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[2018年必威体育精装版整理]21世纪我国智能电网的发展脉络
21世纪我国智能电网的发展脉络(组图)
智能电网是一个新趋势,也是一个新概念。目前,我国的很多科研单位和企业已经开始了智能电网的研究和开发。
面对国内火热的智能电网开发局面,天津大学余贻鑫院士认为,智能电网不是一个单纯的技术问题,它涉及许多基本理念,而国内目前在智能电网认识上的混乱恰恰发生在这些基本理念上。本文试图在基本理念层面厘清我国智能电网发展脉络。
智能电网是自动的和广泛分布的能量交换网络,它具有电力和信息双向流动的特点,同时能够监测从发电厂到用户电器之间的所有元件。智能电网将分布式计算和提供实时信息的通信的优越性用于电网,并使之能够维持设备层面上即时的供需平衡。
目前,以美国为首的西方国家正对智能电网的研究加大投入力度,在我国,相关研究和布局也已经启动。
但是,智能电网程序性的和技术性的挑战是巨大的。为推进智能电网,需要长期持续的研发,需要出台旨在激励智能电网的法规,并通过开放式的方式建立国家标准和鼓励众多相关产业积极参与。
智能电网的原动力
实施智能电网的原动力主要有五点,其中前四点是电网视角的思考,最后一点是出于国家经济和产业发展视角的思考。
1)实现大系统的安全稳定运行,降低大规模停电风险。
近年来世界上大面积连锁停电频繁发生,损失巨大。如2003年美国东北地区大停电所造成的经济损失约60亿美元,充分暴露了基于传统电网的脆弱性。一般认为,提高系统的全局可视化程度和预警能力,以及实现自愈,是增强电网的可靠性和避免因事故引起系统崩溃的关键。进而考虑到复杂大电网对自然灾害和人为恶意攻击的脆弱性,未来的电网会成为更鲁棒的——自治的和自适应的基础设施,能够通过自愈的响应减小停电范围和快速恢复供电。
2)分布式电源的大量接入和充分利用。
目前,世界上许多国家已把发展可再生能源技术提升到国家战略的高度。美国总统奥巴马更认为,“引领世界创造清洁能源经济的国家将引领21世纪的全球经济”。
分布式发电是靠近负荷端的小规模电力发电技术,它能够降低成本、提高可靠性。在可再生的清洁能源中,太阳能和风能由于其在地理上天然是分布式的,因此分布式的太阳能和风能的发电技术受到广泛的重视。
属于分布式电源的还有小型、微型燃气轮机(如冷热电联产系统,CHP),以及小规模储能和下边将介绍的需求响应等。未来的几万千瓦的微型核电也在视野当中。
随着技术的进步,可预见未来的电网会逐渐摆脱过去单一集中式发电的模式,而转向分布式发电辅助集中式发电的模式。如丹麦的电网在上世纪80年代中期还是一个集中式的系统,而今天则成了更为分散的系统。(见图1)
图1 丹麦发电行业在过去二十几年的演变(来源:丹麦能源局)
当大量的分布式电源集成到大电网中时,多数是直接接入各级配电网,使得电网自上而下都成了支路上潮流可双向流动的电力交换系统,但现时的配电网络是按单向潮流设计,不具备有效集成大量分布式电源的技术潜能。从而难以处理分布式电源的不确定性和间歇性,难以确保电网的可靠性和安全问题。
3)峰荷问题和需求侧管理。
由于现时还没有经济有效的大容量能量存储手段,致使电的发生和消费必须随时保持平衡。而电力负荷是随时间而变化的,为满足供需平衡,电力设施必须根据全年的峰荷来规划和建造。
但由于系统处于峰荷附近的时间每年很短,所以电力资产利用率低下。美国现实电网资产的利用系数约为55%,而发电资产利用率也不高。其中占整个电网总资产75%的配电网资产的利用率更低,年平均载荷率仅约44%,浪费了大量的固定资产投入。
调查表明:我国目前10kV配电资产利用率比美国还低。多数城市10kV配电线路和变压器的年平均载荷率低于30%;在电网出现一个主要元件故障后还可保证安全的条件下,峰荷时的线路载荷率全部在50%以下。解决上述问题的办法之一,是缩小负荷曲线峰谷差。
同时为了应对电网偶然事件和电力负荷的不确定性,电力系统必须随时保持(10%~13%)发电容量裕度(又称旋转备用),以确保可靠性和峰荷需求,这也增加了发电成本和对发电容量的需求。
幸运的是,现实系统中存在着大量能与电网友好合作的负荷。如空调、电冰箱、洗衣机等电器在电力负荷高峰(电价高)的时段可以暂停使用,而适当平移到供电不紧张(电价低)的电力负荷的低谷时段再使用,帮助电网实现电力负荷曲线的削峰和填谷。
如图2所示,在美国典型峰荷日的峰荷时刻,居民用电功率占到峰荷的30%,而其中2/3,即20%属于可与电网友好合作的负荷,其值超过占峰荷13%的旋转备用容量。如果能够提供相应的技术支撑,通过电力公司与终端用户的互动(需求响应或用电管理),则可实现电力负荷曲线的削峰填谷。
我国城市中居民用电在年典型峰荷日的峰荷时大多占到峰荷的15%~20%,其中约有一半是可以与电
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