3、余贻鑫-集成高比例分布式可再生能源发电的智能配电网
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系统中装有 8*1000M W超超临界 和 8*600MW 超临界机 组，并假设 均参加调 峰； 负荷峰值 10000MW ； 模拟8760小 时的风光曲 线和负荷曲 线，实现机 组启停优 化； 实现风火比
安装1500万kWh的蓄电池，SOC 取值范围为0.1至0.9
调动需求侧响应资源，把每天总 用电量的8%从峰荷时段转移到低 谷时段 同时采用以上4种措施
3）太阳能和风能波动性的挑战
风能和太阳能的间歇性、多变性和不确定性＋储能价格贵
4）为何需要聚焦分布式
我国风能和太阳能发电开发长时期以来以采用在西北地区 集中开发（见左下图），发然后经2000km以上输电线（ 如特高压直流）向东部输送的模式，致使弃风弃光严重。 ---原因是区域互联线路上的功率必须on schedule，数 值相对平稳。
2050年的发电情况：可再生能源发电比重将达到85%以上；非化石能源发电 比重达到91%；风电和光电之和占总电量的比例达到63%；火电将急剧减少 。 2015年4月，发改委能源研究所发布的“中国2050高比例可再生能源发展情景暨路径研 究”
2）何谓分布式电源？
指在用户所在场地或附近建设安装、运行方式 以用户侧自发自用为主、多余电量上网，且以配电 网系统平衡调节为特征的发电设施或有电力输出的 能量综合梯级利用多联供设施。 包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、 天然气、资源综合利用发电等技术类型。
根据乐观的规划方案，采用大规模远距离输送模式时：①风电和光伏 发电所占打捆电能的比例仅34%左右，这意味着仅就送端系统而言， 每发出1kWh的可再生能源电能需要发出2kWh燃煤火电，这与能源 革命的初衷相悖；②受端系统最大可再生能源电量渗透率仅15%。
1 0.8
1 0.8
Power /p.u.
Power /p.u.
智能万用变压器（Intelligent universal transformer，IUT） ，又称固态变压器（SST）。IUT 是用先进电力电子系统代替传统配 电变压器，它是EPRI 高级配电自 动化（ADA）项目的努力中的一 个基础性的装置（cornerstone device），他将创建未来的配电 系统。
该准则是在电网运行和管理的实践中逐渐总结出来的 ，已为电力系统近百年的实践证明是成功的。其开放 、互联、对等和分享的特点与后来的互联网一致。 其核心是认定，在规范约束下可通过局部利益最大化 来实现总体利益最大化。
①在以燃煤火电为主要调节容量（现时如此）的情况下，仅靠大规 模远距离输送模式，不能实现高比例可再生能源发电的远景目标
集中式发电 输电系统 子输电系统 变电站
发电容量和 辅助服 务 电压和频率稳定 增加输电计划调整 约束 备用潮流与无功平 衡 常见的容量、电压 以及保护问题 局部电压和 长输电线路的容量
频率支撑
提 高 渗 透 率
网损降低 输配电系统节 省的容量 网损降低
提 高 渗 透 率
配电系统 用户
电压支撑
3）集成高比例分布式太阳能和风能电源 对配电网的价值
3) 微网(Micro-Grids)与大电网的无縫链 接是perfect
满足互操作性标准，即插即用（互联、开放） 正常时，保持系统联络线功率按计划（互联与分享），内部 调度自行决定（对等）； 事故时孤网运行（对等） ； 事故后黑启动（互联）。
注： 互联电力系统理念与微网 ✓ “控制区”是群，互联电力系统是群集。与大电网无缝连接的微电网的构 思实际上是群集思想向低电压配电网的一种延伸，每个微电网当中都装有 EMS，按照类似控制区的模式运行。 ✓ 由于其规模较小，且与系统其他部分间的电气联系紧密，不涉及火电机组 启停问题，所以它与系统其他部分的交互计划可以变更的频繁一些； ➢ 每一个既定的微网都存在不同水平的聚合、控制和优化，而它们将会大大 地依赖于为管理微网而建立的规则。这些规则将控制特定的微网和较大互 联电网之间的交互，以及微网之间的交互, 从而改善微网运行的经济性和 实现微网参与者利益的最大化。
需要对各类配电馈线技术组合进行协调评估
需要保证配电网络的安全性（节点电压、馈线电流）、保证重要 负荷供电的连续性与韧性、保证联络线上的计划安排与集群内的 优化调度（电压与无功优化，分布式机组启停优化与网络重构）
光伏系统
基准场景——没有光伏 光伏渗透率1 光伏渗透率2 光伏渗透率3 更高的渗透率……
IV. 智能配电网
1. 智能配电网的工程与技术组成
配电数据 通信网络 智能用电 先进的传感 测量技术
DFACTS 技术
先进的保护
DMS
控制技术
高级资产 管理 高级量测 体系 高级配电 自动化
分布式电源
并网技术
其 中 DFACTS 技 术 作 为 FACTS 技 术 在 配 电 系 统 应 用 的 延 伸 ( 又 称 Customer Power 技术)已成为改善电能质量的有力工具。 目前主要的DFACTS装置有: 有源滤波器(APF)、动态电压恢复器(DVR)、配电系 统用静止无功补偿器 (D—STATCOM)、固态断路器(SSTS)等。其中APF 是补偿 谐波的有效工具; 而DVR通过自身的储能单元, 能够在毫秒级内向系统注入正常电 压与故障电压之差, 因此是抑制电压跌落的有效装置。
Rrej(%) Rei,1 (%) Pw+Ps(万kW) Rrej(%) Rei,1 (%) Pw+Ps (万kW) Rrej(%) Rei,1 (%) Pw+Ps (万kW) Rrej(%) Rei,1 (%) Pw+Ps (万kW) Rrej(%) Rei,1 (%) Pw+Ps (万kW) 9.83 38.4 1850 10.0 32.3 1560 9.66 42.4 2040 9.26 41.8 2000 9.97 60.1 2900
电网互联的价值： 可靠性 机组启停 能量交易 电压质量 效率
分布式电源与电网集成的 价值： 韧性 电压支撑 配电优化 减少排放 需求响应 减低损耗
挑战性问题：如何把所有分布式电源（分布式发电， 分布Βιβλιοθήκη Baidu储能，需求响应，电气车辆）与电网集成
4）配电网集成高比例分布式电源的基础
5）与集成DER相关的配电网现代化
系统运行员解决 网络扩建 中央电压控制 静态无功补偿器 分布式储能 （配电网） 网络重构 交互解决
基于电价的需求响 应
直接负荷控制 随需应变的无功 随需应变的切负荷 广域电压控制
分布式电源拥有者 解决 分布式储能 （用户系统） 自消费 功率因数控制 直接电压控制 基于频率的甩负荷
集成高比例风能和太阳能发电的 智能配电网
余贻鑫
yixinyu@tju.edu.cn
天津大学 2017.04.22 于烟台
内容提要：
1.能源革命的实现高度依赖未来高比例、分布式可再生能源的开发与利用 何谓高比例可再生能源？：太阳能和风能高渗透率必要与可能 何谓分布式电源？ 太阳能和风能波动性的挑战 为何需要聚焦分布式而非集中式 2.集成高比例分布式电 需求响应 渗透率对电网的技术的影响 集成高比例分布式太阳能和风能电源对配电网的价值 配电网集成高比例分布式电源基础 配电网现代化 3. 微网是perfect 微网的定义 微网的用途 微电网为何是perfect 4. 智能配电网中与DER相关的R&D挑战性问题 智能配电网的工程组成 未来配电控制系统的结构 智能配电网与DER相关的R&D挑战性问题 5. 智能配电网与里夫金的能源互联网
1. 网络现代化
2. 通讯标准和互联规则(国家、IEEE、IEC和电力公司的标准 规约、信息模型、功能何等互联） 3. 集成的规划和运行：输电运行员（TSO）/独立系统运行员 （ISO），配电系统运行员（DSO）和分布式能源的集成 规划和运行 4. 明智得政策和管制：从实验室测试到仿真到实地部署到基 于事实的信息
我国某大型城市在夏季峰荷 时刻的负荷构成比例。
②合理管理和安排PHEV和V2G---电气车辆，不再仅仅是
一个大功率的电器（7kW充电4h），同时也可成为电网中蓄 能装置，其充放电是否合理对电网影响很大，需要合理管理 和安排（需求响应）
充电模式 放电模式
22
2）渗透率对电网的技术影响
能源，容量 和辅助服务
重复该过程 数百次以获 得许多可能 存在的场景
Distribution Feeder 光伏设备对配网馈 PV Impact Heat Map 线影响的热度图
光伏的影响
光伏量测结果 (分布式光伏等)
提高光伏渗透率 直至系统越限
√
III. 微网与大电网的无缝连接是完 美的电网
1). 微网的定义
美国能源部微网交流群（MEG）把微网定义为，带有 明显定义了的电气边界的互联的负荷与分布式发电 群，相对于电力公司它是一个单个可控的实体。为了 使它能够以联网或孤岛这两种模式运行，微网可以与 电网连接和断开。
1500
光伏电站
1212
1374
光伏容量（万kWh）
1000
855
500 174154
0 80 205 139
2012年
2013年
2014年
2015年
两种模式
数据来源：国家能源 局
互联电力系统理论
互联电力系统理论提出了“控制区”的概念，它可能是 历史上原本独立的电力系统，也可能是按地理边界、行 政边界或市场而划分的。 各控制区按照如下准则工作：控制区内发电的调节需要 随时吸收其内部负荷的变化，即使发生大的扰动也要自 行解决；区域电网之间联络线上的功率均按功率交换计 划工作，为了电网的安全经济运行，该计划值在一天内 会平稳在少数几个水平上。 现代术语中，控制区定义了互联网络的接口并概述了内 在运作方式。控制区是互联电力系统的基本单元，并且 必须维持包括交易安排在内，实现瞬时供需功率的平衡 。
0.6 0.4 0.2 0 2000 4000 6000 Time /hour 8000
0.6 0.4 0.2 0 2000 4000 6000 Time /hour 8000
受端系统可用调节容量减小、峰谷差率增大，其核心原因是大规模远距离输 送模式的输送功率只能作为“基底负荷”，如图所示，联络线路上的功率需 维持分段恒定的计划功率。
2)微网的作用和意义
① 它可以帮助局部平衡负荷与发电，作为全系统的一部分， 适当设计的微网可有较好的平均容量系数和电能质量。 微网可能在局部需求响应和辅助服务领域中有益处。通过 负荷和发电的动态控制，微网可响应于增加和减少其内部 负荷和出口功率，并提供所需要的电压与无功支持。 这就要求在较大的电力公司和微网服务的公司这两者的需 要之间做出平衡，紧密耦合的控制系统、公共通信、赛博 安全、监管的改变和商务协议是必不可少的。 ②当同大电网互联时，它能提供比大电网单独供电时更高的 可靠性。 ③在灾难来临时，由于其内在发电和局部负荷服务和管理能 力的多样性，微网可能提供一些解决方案，帮助电网恢 复。
我国主要是火电为调节容量，很小
在以火电为调节容量的情况下，“大规模远距离输送”无法实 现能源革命所必须的高比例可再生能源情景；
②在采用就地开发与消纳模式的情况下，采取多种改善措施后，风电和光伏发 电比例可以达到60%以上，非常接近2050年的高比例目标63%
改造火电机组，机组最小出力降 低至额定容量的20% 20台燃气机组替代8台超超临界机 组
③全社会成本分析表明，东部地区的“分布式光伏发电”的单位 电能供电成本已经或即将优于“集中式风火打捆和光伏火电打捆 +大规模远距离输送模式”的单位电能供电成本。
II.集成高比例分布式电源
分布 式储 能
分布式发电
需求侧管理
1）需求响应（需求侧管理）
①我国工业用电的节省潜力十分巨大。与此同时第三产 业负荷和居民负荷具有可平移负荷（电网友好用户）的 充分潜能，这种能力有助于降低电网的峰谷差率，和在 紧急情况下支援电网。为此需要开发需求响应。
注：互联电力系统理念与微网
I. 能源革命的实现高度依赖未来高比例、
分布式可再生能源的开发与利用
1)何谓高比例（>60%）可再生能源
可再生能源发电的长期目标 习近平主席于2015年的巴黎大会上承诺，2030年中国单位GDP二氧化碳排
放比2005年下降60%~65%。
---倒逼和可行
各类电量的构成
典型日机组组合调度分析
安装1500万kWh的蓄电池，SOC 取值范围为0.1至0.9
调动需求侧响应资源，把每天总 用电量的8%从峰荷时段转移到低 谷时段 同时采用以上4种措施
3）太阳能和风能波动性的挑战
风能和太阳能的间歇性、多变性和不确定性＋储能价格贵
4）为何需要聚焦分布式
我国风能和太阳能发电开发长时期以来以采用在西北地区 集中开发（见左下图），发然后经2000km以上输电线（ 如特高压直流）向东部输送的模式，致使弃风弃光严重。 ---原因是区域互联线路上的功率必须on schedule，数 值相对平稳。
2050年的发电情况：可再生能源发电比重将达到85%以上；非化石能源发电 比重达到91%；风电和光电之和占总电量的比例达到63%；火电将急剧减少 。 2015年4月，发改委能源研究所发布的“中国2050高比例可再生能源发展情景暨路径研 究”
2）何谓分布式电源？
指在用户所在场地或附近建设安装、运行方式 以用户侧自发自用为主、多余电量上网，且以配电 网系统平衡调节为特征的发电设施或有电力输出的 能量综合梯级利用多联供设施。 包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、 天然气、资源综合利用发电等技术类型。
根据乐观的规划方案，采用大规模远距离输送模式时：①风电和光伏 发电所占打捆电能的比例仅34%左右，这意味着仅就送端系统而言， 每发出1kWh的可再生能源电能需要发出2kWh燃煤火电，这与能源 革命的初衷相悖；②受端系统最大可再生能源电量渗透率仅15%。
1 0.8
1 0.8
Power /p.u.
Power /p.u.
智能万用变压器（Intelligent universal transformer，IUT） ，又称固态变压器（SST）。IUT 是用先进电力电子系统代替传统配 电变压器，它是EPRI 高级配电自 动化（ADA）项目的努力中的一 个基础性的装置（cornerstone device），他将创建未来的配电 系统。
该准则是在电网运行和管理的实践中逐渐总结出来的 ，已为电力系统近百年的实践证明是成功的。其开放 、互联、对等和分享的特点与后来的互联网一致。 其核心是认定，在规范约束下可通过局部利益最大化 来实现总体利益最大化。
①在以燃煤火电为主要调节容量（现时如此）的情况下，仅靠大规 模远距离输送模式，不能实现高比例可再生能源发电的远景目标
集中式发电 输电系统 子输电系统 变电站
发电容量和 辅助服 务 电压和频率稳定 增加输电计划调整 约束 备用潮流与无功平 衡 常见的容量、电压 以及保护问题 局部电压和 长输电线路的容量
频率支撑
提 高 渗 透 率
网损降低 输配电系统节 省的容量 网损降低
提 高 渗 透 率
配电系统 用户
电压支撑
3）集成高比例分布式太阳能和风能电源 对配电网的价值
3) 微网(Micro-Grids)与大电网的无縫链 接是perfect
满足互操作性标准，即插即用（互联、开放） 正常时，保持系统联络线功率按计划（互联与分享），内部 调度自行决定（对等）； 事故时孤网运行（对等） ； 事故后黑启动（互联）。
注： 互联电力系统理念与微网 ✓ “控制区”是群，互联电力系统是群集。与大电网无缝连接的微电网的构 思实际上是群集思想向低电压配电网的一种延伸，每个微电网当中都装有 EMS，按照类似控制区的模式运行。 ✓ 由于其规模较小，且与系统其他部分间的电气联系紧密，不涉及火电机组 启停问题，所以它与系统其他部分的交互计划可以变更的频繁一些； ➢ 每一个既定的微网都存在不同水平的聚合、控制和优化，而它们将会大大 地依赖于为管理微网而建立的规则。这些规则将控制特定的微网和较大互 联电网之间的交互，以及微网之间的交互, 从而改善微网运行的经济性和 实现微网参与者利益的最大化。
需要对各类配电馈线技术组合进行协调评估
需要保证配电网络的安全性（节点电压、馈线电流）、保证重要 负荷供电的连续性与韧性、保证联络线上的计划安排与集群内的 优化调度（电压与无功优化，分布式机组启停优化与网络重构）
光伏系统
基准场景——没有光伏 光伏渗透率1 光伏渗透率2 光伏渗透率3 更高的渗透率……
IV. 智能配电网
1. 智能配电网的工程与技术组成
配电数据 通信网络 智能用电 先进的传感 测量技术
DFACTS 技术
先进的保护
DMS
控制技术
高级资产 管理 高级量测 体系 高级配电 自动化
分布式电源
并网技术
其 中 DFACTS 技 术 作 为 FACTS 技 术 在 配 电 系 统 应 用 的 延 伸 ( 又 称 Customer Power 技术)已成为改善电能质量的有力工具。 目前主要的DFACTS装置有: 有源滤波器(APF)、动态电压恢复器(DVR)、配电系 统用静止无功补偿器 (D—STATCOM)、固态断路器(SSTS)等。其中APF 是补偿 谐波的有效工具; 而DVR通过自身的储能单元, 能够在毫秒级内向系统注入正常电 压与故障电压之差, 因此是抑制电压跌落的有效装置。
Rrej(%) Rei,1 (%) Pw+Ps(万kW) Rrej(%) Rei,1 (%) Pw+Ps (万kW) Rrej(%) Rei,1 (%) Pw+Ps (万kW) Rrej(%) Rei,1 (%) Pw+Ps (万kW) Rrej(%) Rei,1 (%) Pw+Ps (万kW) 9.83 38.4 1850 10.0 32.3 1560 9.66 42.4 2040 9.26 41.8 2000 9.97 60.1 2900
电网互联的价值： 可靠性 机组启停 能量交易 电压质量 效率
分布式电源与电网集成的 价值： 韧性 电压支撑 配电优化 减少排放 需求响应 减低损耗
挑战性问题：如何把所有分布式电源（分布式发电， 分布Βιβλιοθήκη Baidu储能，需求响应，电气车辆）与电网集成
4）配电网集成高比例分布式电源的基础
5）与集成DER相关的配电网现代化
系统运行员解决 网络扩建 中央电压控制 静态无功补偿器 分布式储能 （配电网） 网络重构 交互解决
基于电价的需求响 应
直接负荷控制 随需应变的无功 随需应变的切负荷 广域电压控制
分布式电源拥有者 解决 分布式储能 （用户系统） 自消费 功率因数控制 直接电压控制 基于频率的甩负荷
集成高比例风能和太阳能发电的 智能配电网
余贻鑫
yixinyu@tju.edu.cn
天津大学 2017.04.22 于烟台
内容提要：
1.能源革命的实现高度依赖未来高比例、分布式可再生能源的开发与利用 何谓高比例可再生能源？：太阳能和风能高渗透率必要与可能 何谓分布式电源？ 太阳能和风能波动性的挑战 为何需要聚焦分布式而非集中式 2.集成高比例分布式电 需求响应 渗透率对电网的技术的影响 集成高比例分布式太阳能和风能电源对配电网的价值 配电网集成高比例分布式电源基础 配电网现代化 3. 微网是perfect 微网的定义 微网的用途 微电网为何是perfect 4. 智能配电网中与DER相关的R&D挑战性问题 智能配电网的工程组成 未来配电控制系统的结构 智能配电网与DER相关的R&D挑战性问题 5. 智能配电网与里夫金的能源互联网
1. 网络现代化
2. 通讯标准和互联规则(国家、IEEE、IEC和电力公司的标准 规约、信息模型、功能何等互联） 3. 集成的规划和运行：输电运行员（TSO）/独立系统运行员 （ISO），配电系统运行员（DSO）和分布式能源的集成 规划和运行 4. 明智得政策和管制：从实验室测试到仿真到实地部署到基 于事实的信息
我国某大型城市在夏季峰荷 时刻的负荷构成比例。
②合理管理和安排PHEV和V2G---电气车辆，不再仅仅是
一个大功率的电器（7kW充电4h），同时也可成为电网中蓄 能装置，其充放电是否合理对电网影响很大，需要合理管理 和安排（需求响应）
充电模式 放电模式
22
2）渗透率对电网的技术影响
能源，容量 和辅助服务
重复该过程 数百次以获 得许多可能 存在的场景
Distribution Feeder 光伏设备对配网馈 PV Impact Heat Map 线影响的热度图
光伏的影响
光伏量测结果 (分布式光伏等)
提高光伏渗透率 直至系统越限
√
III. 微网与大电网的无缝连接是完 美的电网
1). 微网的定义
美国能源部微网交流群（MEG）把微网定义为，带有 明显定义了的电气边界的互联的负荷与分布式发电 群，相对于电力公司它是一个单个可控的实体。为了 使它能够以联网或孤岛这两种模式运行，微网可以与 电网连接和断开。
1500
光伏电站
1212
1374
光伏容量（万kWh）
1000
855
500 174154
0 80 205 139
2012年
2013年
2014年
2015年
两种模式
数据来源：国家能源 局
互联电力系统理论
互联电力系统理论提出了“控制区”的概念，它可能是 历史上原本独立的电力系统，也可能是按地理边界、行 政边界或市场而划分的。 各控制区按照如下准则工作：控制区内发电的调节需要 随时吸收其内部负荷的变化，即使发生大的扰动也要自 行解决；区域电网之间联络线上的功率均按功率交换计 划工作，为了电网的安全经济运行，该计划值在一天内 会平稳在少数几个水平上。 现代术语中，控制区定义了互联网络的接口并概述了内 在运作方式。控制区是互联电力系统的基本单元，并且 必须维持包括交易安排在内，实现瞬时供需功率的平衡 。
0.6 0.4 0.2 0 2000 4000 6000 Time /hour 8000
0.6 0.4 0.2 0 2000 4000 6000 Time /hour 8000
受端系统可用调节容量减小、峰谷差率增大，其核心原因是大规模远距离输 送模式的输送功率只能作为“基底负荷”，如图所示，联络线路上的功率需 维持分段恒定的计划功率。
2)微网的作用和意义
① 它可以帮助局部平衡负荷与发电，作为全系统的一部分， 适当设计的微网可有较好的平均容量系数和电能质量。 微网可能在局部需求响应和辅助服务领域中有益处。通过 负荷和发电的动态控制，微网可响应于增加和减少其内部 负荷和出口功率，并提供所需要的电压与无功支持。 这就要求在较大的电力公司和微网服务的公司这两者的需 要之间做出平衡，紧密耦合的控制系统、公共通信、赛博 安全、监管的改变和商务协议是必不可少的。 ②当同大电网互联时，它能提供比大电网单独供电时更高的 可靠性。 ③在灾难来临时，由于其内在发电和局部负荷服务和管理能 力的多样性，微网可能提供一些解决方案，帮助电网恢 复。
我国主要是火电为调节容量，很小
在以火电为调节容量的情况下，“大规模远距离输送”无法实 现能源革命所必须的高比例可再生能源情景；
②在采用就地开发与消纳模式的情况下，采取多种改善措施后，风电和光伏发 电比例可以达到60%以上，非常接近2050年的高比例目标63%
改造火电机组，机组最小出力降 低至额定容量的20% 20台燃气机组替代8台超超临界机 组
③全社会成本分析表明，东部地区的“分布式光伏发电”的单位 电能供电成本已经或即将优于“集中式风火打捆和光伏火电打捆 +大规模远距离输送模式”的单位电能供电成本。
II.集成高比例分布式电源
分布 式储 能
分布式发电
需求侧管理
1）需求响应（需求侧管理）
①我国工业用电的节省潜力十分巨大。与此同时第三产 业负荷和居民负荷具有可平移负荷（电网友好用户）的 充分潜能，这种能力有助于降低电网的峰谷差率，和在 紧急情况下支援电网。为此需要开发需求响应。
注：互联电力系统理念与微网
I. 能源革命的实现高度依赖未来高比例、
分布式可再生能源的开发与利用
1)何谓高比例（>60%）可再生能源
可再生能源发电的长期目标 习近平主席于2015年的巴黎大会上承诺，2030年中国单位GDP二氧化碳排
放比2005年下降60%~65%。
---倒逼和可行
各类电量的构成
典型日机组组合调度分析