分布式發(fā)電與配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展與技術展望

1、.隨著環(huán)境形勢的日趨嚴峻與化石能源的逐漸消耗，人類從傳統(tǒng)的以化石能源為主的能源系統(tǒng)逐步過渡到以可再生清潔能源為主的可持續(xù)能源系統(tǒng)勢在必行。電能作為廣泛應用的二次能源，其在人類社會發(fā)展中已經(jīng)并將繼續(xù)扮演著至關重要的角色。21世紀之前，電能的一次能源以煤炭等化石能源為主，如今，隨著人們對各類分布式清潔可再生能源重視度的逐步提高，電能的來源也在隨著能源結構的巨變而發(fā)生著改變，各種新能源相繼被開發(fā)利用。目前，已經(jīng)被研究和開發(fā)利用的分布式可再生清潔能源主要有太陽能、核能、風能、地熱能等，這些清潔可再生的新能源正在逐步取代化石能源成為電能來源的重要部分1。能源是人類未來生存和發(fā)展的重要基石。從能源的可持續(xù)

2、發(fā)展的角度來看，充分利用各類DG并網(wǎng)送電是解決能源危機的一種有效途徑。但是，在DG的實際應用中，由于DG的并網(wǎng)送電給電網(wǎng)的正常運行帶來的電壓、頻率及繼電保護方面的潛在威脅，通常對DG的并網(wǎng)容量等有嚴格的限制2。這些限制雖然在很大程度上避免了DG的接入對電網(wǎng)正常運行的潛在威脅，但同時也導致了DG在電力系統(tǒng)中滲透率水平的低下，嚴重影響和限制了DG的利用與發(fā)展。長期以來，世界各國都在對配電網(wǎng)進行改造建設，配電網(wǎng)也發(fā)生了翻天覆地的變化，經(jīng)歷了從傳統(tǒng)配電網(wǎng)、智能電網(wǎng)、主動配電網(wǎng)（ActiveDistributionNetwork,ADN）、主動配電系統(tǒng)的巨大變革3。DG的發(fā)展與配電網(wǎng)的發(fā)展有著密切的內(nèi)在

3、聯(lián)系，配電網(wǎng)的發(fā)展在很大程度上會影響DG在電力系統(tǒng)中的滲透率，而DG的發(fā)展利用會在一定程度上影響配電網(wǎng)的工作模式與運行效率。僅從DG消納的需求方面考慮，優(yōu)化改造配電網(wǎng)以促進DG的充分利用的重要性毋庸置疑，但同時，純粹的為了促進DG的利用而進行大規(guī)模的配電網(wǎng)規(guī)劃改造缺乏經(jīng)濟性，因此，DG與配電網(wǎng)兩者的協(xié)調(diào)發(fā)展便意義深遠。文獻4提出了分布式光伏發(fā)電與主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的思路，指出分布式光伏發(fā)電在接入配電網(wǎng)后帶來的雙向潮流、電壓諧波、繼電保護等問題給配電網(wǎng)造成威脅的同時也對配電網(wǎng)提出了更高的要求，但文獻主要針對分布式光伏發(fā)電與ADN，沒有全面考慮配電網(wǎng)的發(fā)展，也沒有具體分析傳統(tǒng)配電網(wǎng)的不足對分布式光

4、伏發(fā)電優(yōu)勢的發(fā)揮的限制。文獻5闡述了主動配電系統(tǒng)的概念，從技術層面分析了配電網(wǎng)未來發(fā)展對象主動配電系統(tǒng)規(guī)劃與運行的相關問題，但沒有綜合分析DG與配電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展方面的問題?；贒G與配電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的理念，文章首先分別介紹了DG和配電網(wǎng)的概況及其在我國未來的發(fā)展前景，并對我國傳統(tǒng)配電網(wǎng)在DG利用中的局限性和ADN在DG利用中的優(yōu)越性進行了分析，然后提出在DG充分利用的同時配電網(wǎng)逐步協(xié)調(diào)發(fā)展為ADN的觀點，并對相關技術進行了展望。1分布式發(fā)電的概況及發(fā)展1.1分布式發(fā)電的概念與特征DG是資源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略以及技術發(fā)展進步的產(chǎn)物，也是電力系統(tǒng)實現(xiàn)以大電網(wǎng)與分布式電網(wǎng)相結合目標的重要發(fā)展方向。關于

5、DG的概念，在國際大型電力系統(tǒng)委員會的定義中是指非經(jīng)規(guī)劃的或中央調(diào)度型的電力生產(chǎn)方式，發(fā)電規(guī)模在50100MW之間直接與配電網(wǎng)連接的發(fā)電系統(tǒng)。一般來說，DG是可以包含任何安裝在用戶附近的發(fā)電設施，而不論這種發(fā)電形式的規(guī)模大小和一次能源的類型6。目前，DG研究應用尤為集中的是可再生分布式能源發(fā)電技術，主要包括光伏發(fā)電、風能發(fā)電、地熱發(fā)電、海洋能發(fā)電以及生物質能發(fā)電。DG相對于傳統(tǒng)集中式發(fā)電的主要區(qū)別在于其分布性比較強，其次是其發(fā)電規(guī)模較小并且靠近電能用戶，既可以直接向附近的負荷供電也可以根據(jù)需求并入大電網(wǎng)輸送電能。DG的發(fā)展與應用，可以充分的吸收各類分散的清潔可再生能源來發(fā)電，從而實現(xiàn)可再生能源

6、的高效規(guī)模化利用，再者DG接入方便、運行簡單的優(yōu)點也得到了廣泛的認同。1.2我國分布式發(fā)電的發(fā)展隨著電力電子技術的發(fā)展與其他相關技術的突破，DG正逐步在世界各國得到廣泛的應用。近年來，我國的風能、生物質能以及太陽能等分布式能源的利用發(fā)展態(tài)勢非常迅猛。國家能源局已經(jīng)提出了到2020年風力發(fā)電實現(xiàn)裝機2億kW、太陽能裝機1億kW的目標，2020年分布式能源裝機容量將達到總裝機容量的1/10。同時，國內(nèi)關于風電與光伏的相關十余項規(guī)X也已經(jīng)開始實施，使得DG的發(fā)展利用逐漸規(guī)X化。DG具有能在負荷高峰期轉移主電網(wǎng)一定的負荷的特點，可以有效緩解電網(wǎng)饋線的容量限值。我國分布式能源含量豐富，但由于技術等條件的

7、限制導致目前開發(fā)利用力度仍然不夠，隨著DG并網(wǎng)輸送電能調(diào)度以及能源綜合優(yōu)化的問題得到進一步的解決，DG將會在我國未來的電力系統(tǒng)中扮演著更為重要的角色。2配電網(wǎng)的概況及發(fā)展2.1配電網(wǎng)的概述與特征配電網(wǎng)，即在電網(wǎng)中起分配電能作用的電力網(wǎng)絡。配電網(wǎng)作為電能利用的發(fā)電、輸電、配電、用電四個環(huán)節(jié)中的重要一環(huán)，是聯(lián)系發(fā)電端與用戶的橋梁。合理的配電網(wǎng)規(guī)劃建設不僅可以保證供電可靠性和保障電能質量，而且可以提高電網(wǎng)建設的經(jīng)濟性，這對電網(wǎng)公司和電力用戶來說都意義深遠。我國配電網(wǎng)基礎較為薄弱，配電網(wǎng)與輸電網(wǎng)的發(fā)展步調(diào)也有一定程度的不協(xié)調(diào)，配電自動化以及智能化水平較發(fā)達國家有較大的差距。但近年來，隨著智能電網(wǎng)、微電

8、網(wǎng)、電動汽車以及分布式發(fā)電的發(fā)展，我國配電網(wǎng)的自動化、智能化水平正在逐步提升，配電安全性、可靠性及適應性都有了很大程度的提高7。在國家大力支持配電網(wǎng)發(fā)展的大好形勢下，未來我國配電網(wǎng)將逐步朝著主動、智能、堅強、靈活的方向穩(wěn)步發(fā)展。2.2我國配電網(wǎng)的發(fā)展我國傳統(tǒng)配電網(wǎng)形式以單向的“發(fā)電配電用電”形式為主，常見的配電模式有單電源輻射、不同母線環(huán)式模式以及不同母線的三回饋線的環(huán)式等模式。在我國眾多的配電網(wǎng)構架中，這些傳統(tǒng)的配電網(wǎng)模式仍然大面積的存在，但隨著配電網(wǎng)研究的深入和配電網(wǎng)改造優(yōu)化的實施，我國配電網(wǎng)在智能電網(wǎng)、主動配電網(wǎng)等方面都取得了相應的發(fā)展。在智能電網(wǎng)方面，我國很早就開始了智能電網(wǎng)的研究應用

9、探索，通過“十二五”規(guī)劃綱要中智能電網(wǎng)國家戰(zhàn)略的推進實施，我國配電自動化水平得到了很大的提升8；在ADN方面，但近年來，我國科研工作者在主動配電網(wǎng)的控制策略、分布式電源的優(yōu)化規(guī)劃、需求側管理等方面都取得了相應的研究成果。目前，國內(nèi)外配電網(wǎng)也正隨著技術的革新以及實際需求而經(jīng)歷著巨大的變革，文獻9介紹了配電網(wǎng)由被動配電網(wǎng)向ADN的發(fā)展歷程，文獻10在分析我國配電網(wǎng)的結構、配電能力、自動化等問題的基礎上，提出了我國配電網(wǎng)“結構合理、技術先進、靈活可靠、經(jīng)濟高效”發(fā)展的目標。我國正在加大投資配電網(wǎng)的規(guī)劃改造建設的力度，根據(jù)配電網(wǎng)建設改造計劃的通知，“十三五”期間，我國配電網(wǎng)的建設改造投資不低于2萬億元

10、11。我國學術界和工程界正在深入研究ADN及主動配電系統(tǒng)在我國發(fā)展與實踐應用。在未來相當長的一段時間里，ADN將是我國智能配電網(wǎng)研究應用的重要方向之一。3分布式發(fā)電與配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展3.1含分布式發(fā)電的傳統(tǒng)配電網(wǎng)及其局限大規(guī)模DG接入傳統(tǒng)配電網(wǎng)后將打破傳統(tǒng)配電網(wǎng)的單向輻射狀供電模式，同時可能引發(fā)短路、電壓異常，影響電能質量和供電可靠性等問題12。通常，DG在配電網(wǎng)中具有三種功能：DG作為配電網(wǎng)的備用電源、配電網(wǎng)作為DG的后備電源、DG與電網(wǎng)并網(wǎng)運行13。而在DG接入配電網(wǎng)后，DG在配電網(wǎng)中的接入位置和注入容量對配電網(wǎng)的電壓分布及穩(wěn)定運行有著重要影響14。DG接入傳統(tǒng)配電網(wǎng)后，配電網(wǎng)由傳統(tǒng)的單向

11、輻射型網(wǎng)絡轉化為含源不定向與用戶互聯(lián)的復合型電力網(wǎng)絡，這種改變給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來了多方面的影響，這些影響對DG的發(fā)展有著很大的局限性。文獻15分析了DG的接入對線路重合閘的影響，提出系統(tǒng)出現(xiàn)任何形式的故障都必須快速無選擇地切除DG。文獻16-18指出了DG對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的威脅，因此在DG的并網(wǎng)時需要嚴格控制并網(wǎng)容量和并入位置，這直接造成了DG利用率的降低。由于DG接入后的潛在威脅，因此在傳統(tǒng)配電網(wǎng)中規(guī)劃處理DG的基本原則是“即裝即忘”，相對簡單的運行模式和控制策略導致一旦電網(wǎng)發(fā)生故障就需要通過斷路器斷開DG，這樣不僅導致可靠的供電的難以形成而且也直接導致了DG滲透率的降低19。所以

12、傳統(tǒng)的含有DG的配電網(wǎng)在提高供電可靠性及DG滲透率方面存在很大缺陷，需要通過對配電網(wǎng)進行優(yōu)化改造使配電網(wǎng)在接納DG后能提高供電可靠性和穩(wěn)定性，ADN便是一種很好的解決方案。3.2DG與配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展ADN的概念于2008年由CIGREC6.11提出，ADN是指在靈活的網(wǎng)絡結構下，協(xié)調(diào)DG、主動負荷和儲能三者的運行的配電網(wǎng)絡。ADN，既區(qū)別于傳統(tǒng)輻射式單向配電網(wǎng)，又不同于近年發(fā)展起來的微電網(wǎng)。相對于傳統(tǒng)的被動配電網(wǎng)的被動控制模式，ADN采用新電力電子技術和控制技術形成了獨特的主動控制模式，ADN不但改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)輻射狀結合DG的模式，而且形成了由主動負荷、DG、儲能裝置以及智能控制的網(wǎng)狀配電

13、網(wǎng)。ADN可以常態(tài)并網(wǎng)送電以及條件孤島運行，被認為是能夠提高分布式電源滲透率、解決電網(wǎng)兼容及大規(guī)模間歇式可再生能源應用以提升綠色能源利用率和優(yōu)化一次能源結構等問題的關鍵。DG的接入對配電網(wǎng)的供電經(jīng)濟性和節(jié)點電壓、潮流、短路電流、供電可靠性等都會帶來影響，并將影響配電網(wǎng)接線方式和網(wǎng)絡的架構20。未來配電網(wǎng)與DG的發(fā)展中，配電網(wǎng)不僅要滿足在大量DG接入后電網(wǎng)能穩(wěn)定運行，而且要在當DG不穩(wěn)定或者瞬時斷開后能通過主動管理和控制來調(diào)整實現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定運行。同時，由于ADN不僅能夠滿足DG在電力系統(tǒng)中高滲透率的要求，而且在電動汽車等可控負荷管理、智能控制、需求側管理等方面都有其獨特的優(yōu)點，因此，ADN便成了D

14、G與配電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的一種模式。配電網(wǎng)是影響電網(wǎng)穩(wěn)定性、電能質量和網(wǎng)絡運行效率的重要因素之一?；贏DN在促進分布式能源消納以及可控負荷的接入控制等方面的獨特優(yōu)勢，ADN逐步成為配電網(wǎng)發(fā)展一個重要方向。在ADN的基礎上，2012年由CIGREC6.19提出了主動配電系統(tǒng)的規(guī)劃與優(yōu)化研究報告，主動配電系統(tǒng)能夠在信息通信技術（ICT）、智能控制技術和成本效益模式為基礎上實現(xiàn)已有資產(chǎn)與基礎設施的最優(yōu)化利用。ADN作為未來智能電網(wǎng)的重要組成部分，它的研究與實踐將直接影響分布式電源的滲入率。當前很多國家學術界和工程界都在關注ADN的研究與應用，在可持續(xù)分布式電源消納現(xiàn)實需求的驅動下，DG與配電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的

15、研究與應用將逐步深入。4DG與配電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的技術展望現(xiàn)有的通信、控制、電力電子等技術的更新與新技術的開發(fā)利用，將毫無疑問會給DG與配電網(wǎng)未來的發(fā)展帶來不可避免的革新。因此，文章從三個視角的相關技術來展開未來DG與配電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的探討4.1從用戶視角看DG與配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展目前，雖然DG的利用已經(jīng)有了很大的進展，但針對家庭式的DG技術仍然有很大的發(fā)展空間。未來人們對DG認可度的提升必定會促進大量家居式DG系統(tǒng)逐步建立，因而開發(fā)廉價、便捷的家居式DG技術可以充分促進DG的發(fā)展。而在智能用電技術方面，雖然已經(jīng)有智能電表的應用，但可有效提升客戶用電體驗的智能用電技術尚待研究開發(fā)，其次可供研究客戶用電

16、習慣等的智能用電技術還沒有形成系統(tǒng)的技術框架。需求側響應技術作為近年配電網(wǎng)研究應用的熱點，但可以實現(xiàn)配電網(wǎng)與用戶實現(xiàn)雙向互動，實時滿足用戶用電需求的需求側響應技術仍然還有待研究。能夠引導用戶主動參與電網(wǎng)能源優(yōu)化利用，使配電網(wǎng)高效穩(wěn)定的實現(xiàn)“削峰填谷”經(jīng)濟調(diào)度和主動控制的供需協(xié)調(diào)技術有待開發(fā)。從用戶的角度來看，家居式DG技術、需求側響應技術等技術的應用可以實現(xiàn)用戶與配電網(wǎng)的雙向互利，因而對促進DG與配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展有一定影響。4.2從信息視角看DG與配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展電網(wǎng)的調(diào)度、控制等各個方面都離不開信息通信技術，先進的通信技術在配電網(wǎng)安全運行中在扮演著至關重要的角色。當前，配電網(wǎng)的通信技術已經(jīng)在

17、很大程度上得到了改善，但高效實時的通信技術并沒有得到統(tǒng)一，未來DG與配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展離不開先進的通信技術，因此，統(tǒng)一通信協(xié)議的配電網(wǎng)通信技術有待進一步的加強。同時，信息處理技術對DG和配電網(wǎng)的發(fā)展也及其重要。大數(shù)據(jù)與云計算技術的研究應用已持續(xù)多年，但將其應用于配電網(wǎng)和DG中對歷史氣象信息進行數(shù)據(jù)分析與規(guī)律學習實現(xiàn)風機、光伏出力的有效預測和對各類分布式電源運行過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)的優(yōu)化利用以實現(xiàn)對DG的運行控制與能源利用優(yōu)化仍然有待進一步的研究。因此，對配電網(wǎng)和DG的運行信息數(shù)據(jù)進行處理，以保證DG和配電網(wǎng)的優(yōu)化運行，實現(xiàn)配電網(wǎng)和DG的狀態(tài)監(jiān)測、運行預測等功能的云計算技術建模分析和仿真算法平臺有

18、待進一步的開發(fā)。從信息的角度來看，信息技術的不斷進步，給DG與配電網(wǎng)帶來了巨大的發(fā)展機遇，未來ADN的實現(xiàn)離不開統(tǒng)一先進的實時信息通信技術。同時，利用大數(shù)據(jù)及云計算技術在數(shù)據(jù)處理等方面的突出優(yōu)勢，開發(fā)針對配電網(wǎng)與DG的大數(shù)據(jù)處理及云計算平臺以優(yōu)化DG與配電網(wǎng)的運行值得更多的期待。4.3從控制視角看DG與配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展隨著智能電網(wǎng)的研究應用，我國配電網(wǎng)與DG的運行控制自動化水平已經(jīng)有了很大的提升，但現(xiàn)有的控制技術很難滿足未來配電網(wǎng)與DG的發(fā)展需求。DG與配電網(wǎng)運行的各個環(huán)節(jié)都離不開各類控制技術，控制技術的突破將對DG的并網(wǎng)利用有著重要的影響。大規(guī)模的DG優(yōu)化利用需要強有力的電力電子控制技術、功率控制技術作為有效支撐，而大量多層次DG典型的分散性特點使得現(xiàn)有的控制技術很難滿足DG利用的需求，能有效彌補DG與傳統(tǒng)配電網(wǎng)運行與控制的缺陷的新型分布式智能控制技術需要更多的研究。同時，應用分布式智能式、集中式以及混合分層式控制模式幾種控制模式以使配電網(wǎng)控制構架層次分明、目標明確的控制技術模式也需要進一步的研究開發(fā)。從控制的角度來看，DG的