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新型电力系统下智能配电网新技术盘点

纵观当前配电网,“源-网-荷-储”各个环节都发生了深刻的变革。新的形势和挑战孕育着新的机遇和市场,需要我们从理念、思维、技术、产品等方面进行创新。从宏观来看,有以下主要技术方向值得关注。

新材料、设备研发与资产管理

新材料及新器件研发方面。各类新材料是新型配用电系统中能量变换、电力传输和运行控制的直接载体,直接决定运行效率、安全可靠性和系统成本。例如新型导电材料能够降低能耗,能源短缺和环境污染等问题;先进电工磁性材料应用于电网智能传感器,有助于提高系统运行的可靠性;新型绝缘材料和绝缘结构能够解决引入电力电子设备所导致的更加频繁的瞬时脉冲过电压问题;基于以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体材料发展出的新一代微波射频器件和功率电子器件,能够为通信领域和电子领域的节能降耗提供技术支撑。

新型电力设备和用电设施研发方面。具体到新产品上,企业开发新型电力电子设备,特别是软常开开关设备,通过控制连接馈线上的有功潮流和无功潮流,以实现平衡功率、改善电压、负荷转供、限制故障电流等功能。在能源互联网的大潮中,融合新技术,实现功能+监测+电子化+ 数字化+人工智能,从低端仿造跨越到高端制造,从单一产品向综合解决方案延伸,从制造工厂跨越到创新工厂。让低压电器制造与革新为低碳化、数字化、可持续发展贡献力量。

电力设备全生命周期资产管理技术。新型配用电系统中新型电力设备和用电设备繁杂多样,配电设备的全寿命管理以及生态设计极其重要,必须在实现经济性的同时,保障各类设备安全运作。全生命周期运维包括采购需求阶段、设备验收阶段、生产运营阶段、报废退役阶段,在资产管理中要实现一体化设计,保证数据共享,优化管理,结合 “互联网+”等技术拓展管理空间,提升管理效率。

分布式电源与微电网技术

>>分布式新能源发电技术

1、高效经济的新能源、可再生能源开发技术

随着新能源开发技术进步,部分可再生能源已达到较高的应用水平,如风能、太阳能,目前在配电系统中已经占据主要地位,但开发更低成本、更高效率的新材料和光伏板集成新技术仍然十分必要。同时针对氢能、地热能、生物质能等其他能源的开发仍然需要继续推动,例如制-储-运氢技术、地热能多级利用技术以及生物燃料技术等。此外,协同开发集中式和分布式新能源,降低输电损耗,提高新能源利用效率,提升电网对新能源的消纳能力,从而带来更好的社会经济效益。

2、分布式能源的规划技术

分布式能源归属规划与优化问题的关键是打破各个主体间的信息沟通壁垒、调度协同壁垒。从技术层面考虑,在规划阶段就必须考虑更多的技术约束条件,包括电压水平、短路电流水平、电能质量(闪变、谐波)等。从数学上来看,涉及多目标及众多不确定因素的组合优化的规划方法非常复杂,综合资源和运行的多元目标优化规划至关重要。此外,开展含分布式能源的网络分析与评价,配电系统与通信网的融合及优化规划,综合可靠性、风险和经济性分析的模型和仿真工具的研发应当受到重视。

3、分布式新能源发电主动支撑技术

分布式电源不仅需要具备在一定范围内调节频率电压的能力,还要具有抑制频率电压快速变化的能力。现阶段,已有学者提出了一种“惯性–刚度补偿器”,使分布式电源在系统发生功率缺额时具有瞬时频率电压支撑能力,并用功率跃变瞬间提供的有功功率补偿定量表述了分布式电源的频率惯性支撑能力,这为后续制定相关并网标准提供了依据。

4、分布式新能源发电出力预测技术

分布式新能源发电具有空间广域分布、周边微气象特征复杂、受建筑及人类生活影响大等特点,出力预测较为困难。目前分布式新能源发电出力研究成果主要集中于利用天气预报、气候条件进行发电预测,较多地考虑了自然条件对新能源出力的影响,缺少对分布式电源空间分布特性及人类社会活动因素的考量。

5、分布式新能源发电集群控制技术

分布式控制方式是新能源高渗透配电系统中理想的分布式电源集群控制方式。目前,分布式新能源电源发电集群控制技术的研究仍然处于起步阶段,相关成果主要集中在单台发电设备的控制,较少考虑多台新能源发电设备通过并网逆变器接入系统的协同控制策略,多个逆变器在功率跃变时刻的不平衡功率分配机理尚不明确;多个逆变器的多时间尺度控制策略交互影响机理亦不明确;传统基于有功–频率、无功–电压特性曲线的下垂控制方式在配电线路电阻不可忽略的情况下不再适用,分布式电源难以参与一次调频、调压。

>>分布式储能技术

从功率角度来看,新型配电系统的静态问题和动态问题本质上是不同时间尺度内的功率不平衡问题。在负荷高峰期这一相对较长的时间尺度内,源荷两侧功率不平衡导致了峰谷差等静态问题;在系统发生功率跃变时刻到一次调频、调压动作前这一相对较短的时间尺度内,电力电子设备缺乏类似同步发电机的转子惯性,无法对系统功率不平衡进行支撑,导致系统稳定性下降,电能质量恶化。分布式储能技术为解决上述不同时间尺度内功率不平衡导致的静态、动态问题提供了可行方案。

1、储能调峰调频技术

以分布式抽水蓄能、液流电池、锂离子电池、储冷储热技术为代表的能量型储能可以实现消除负荷尖峰、削峰填谷、平抑波动、与充电桩联合运行缓解充电功率冲击等功能,提升配电设备利用率。储能调峰调频技术对储能装置在容量、响应速度、成本、安全性、功率/能量密度等方面均具有较高要求,采用单一储能形式难以满足需求,需要研究具有全方位优势的复合储能技术。

2、稳定性与电能质量增强技术

分布式储能技术为提升新型配电系统稳定性及电能质量提供了可行方案。有学者提出了一种储能装置与并网逆变器控制策略配合的方法,实现了分布式电源对系统的动态稳定性支撑。在电力电子装备大量接入导致系统惯性降低的情况下,并网逆变器配合储能将是提升系统动态稳定性的重要手段。另外,以超级电容为代表的功率型储能具有快速响应能力,在改善配电系统电能质量方面发挥重要作用。目前,分布式储能技术大容量、安全、经济的储能装置尚未取得成熟应用,无法充分满足增量负荷规模化接入的调峰需求。

3、微电网技术

从微网层面内考虑各种分布式资源的协同控制,将微网对外等效为电压/电流源,可降低配电系统频率、电压稳定性控制的复杂度;从微网群层面考虑功率互济与调度优化,可利用不同区域内新能源及负荷互补特性解决分布式电源出力波动、峰谷差等经济调度问题。

4、新能源微电网频率和电压动态稳定技术

新能源微电网作为一个相对独立自治的区域,面临着与配电系统类似的动态稳定性问题。有学者提出了一种电压源型虚拟同步发电机控制策略,虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)是一种常用的提升分布式电源频率电压动态支撑能力的控制方法。其核心思想是对并网逆变器进行控制,模拟同步发电机有功–频率、无功–电压的外特性

传统VSG 技术模拟出的同步发电机虚拟惯量及阻尼一般是固定不变的,在不同类型功率扰动下,固定的惯量参数不能满足微电网频率动态调节对于稳定性和快速性的需求。基于上述考量,有学者提出了虚拟惯量自适应控制技术。另外,也有学者从改进传统下垂控制的角度,提出了广义下垂控制技术,在传统下垂控制的基础上加入二次频率控制,模拟惯量及阻尼特性。

5、微电网群观群控技术

多个微电网如何统一调控、如何实现功率互济及优化运行是微电网群运行与控制的关键。有学者提出一种包括配电层、微网群层、微网层和单元层的微网群四级控制结构。微网群层一般采用主从控制和对等控制两种策略:主从控制对于微网间的通信要求较高,且主控单元调压调频压力较大。对等控制方式则克服了上述缺点,各微网单元按照预先整定的下垂曲线进行自主对等控制,无需通信和上层控制。有学者提出了一种由交、直流微网组成的混合微网群控制策略,将交流微网的有功–频率特性与直流微网的有功–电压特性进行标准化计算,得到统一的控制尺度,实现混合微网群的对等控制。

为解决微网群实时调度优化带来的挑战。有学者提出了一种基于分散结构下部分可观测马尔可夫决策过程的微网群协调优化问题建模方法,弱通信条件下依然可以根据部分观测信息进行优化建模,并利用拉格朗日乘子对目标函数解耦,降低了求解难度。该研究对于实现包含复杂变量、对等控制下的微网群实时调度优化具有重要的指导意义。

源荷互动技术

>>负荷的柔性化利用及负荷管理技术

负荷柔性化利用是未来开发智慧用能节能的重要环节,有利于促进能源节约型社会的发展。对柔性负荷调控技术的研究包括:基于柔性负荷的特性对其进行分类建模,充分发掘负荷弹性潜力;积极完善柔性负荷机制,推进示范工程建设;使用智能技术对用户行为进行差异化分析,提升调控精准程度等。

有效的负荷管理能够减轻新型能源系统因新能源不稳定及负荷侧不确定造成的供需矛盾,目前电力负荷管理技术已具备电费管理、电能损耗管理、防窃电分析以及数据共享等功能。随着数据驱动、虚拟电厂、5G 通讯等技术的发展,电力负荷管理系统将在负荷数据预测、负荷协调控制技术以及管理实效性方面得到极大地提升,有力保障各类分布式电源、电动汽车、储能系统等不同类型的元件的协同运行,提高资源合理利用率。

>>计及源荷不确定性因素的潮流计算方法

潮流计算是配电系统规划与调度运行的重要基础。现阶段,已有学者提出了考虑光伏、风电出力不确定性的潮流计算方法。此外,有学者分别提出了考虑负荷不确定性及负荷响应调峰需求不确定性的潮流计算方法。总体来看,现有研究成果已经较为广泛地考虑了源荷互动各环节不确定性因素,并提出了各种不确定性因素单独作用下的潮流计算方法。

>>源荷互动模式下配电系统多目标优化调度技术

源荷互动模式下,调度决策很大程度上影响了系统运行的安全性与可靠性。目前,有学者提出利用二阶锥优化、粒子群算法进行多目标潮流优化的方案,利用帕雷托最优解集对潜在最优解进行多维度评价,给运行调度人员提供了更灵活的决策方案,有助于实现源荷互动模式下的安全、稳定、经济调度。

>>电力市场环境下经济运行技术

通过各种激励方式引导多元主体参与电力市场交易是推进源荷互动的重要手段,其具体技术形式包括需求侧响应和虚拟电厂。目前,相关研究集中在利用价格激励机制激发用户参与响应的积极性。为充分挖掘并调动系统中的可调资源,有学者开展了源网荷整体态势感知、响应能力实时量化评估、响应策略从群体落实到个体、源网荷协调控制技术、负荷多时间尺度特性等方面的研究,为基于需求侧响应的系统动态功率平衡技术发展提供了思路。

围绕源荷互动开展的研究主要包括潮流分析及优化技术和市场引导机制两方面。在潮流分析与优化技术方面,现有技术忽略了配电系统源荷集聚带来的时空耦合特性以及气温关联特性,难以提升新型配电系统的潮流控制精度,无法实现短时间尺度内峰谷差的平抑。在市场引导机制方面,考虑到负荷响应不可避免的时滞特性,需求侧响应并不能完美解决配电系统峰谷差问题。需要考虑结合柔性负荷深度控制技术,使得负荷用能曲线能够实时跟踪新能源发电曲线,以实现实时源荷平衡,从根本上解决峰谷差问题,提升配电设备利用率。

直流配电技术

目前,直流配电技术研究主要集中在以下几个方面:

>>电压序列与标准化

目前,国际上暂无统一的直流配电电压等级序列标准。国内外学者从供电能力、投资成本、直流设备制造水平、电能质量要求、配电经济性、各种典型配电场景的负荷需求特征等方面提出了多种直流电压等级序列选择方案。我国于 2017 年12 月颁布了《GB/T 35727—2017 中低压直流配电电压导则》。目前,相关标准集中在中低压公共直流配电系统电压等级的规划,对于通信系统、楼宇供电、船舶供电、城市轨道交通等具体场景的直流电压等级序列规划还缺乏细化标准。

>>直流配电系统故障保护技术

直流配电网故障保护技术是保障直流配电网安全运行的关键手段。以两电平电压源换流器、模块化多电平换流器为代表的新型配电设备以及环网拓扑结构的出现,深刻改变了配电网的故障特征。有学者提出了基于流向对比法、极值比较法、方向预测法以及“单支路即时记忆、多支路短时定位”的保护策略,提升了故障类型识别速度和故障隔离的可靠性。

>>直流配电系统协调控制与调度优化技术

目前,直流配电网的电压控制策略主要采用主从控制、下垂控制和电压裕度控制3 种方式。从直流配电网示范工程建设经验来看,主从控制是现阶段应用较为广泛的直流配电网电压控制方式。也有学者提出了改进的电压控制策略,提出一种结合下垂控制和偏差控制的直流电压偏差斜率控制策略,克服了偏差控制响应速度慢以及下垂控制的稳态误差问题。

随着分布式电源、储能以及柔性负荷的大量接入,微电网将会是实现配电系统新能源友好接入与高效消纳的重要途径,结合直流配电技术的交直流微电网群协同控制技术是后续值得关注的研究方向。

数字化配电网技术

>>电气设备智能化技术

数字化管理技术的基础是电气设备具有数据采集、运算及通信能力。数据采集方面,压缩感知技术可以利用低秩数据对原始信号进行高概率重构,是解决智能电力设备传感器成本与性能矛盾的有效方法。运算方面,如何实现算法轻量化并应用于边缘计算是值得关注的问题。通信方面,无线通信、光纤通信及载波通信是现阶段电力设备实现远程通信的主要方式,智能终端信息安全问题也是智能化电力设备研究中需要重点关注的问题。

>>配(微)电网透明化技术

新型配电系统所存在的多类传感器带来海量的电气量及非电气量数据,数字化技术通过构建设备的多状态监测库实现新型配电系统整体的可观可控,逐步向透明化方向发展。目前,数字化管理技术在多源数据采集环节,配电设备还未实现智能化,缺少各种电量及非电量数据的采集手段,亦未形成统一的数据上传接口标准。在数据处理与分析环节,缺乏多模态、多类型数据相关性的挖掘技术,无法充分利用数据中包含的时空关联信息进行配电运行优化。

智能配电网态势感知技术

>>智能配电网态势感知技术概述

开展智能配电网态势感知关键技术的研究,并促进具有高精度、高可靠性的态势感知技术在智能配电网中的应用,在电力系统领域有着广阔的发展空间与极高的应用价值。下图所示是多维度的智能配电网态势感知物理框架,从配电网精益化运维的角度归纳并分析了当前智能配电网态势感知技术在态势觉察、态势理解、态势预测等阶段的关键技术。

图1 智能配电网态势感知物理框架

>>态势觉察

态势觉察是数据获取阶段,该阶段获取智能配电网分析和调控所需的数据,从深度和广度两个层面实现对智能配电网的全面感知,其架构见下图。态势觉察主要关键技术包括:大数据技术、5G 通讯技术、虚拟采集技术、高级量测体系构建技术等。

图2 智能配电网态势觉察架构

>>态势理解

态势理解是数据分析阶段,深入理解与挖掘在态势觉察阶段中收集到的数据,并从系统稳定性、经济性、负载转供能力、可靠性、灵活性、供电能力、负荷接入能力和分布式发电消纳能力等方面分析智能配电网的运行态势,其架构如下图所示。态势理解主要关键技术包括:不确定性潮流计算技术、混合状态估计技术、配网弹性分析与自愈控制技术、配网可靠性与灵活性分析技术、配网协同调度技术、配网故障定位技术、电力市场技术、虚拟电厂技术、边缘计算技术等。

图3 智能配电网态势理解架构

>>态势预测

态势预测是状态预测阶段,用于预测智能配电网状态的未来变化趋势,例如不确定性负荷、分布式电源和电动汽车的功率预测;同时态势预测可以实时评估配电网络的运行风险,并提醒配网管理部门及时做出调控,其架构如下图所示。态势预测主要关键技术包括:三相不平衡负荷预测技术、考虑不确定性的分布式发电出力预测技术、基于大数据的电动汽车充电预测技术、分布式能源规划技术、配网安全性态势预测与预警技术。

图4 智能配电网态势预测架构

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  • 原文链接https://page.om.qq.com/page/Ool-ypCNQeH0fqtyt17oPWeg0
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