智能電網(wǎng)與微電網(wǎng)技術(shù)研究

華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，輸配電系統(tǒng)研究所所長，科技部973計(jì)劃能源領(lǐng)域?qū)＜易稍兘M成員，中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)電氣工程委員會(huì)委員，全國石油和化學(xué)工業(yè)電氣技術(shù)委員會(huì)委員，中國水電工程學(xué)會(huì)計(jì)算機(jī)專委會(huì)委員，IEEE資深會(huì)員。

主要研究方向?yàn)楣┡潆娤到y(tǒng)自動(dòng)化、人工智能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。長期從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制、動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)、配電網(wǎng)自動(dòng)化等方面的研究工作。主持完成“城市配電網(wǎng)供電能力和可靠性評(píng)估”、“地區(qū)電網(wǎng)無功優(yōu)化規(guī)劃研究”等科技成果和10KVTSC動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置、10KV新型TCR無功補(bǔ)償與濾波裝置的研發(fā)工作;近三年來，主持完成了“北京電網(wǎng)電壓穩(wěn)定研究”、“北京電網(wǎng)解環(huán)后的安全穩(wěn)定運(yùn)行分析”、“地區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化規(guī)劃”等多項(xiàng)科技項(xiàng)目;作為主研人承擔(dān)了兩項(xiàng)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目。

我國能源和電網(wǎng)的特點(diǎn)

隨著中國技術(shù)、經(jīng)濟(jì)各方面的迅猛發(fā)展，能源與電網(wǎng)相應(yīng)承載了許多前所未有的壓力，在節(jié)能減排、能源結(jié)構(gòu)、能源分布、電力調(diào)配、防災(zāi)能力、供電可靠性等方面存在諸多問題。

節(jié)能減排方面，2009年11月25日，國務(wù)院召開常務(wù)會(huì)議，決定到2002年中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%-50%;按照7.5%的增長速率，中國GDP問題到2020年將達(dá)到74.3萬億人民幣，中國GDP能耗從2005年萬元DFP的1.222噸煤降低到2020年的0.672噸，年能耗50億噸標(biāo)煤，接近美國、歐盟和日本屆時(shí)的總和;如果中國的能源結(jié)構(gòu)不實(shí)行大的調(diào)整，二氧化碳排放將達(dá)到120億噸，屆時(shí)美國、歐盟、日本的排放總和為80億噸，全球的排放總量限額則是300億噸?？梢娭袊诠?jié)能減排的道路上要求高，任務(wù)重，承擔(dān)著巨大的減排壓力。

在能源結(jié)構(gòu)方面，2008年的全球能源結(jié)構(gòu)分析結(jié)果顯示石油、天然氣與煤炭的比例相對(duì)較平均，而中國的能源則以煤炭為主，占比達(dá)到了70.23%，幾乎是全球能源結(jié)構(gòu)中石油、天然氣、煤炭這三類占比的總和。與全球能源結(jié)構(gòu)的比較結(jié)果體現(xiàn)出中國能源結(jié)構(gòu)的偏向性嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)不合理，需要順應(yīng)趨勢，做出巨大調(diào)整。

在能源的分布方面，我國一次能源與用電需求分布極不均衡，電力流主要由西北、西南煤電、水電基地向東部受端中心，輸電距離長、輸送容量大，形成了多個(gè)受端中心，未來隨著能源開發(fā)西移和北移速度加快，大型能源基地與能源消費(fèi)地之間的輸送距離將越來越遠(yuǎn)，能源輸送的規(guī)模將越來越大，對(duì)輸電的技術(shù)要求亦將越來越高。

在電力調(diào)配方面，我國負(fù)荷增長迅速，截至2010年3月的發(fā)電裝機(jī)已達(dá)到8.7億千瓦，預(yù)計(jì)2020年將達(dá)到16億千瓦。然而人均裝機(jī)仍處于世界平均水平，盡管今年電力增長趨緩，但總體來看，在今后相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，電力裝機(jī)和電力消費(fèi)仍處在一個(gè)快速發(fā)展的階段。與負(fù)荷的快速增長相對(duì)應(yīng)的則是電網(wǎng)，特別是城市配電網(wǎng)建設(shè)的滯后。發(fā)達(dá)國家如美國、英國和日本，發(fā)電、輸電與配電投資比例分別為1:0.43:0.7、1:0.45:0.78和1:0.47:0.68，配電投資比例相當(dāng)大，而我國在這三個(gè)環(huán)節(jié)的投資比例則為1:0.21:0.12(2000年前)，絕大部分投資都用于輸電部分。不過這一問題逐步受到了關(guān)注，2009年我國電網(wǎng)投資首次超過電源投資，其中330kV以上電網(wǎng)占24%，220kV以下電網(wǎng)占76%。

此外，近年來多場嚴(yán)重自然災(zāi)害(如2008年特大雪災(zāi)、5middot;12大地震等)與電網(wǎng)停電事故(如河南電網(wǎng)2006.7.1停電事故、海南電網(wǎng)2005.9.26停電事故等)對(duì)我國電網(wǎng)的防災(zāi)能力提出了巨大挑戰(zhàn)，由電能質(zhì)量問題引發(fā)的供電中斷也屢見不鮮。

概言之，中國能源與電網(wǎng)的特點(diǎn)體現(xiàn)為能源資源分布不均，負(fù)荷發(fā)展快速，電源結(jié)構(gòu)以煤電為主，調(diào)節(jié)能力不足，環(huán)保壓力大，這些因素構(gòu)成了我國智能電網(wǎng)的發(fā)展動(dòng)力。

我國電網(wǎng)面臨的新問題

第一，我國電網(wǎng)日益復(fù)雜，負(fù)荷增長迅速，負(fù)荷特性更趨恒功率化。負(fù)荷中心的外受電比例逐步加大，安全穩(wěn)定問題日益突出，如何防范大面積停電，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行?

第二，面對(duì)大規(guī)?？稍偕茉?大型風(fēng)電場)和大范圍分布式電源(太陽能、風(fēng)能、燃?xì)廨啓C(jī)、電動(dòng)汽車、分布式儲(chǔ)能)的接入，電網(wǎng)如何處理與各類可再生能源、間歇性電源和負(fù)荷大量接入后的協(xié)調(diào)運(yùn)行?

第三，如何滿足客戶對(duì)電網(wǎng)供電可靠性、電能質(zhì)量等電力服務(wù)的各種日益提高的要求?

最后，面對(duì)用戶界面透明度的不斷提高，滿足更彈性的負(fù)荷需求，電力公司與用戶如何更友好的合作，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的互動(dòng)，達(dá)到提高運(yùn)營效率、降低電價(jià)和提升服務(wù)水平的上的?

安全穩(wěn)定運(yùn)行、充分接納新能源、提高供電可靠性與靈活交互能力，這些問題都是擺在我們面前的新問題，有待各方加大力度，迅速尋求相關(guān)解決方案。

微電網(wǎng)技術(shù)

隨著智能電網(wǎng)發(fā)展，微電網(wǎng)及其關(guān)鍵技術(shù)也成為各界關(guān)注的熱點(diǎn)。

微電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，所有微型電源采用恒PQ控制策略。當(dāng)主網(wǎng)故障微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，其中一個(gè)微型電源將切換為V/f控制策略，對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)電壓和頻率直到支撐作用，其它微型電源保持PQ控制運(yùn)行，不能與電壓和頻率的調(diào)整。在孤網(wǎng)運(yùn)行模式，微網(wǎng)內(nèi)可以通過V/f控制單元的功率跟隨特性來實(shí)現(xiàn)電力供需平衡，同時(shí)保證較高的電壓和頻率質(zhì)量。當(dāng)微電網(wǎng)再次并網(wǎng)時(shí)，通過鎖相環(huán)控制，確保微網(wǎng)和主網(wǎng)間的頻率和電壓相位相角的一致，基本實(shí)現(xiàn)平滑、柔性并網(wǎng)。通過PSCAD仿真研究也證明了該控制策略的有效性，采用合理的控制策略，微電網(wǎng)可以并網(wǎng)或孤網(wǎng)運(yùn)行，并可實(shí)現(xiàn)兩種運(yùn)行狀態(tài)的平滑過渡和轉(zhuǎn)換。

基于微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)調(diào)整能夠方便大規(guī)模的分布式能源互聯(lián)并接入中低壓配電系統(tǒng)，提供了一種充分利用分布式能源發(fā)電所機(jī)制。

微網(wǎng)可作為輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)之后的第三級(jí)電網(wǎng);相比目前的大電網(wǎng)，這種結(jié)構(gòu)具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。通過建立微網(wǎng)可以使得分布式發(fā)電應(yīng)用于電力系統(tǒng)并發(fā)揮其最大的潛能。

機(jī)遇和挑戰(zhàn)

智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)技術(shù)將為促進(jìn)清潔能源的發(fā)展、減小碳排放、提高電力企業(yè)效益、解決我國電網(wǎng)的快速發(fā)展與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱的矛盾做出貢獻(xiàn);為設(shè)備制造商、電力企業(yè)和電力用戶提供新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。