以新技术支撑新型电力系统建设需要 打造“源网荷储”友好交互的配电网

发布日期:2021-07-20· 中国能源网 周柯

广西电网公司从2013年以来持续开展电能变换设备与配电网友好交互技术研究与装备研制。友好交互的需求愈发迫切 (1)新型电力系统背景下配电网关键特征变化显著 新型电力系统的建设将促进风电、光伏、多类储能、电动汽车等规模化接入配电网。充分考虑配电网中规模化新能源的友好消纳、电动汽车等柔性负载与电网智能互动、海量电能变换设备自身的可靠运行。

南方电网公司积极主动融入和服务国家发展战略,密集发布服务“碳达峰、碳中和”工作方案和《南方电网公司建设新型电力系统行动方案(2021—2030年)白皮书》,指出未来南方电网将依托数字电网建设框架,多措并举构建新型电力系统,有力支持南方五省区及港澳地区在2030年前全面实现碳达峰。南方电网公司此举意在构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系,在能源领域为国家全局经济体系优化升级和人民美好生活水平的提高尽责尽力。

一、南方电网公司勇当建设新型电力系统的先行者

在能源结构方面,截至2020年底,南方电网五省区非化石能源装机和发电量占比分别达56%和53%,居世界前列。“十四五”和“十五五”期间,南方电网公司将实现五省区的新能源装机从目前的0.5亿千瓦增加到2030年的2.5亿千瓦,非化石能源装机和发电量占比分别提升至65%和61%,为提前实现碳达峰提供有力支撑。

在创新性技术层面,南方电网公司提出数字电网理念,全面推动数字电网建设,以新技术支撑新型电力系统建设需要,用“电力+算例”推动能源革命和新能源体系建设,构建涵盖政府、能源产业上下游、用户等相关方的能源产业新生态,使电网更加智能、安全、可靠、绿色、优质,在促进新能源消纳、维持能源供需稳定、保障国家能源安全方面发挥积极作用。

二、新型电力系统背景下配电网“源—网—荷—储”友好交互的需求愈发迫切

(1)新型电力系统背景下配电网关键特征变化显著

新型电力系统的建设将促进风电、光伏、多类储能、电动汽车等规模化接入配电网,配电网原有的功角特性、阻抗特性、频率特性、控保特性、故障电流特征等均将发生显著变化。以功角特性为例,并网变流器普遍存在弱阻尼与低转动惯量等特点,其功角极可能在故障发生后的较短时间内达到阈值,鲁棒性能大幅下降;以控保特性为例,变流器的动作特性是微秒级,变电站10kV保护的动作特性是毫秒级,配网自动化设备的动作特性是秒级,小水电等清洁能源的动作特性是秒级到分钟级,配网保护与自动控制领域的协同必然面临巨大挑战。随着新能源、电动汽车、储能等在配电网大规模并网,配电网阻抗特性与并网变流器阻抗的耦合问题愈发复杂,配电系统稳定问题将日益突出。

(2)新型电力系统背景下配电网“源—网—荷—储”交互不友好问题日益凸显

据统计,世界上超过70%的电能是经过变换以后才使用的,且该比例仍在不断提升。在新型电力系统背景下,由海量电力电子器件组成的电能变换设备规模化接入配电网,电能变换设备的强非线性、新能源发电功率的不确定性、终端用户用能行为的随机性等因素将导致配电网中“源—网—荷—储”的互动不友好问题日益凸显,突出表现在以下几个方面。

(a)在新能源接入方面,新能源发电、储能等设备接入配电网的灵活互动性不足,影响新能源的友好消纳。现有新能源发电设备普遍不具备与配电网自动同步、调频调压、保护协同等能力,大量分布式电源接入配电网末端极易引发环流和耦合谐振现象,与新能源的友好消纳要求存在矛盾。

(b)在配电网运行方面,电能变换设备集群化运行易引起谐波谐振与功率振荡等不友好现象,影响配电网的安全稳定。配电网中海量电能变换设备存在惯性支撑能力差、过流能力弱、抗干扰能力不足、非线性特性强等突出问题,导致“源—网—荷—储”各环节交互过程中极易引起谐波谐振、功率振荡等现象,如不同类别电能变换设备控制带宽的差异性可导致多变流器之间发生交互失稳,“源—荷—储”等环节与配电网交互诱发系统振荡。同时,电能变换设备与配电网现有保护和自动化设备之间又存在不同时间尺度的协同难题,配电网的安全稳定面临新的挑战。

(c)在配电网数字化方面,新能源高比例接入对配电网的智能感知和数字孪生能力提出更强挑战,影响“源—网—荷—储”间的友好互动。配电网“双高”特征日益凸显,新能源出力及多元负荷的不确定性增大,对配电网真实物理运动行为的多层次全面态势感知和多维度精确协调控制提出重大挑战。同时,大量电能变换设备存在状态感知空白、数字模型关联性不强等问题,难与配电网高效互动,“源—网—荷—储”的协调优化运行难度不断增大。

三、多措并举加快推进配电网“源—网—荷—储”友好交互理论与装备突破

随着新型电力系统的不断发展,配电网中“源—网—荷—储”友好交互问题的表现形式、物理特征、耦合关系等也在不断演变。因此,迫切需要从“源—网—荷—储”友好交互的相关理论体系架构出发,构建新型电力系统背景下配电网高质、高效、高可靠运行的理论基础;运用智能传感、电力芯片等新一代数字化技术推动配电网的数字孪生,让配电网更有“感觉”,更会“思考”,提升配用电供电可靠性及供电品质;同时深度融合电力电子技术与数字化技术研制关键支撑装备,提升海量电能变换设备接入后配电网的弹性和韧性,让“源—网—荷—储”间的互动更加“友好”。

(1)构建配电网“源—网—荷—储”友好交互的理论体系。深入解析海量电能变换设备与配电网在“源—网—荷—储”四个层级交互作用的本质特征与实际需求,聚焦“设备的安全性、指标的优质性、交互的智能化”等交互维度,提出电能变换设备与配电网交互过程的友好性评价指标和方法,构建完善的“源—网—荷—储”友好交互理论体系,指导开展配电网“源—网—荷—储”友好交互技术与装备的体系化研究工作。

(2)推动配电网“源—网—荷—储”友好交互的数字孪生。运用国际领先的智能传感技术和智能传感器,汇聚配电网中更多维度、更多场景下的“源—网—荷—储”友好交互信息,让配电网更有“感觉”,加快配电网“源—网—荷—储”友好交互过程的数字化转型。运用自主可控的电力专用芯片技术和人工智能技术,使配电网中边缘侧和终端侧的算力更足,让配电网更加“聪明”,更会“思考”,支撑配电网的运行透明、管理透明和精准客服。同时,利用全景仿真、超算等技术进行数字赋能,将分布式电源、储能、电动汽车、柔性负荷等分散在配电网相关流程和业务中的各类数据资源聚合,实现实时感知、广泛参与、全局决策的“源—网—荷—储”友好互动数字孪生。

(3)研制配电网“源—网—荷—储”友好交互的关键支撑装备。充分考虑配电网中规模化新能源的友好消纳、电动汽车等柔性负载与电网智能互动、海量电能变换设备自身的可靠运行,以及海量电能变换设备给配电网保护、控制和故障处理等带来的新挑战,将研制适应新型电力系统的国产化配电系统仿真工具、基于虚拟同步机的友好型新能源并网变流器、考虑新能源波动平抑的快速智能充电桩、大容量高速智能固态断路器等首台套或关键装备,并研究这些关键支撑装备与配电网继电保护、自动控制设备的协调配合,提出支撑配电网“源—网—荷—储”友好交互的保护与自动化协调技术架构,开展相关规范和标准制定。

   总的来说,配电网的技术创新是支撑新型电力系统发展的重要保障,相关技术的研究必须遵循严谨的科学逻辑。“源—网—荷—储”友好交互的配电网建设工作是一项系统性工程,需要能源领域广大同仁们集众力、聚众智、攻坚克难、勠力同心。广西电网公司从2013年以来持续开展电能变换设备与配电网友好交互技术研究与装备研制,致力打造“源—网—荷—储”友好交互的智能配电网。目前已获得2018年广西科技进步一等奖、2020年中国机械工业科技进步一等奖,阶段性成果得到了学术界和产业界一定的认可。未来,广西电网公司将继续深化“源—网—荷—储”友好交互配电网的建设工作,传递与丰富“电力系统与环境和谐共处的核心人文思想”,支撑南方电网践行国家“双碳”目标与构建具备“数字赋能、柔性开放、绿色高效”显著特征的新型电力系统。

(广西电网公司电力科学研究院)

 

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