未来配电系统形态及发展趋势

第35卷第6期中国电机工程学报Vol.35No.6Mar.20,20152015年3月20日ProceedingsoftheCSEE©2015Chin.Soc.forElec.Eng.1289DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.06.001文章编号：0258-8013(2015)06-1289-10中图分类号：TM85未来配电系统形态及发展趋势马钊，周孝信，尚宇炜，周莉梅(中国电力科学研究院，北京市海淀区100192)FormandDevelopmentTrendofFutureDistributionSystemMAZhao,ZHOUXiaoxin,SHANGYuwei,ZHOULimei(ChinaElectricPowerResearchInstitute,HaidianDistrict,Beijing100192,China)ABSTRACT:Basedonthecurrentresearchhotspotsofpowergridtechnology,thispaperdiscussedthefutureshapeanddevelopmenttrendofpowerdistributionsystem.Firstly,differencesoftraditionalandfuturedistributionnetworkareillustrated.Theshapeoffuturedistributionsystemisstudiedinfiveaspects,includingthepattern,structure,operationmode,Cyber-PhysicalSystem,andtheenergyinternet.Secondly,thedevelopmenttrendsofenergystructure,industry&technology,andpolicyreform,arefurtheranalyzedtoevaluatethedevelopmenttrendoffuturedistributionsystem.Finally,eightmainkeyresearchareasandthreemajorsuggestionsaresummarizedtosupporttheconstructionoffuturedistributionsysteminChina.KEYWORDS:futuredistributionsystem；EnergyInternet；form；developmenttrend摘要：基于国内外电网技术的研究热点，探讨未来配电网的形态和发展趋势。首先，在阐释传统配电网和未来配电网区别的基础上，从未来配电网的格局、结构、运行模式、物理信息系统、能源互联网等5个方面，探讨未来配电系统的形态；然后，分析了能源结构发展，产业技术驱动，政策、体制改革等3个方面的趋势，进而综合评估未来配电网的发展趋势。昀后，总结8项主要关键研究领域，并从政策和技术角度提出了支持我国配电网发展的3点建议。关键词：未来配电网；能源互联网；形态；发展趋势0引言化石能源的枯竭，温室效应和环境污染的日益严重，严重威胁了人类社会的可持续发展。为了改变旧的、粗放式、不可持续的能源生产与消费模式，一场以发展可再生能源和优化能源结构为主题的能源革命正在全球范围内积极展开[1-3]。电网作为承载能源革命的基础性平台，对能源革命具有重大的推动作用[4]。未来的电网将发展成为大规模新能源基金项目：国家电网公司科技项目(PD71-14-041)。ProjectSupportedbyStateGridCorporationofChinaResearchProgram(PD71-14-041).电力的输送和分配的智能电网，成为能源、电力、信息综合服务体系的支撑平台[5-6]。配电网是支持需求侧响应管理，承载大量分布式发电(distributedgeneration，DG)和电动汽车等分布式能源(distributedenergyresources,DER)的重要平台，是推动智能电网建设、解决能源危机的关键环节[7-8]。然而，传统配电网的运行模式基本是以供方主导、单向辐射状供电为主，在配网的规划设计阶段和运行管理中，均未考虑DER的接入。随着DG接入量的不断增加，电动汽车的快速普及，可控负荷的持续增多，现有的配电网架构已经很难满足用户对环境保护、供电可靠性、电能质量和优质服务的要求。DER所具有的随机性，波动性和分散性等特点，将促使配电网发展成为潮流双向流动的、智能化的新型配电系统[9-11]。针对所面临的这些主要问题和挑战，未来配电网的结构和运行模式将发生怎样的变化，它的发展趋势如何，哪些关键技术将支撑未来配电网的智能化运行，这些问题是当前电力行业备受关注的问题[12-13]。本文针对国内外电网技术的发展潮流和研究热点，着重对未来配电网的形态和发展趋势进行探讨。首先，在阐释传统配电网和未来配电网区别的基础上，从未来配电网的格局、结构、运行模式、物理信息系统、能源互联网等5个方面，探讨未来配电系统的形态。然后，从能源结构发展，产业技术驱动，政策、体制改革等3个方面的趋势进一步综合评估未来配电网的发展趋势。昀后，总结8项关键研究领域，并从政策和技术角度提出我国配电网发展的3点建议。1未来配电网形态1.1传统配电网与未来配电网的区别图1示出传统配电网和未来配电网的主要特1290中国电机工程学报第35卷输电高压配网低压配网分布式电源未来配电网主动负荷及储能传统配电网输电传统机组发电负荷高压配网低压配网传统机组与可再生能源协同发电图1传统配电网和未来配电网示意图Fig.1Schematicdiagramoftraditionalandfuturedistributionnetwork征[14-17]。传统配电网的职能较为单一，它与输电网、用户之间是自上而下的单向供需关系。具体而言，大型发电厂生产电能，通过输电网进行远距离输送，再经过配电网配送至用户端。随着可再生能源和分布式能源的不断渗透，以分布式可再生能源和微电网为重点的多元电力供应系统将逐渐改变传统配电网的形态。与传统配电网相比，未来配电网的主要变化为：1）具有间歇性和随机性的分布式能源接入配电网的容量不断增加，包括分布式发电和储能等；2）具有不确定性的、分散的用户可通过需求响应、智能电表和多种控制仪器调整自身的用电行为。对电网而言，分布式能源的接入将使配网自身以及输、配网之间产生双向的功率流动；用户的不确定性，以及负荷所具有发电和消费电能的双重身份，将使未来配电网与输电网和用户之间形成双向、互动的供需关系。因此，未来配电网将发展为兼容多种发电方式和新技术，支持可再生能源发电、电动汽车充放电及其他储能装置的灵活接入和退出，实现需求响应资源的优化管理和控制的配电系统[18-19]。然而，我国配电网长期以来发展相对滞后，无论网架结构还是自动化水平都不能满足大量间歇式能源接入后的稳定运行，主要表现在：潮流双向流动带来源网双端不确定性；负荷双重角色导致配网调控能力不足；分布式能源的逐步渗透可能严重影响电压水平、短路电流和可靠性等。所有这些将导致配网结构、管理和运行模式等方面的重大变化，对配网造成深远影响。因此，分析探索配电网结构和相应的运行模式是研究未来配电网的基础和核心，是应对传统电网存在的问题和解决面临挑战的重要手段。1.2未来配电网架构和格局未来配电网的发展方向，对配电系统提出了多方面的高级要求。未来配电系统的架构及格局的主要特征为[6，20-24]：1）大电网和微电网相辅相成、协调发展的格局；2）多个电压等级构成多层次环网状的主要网络结构；3）交直流系统并存的混合运行方式；4）配电系统与信息系统高度融合的物理信息网络；5）融合多元能源、实现供需互动的能源互联网。1.2.1大电网和微电网相辅相成、协调发展的格局未来电网将呈现大电网和微电网并存的格局。这一特征主要是由能源分布、电源结构和电网自身的结构决定。一方面，电力资源与负荷中心的地理分布不匹配，而可再生能源在广域范围具有良好的时空互补性，发展一个规模适当的大电网是十分必要的。以我国为例，文献[6]在量化分析电力需求量、电源结构、电力流的基础上，提出未来我国的电网将继续维持“西电东送”、“北电南送”的输电模式，逐步由目前以水电和煤电为主的大容量远距离输送模式，发展为水电、煤电、风电、太阳能发电等多种电力资源协同输送的模式。另一方面，在配电网侧，就地利用资源的分布式发电和面向终端用户的区域电网和微型电网将会大量出现，充电汽车及其他储能装置等将大规模存在，未来配电系统可能划分为多个独立运行的控制区域，可接有不同规模的虚拟电厂和微电网等。因此，以可再生能源发电为重要特点的能源革命，使电力生产和输送的模式从传统的集约式生产、大规模输送，转变为集约式生产、大规模输送与分布式生产、就地消纳相辅相成的模式，从而形成大电网和微电网并存的格局。1.2.2多个电压等级构成多层次环网状的主要网络结构现有研究和实践表明，分布式能源(DER)并网将对配电系统的控制引入以下问题[23]。首先，在传统电网中，发电机主要以同步式发电机为主，其自身具有惯性、具备频率调控能力。然而未来配电网中，大量DG将主要通过逆变器并网发电，此类电源的频率调节能力较弱。此外，DER的波动性、随机性大大增大了配网电压控制的难度。为了尽量减小DER对当前配网的影响，众多学者研究了在给定配网辐射状拓扑的基础上，对DER接入地点和昀大容量进行限定的方法[24]。尽管这种方式缓和了日益增长的DER容量与现有电网之间的矛盾，延迟了对当前配电网结构的改造投资，然而却无法承载大量DER，也不符合未来配电网的发展目标。国外研究表明，采用灵活可控的环网状结构，可实现对DER进行灵活调度和管理，实现大量接纳、优第6期马钊等：未来配电系统形态及发展趋势1291化配置、充分利用不同类型DER。此外，一旦局部发生故障，可通过有效的隔离手段和网络重构手段，使配电网受到昀小的影响。环状网络对提高系统运行可靠性、优化电能的配置、提高资源利用效率均具有促进作用[25-26]。因此，将传统的辐射状配网发展为环形网络，是应对DER大量接入的重要方式和必然趋势。由于配电网具有多个电压等级，相应的环状结构将具有多层次性。具体的，可将配电网分为高压配电网、中压配电网和低压配电网3个层次。相邻各层次之间、同层次不同区域之间均可实现互联。因此，虽然未来配电网的典型结构尚未有标准，但多个电压等级构成多层次环网状结构值得关注，很可能将成为未来配电网的主要网络结构。1.2.3交直流混合运行方式由于分布式电源、储能设备和负荷中存在大量直流设备，未来配电系统将从传统单纯的交流配电网络进化成交直流混合的配电系统。直流配电网的发展，主要受到以电力电子技术为支撑的分布式能源和负荷的驱动。通过与交流电网进行对比分析，直流配电网在输送容量、可控性以及提高供电质量等方面具有更好的性能，可以快速地控制有功、无功功率，减少电力电子变流器在直流驱动型的发电或用电设备中的使用，协调大电网与分布式电源之间的矛盾，有效地提高供电容量与电能质量，降低电能损耗和运行成本，充分发挥分布式能源的价值和效益，提高能源利用率[27]。此外，直流电网不存在交流电网固有的稳定性问题[28]。因此，兼具可靠性、安全性、稳定性、经济性的直流配电网具有巨大的市场潜力和经济价值。基于上述原因，一些国家已积极开展了交直流混合配电网的相关研究，并取得了阶段性的成果。美国弗吉尼亚理工大学CPES中心提出了交直流配电分层连接的混合配电系统结构[29]，在该结构中，交流配电网与直流配电网混合存在。根据电压等级，将配网依次分为子网、微网、纳网、皮网，上述网络单元之间通过电力电子装置进行互联。美国北卡罗来纳大学于2011年提出了“TheFutureRenewableElectricEnergyDeliveryandManagement(FREEDM)