)和光伏電站EMS(P-EMS)。在“網”側,為了實現(xiàn)輸電網、變電站、配電網和微網等的自律調控,分別有輸電EMS(T-EMS)、變電站EMS(S-EMS)、配電EMS(D-EMS)和微網EMS(u-EMS)。在“荷”側,為了實現(xiàn)電動車集群、樓宇、家庭等的自律調控,分別有電動車集群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構,主要包括建模(modelling)、感知(awareness)、調度計劃(dispatch scheduling)、安全評估(security assessment)、協(xié)調控制(coordinated control)、與其他成員互動(interaction)等應用組。由于所管轄對象的運行需求和特性不同(例如風電和光電就很不相同),EMS 家族成員也具有鮮明的性。

    我們的研究團隊重點解決了以下兩方面的技術難題:EMS 家族成員內部的自律調控,即同一EMS 家族的成員要對自己的控制對象實施自治控制;EMS 家族成員之間的協(xié)同調控,即在不同EMS 家族成員之間,需要通過協(xié)調互動達到協(xié)同的目標,支撐全局電網的安全高效運行。由于家族成員的特點不同、功多,這種協(xié)調具有顯著的多樣性。例如,在家族成員之間,有源—網、輸—配、站—中心、配—微、配—荷、微—荷、源—網—荷等協(xié)調。

    目前,研究團隊初步實現(xiàn)了支撐大規(guī)模可再生能源并網的自律協(xié)同EMS,用于自律協(xié)同控制的風/ 光電站分布式EMS已在全國349 個大型風電場/ 光伏電站得到應用,用于協(xié)同的輸電EMS已在6 個千萬千瓦級風光基地得到應用。截至2015 年底,已經接入自律協(xié)同控制網絡的風/ 光電總裝機容量為0.487 億千瓦, 占全國集中并網風/ 光電總裝機(1.33 億千瓦)的37%。以冀北風電基地為例,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,張北風電匯集區(qū)域外送能力由投運前的780 兆瓦提升至1000 兆瓦,顯著提高了可再生能源的并網能力。

    在負荷調度方面,事實證明,我們研發(fā)的EMS 能夠解決棄風棄光嚴重的題。以棄風棄光率較高的甘肅為例,受經濟下行響,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荷調度,研究團隊經過為期一年的現(xiàn)場試驗驗證,證明高載能負荷具有小時級調節(jié)能力。在甘肅新能源基地附近,有電解鋁負荷約140 萬千瓦,可調容量約5% ~ 10%;碳化硅、鐵合金等按爐冶煉負荷約300 萬千瓦,可調容量約10% ~ 20%。此外,部分高載能企業(yè)建有自備電廠,總容量約330 萬千瓦。當風、光電大發(fā)而導致棄電時,這些負荷可以通過小時級功率調節(jié),并通過自備電廠提供短時調峰服務,實現(xiàn)企業(yè)用電負荷與可再生能源功率相配,實現(xiàn)源- 荷協(xié)同的電力平衡。據(jù)初步測算,對2015 年的甘肅網,高載能負荷與可再生能源協(xié)同調度可提高近8億千瓦時的棄風棄光電量消納。同時,還可以將棄風棄光電量以較低電價銷售給高載能行業(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),“源網荷”三管齊下、通過EMS 家族內和家族間的協(xié)同管控來支撐電網的高效運行,這是一種行之有效的方式,也是對全球電力挑戰(zhàn)的一次有力回擊。

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    責任編輯:售電衡衡

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