智慧型電網中的電網友好技術

智慧型電網中的電網友好技術是指圍繞提高電網平衡能力的核心問題，對新能源電源而言，主要是提高其發電的可預測性、穩定性、可調可控性，在各種工況下以有利於電網穩定的方式運行，如低電壓穿越;對傳統電源而言，主要是提高爬坡能力、調峰能力、調頻能力等可調可控能力。

基本介紹

• 中文名：智慧型電網中的電網友好技術
• 外文名：Grid friendly technology in Smart Grid
• 優點：安全、穩定以及節能
• 技術關鍵：將電網友好的外部性內化
• 前景：廣闊、熱門
• 提出：比照“環境友好”

背景

大規模電網互聯技術的迅猛發展，遠距離交直流混聯輸電的出現，多樣化電力負荷的快速增長，大規模波動式能源集中併網，高密度、高滲透率的分散式電源的廣泛套用，使電力系統不確定、不可控的因素增多，增加了大面積停電的風險。因此，構建安全、穩定、高效、經濟的智慧型電網已成為國內電力研究的重點，已有眾多概念和技術被提出。其中，比照“環境友好”而提出的“電網友好”概念越來越受到重視。

電網友好一詞最早由瑞典教授Thiringer於2002年提出，但並未明確其含義。電力系統中，電源和負荷是維持系統瞬時平衡的主體，在智慧型電網的體系框架下，電網友好被賦予了新的內涵。其技術核心是電源和負荷分別主動與電網協調互動，更經濟、快捷、可靠地提高電力系統的平衡能力。電網友好技術是智慧型電網技術的重要組成部分，是智慧型電網發電和用電環節各種關鍵技術的高度概括。

電網友好發電技術的提出主要是針對波動式新能源發電併網難的問題。圍繞提高電網平衡能力的核心問題，對新能源電源而言，主要是提高其發電的可預測性、穩定性、可調可控性，在各種工況下以有利於電網穩定的方式運行，如低電壓穿越;對傳統電源而言，主要是提高爬坡能力、調峰能力、調頻能力等可調可控能力。

負荷是電力系統平衡的主動方，電網友好的用電技術主要體現在改善負荷的時間特性、頻率特性和電壓特性，以提高電力系統不同時間尺度的平衡能力，如目前歐美普遍開展的需求側回響;同時，用電設備儘可能降低對系統電能質量的影響。智慧型電網中的電網友好技術強調的是主動參與、靈活互動和高度協調。本文在歸納整理現有電網友好技術的基礎上，分析電網友好發電技術和用電技術的發展思路，提出其長遠發展框架。

電網友好發電技術

電網友好發電技術的研究主要集中於新能源發電方面，提高其可預測性、穩定性和可調可控性，減少對電網的不利影響，提高電網接納波動式新能源的能力和電網的平衡能力。

1、提高新能源發電的可預測性

對新能源發電進行不同時間尺度的電力、電量預測，並努力提高預測準確率，可降低電力系統調度運行的備用需求，在保證電網安全、穩定的同時降低發電成本與能耗。

考慮到新能源發電的隨機性較大，一般以短期和超短期出力預測為主。目前較為成熟的預測方法主要有隨機時間序列法、卡爾曼濾波法、模糊邏輯法、決策樹算法、人工神經網路法以及支持向量機等。

光伏、風力、生物質能等新能源發電產業中環境、氣象等不確定因素較多，單一的預測方法已經不能滿足電網調度對於併網電量預測的要求。從預測精度出發，多種方式混合預測的方法將成為功率預測的發展方向。如將具有混沌特性的時間序列重建為一種低階非線性動力學系統，結合智慧型化的神經網路算法，可極大地提高發電功率短期預測的精度，有望在光伏、風力發電等方面發揮重要作用。

還可利用卡爾曼濾波法動態修改預測權值的優點，結合時間序列法建立最佳化模型，保證預測精度。同時，作為新興的機器學習方法，支持向量機技術因其易獲全局最優解、推廣性強、方便控制等特性，將在新能源發電併網的功率預測中發揮重要作用。

目前，以提高新能源發電預測為主要目的的電網友好發電技術在國內得到了初步研究和套用。2010年11月，中國首座電網友好型風電場在大唐新能源赤峰公司東山風電場建成，其精確的風功率預測系統已經實現了風電場48h內的短期功率預測和15min至4h的超短期功率預測。

2、提高新能源發電的穩定性

新能源發電的穩定性包括暫態穩定性和發電功率的穩定性。在提高新能源發電暫態穩定性方面，套用於風電場的低電壓穿越技術是目前較為熱門的電網友好技術，不僅確保了電壓波動時風機不解列，避免連鎖故障，還有效地提高了風電場運行的安全穩定性。

增加新能源發電功率的穩定性主要有2種方法：

一是利用其資源特點形成互補協調系統，如風光互補混合發電系統，不但彌補了新能源獨立發電在資源上的缺陷，獲得較穩定的功率輸出，提高了系統供電可靠性，更顯著降低了儲能裝置的配備容量，使系統成本趨於合理。

二是建設大型儲能電站，採用複合式儲能提高其技術經濟性能，協助新能源發電保持出力穩定，為可再生能源發電系統配置一定容量的旋轉備用。現有研究結果表明，飛輪、超導和超級電容器儲能具有回響速度快、輸出功率大、儲能效率高、循環壽命長的特性;蓄電池類儲能則具備能量密度高、自損耗小、儲能時間長的優勢。

在此基礎上，可利用高溫超導塊材式的懸浮現象，研發高溫超導飛輪儲能，使其控制更簡單，儲能密度更大;或將超導儲能、飛輪儲能或超級電容器與鉛酸電池、液流電池或鈉硫電池等技術相結合，可以最大限度地發揮各種儲能技術的優勢，降低全壽命周期費用，提高系統經濟性。

3、增強發電的可調可控性

利用各種先進的管理技術和控制策略，對新能源發電實施有效的調控措施，提高新能源發電的可調可控性，在提高其供電可靠性的同時提高電網調度運行工作的效率。如利用先進的能量管理系統技術，對海流能發電系統採取有效的線上監控、狀態估計、出力預測、短期調度等能量最佳化控制和管理。考慮兼顧系統調頻需求的分散式風電分散自治調控策略，對風電場進行兼顧系統某些特殊運行需求的有限自治，配合電力系統的統一調度。同時，還可採取風機單機調控、風電場調控、電網側調控的三級調控措施，利用先進的風電機組技術、電網友好型電源等技術，通過堅強的受端同步電網，統一協調控制具有波動性、不確定性的電功率，使大規模同步電網穩定運行。

風光互補發電系統可結合最大功率跟蹤控制、負載功率跟蹤控制等電網友好先進技術，根據光伏陣列和風力發電機輸出功率、運行特性、系統配套儲能方案進行協調控制，建立風光互補混合發電系統的一體化集中監控系統。

東山電網友好型風電場中採用了集中最佳化配置的有功功率和無功功率控制系統，有效地實現了風電的遠程調節控制。

電網友好用電技術

作為電力系統瞬時平衡的主動方，用電設備的負荷特性及用戶的負荷需求很大程度上決定著電網的安全穩定性。

1、改善用電設備的負荷特性

（1）改善負荷的時間特性

現有改善負荷時間特性的方法主要有2種：

一是套用峰谷分時電價，緩解尖峰時段電網調峰壓力，提高負荷率；

二是開發利用可中斷負荷（interruptible load，IL）。

這2種方法從技術手段和實現目標來講，都可認為是電網友好的用電技術。

削峰填谷不僅能夠使負荷曲線平坦，有效地降低損耗，提高電力系統的運行效率和穩定性，還可以延緩、減少電力設備投資。如蓄冰空調利用用電低谷時期儲存的能量滿足負荷高峰期的製冷需求，較好體現了轉移用電負荷和平衡用電負荷的削峰填谷思路，可較為明顯地降低城市夏季高峰負荷。但由於其安裝成本較高，因此該技術的大力推廣仍需要相關配套政策的扶持。

作為電網的緊急備用發電容量資源和輸電容量資源，IL對供電可靠性的要求不高，在一定的經濟補償或賠償條件下，對小機率停電事故可以容忍。當電網高峰期或遇到重大衝擊時，調用IL比調用電源更具有時效性和經濟性。由於國內電力市場開放程度有限，目前Il尚未組織市場交易，僅由調度機構按照“有序用電”的相關措施按需調用。

（2）改善負荷的頻率特性

電網友好的用電技術考慮用電設備主動回響電網的實時頻率。如在部分用電設備（如熱水器、電動汽車充電負荷）中加裝控制裝置，當電網中負荷或發電機出力變化，造成頻率偏移超出正常允許範圍且偏移量持續一定時間，對電網安全穩定運行造成威脅時，用電設備中的控制裝置能夠自動監測並判斷頻率的變化，分析並判斷當前電網頻率偏移的程度，自主選擇相應的調整控制策略，短期內調整用電設備的運行參數，提高電網保持平衡的能力。這樣，不僅節省了通信時間和費用，更因其短暫的回響時間，不會降低用戶的用電體驗，真正體現了友好的含義。

套用電網友好頻率回響技術後，用電設備不僅可以作為電力系統的備用負荷，還可以幫助實現頻率管理，在容量市場中起到與發電機類似的作用，這將為電力系統的控制增加更多的靈活性。

（3）改善負荷的電壓特性

改善負荷的電壓特性、避免節點電壓降低時，用電設備消耗更多的無功功率。不同的用電設備具有不同的電壓特性，其中，空調負荷是近年來城市電網中負荷比例較高、電壓特性不利於電壓穩定的代表，且空調負荷一般是非剛性需求。因此，改善負荷電壓特性，較多以空調負荷為研究對象。現有分散型和集中型的低壓減載技術不能兼顧回響動作的可靠性、時效性及經濟性，並且還會給用戶帶來不同程度的不便。

從負荷側考慮，當電網電壓的偏移幅度和偏移持續時間超出了正常範圍，電網有可能失穩時，如果受端電網中的負荷能夠主動回響，短時微調其運行參數，將有利於電網的電壓穩定。例如上文中提及的電網友好控制裝置可根據不同用電設備的負荷特性自行設定電壓偏移門檻值和電壓異常持續時間門檻值，當控制裝置監測出物理量的偏移（偏移幅度、持續時間）達到了回響門檻值，即可根據相應的控制策略自行切除部分負荷，尤其是電壓特性較為突出的用電設備負荷（如空調類負荷）。在電網發生過載、電壓穩定受到威脅時，藉助城市民用或商用負荷在城市電網負荷中的重大比例，即可及時調整城市電網電壓水平，有利於電網的安全穩定運行。

電網友好用電技術具有廣闊的套用前景，部分已開發國家已經在這方面展開了積極嘗試。如美國西北太平洋國家實驗室（pacific northwest national laboratory ，PNNL）已著手研發一種新型控制器，該控制器嵌入用電設備中，能夠監控電網運行狀態，適時回響，以平衡電網的供需關係。該控制器的研發基於美國現有電力市場的電價機制，從電力設備端出發，維持電網穩定運行。

（4）綜合改善負荷特性

對用電負荷的研究離不開用電環境，目前，城市熱島效應、溫濕效應和累積效應及其對用電負荷的影響逐步成為新興的研究熱點和重點。

可研究不同用電環境下，城市電網的負荷結構、負荷水平以及不同用電設備的負荷特性對電網安全穩定運行的影響，綜合分析上述改善負荷特性的思路，提出電網友好的用電方式。制定各種緊急情況時的回響控制策略，協助電網快速恢復系統頻率穩定和電壓穩定。同時，新型的用電方式支持分時電價、階梯電價以及節能減排政策，可有效地降低電力用戶成本，提高系統運行穩定性。進一步，亦可考慮研究不同用電設備間的協調回響控制策略，分析多種回響模式，提出最佳化方案，真正地達到電網友好、安全用電、經濟用電的目標。

2、電網友好用電技術的支撐性技術

（1）高級量測系統技術

電網友好用電技術要求用電設備實時獲取並及時分析處理精確、可靠的電網數據信息（如頻率、電壓等）。而作為電網友好的支撐性技術，高級量測系統具有電能計量以及用電信息採集、處理、監控、計費、資源調度等功能，可最大限度地滿足電網友好用電技術的要求。

全面考慮國內分時電價和階梯電價的電力市場現狀，在現有智慧型電錶、柔性電力負荷控制等技術的基礎上，有針對性研發新型高級量測系統技術，開發家庭控制網關、智慧型插座等電網友好裝置。通過家庭控制網關可以實現用電設備的自動識別，支持電器電能計量、功率測量等功能。通過智慧型插座可以及時感知電網異常運行狀態，使用電設備主動回響。

上述研究不僅可以輔助電網友好技術的實施，二者的配合還將真正地實現信息一體化和用電智慧型化，有利於推動智慧型家居、智慧型樓宇及智慧型小區的建設。

（2）用戶用電互動平台

電網友好技術的內涵之一是“靈活互動”。國內雖然已經實現了電力行銷流程標準化，建立了客服中心，開展了有序用電、IL等需求側管理實踐，但在提升用戶服務體驗、最佳化用戶用電方式以及提高終端用能效率等方面仍存在較大不足。

為徹底貫徹電網友好的內涵，有必要研發可正確引導用戶靈活選擇用電方式、鼓勵其主動參與供需平衡的用戶用電互動平台，開發用電方式選擇、回響激勵措施、遠程繳費、報修等多種互動服務功能模組，以提升用電設備的用能效率，實現電能量互動，滿足電力用戶的個性化、差異化服務需求。作為用電技術中一項重要的支撐技術，該平台不僅體現了智慧型用電的互動性，還將為調度系統實現更加準確、實時、精細的調度提供堅實的基礎。在互動平台的支持下，電網友好用電技術將有效最佳化用戶用電行為，加強能效管理，實現電網安全穩定運行、用戶經濟用電、發電部門酌情發電的三贏局面。

展望

要實現真正意義上的電網友好，必須加大對各項技術的研發，落實新技術套用的相關政策。電網友好技術的推廣機制是一個需要研究的重要問題。電網友好技術的研發套用具有周期長的特點，且具有“正外部性”，如何將電網友好的外部性內化，形成激勵相容的推廣機制，是電網友好技術能否真正發揮作用的關鍵。

在發電技術方面，應繼續完善新能源發電技術，實現其運行頻率控制、繼電保護配置、信息採集、自動化、通信、電能質量等的智慧型一體化發展。同時，隨著電網友好的發電技術研發、推廣套用，提高電網接納新能源發電的能力，實現低碳電力。進一步，針對傳統電廠，研發低成本改造升級技術，也將是下一步電網友好技術的研究熱點。

用電技術中亦可從負荷的諧波特性入手改善負荷特性，如儘量避免各種用電設備產生諧波、電壓畸變等；在改善負荷的時間特性方面，可進一步研究負荷的時間彈性。在控制裝置研發上，應著力研製低成本的智慧型控制裝置，在不影響用戶用電體驗的前提下，實現自主監測電網實時信息，主動回響電網運行狀態，維持電網的安全、穩定、經濟運行。在平台開發上，除全面考慮用戶的個性化需求外，還應為功能升級預留一定的空間。