能源互联网下的源网荷互动体系及应用.pdf

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1、袁晓冬 2016.4 南京 目录 2 01 背景和意义 02 互动体系 03 场景应用 04 总结 3 一、背景和意义一、背景和意义 电力系统结构的转变必要性可行性 4 电力系统结构的转变 5 C用户 能量流 断续的信息流 C C CC C C 电网 水电核电 火电/天然气 C C 核电水电 火电/ 天然气 电网 CC 6 C用户 能量流 持续的信息流 储能 风电太阳能 太阳能 风电 电动汽车 储能 风电 太阳能 储能 7 电力系统功率动态平衡能力亟待提高必要性 以风电、光伏发电为 代表的可再生能源随 机性、间歇性和波动 性。 源 网 特高压直流传输容量大， 一旦失去，将对大受端 电网的安全稳

2、定运行造 成的冲击。 大规模电动汽车随机充 放电； 需求响应的大范围实施 将会增加功率平衡难度。 荷 8 电网潮流时空分布特性更趋复杂 必要性 分布式电源高渗透率 互动行为难以预知 电力双向潮流；局部电网潮流拥挤，窜动 不同电压等级可再生能源多点集中接 入与分布式分散接入并存 3 4 1 2 9 源-网-荷及信息通信具备了可能性 可行性 间歇性电源和柔性电源协调，向可预测、可调控发展 柔性电网增强了电网的可控性 具有与电网双向互动能力、带有“源”和“荷”双重特征的新型负荷的比重呈不断上升趋势； 部分传统负荷也能够根据激励或者电价 调节自身的用电需求，具备“虚拟电厂”的特性。 产生柔性负荷的概念

3、：内涵指用电量可在指定区间内变化或在不同时段间转移的负荷；外延包 含具备需求弹性的可调节负荷或可转移负荷；具备双向调节能力的电动汽车、储能、蓄能以及 微网等。 信息交互完善，源网荷可以感知自身信息和其他个体信息 10 近年来，随着国民经济的快速发展和现代化程度提高，在京津冀、长三角、珠三角 等发达地区的夏季和冬季，空调负荷在高峰、尖峰负荷中的占比已经达到30%，局部超 过50%，是对高峰、尖峰负荷“贡献度”最大的电器设备。 2015年江苏全省夏季空调负荷达2700万千瓦，用电峰谷差达2009万千瓦，占全省最高负荷 95%以上尖峰负荷（约400万千瓦）持续时间仅占全年用电小时数的0.25%。全省

4、机组利用小时 不断下降，电网旋转备用越来越高。通过需求侧管理手段“移峰填谷”，是实现电网的经济高效 运行、提高电网品质的必由之路。 。 876087600 0 50005000 80008000 江苏江苏20152015年负荷利用小时数曲线年负荷利用小时数曲线 最高负荷最高负荷95%95%以上仅为以上仅为21.521.5小时小时 万千瓦 江苏近江苏近5 5年最高空调负荷变化趋势年最高空调负荷变化趋势 1920 1930 2800 2250 2700 0 0 10001000 20002000 30003000 2011201120122012201320132014201420152015 万

5、千瓦 可行性 空调负荷已开展实践 11 有序削峰阶段 （执行中） 虚拟调峰阶段 （执行中） 电价/激励型需求响应 阶段（起步） 紧急需求响应阶段 （规划中） 主动 刚性 控制 刚 柔柔 刚柔 并济 控制 电价 激励 引导 合约下 紧急控制 关停空调主机 循环泵等 调节出回水温度 调节水阀开度 调整风量等 引导空调负荷转移 响应负荷补偿 事先签署备用合同 快速切断负荷 公共楼宇空调负荷参与电网需求响应的公共楼宇空调负荷参与电网需求响应的四个阶段四个阶段 可行性 空调负荷已开展实践 12 电网负荷缺口电网负荷缺口 楼宇楼宇1 1 楼宇楼宇2 2 电网运行曲线电网运行曲线 楼宇楼宇n n 空调空调1

6、 1 空调空调2 2 空调空调n n 逐逐 级级 分分 解解 逐逐 级级 分分 解解 削峰区间 降负荷降负荷 可行性 空调负荷已开展实践 1 有序削峰 13 楼宇楼宇1 1 楼宇楼宇2 2 电网运行曲线电网运行曲线 楼宇楼宇n n 空调空调1 1 空调空调2 2 空调空调n n 方式一方式一 方式二方式二 逐逐 级级 分分 解解 逐逐 级级 分分 解解 负荷曲线负荷曲线 调节曲线 连续调 阶跃调 可行性 空调负荷已开展实践 2 虚拟调峰 14 楼宇1 楼宇2 电网运行曲线 楼宇n 空调1 空调2 空调n 方式一：电价机制 （峰谷、尖峰） 电价激励方式 方式二：激励机制 （可中断补偿） 成本 评

7、估 潜力 评估 效果 测量 效益 测算 公共楼宇群负荷 下发 反馈 双向拟合负荷 可行性 空调负荷已开展实践 3 电价激励引导 15 互联电网互联电网 楼宇楼宇1 1 楼宇楼宇n n 空调空调1 1 空调空调n n 公共楼宇群负荷公共楼宇群负荷 特高压故障特高压故障 电网扰动电网扰动 调度调度 中心中心 电厂电厂1 1 变电站变电站1 1 电厂电厂n n 变电站变电站n n 传统调度对象传统调度对象 紧急控制紧急控制 事件事件 紧急调度紧急调度 一键式控制一键式控制 可行性 空调负荷已开展实践 4 合约下紧急控制 16 切可中断负荷，AGC （约290万千瓦） 提前预测用户用电 行为，大量民众

8、外出观 看日食景观，少量负荷 因日食中断（减少约 300万千瓦） 0 实际 日食 光伏出力/GW 时间 0:0015:00 日食发生60分钟后光伏出力 降至500万千瓦，达最低值 在此后的75分钟内光伏出力 升至2000万千瓦，达最高值 5:00 根据需求响应，4家铝厂800MW 负荷切出系统运行 位于图林根州的欧洲最大抽水蓄 能电站由0增至754MW（装机 1000MW） 系统旋转备用投入约600MW 10:00 降低常规电源出力、 铝厂重新并网、抽 水蓄能电站调整运 行 大量电力盈余，被 其他邻国买走 20:00 总共下降约总共下降约 830万千瓦万千瓦 日食发生前光伏总出 力约1330万

9、千瓦 20 9:45-10:30 下降约590万千瓦 10:30-10:45 下降约240万千瓦 10:45-结束 上升约1500万千瓦 可行性 光伏高渗透下德国电网应对日全食 启示一：提高预测精度 启示二：通过需求响应快 速调节可中断负荷 启示三：电网合理规划具 有充足的系统备用 启示四：源荷互动加强了 电网的弹性恢复能力 17 二、互动体系二、互动体系 互动内涵技术框架调度架构 荷 互动内涵 网 源 网 网荷 源荷 源源 源随源动 荷随源动 荷随网动 网随网动 源随荷动 扰动扰动响应响应 源 荷 荷 源 源 源随荷动 源 源 源 单一可再生能源易 受地域、环境、气 象等因素影响 源 多类型

10、能源相关性互补 广域互补 大型储能平滑波动 源随源动 源 荷 荷源 间歇性能源功率波动 储能、电动汽车等可调度 的资源参与电网有功调节 空调、冰箱等作为需求侧 资源参与电力供需平衡 荷随源动 网荷 荷 可控刚性负荷 可调柔性负荷 需求侧响应负荷 网 小概率高风险的备用 容量不足 线路或设备潮流越限 荷随网动 网 网 网 网 小概率高风险的备 用容量不足 线路或设备潮流越 限 柔性开放的接入能力 调度控制中心对电网进行主动 的监视、分析、预警、辅助决 策和自愈控制 UPFC，VSC-HVDC，SVC 网随网动 29 “源-网-荷” 特性及互动行 为建模 “源-网-荷” 互动能力辨识 柔性互动环境

11、 下的电网分析 方法 “源-网- 荷”柔性互 动协调控制 策略和技术 模型感知控制 安全约束 时间特性 调节范围 互动 构成 时间 特性 基础理论 统一模型 技术框架 30 EMS家族体系架构图 能量管理系统架构 在“源”侧，为了实现大规模风电场和光伏电站的 自律调控，分别有风电场EMS （W-EMS）和光伏 电站EMS（P-EMS）。 在“网”侧，为了实现输电网、变电站、配电网和 微网等的自律调控，分别有输电EMS （T- EMS）、变电站EMS （S-EMS）、配电EMS （D- EMS）和微网EMS （u-EMS）。 在“荷”侧，为了实现电动车集群、楼宇、家庭等 的自律调控，分别有电动车

12、集群EMS （V- EMS）、楼宇EMS （B-EMS）和家庭EMS （H- EMS） W-EMS P-EMS H-EMS B-EMS V-EMS u-EMS D-EMS H-EMS T-EMS 源 网 荷 EMS族群化 31 集中式控制的示意图 集中式架构 集中式架构示意图 核心思想核心思想 由输电网调度中心集中调度和控 制，电力系统运行人员直接给每个 负荷发布调控命令。 难点难点 需要针对大量用电设备产生控制信 号，在实际系统调度中不可行。 能量管理系统架构 32 分布式架构 核心思想核心思想 利用嵌入用户用电设备的动态控制器 利用智能电表实时监视系统频率并相应 地调节用电设备 难点难点

13、只反馈本地可观测量，可能出现过度控 制或控制量不足的情况，难以实现电网 调度的系统级控制目标 各局部控制器为达到自身的预期目标， 可能使得不同控制器间相互冲突，恶化 控制的整体效果 分布式架构 能量管理系统架构 负荷分类1 电冰箱、冰柜、 热水器 负荷分类2 洗机器、烘 干机 负荷分类3 电烤箱 负荷分类4 内嵌加热器 负荷分类5 照明负荷 功率测量装置 智能电表 频率和功率测 量装置 MODBUS 通信链路 协 议 装 换 器 USB 控制器 计算机中的智能 负荷控制器 变频器 居民 生活 用电 用户 户内 网络 频率或电价 信号输入 AC230V 50Hz 负荷控 制信号 33 核心思想核

14、心思想 负荷聚合商负荷聚合商(LA)(LA)是需求响应资源的整合 者，通过专业技术评估用户的需求响应潜 力，整合分散的需求响应资源来参与电力 系统运营。 从系统运营商的角度来看， 被看做是一个 大型的发电商同时具备集中式架构的整体 协调能力和分布式架构的分散自治灵活 性，特别适合于居民负荷、商业负荷等中 小负荷参与调度运行。 基于负荷聚合商的分层架构 基于负荷聚合商的分层架构： 能量管理系统架构 调控中心 . 负荷聚合商1负荷聚合商2 负荷群1负荷群2 控制层 协调层 电力系统 . 本地响应层 34 能量管理系统架构 架构优点缺点适用场景 集中式架构直接控制，可靠性高 投资较大，且由于受控制信

15、号 和通讯通道的限制，不适用数 量较多的中小负荷。 用电量和可调容量均较大 的工业或商业用户，调度 模式为可中断负荷，直接 负荷控制，有序用电等。 分布式架构投资小，通信和控制灵活 由于只反馈本地可观测量，难 以体现系统控制的整体性，可 能出现负荷的过度控制或控制 量不足，难以实现系统级精确 控制。 与电网调度没有直接通讯 的负荷，特别是一些居民、 商业等中小负荷，调度模 式适用电价价值或需求侧 竞价。 基于负荷聚合商 的分层架构 具备集中式控制的整体协调 能力和分布式控制的分散自 治灵活性，特别是适合于居 民负荷、商业负荷等中小负 荷参与调度运行 由于增加了第三方负荷聚合商， 从经济学的角度

16、不可避免会产 生新的运行和管理成本。 与负荷代理签约合同的任 意柔性负荷，负荷聚合商 与调度中心有通讯通道， 适用任意调度模式。 三、场景应用三、场景应用 大型受端电网故障应急 主动配电系统 UPFC 35 36 “十二五”期间，800千伏锦屏-苏州特高压直流工程建成 投运，1000千伏淮南-南京-上海特高压交流工程、800千 伏晋北-南京和锡盟-泰州特高压直流工程相继开工建设。 2016年，随着灵绍直流投产，华东直流受电规模进一步提 高至3600万千瓦，单一直流输送功率占到华东电网一般低谷 负荷的7%。锦苏直流满功率双极闭锁时，最低频率约 49.53Hz；宾金直流满功率双极闭锁时，最低频率约

17、 49.26Hz。 2017年底前，江苏省内将有锦苏特高压直流（720万千瓦）、 晋北南京特高压直流（800万千瓦）、锡盟-泰州特高压直 流（1000万千瓦）三大特高压直流。若发生单回、或多回特 高压直流满功率双极闭锁，电网频率特性进一步恶化，严重 时可能导致低频减载动作。 大规模源网荷友好互动系统 电网大面积停电的风险始终存在 37 大区互联电网安全运 行智能控制系统 （简称系统保护） 故障感知 优化决策 协调控制 负控系统 （刚性可控负荷） 主动配电系统 （简称主动配网） 态势感知 虚拟 电厂 互动优化协调控制 需求侧响应 （柔性负荷） 微电网 大规模供需友好 互动系统 （简称负控2.0）

18、 泛在信息通信系统 通信信息网 安全与管控 统一信息建模 通过快速切除可中断负荷，应对特高压故障导致的频率稳定问题、断 面越限、联络线超计划和备用不足等问题。 1 应急模式-毫秒级负荷控制 大 型 受 端 电 网 故 障 应 急 大规模源网荷友好互动系统 大规模源网荷友好互动系统 整体架构 38 大规模源网荷友好互动系统 总体功能 39 大区互联电网安全运 行智能控制系统 （简称系统保护） 故障感知 优化决策 协调控制 主动配电系统 （简称主动配网） 态势感知 虚拟 电厂 互动优化协调控制 需求侧响应 （柔性负荷） 微电网 泛在信息通信系统 通信信息网 安全与管控 统一信息建模 常规模式：通过

19、需求侧响应和主动配电系统友好互动，实现电力系统的移峰填谷和智慧用电。2 大规模供需友好 互动系统 （简称负控2.0） 负控系统 （刚性可控负荷） 主动配电系统 40 41 主动配电系统 实验平台整体结构 故障 模拟器 BS1 VSG2 PV2 负载 DE1 VSG1LD2 SC1 BS1 WP2 SC2 V2G2 PV1 WP1 LD1 F T U 故障 模拟器 D T UBS1 LD3 PV3 VSC2VSC1 V2G1DCSSTLD3 故障 模拟器 F T U F T U F T U F T U F T U 故障 模拟器 D T U 区域 区域 区域 互为支撑 1 2 3 主动配电系统 故

20、障恢复与自愈 44 主动配电系统 基于分层控制的主动配电网的能量管理系统 故障 模拟器 VSG2 PV2 负载 DE1 VSG1LD2 SC1 BS1 WP2 SC2 V2G2 WP1 LD1 F T U 故障 模拟器 D T UBS1 LD3 PV3 VSC2VSC1 V2G1DCSSTLD3 故障 模拟器 F T U F T U F T U F T U F T U 故障 模拟器 D T U 渗透率渗透率 光伏光伏负载负载 25% 0.251 50% 0.51 75% 0.751 100% 11 PV1AC/DC BS1 AC/DC 主动配电系统 新能源高渗透率配网消纳模式验证 46 故障

21、模拟器 VSG2 PV2 负载 DE1 VSG1LD2 SC1 BS1 WP2 SC2 V2G2 WP1 LD1 F T U 故障 模拟器 D T UBS1 LD3 PV3 VSC2VSC1 V2G1DCSSTLD3 故障 模拟器 F T U F T U F T U F T U F T U 故障 模拟器 D T U PV1AC/DC BS1 AC/DC 主动配电系统 交直流混供微电网运行控制 47 48 故障 模拟器 VSG2 PV2 负载 DE1 VSG1LD2 SC1 BS1 WP2 SC2 V2G2 WP1 LD1 F T U 故障 模拟器 D T UBS1 LD3 PV3 VSC2VS

22、C1 V2G1DCSSTLD3 故障 模拟器 F T U F T U F T U F T U F T U 故障 模拟器 D T U BS1 AC/DC PV1AC/DC 主动配电系统 虚拟同步机提高微电网惯性 故障 模拟器 BS1 VSG2 PV2 负载 DE1 VSG1LD2 SC1 BS1 WP2 SC2 V2G2 PV1 WP1 LD1 F T U 故障 模拟器 D T UBS1 LD3 PV3 VSC2VSC1 V2G1DCSSTLD3 故障 模拟器 F T U F T U F T U F T U F T U 故障 模拟器 D T U AC/DC AC/DC 1 2 电网友好型逆变器电

23、网友好型逆变器 功能验证功能验证 主动配电系统 电网友好型逆变器控制能力验证 故障 模拟器 BS1 VSG2 PV2 负载 DE1 VSG1LD2 SC1 BS1 WP2 SC2 V2G2 PV1 WP1 LD1 F T U 故障 模拟器 D T UBS1 LD3 PV3 VSC2VSC1 V2G1DCSSTLD3 故障 模拟器 F T U F T U F T U F T U F T U 故障 模拟器 D T U 电动汽车电动汽车 双向充双向充放放电电 1 2 主动配电系统 电动汽车充放电控制(双向) 52 UPFC 稳态潮流控制效果 西环网主要输电通道潮流不均西环网主要输电通道潮流不均 衡：

24、衡：龙王山变龙王山变向西环网的向西环网的220kV220kV 输电输电通道潮流偏重通道潮流偏重，而，而东善桥变东善桥变 向西环网的向西环网的220kV220kV输电输电通道潮流通道潮流 较轻较轻； 220kV220kV晓庄南送下关、中央门断晓庄南送下关、中央门断 面潮流过重问题严重；面潮流过重问题严重； 晓庄南送断面存在晓庄南送断面存在N N- -1 1过载问过载问 题；题； 东龙分区潮流图（东龙分区潮流图（20152015年夏高）年夏高） P1548.2 东善桥东善桥 P910.0 龙王山龙王山 514.0 三汊湾三汊湾 大定坊大定坊 大胜关大胜关 大行宫大行宫 莫愁莫愁 双闸双闸 华润南京

25、华润南京 仙鹤仙鹤 晓庄晓庄 中央门中央门 尧化门尧化门 雨花雨花 燕子矶燕子矶 钟山钟山 高桥高桥 殷巷殷巷 下蜀下蜀 富城富城 苏庄苏庄 经港经港 镇厂镇厂 安品街安品街 金陵电厂金陵电厂 下蜀牵下蜀牵 栖霞牵栖霞牵 码头码头 西渡西渡 大唐南京大唐南京 梅钢梅钢 宁海路宁海路 牧龙牧龙 宁南牵宁南牵 秦淮秦淮 滨南滨南 聚宝聚宝 南站南站 九龙九龙 东阳东阳 湖牵湖牵 下关下关 临港临港 金陵陵燃金陵陵燃 陵燃新陵燃新 华京华京 光华光华 板桥板桥 梅山梅山 平板平板 华润F华润F 193.8(2) 299.2(2) 157.3(2) 344.8(2) 219.0(2) 131.8(2)

26、 75.0 266.5(2) 417.4(2) 225.0 149.2 721.8(2) 255.3(2) 2000.0(2) 336.7(2) 112.1(2) 586.6(2) 50.0 143.9(2) 381.2(2) 304.4 405.3(2) 254.7(2) 105.0(2) 160.1(2) 415.9(2) 210.1(2) 305.0(2) 304.7(2) 83.3(2) 110.0(2) 363.9(2) 381.5 553.8(2) 477.1 611.7(2) 155.1(2) 150.6 334.0(2) 166.3(2) 375.2(2) 322.5(2) 6

27、29.8(2) 410.0(2) 36.0 127.9(2) 533.3(2) 0.0 139.0(2) 0.0 119.9(2) 40.2(2) 546.8 698.7(2) 190.2 50.0 145.1(2) 56.4 0.0 425.4(2) 126.8 65.0(2) 阀厅 并联变压器 串联变压器 UPFC区域 南京220千伏西环网UPFC工程 220220kVkV晓庄变晓庄变 * IMIIM WAWA. .W W2 2WHWH. .V V1 1 WTWT. .W W2 2 铁北铁北 220220kVkV母线母线 * IIIM IVM WAWA. .W W3 3WHWH. .V V

28、2 2 WTWT. .W W3 3 燕 子 矶 站 * * WTWT. .W W1 1 * WTWT. .W W1212 WTWT. .SWSW * * * * * * * * * * WTWT. .C C1 1 * * * VHVH. .C C1 1 * * * * * VHVH. .C C2 2 * * WTWT. .C C2 2 * * * VHVH. .C C3 3 * * WTWT. .C C3 3 * WAWA. .W W1 1 WTWT. .W W1111 * IMIIM 晓铁2Y59线 晓铁2Y58线 2510 2Y59 2Y58 25302Y59U 2550 2Y58U 2Y

29、59 2Y58 35 kV 母 线 310 301 302 220220kVkV母线母线 25002600 * * 2号并联变压器 1号并联变压器 2号串联变压器 1号串联变压器 换流器3 换流器2 换流器1 2U10 2T132T11 2U1 2U20 2T23 2T21 2U2 20132011201 20232021202 20C1 20C6 21H1 21H2 21H3 22H1 22H2 23H1 23H2 21D1 21D2 22D1 22D2 23D1 23D2 355 358 2Y59U2 2Y59U3 2Y59U1 2Y58U2 2Y58U3 2Y58U1 2Y58U9 2Y

30、58U7 2Y59U9 2Y59U7 21H4 21F5 21F7 21D5 21D7 22D5 22D7 23D5 23D7 22F5 22F7 23F5 23F7 22H4 23H4 21H5 21H7 22H7 22H5 23H7 23H5 工程提升西环网供电能 力500600兆瓦，可替代一 个投资10亿元以上的220千 伏输电通道。 54 UPFC 稳态潮流控制效果 调节效果：UPFC可以灵活控 制南北通道潮流，改善潮流分布 200MW 100MW 340MW 240MW 640MW 740MW 55 02468101214161820 200 300 400 500 600 P_XZ

31、ZY 02468101214161820 0 100 200 300 400 P_XZXG File: nj_S1P1ACCA1_2015_12_28_14_50_54_552Child00.CFG 02468101214161820 0 50 100 150 W3_PLOUT W2_PLOUT Time s 调节效果：晓庄-下关N-1后 UPFC可以降功率将晓庄-中央门在 2s内控制在载流能力内。 晓庄-下关功率 晓庄-中央门功率 UPFC双回线功率 N-1 515MW 602MW 南京西环网断面潮流示意图 UPFC N-1情况下潮流控制效果 56 四、总结四、总结 57 能 源互联网带来了的必要性和可能性 58 内 涵丰富，体系待进一步完善 59 随 应用场景需要可幻化无穷