智能電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)是應(yīng)對能源環(huán)境問題的有效途徑

 

    能源和環(huán)境問題是本世紀最具挑戰(zhàn)性的問題之一，為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，開發(fā)和利用可再生能源成了世界各國的共同選擇。在這種大背景下，電力行業(yè)也意識到僅靠傳統(tǒng)、常規(guī)的電力技術(shù)和手段，難以解決越來越多新能源接入的問題。所以近年來，智能電網(wǎng)技術(shù)，尤其是作為智能電網(wǎng)技術(shù)重要組成部分的可再生能源發(fā)電及并網(wǎng)技術(shù)等逐漸成為了業(yè)界研究的熱點。

 

    智能電網(wǎng)技術(shù)不論從理論層面看還是從實踐層面看，都能更好地讓可再生能源接入電網(wǎng)。當前可再生能源接入包括很多技術(shù)，有些技術(shù)不是常規(guī)的，有一些是新的。比如說智能電網(wǎng)技術(shù)里面的儲能技術(shù)。由于可再生能源發(fā)電是間歇性的、隨機的和難以控制的，所以加入儲能技術(shù)后可以更好地協(xié)調(diào)能源利用的供需平衡，如抽水蓄能、電池儲能、超導(dǎo)、壓縮空氣、飛輪等等，這些儲能技術(shù)有的目前還處于研究階段，有的已經(jīng)得到了少量開發(fā)，有的則已經(jīng)投入了正式使用，它們的成熟度不一樣，此其一。其二是需求側(cè)管理（DSM）或需求側(cè)響應(yīng)（DR），通過利用通信和信息技術(shù)，并采用技術(shù)、經(jīng)濟和行政等手段，維持發(fā)電側(cè)和需求側(cè)的供需平衡。一旦發(fā)電量不足，便能適時通知用戶減少用量或變化用電方式，或者利用價格變化進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)控制。其中，利用高級計量系統(tǒng)（AMI）是完成需求側(cè)響應(yīng)的一項重要手段，此外還有電力電子技術(shù)等。鑒于可再生能源的接入會對電網(wǎng)造成一定影響，我國利用了柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）技術(shù)，通過移相器、電力電子等手段以適應(yīng)潮流的多變性。再比如說海上風電，由于輸電距離和輸送容量等的限制，大容量、長距離輸送離岸風電不能用交流電纜，因為交流電纜最長傳輸距離一般為四、五十公里。為了應(yīng)對這種情況，我們便利用海底電纜、基于VSC的高壓直流輸電、IGBT等技術(shù)進行解決。

 

    需客觀看待電動汽車充電對電力系統(tǒng)造成的影響

 

    到目前為止，電動汽車的充電模式主要有以下四種：1）VOG模式（單向無序電能供給），在此模式下，電動汽車接入電網(wǎng)即可立即充電；（2）TC--Timed Charging模式（單向有序電能供給），在此模式下，電動汽車可以在給定的時刻開始充電；（3）V1G模式（電動汽車充電受電網(wǎng)控制），在此模式下，電動汽車可以與電網(wǎng)進行實時通信，優(yōu)化充電安排、提高電網(wǎng)效率，在電網(wǎng)允許時刻進行充電，弊端是不能向電網(wǎng)反饋送電；（4）V2G模式（雙向有序電能供給），在此模式下，電動汽車可以作為電能存儲設(shè)備、備用電源設(shè)備等，與電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)通信并受其控制，實現(xiàn)電動汽車與電網(wǎng)間的能量轉(zhuǎn)換（充、放電）。

 

    我們應(yīng)該用辯證的眼光看待電動汽車充電的利弊，一方面，如果合理利用和控制電動汽車充電，便可使其削峰填谷的作用得到充分發(fā)揮，給電網(wǎng)負荷帶來積極的調(diào)節(jié)；另一方面，它給電力系統(tǒng)帶來的負面影響同樣不容小覷，其中主要體現(xiàn)在以下幾個方面：無計劃的臨時性快充對電網(wǎng)產(chǎn)生短時性負荷沖擊；電動汽車通過逆變向電網(wǎng)供電，不可避免給電網(wǎng)帶來反向潮流、電壓變化、電能質(zhì)量問題和無功功率平衡問題；給電網(wǎng)的規(guī)劃和調(diào)度運行帶來新的問題，尤其是配電網(wǎng)規(guī)劃和運行等。

 

    舉個例子，目前我國汽車保有量約為1億輛，假設(shè)到2030年時我國汽車保有量為3億輛，而電動汽車為6000萬輛，占其中的五分之一，每輛電動汽車充電功率為10千瓦，極端情況下同時充電，則總充電功率將達到6億千瓦，將占2030年時電網(wǎng)裝機總?cè)萘?4億千瓦的1/4,如果不對此加以協(xié)調(diào)并采用相關(guān)技術(shù)手段有效控制，而無序地同時充電的話，將會出現(xiàn)"峰上加峰"的情況，從而增大電網(wǎng)調(diào)峰難度，加大輸配電網(wǎng)建設(shè)的壓力，降低發(fā)電機組和電網(wǎng)的運行效率。因此，在智能電網(wǎng)建設(shè)過程中，我們應(yīng)把對電動汽車充放電運行模式的研究作為一項工作重點，充分利用電動汽車作為時間上可平移負荷的特點，依靠智能電網(wǎng)中所支持的需求側(cè)響應(yīng)，在一定程度上削峰填谷、平滑負荷曲線，提高設(shè)備利用效率、降低系統(tǒng)損耗。再比如，電動汽車充電站屬于諧波源負荷，其產(chǎn)生的諧波主要是6k±1次諧波，如果這些諧波電流注入公用電網(wǎng)，將導(dǎo)致電網(wǎng)損耗增加、設(shè)備過熱及壽命損失、對控制和通信電路的干擾，同時會造成電壓畸變、功率因數(shù)下降， 影響電網(wǎng)中的電能質(zhì)量水平及其他用電設(shè)備的正常運行等。因此，只有正視電動汽車充電給電網(wǎng)帶來的負面影響，采取積極的手段盡量抑制諧波進入公用電網(wǎng)，才能最大化保障電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟運行。

 

    多方面協(xié)調(diào)配合為可再生能源并網(wǎng)創(chuàng)造條件

 

    隨著可再生能源產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴大，我國可再生能源發(fā)展面臨的問題也逐步凸顯，尤其在風電等新興可再生能源發(fā)電并網(wǎng)方面，更是困難重重。由過去主要來自技術(shù)水平、產(chǎn)業(yè)發(fā)展能力方面的約束，轉(zhuǎn)變?yōu)閬碜允袌鰴C制、發(fā)展體制方面的制約，要破解可再生能源的并網(wǎng)難題，需要多方面的協(xié)調(diào)配合。

 

    首先要有序接入。因為廠網(wǎng)分開之后，當前存在無序發(fā)展的情況，有些地方的風電建設(shè)超出了高壓電網(wǎng)建設(shè)的速度。風電等新能源的建設(shè)要和線路建設(shè)相配合。第二，增加儲能。儲能技術(shù)對智能電網(wǎng)改善電能質(zhì)量、提高可再生能源接入起著重要作用。具有間歇性、不穩(wěn)定性的可再生能源發(fā)電會影響電網(wǎng)的運行。以風能為例，電力系統(tǒng)的運行人員雖然通過風力發(fā)電預(yù)測技術(shù)來協(xié)助調(diào)度，但預(yù)測的誤差是無法避免，而且在風電變化大的情況下，即使預(yù)測精確，仍需要具備一定的儲能手段。應(yīng)用儲能技術(shù)，可大大增加風力發(fā)電的信用度。第三，可再生能源要與常規(guī)能源協(xié)調(diào)發(fā)展。要在政府政策基礎(chǔ)上，協(xié)調(diào)好風電等新能源與傳統(tǒng)火電能源的關(guān)系，雙方要形成互補。當然，在滿足接納全部可再生能源發(fā)電電量的前提下，常規(guī)能源發(fā)電（如煤電）的經(jīng)濟性和效率會有一定程度的下降。另外，對風電間歇性和不穩(wěn)定性而言，需要加強風電功率的預(yù)測工作，同時，風電的制造廠家也需要提高性能技術(shù)——低電壓穿越技術(shù)，避免事故的多發(fā)以及由事故引發(fā)的風力發(fā)電機跳閘，進而影響供電和系統(tǒng)穩(wěn)定性能。此外，我們還應(yīng)學(xué)習(xí)丹麥的經(jīng)驗，增強聯(lián)絡(luò)線輸送功率的能力。

 

    風電和光伏發(fā)電要堅持分散和集中相結(jié)合的原則，盡可能就地消化。當前我國是以集中式的風力發(fā)電為主，而國外如日本等則是以分散式的太陽能光伏發(fā)電為主。隨著未來我國風電所占比例的逐漸上升，尤其是當風力發(fā)電和太陽能發(fā)電所占比例超過30%時，我們甚至可以考慮利用風能、太陽能通過制作氫，作為燃料電池的燃料，以供發(fā)電。這也是國外某些發(fā)達國家正在探討的技術(shù)路線之一。

 

    微網(wǎng)技術(shù)是發(fā)揮分布式發(fā)電供能系統(tǒng)效能的最優(yōu)途徑

 

    微網(wǎng)技術(shù)是解決分布式發(fā)電的最好技術(shù)，它可以將對配電網(wǎng)的影響減到最小，同時將對用戶自身的供電可靠性提高到最大程度，其重要性不言而喻。現(xiàn)有研究和實踐已表明，將分布式發(fā)電供能系統(tǒng)以微網(wǎng)的形式接入到大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，與大電網(wǎng)互為支撐，是發(fā)揮分布式發(fā)電供能系統(tǒng)效能的最有效方式。在微網(wǎng)系統(tǒng)中，用戶所需電能由風力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池、以天然氣和沼氣等為燃料的冷/熱/電聯(lián)供系統(tǒng)（CCHP），通過微電網(wǎng)來提供，往往可同時滿足用戶供熱、供冷和供電的需求。這種綜合的用能方式比常規(guī)的方式效率要高，一般不考慮余熱利用的發(fā)電效率為30%左右，如果將余熱加以利用的話，就可以將總效率提高到70%-80%,使我們充分達到節(jié)能和合理用能的目的。

 

    目前，由于條件的制約，微網(wǎng)相關(guān)工作在我國海島、鄉(xiāng)村邊遠地區(qū)的應(yīng)用要相對多一些。當然，就微網(wǎng)在城市的發(fā)展而言，我國也抱以同樣的重視，天津生態(tài)城建設(shè)就是在這方面很好的探索。隨著未來天然氣、風能、光伏等清潔能源的分布式發(fā)電的并網(wǎng)需求的不斷增多，人們對城市微網(wǎng)的需求還將逐漸增大。

 

    此外，隨著微網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，電力電子設(shè)備在微網(wǎng)當中的應(yīng)用也將逐漸增多，這可能會造成一些特殊的問題，同樣值得我們引起重視。比如說它會產(chǎn)生一些諧波，造成電能質(zhì)量下降，影響繼電保護的動作等等。原先的分布式發(fā)電基本上采取就地控制的辦法，現(xiàn)在由于通訊系統(tǒng)、光纖技術(shù)、電力系統(tǒng)技術(shù)等的不斷提高，加強通訊系統(tǒng)建設(shè)的可行性大為增加。通過加強微電網(wǎng)通訊和信息方面的相關(guān)技術(shù)，有助于解決微電網(wǎng)中控制、保護中遇到的一些難題，從而提高電能質(zhì)量和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行性能。