胡学浩：智能电网发展面面观
- 2012/5/7 13:43:27 8635
- 来源：仪表网
摘要：“智能电网”是建设现代电网的关键所在，具有坚强、自愈、兼容、经济、集成、优化等特征。目前包括我国在内的世界许多国家均已开始进行了有关智能电网建设的积极探索，以应对21世纪来自能源、环境等诸多方面对电网提出的新要求与挑战。其中，分布式发电并网、电动汽车、微网技术等，都是智能电网技术领域值得尝试探索的重要方面，为此，我们专访了中国电力科学研究院专家胡学浩，请他带领大家一窥我国在智能电网领域研究和部
“智能电网”是建设现代电网的关键所在，具有坚强、自愈、兼容、经济、集成、优化等特征。目前包括我国在内的世界许多国家均已开始进行了有关智能电网建设的积极探索，以应对21世纪来自能源、环境等诸多方面对电网提出的新要求与挑战。其中，分布式发电并网、电动汽车、微网技术等，都是智能电网技术领域值得尝试探索的重要方面，为此，我们专访了中国电力科学研究院专家胡学浩，请他带领大家一窥我国在智能电网领域研究和部署过程中涉及的方方面面。
智能电网相关技术是应对能源环境问题的有效途径
能源和环境问题是本世纪具挑战性的问题之一，为了应对这一挑战，开发和利用可再生能源成了世界各国的共同选择。在这种大背景下，电力行业也意识到仅靠传统、常规的电力技术和手段，难以解决越来越多新能源接入的问题。所以近年来，智能电网技术，尤其是作为智能电网技术重要组成部分的可再生能源发电及并网技术等逐渐成为了业界研究的热点。
智能电网技术不论从理论层面看还是从实践层面看，都能更好地让可再生能源接入电网。当前可再生能源接入包括很多技术，有些技术不是常规的，有一些是新的。比如说智能电网技术里面的储能技术。由于可再生能源发电是间歇性的、随机的和难以控制的，所以加入储能技术后可以更好地协调能源利用的供需平衡，如抽水蓄能、电池储能、超导、压缩空气、飞轮等等，这些储能技术有的目前还处于研究阶段，有的已经得到了少量开发，有的则已经投入了正式使用，它们的成熟度不一样，此其一。其二是需求侧管理（DSM）或需求侧响应（DR），通过利用通信和信息技术，并采用技术、经济和行政等手段，维持发电侧和需求侧的供需平衡。一旦发电量不足，便能适时通知用户减少用量或变化用电方式，或者利用价格变化进行相应的调节控制。其中，利用计量系统（AMI）是完成需求侧响应的一项重要手段，此外还有电力电子技术等。鉴于可再生能源的接入会对电网造成一定影响，我国利用了柔性交流输电系统（FACTS）技术，通过移相器、电力电子等手段以适应潮流的多变性。再比如说海上风电，由于输电距离和输送容量等的限制，大容量、长距离输送离岸风电不能用交流电缆，因为交流电缆长传输距离一般为四、五十公里。为了应对这种情况，我们便利用海底电缆、基于VSC的高压直流输电、IGBT等技术进行解决。
需客观看待电动汽车充电对电力系统造成的影响
到目前为止，电动汽车的充电模式主要有以下四种：1）VOG模式（单向无序电能供给），在此模式下，电动汽车接入电网即可立即充电；（2）TC--Timedcharging模式（单向有序电能供给），在此模式下，电动汽车可以在给定的时刻开始充电；（3）V1G模式（电动汽车充电受电网控制），在此模式下，电动汽车可以与电网进行实时通信，优化充电安排、提高电网效率，在电网允许时刻进行充电，弊端是不能向电网反馈送电；（4）V2G模式（双向有序电能供给），在此模式下，电动汽车可以作为电能存储设备、备用电源设备等，与电网的能量管理系统通信并受其控制，实现电动汽车与电网间的能量转换（充、放电）。
我们应该用辩证的眼光看待电动汽车充电的利弊，一方面，如果合理利用和控制电动汽车充电，便可使其削峰填谷的作用得到充分发挥，给电网负荷带来积极的调节；另一方面，它给电力系统带来的负面影响同样不容小觑，其中主要体现在以下几个方面：无计划的临时性快充对电网产生短时性负荷冲击；电动汽车通过逆变向电网供电，不可避免给电网带来反向潮流、电压变化、电能质量问题和无功功率平衡问题；给电网的规划和调度运行带来新的问题，尤其是配电网规划和运行等。
举个例子，目前我国汽车保有量约为1亿辆，假设到2030年时我国汽车保有量为3亿辆，而电动汽车为6000万辆，占其中的五分之一，每辆电动汽车充电功率为10千瓦，情况下同时充电,则总充电功率将达到6亿千瓦，将占2030年时电网装机总容量24亿千瓦的1/4,如果不对此加以协调并采用相关技术手段有效控制，而无序地同时充电的话，将会出现“峰上加峰”的情况，从而增大电网调峰难度，加大输配电网建设的压力，降低发电机组和电网的运行效率。因此，在智能电网建设过程中，我们应把对电动汽车充放电运行模式的研究作为一项工作重点，充分利用电动汽车作为时间上可平移负荷的特点，依靠智能电网中所支持的需求侧响应，在一定程度上削峰填谷、平滑负荷曲线，提高设备利用效率、降低系统损耗。再比如，电动汽车充电站属于谐波源负荷，其产生的谐波主要是6k±1次谐波，如果这些谐波电流注入公用电网，将导致电网损耗增加、设备过热及寿命损失、对控制和通信电路的干扰，同时会造成电压畸变、功率因数下降，影响电网中的电能质量水平及其他用电设备的正常运行等。因此，只有正视电动汽车充电给电网带来的负面影响，采取积极的手段尽量抑制谐波进入公用电网，才能大化保障电网的安全、经济运行。
多方面协调配合为可再生能源并网创造条件
随着可再生能源产业规模的不断扩大，我国可再生能源发展面临的问题也逐步凸显，尤其在风电等新兴可再生能源发电并网方面，更是困难重重。由过去主要来自技术水平、产业发展能力方面的约束，转变为来自市场机制、发展体制方面的制约，要破解可再生能源的并网难题，需要多方面的协调配合。
首先要有序接入。因为厂网分开之后，当前存在无序发展的情况，有些地方的风电建设超出了高压电网建设的速度。风电等新能源的建设要和线路建设相配合。第二，增加储能。储能技术对智能电网改善电能质量、提高可再生能源接入起着重要作用。具有间歇性、不稳定性的可再生能源发电会影响电网的运行。以风能为例，电力系统的运行人员虽然通过风力发电预测技术来协助调度，但预测的误差是无法避免，而且在风电变化大的情况下，即使预测，仍需要具备一定的储能手段。应用储能技术，可大大增加风力发电的信用度。第三，可再生能源要与常规能源协调发展。要在政府政策基础上，协调好风电等新能源与传统火电能源的关系，双方要形成互补。当然，在满足接纳全部可再生能源发电电量的前提下，常规能源发电（如煤电）的经济性和效率会有一定程度的下降。另外，对风电间歇性和不稳定性而言，需要加强风电功率的预测工作，同时，风电的制造厂家也需要提高性能技术——低电压穿越技术，避免事故的多发以及由事故引发的风力发电机跳闸，进而影响供电和系统稳定性能。此外，我们还应学习丹麦的经验，增强联络线输送功率的能力。
风电和光伏发电要坚持分散和集中相结合的原则，尽可能就地消化。当前我国是以集中式的风力发电为主，而国外如日本等则是以分散式的太阳能光伏发电为主。随着未来我国风电所占比例的逐渐上升，尤其是当风力发电和太阳能发电所占比例超过30%时，我们甚至可以考虑利用风能、太阳能通过制作氢，作为燃料电池的燃料，以供发电。这也是国外某些发达国家正在探讨的技术路线之一。
微网技术是发挥分布式发电供能系统效能的优途径
微网技术是解决分布式发电的好技术，它可以将对配电网的影响减到小，同时将对用户自身的供电可靠性提高到大程度，其重要性不言而喻。现有研究和实践已表明，将分布式发电供能系统以微网的形式接入到大电网并网运行，与大电网互为支撑，是发挥分布式发电供能系统效能的有效方式。在微网系统中，用户所需电能由风力发电系统、光伏发电系统、燃料电池、以天然气和沼气等为燃料的冷/热/电联供系统（CCHP），通过微电网来提供，往往可同时满足用户供热、供冷和供电的需求。这种综合的用能方式比常规的方式效率要高，一般不考虑余热利用的发电效率为30%左右，如果将余热加以利用的话，就可以将总效率提高到70%-80%，使我们充分达到节能和合理用能的目的。
目前，由于条件的制约，微网相关工作在我国海岛、乡村边远地区的应用要相对多一些。当然，就微网在城市的发展而言，我国也抱以同样的重视，天津生态城建设就是在这方面很好的探索。随着未来天然气、风能、光伏等清洁能源的分布式发电的并网需求的不断增多，人们对城市微网的需求还将逐渐增大。
此外，随着微网技术的不断发展，电力电子设备在微网当中的应用也将逐渐增多，这可能会造成一些特殊的问题，同样值得我们引起重视。比如说它会产生一些谐波，造成电能质量下降，影响继电保护的动作等等。原先的分布式发电基本上采取就地控制的办法，现在由于通讯系统、光纤技术、电力系统技术等的不断提高，加强通讯系统建设的可行性大为增加。通过加强微电网通讯和信息方面的相关技术，有助于解决微电网中控制、保护中遇到的一些难题，从而提高电能质量和电网的安全稳定运行性能。
智能电网相关技术是应对能源环境问题的有效途径
能源和环境问题是本世纪具挑战性的问题之一，为了应对这一挑战，开发和利用可再生能源成了世界各国的共同选择。在这种大背景下，电力行业也意识到仅靠传统、常规的电力技术和手段，难以解决越来越多新能源接入的问题。所以近年来，智能电网技术，尤其是作为智能电网技术重要组成部分的可再生能源发电及并网技术等逐渐成为了业界研究的热点。
智能电网技术不论从理论层面看还是从实践层面看，都能更好地让可再生能源接入电网。当前可再生能源接入包括很多技术，有些技术不是常规的，有一些是新的。比如说智能电网技术里面的储能技术。由于可再生能源发电是间歇性的、随机的和难以控制的，所以加入储能技术后可以更好地协调能源利用的供需平衡，如抽水蓄能、电池储能、超导、压缩空气、飞轮等等，这些储能技术有的目前还处于研究阶段，有的已经得到了少量开发，有的则已经投入了正式使用，它们的成熟度不一样，此其一。其二是需求侧管理（DSM）或需求侧响应（DR），通过利用通信和信息技术，并采用技术、经济和行政等手段，维持发电侧和需求侧的供需平衡。一旦发电量不足，便能适时通知用户减少用量或变化用电方式，或者利用价格变化进行相应的调节控制。其中，利用计量系统（AMI）是完成需求侧响应的一项重要手段，此外还有电力电子技术等。鉴于可再生能源的接入会对电网造成一定影响，我国利用了柔性交流输电系统（FACTS）技术，通过移相器、电力电子等手段以适应潮流的多变性。再比如说海上风电，由于输电距离和输送容量等的限制，大容量、长距离输送离岸风电不能用交流电缆，因为交流电缆长传输距离一般为四、五十公里。为了应对这种情况，我们便利用海底电缆、基于VSC的高压直流输电、IGBT等技术进行解决。
需客观看待电动汽车充电对电力系统造成的影响
到目前为止，电动汽车的充电模式主要有以下四种：1）VOG模式（单向无序电能供给），在此模式下，电动汽车接入电网即可立即充电；（2）TC--Timedcharging模式（单向有序电能供给），在此模式下，电动汽车可以在给定的时刻开始充电；（3）V1G模式（电动汽车充电受电网控制），在此模式下，电动汽车可以与电网进行实时通信，优化充电安排、提高电网效率，在电网允许时刻进行充电，弊端是不能向电网反馈送电；（4）V2G模式（双向有序电能供给），在此模式下，电动汽车可以作为电能存储设备、备用电源设备等，与电网的能量管理系统通信并受其控制，实现电动汽车与电网间的能量转换（充、放电）。
我们应该用辩证的眼光看待电动汽车充电的利弊，一方面，如果合理利用和控制电动汽车充电，便可使其削峰填谷的作用得到充分发挥，给电网负荷带来积极的调节；另一方面，它给电力系统带来的负面影响同样不容小觑，其中主要体现在以下几个方面：无计划的临时性快充对电网产生短时性负荷冲击；电动汽车通过逆变向电网供电，不可避免给电网带来反向潮流、电压变化、电能质量问题和无功功率平衡问题；给电网的规划和调度运行带来新的问题，尤其是配电网规划和运行等。
举个例子，目前我国汽车保有量约为1亿辆，假设到2030年时我国汽车保有量为3亿辆，而电动汽车为6000万辆，占其中的五分之一，每辆电动汽车充电功率为10千瓦，情况下同时充电,则总充电功率将达到6亿千瓦，将占2030年时电网装机总容量24亿千瓦的1/4,如果不对此加以协调并采用相关技术手段有效控制，而无序地同时充电的话，将会出现“峰上加峰”的情况，从而增大电网调峰难度，加大输配电网建设的压力，降低发电机组和电网的运行效率。因此，在智能电网建设过程中，我们应把对电动汽车充放电运行模式的研究作为一项工作重点，充分利用电动汽车作为时间上可平移负荷的特点，依靠智能电网中所支持的需求侧响应，在一定程度上削峰填谷、平滑负荷曲线，提高设备利用效率、降低系统损耗。再比如，电动汽车充电站属于谐波源负荷，其产生的谐波主要是6k±1次谐波，如果这些谐波电流注入公用电网，将导致电网损耗增加、设备过热及寿命损失、对控制和通信电路的干扰，同时会造成电压畸变、功率因数下降，影响电网中的电能质量水平及其他用电设备的正常运行等。因此，只有正视电动汽车充电给电网带来的负面影响，采取积极的手段尽量抑制谐波进入公用电网，才能大化保障电网的安全、经济运行。
多方面协调配合为可再生能源并网创造条件
随着可再生能源产业规模的不断扩大，我国可再生能源发展面临的问题也逐步凸显，尤其在风电等新兴可再生能源发电并网方面，更是困难重重。由过去主要来自技术水平、产业发展能力方面的约束，转变为来自市场机制、发展体制方面的制约，要破解可再生能源的并网难题，需要多方面的协调配合。
首先要有序接入。因为厂网分开之后，当前存在无序发展的情况，有些地方的风电建设超出了高压电网建设的速度。风电等新能源的建设要和线路建设相配合。第二，增加储能。储能技术对智能电网改善电能质量、提高可再生能源接入起着重要作用。具有间歇性、不稳定性的可再生能源发电会影响电网的运行。以风能为例，电力系统的运行人员虽然通过风力发电预测技术来协助调度，但预测的误差是无法避免，而且在风电变化大的情况下，即使预测，仍需要具备一定的储能手段。应用储能技术，可大大增加风力发电的信用度。第三，可再生能源要与常规能源协调发展。要在政府政策基础上，协调好风电等新能源与传统火电能源的关系，双方要形成互补。当然，在满足接纳全部可再生能源发电电量的前提下，常规能源发电（如煤电）的经济性和效率会有一定程度的下降。另外，对风电间歇性和不稳定性而言，需要加强风电功率的预测工作，同时，风电的制造厂家也需要提高性能技术——低电压穿越技术，避免事故的多发以及由事故引发的风力发电机跳闸，进而影响供电和系统稳定性能。此外，我们还应学习丹麦的经验，增强联络线输送功率的能力。
风电和光伏发电要坚持分散和集中相结合的原则，尽可能就地消化。当前我国是以集中式的风力发电为主，而国外如日本等则是以分散式的太阳能光伏发电为主。随着未来我国风电所占比例的逐渐上升，尤其是当风力发电和太阳能发电所占比例超过30%时，我们甚至可以考虑利用风能、太阳能通过制作氢，作为燃料电池的燃料，以供发电。这也是国外某些发达国家正在探讨的技术路线之一。
微网技术是发挥分布式发电供能系统效能的优途径
微网技术是解决分布式发电的好技术，它可以将对配电网的影响减到小，同时将对用户自身的供电可靠性提高到大程度，其重要性不言而喻。现有研究和实践已表明，将分布式发电供能系统以微网的形式接入到大电网并网运行，与大电网互为支撑，是发挥分布式发电供能系统效能的有效方式。在微网系统中，用户所需电能由风力发电系统、光伏发电系统、燃料电池、以天然气和沼气等为燃料的冷/热/电联供系统（CCHP），通过微电网来提供，往往可同时满足用户供热、供冷和供电的需求。这种综合的用能方式比常规的方式效率要高，一般不考虑余热利用的发电效率为30%左右，如果将余热加以利用的话，就可以将总效率提高到70%-80%，使我们充分达到节能和合理用能的目的。
目前，由于条件的制约，微网相关工作在我国海岛、乡村边远地区的应用要相对多一些。当然，就微网在城市的发展而言，我国也抱以同样的重视，天津生态城建设就是在这方面很好的探索。随着未来天然气、风能、光伏等清洁能源的分布式发电的并网需求的不断增多，人们对城市微网的需求还将逐渐增大。
此外，随着微网技术的不断发展，电力电子设备在微网当中的应用也将逐渐增多，这可能会造成一些特殊的问题，同样值得我们引起重视。比如说它会产生一些谐波，造成电能质量下降，影响继电保护的动作等等。原先的分布式发电基本上采取就地控制的办法，现在由于通讯系统、光纤技术、电力系统技术等的不断提高，加强通讯系统建设的可行性大为增加。通过加强微电网通讯和信息方面的相关技术，有助于解决微电网中控制、保护中遇到的一些难题，从而提高电能质量和电网的安全稳定运行性能。
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