基于大规模储能系统的智能无线核相仪电网兼容性研究,在能源短缺、环境保护和气候变化等问题日益突出的背景下,开发清洁能源,发展低碳经济,实现能源优化配置,成为了世界各国的共同选择。水力、风力、太阳能、生物质能等可再生能源发电将被大规模开发利用,根据其接入电网的方式可分为分布式发电(distributedgeneration,DG)和集中式可再生能源发电(collectedrenewablegeneration,CRG)。
为顺应新能源时代,中国正在建设以特高压电网为骨干网架,各级电网协调发展,以数字化、自动化、互动化为特征的自主创新、国际领先的坚强智能电网。智能电网将以现代信息、通信、电力电子、储能、控制、管理和计量等先进技术形成覆盖电力生产、传输、消费全过程、全业务的信息网络,实现电力流、资金流、信息流高度整合与协同运作,构建具有“自愈、兼容、优化、互动、集成”五大特性的柔性电力网络系统。特别是通过新型储能系统(energystoragesystem,ESS)的优化配置及控制,支持大规模可再生能源的接入,有效兼容间歇性的集中与分散式发电,成为智能电网适应未来经济社会发展和新能源革命的一个先决条件。
目前,为了保证电网的安全,IEEE1547标准针对分布式能源的并网规定:当电力系统发生故障时,DG必须马上退出运行。这大大限制了分布式能源效能的充分发挥。大力开发DG/CRG是促进能源结构调整和发展低碳经济的必由之路,需要寻找一种安全高效且能协调大电网与DG/CRG之间的矛盾,充分挖掘其为电网、用户带来“共赢”价值和效益的解决方案。
大规模ESS接入对于平抑和消纳DG及CRG的并网冲击的作用越来越被业界所广泛认同,成为智能电网兼容性研究的一个重要内容和技术关键。
智能电网兼容性问题的提出
DG接入给传统电网带来的主要问题
DG一般接入配电网,它的接入使得配电网各支路潮流不再是单方向流动,将对电网带来较大影响:
DG直接接入配电网后,会引入各种扰动,从而引起系统电压和频率的偏差、电压波动和闪变等电能质量问题。
当配电网发生故障时,并网的DG可能会与线路电容发生铁磁谐振而造成过电压,损坏变压器等电气设备,扩大停电事故,降低系统安全可靠性。
DG发电量的高度不确定性使得DG的直接并网会增大负荷预测和调度运行管理的难度,降低系统可靠性;如果仅将DG作为备用电源,则将会造成资源浪费,影响电网效益。
CRG接入给传统电网带来的主要问题
CRG一般通过特(超)高压、远距离、大容量输电通道接入负荷中心(即大型受端电网)。CRG的大规模接入将对节能减排、能源结构优化起到重要而积极的作用,但在实际并网过程中,以下影响不容忽视:
风力和太阳能发电的间歇性将会使发电容量预测变动区间增大,且电源与负荷分属不同区域,很难协调调度,因此,CRG接入会使大电网的安全稳定运行、统一调度控制以及受端电网低谷调峰(甚至出现负调峰)面临严峻考验。
对系统的稳定作用。通过DESS/MESS的能量存储和缓冲输出,可使DG/CRG即使在负荷波动较快和较大的情况(系统达到峰荷时)下,仍能够运行在一个稳定的输出水平。
对可再生能源发电的补充作用。适量储能可以在DG/CRG单元不能正常运行(新能源无法发电或波动较大)的情况下起到过渡作用。例如,利用太阳能发电的夜间、风力发电在无风的情况下、其他类型的DG/CRG单元处于维修期间,这时系统储能可起到过渡和缓冲作用。
对可再生能源发电的协调控制作用。新型储能与可再生能源发电一一对应布置,使得不可调度的DG/CRG发电单元能够作为可调度机组单元运行,实现与大电网的并网运行,必要时提供削峰填谷、紧急功率支持等服务。
对电网运营商与自备DG用户的有效协调作用。当负荷低峰或配电网故障需要DG退出运行时,用户可将电能储存在储能装置中;当负荷高峰或故障排除后,用户可将电能从储能装置中释放,实现电网运营商向自备DESS用户储能电力的征用或自备DG用户向电网运营商的逆向售电。
ESS兼容可再生能源发电的配置原则
根据总装机容量和当地电网的实际情况选择合适的接入电压等级,DG接入电压等级参见表1。
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CRG一般离负荷中心比较远,将通过远距离、大容量的交直流输电通道接入受端电网,其接入的电压等级一般为特高压(800kV及以上)和超高压(500kV/220kV)等级。与CRG配合的MESS的接入电压等级应为220kV及以上。
DG和DESS接入电压等级较低,如果传输距离远,会导致线损率过大,因此,在进行DG/DESS布点规划时,应该尽量使区域发电量小于区域负荷量,满足就地平衡的原则。与DG相比,CRG接入电压等级高,提供的容量也很大,但是相对传统发电厂,发电量波动范围大,只有与MESS配合后,才具备大规模接入的条件。气象的多变决定了CRG和MESS的调度与控制应具备实时性;传统调度应转向调度加实时控制的模式,实现调度控制一体化。
接入特高压等级的CRG,原则上可由国家级或区域级调度进行调度控制;接入超高压等级的CRG,原则上可由区域级或省(自治区、直辖市)级调度部门进行调度控制;10MW及以上的DG可由所属地区的地调管辖;10MW以下的DG可由所属县调管辖。随着可再生能源发电和储能技术的飞速发展,DG/DESS将在用户侧广泛应用。因此,考虑智能电网配置原则,还要兼顾电厂、电网和用户,使得三者有效兼容。
智能电网兼容性解决方案
DESS/MESS与DG/CRG接入电网,在电压和容量匹配以及优化配置的基础上,将改变智能电网的网架结构、运行方式,同时要求智能电网的调度控制模式也应根据电压和容量等级进行统一调度和分级管理,以实现智能电网协调兼容性与安全经济性的统一,提高电网供蓄能力。
基于CRG2MESS的智能电网主网供蓄配置方案
以典型的受端电网为例,如图2所示,设计一种基于CRG2MESS的未来智能电网主网供蓄配置方案。
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在特(超)高压、远距离、大容量受电通道两侧配置一定容量的MESS,该受电通道输送CRG或坑口火电厂的发电电力;
目前,中国电网运行调度计划并未考虑计及ESS并网后的调度运行方式。但随着DG/CRG和DESS/MESS的技术发展及应用,一套兼容、合理、经济的调度方案也必须建立。未来智能电网的调度应该考虑储能装置并网供蓄特性的充放电调度、在故障或检修状态下的紧急调度以及正常状态下的经济调度几个方面。
运行方式应该考虑储能装置的备用容量。在智能电网中,由于风能和太阳能分布不规律,因此在传统负荷预测的基础上,还应增加DG/CRG发电量的实时预测系统。在未来信息系统高度集成的智能电网中,调度中心在负荷预测基础上,还应该根据当日的气象条件,完成DG/CRG发电量预测,实时决定储能装置是处于充电还是放电运行方式以及充放电时间,以达到削峰填谷的目的。
MESS的接入将大大提高受端电网应对故障和大电网冲击的能力。但在故障发生、MESS提供大容量支撑的时间范围内,调度中心通过输配电协同调度策略启用发电机组备用容量,利用电厂侧MESS以及启用微网内DESS放电模式,将大大降低故障影响。