源网荷理论分析

源网荷理论分析 Hessen was revised in January 20211、关于源网荷概念的梳理，即主动配电网的源、网、荷分别指的哪些元素，哪些属于源哪些属于网哪些属于荷，并附上简表或者VISIO图。

1、源网荷相关概念在主动式配电网中，“源网荷”协调优化是指电源、负荷、电网三者间通过多种交互形式，实现更经济、高效和安全地提高电力系统功率动态平衡的能力的目标。

“源网荷”协调优化本质上是一种能够实现能源资源最大化利用的运行模式。

主动式配电网源网荷协同优化中的源主要指分布式电源、上级电源、微电网和储能等。

其中分布式电源主要有以下几种：1）风力发电风力发电机（Wind Generator，WG）利用地球表面的风能带动感应电机旋转而发电。

风能环保可再生、全球可行、储量丰富、成本低且规模效益显着，而且风力电机发电技术实现相对简单、建设周期较短、技术比较成熟，可以用来提供海岛以及偏远山区等区域的电力需求，目前风能已经成为发展速度最快的新能源之一。

分布式风力发电机主要包括三种形式：第一种为离网式风力发电方式，独立运行，一般为小型用户使用。

第二种为融合其它发电方式，主要为海上导航使用，如风光互补发电方式。

第三种为并网发电方式，将多台风机装设在风力资源丰富的风场，组成风力发电机群向网络供电，是目前大量利用风能的主要方式。

2）光伏发电：光伏发电利用光生伏特效应，采用太阳能电池板将太阳能转变成电能。

太阳能是所有可再生能源中最为丰富和不受地域限制的一种，其安装灵活方便，是可再生能源系统的重要组成部分。

并网光伏发电设备是太阳能发电的主流发展趋势，国外已经步入大规模应用的阶段，它是光伏发电走向商业化发电模式的重要方向。

光伏发电设备主要由电池板、控制器和逆变器三个模块组成，发电设备安装维护简便、装置简单、使用寿命较长。

光伏发电设备可分为三种类型：第一种是独立光伏发电设备，只依靠太阳能电池板进行供电。

第二种是并网光伏发电设备，电池板产生的直流电由逆变器转变为交流电，送入电网，并网运行。

第三种是混合型光伏发电设备，在光伏电池板所发的电量不够，或者储能电池储存电量不够的时候，启动备用发电机运行，对交流负载进行供电，或者经过整流装置向储能电池充电。

3）微型燃气轮机微型燃气轮机是一种小型的热力发动机，由微型燃气轮机、高速交流发电机、高效回流换热器电力变换控制器等模块组成，燃料可以有多种，如天然气、汽油、甲烷、柴油等。

微型燃气轮机具有维护少、运行控制灵活、适用于多种燃料、安全可靠等优点，是较为理想的DG。

在所有的DG 类型中，微型燃气轮机是技术最为成熟，可靠性最高的一种，具有一定的商业竞争力。

4）燃料电池燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。

按照采用的电解质的类型来分,燃料电池大致可以分为六种:质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。

5）生物质发电生物质能发电主要利用农业、林业和工业废弃物、甚至为原料，采取直接燃烧或气化等方式发电，包括农林废弃物直接燃烧发电、农林废弃物气化发电、、垃圾填埋气发电、。

储能具有充电和放电的双重特性，目前在配电网中应用较为成熟的储能技术有：蓄电池储能、超级电容器、飞轮储能、抽水蓄能、压缩空气储能等。

在配电网中应用最广泛，技术最成熟，容量也是比较大的储能方式是蓄电池储能。

通常来讲，蓄电池主要有以下几种：液流电池、锂电池、铅酸蓄电池和钠硫电池等，它们目前都已经广泛应用在配电系统中了。

但是，蓄电池一般体积比较大，寿命也较短，在充放电过程中受环境温度的影响很大，频繁的充放电也会严重影响蓄电池的使用寿命，而且报废的蓄电池会在一定程度上污染环境。

将分布式发电供能系统以微电网的形式接入主动配电网并网运行，通过主动配电网与大电网并联运行，并与大电网互为支撑，能最有效地发挥分布式发电供能系统效能。

与传统配电网一样，源网荷协调的主动式配电网也需要向上一级电网主要是（110KV）购电，上级电网也是源的主要组成部分之一。

通过源网荷的协同配合增大分布式电源的接入率从而减小向上级电网的购电费用也是源网荷协同的主要目的之一。

添加储能，微网，上级电网（110KV）的介绍主动式配电网源网荷协同优化中的网的部分主要是：有载调压变压器（OLTC）抽头、馈线调压器、出线开关、分段/联络开关和无功电压调节器等电网侧控制设备。

电网作为主动式配电网协调优化的中间层，负责电能的输送，并保证电能质量和供电可靠性。

其中可调可控的设备有：1）有载调压变抽头：调节 OLTC 一次侧的可变抽头位置，能够控制电网中的电压，使网络节点的电压控制在安全范围内。

2）无功补偿装置：在 DG 接入点通过投切无功补偿设备来吸收或者放出无功来改变网络无功分布，能够达到改善配电网潮流分布和电压水平的目的。

3）馈线调压器：SVR馈线自动调压器主要有、、智能控制器三部分构成，通过有载分接开关，调节变比来实现自动，使网络节点的电压控制在安全范围内。

4）出线开关、分段/联络开关：通过合理调节出线开关、分段/联络开关，对网络的潮流分布进行控制,达到提高节点电压质量、降低网络损耗等目标。

添加其他网部分的介绍而荷主要有以下几种：1）储能电池等柔性负荷；2）电动汽车充电设施，一般分为三类：（1）分散式交流充电桩，多用于居民小区、公共停车场等，采用慢充方式；（2）常规充电站，采用中速或快速充电；（3）大型充（换）电站，除基本充电功能外还可提供动力电池更换和配送服务，可以向电网回馈电能（V2G）并参与负荷峰谷调节；3）其他可控/可调负荷，可分为3类：（1）可平移负荷，指不可中断、可延迟类的负荷，例如洗衣机等，其负荷形状和总量不可改变。

（2）可计划负2、源网荷协调优化的重点及研究方向1）高渗透率DERs接入条件下的调度控制模型相对于传统电网的优化调度，主动配电系统的调度控制模型的控制变量、约束条件以及目标函数都发生了深刻变化。

主动配电系统可调度的变量不仅包括可控分布式电源，还包括储能系统、可控负荷、配电网中的可控单元(如联络开关、有载调压变压器等)。

传统运行控制往往以某一时刻的运行经济性最优为目标，而在主动配电系统中，优化目标需要转变为对整个调度周期运行经济性的优化；相应的技术约束条件也更多，除了传统的功率平衡约束、潮流约束、电源发电功率限制等约束外，还需要考虑分布式电源出力与负荷的不确定性，以及储能系统的容量约束与充放电过程中的能量守恒。

因此，需要研发适应大规模波动性分布式发电和不确定负荷综合的主动配电网感知系统和调度控制模型。

2）源网荷协调的电压控制技术分布式发电的大规模接入将改变配电系统的电压水平，给配电系统的无功电压控制带来严峻挑战。

无功电压的优化控制是主动配电系统控制技术的重要内容。

通过对电网中全电压等级的无功资源的优化选择和控制，实现网络上的无功潮流最优，保证分布式电源大规模接入下系统的电压水平稳定在规定范围内，在必要的时候可以调节高压侧或低压侧有载调压变压器分接头的位置。

在电压控制中，还需要考虑网络拓扑变化以及分布式发电及需求侧资源短期、超短期的变化趋势。

3）主动配电系统的态势感知技术配电网中分布式电源数量众多，难以对所有分布式电源的电气量进行在线量测，需要发展基于高预测精度的超短期分布式电源出力与负荷预测的主动配电系统态势感知技术。

其特点是综合利用多类型时空尺度观测信息，融合来自智能电表、综合测量单元、同步测量单元等多方面的信息资源，并结合分布式电源出力与负荷预测的结果，从庞大的电网运行信息中提取有用信息，实现对配电系统运行状况的实时跟踪，从而使电网的安全管理从被动变为主动。

4）高渗透率DER下的新型配电网保护高渗透率 DER 下的新型配电网保护主要是研发相关的控制理论及系统，解决在高渗透率 DER系统中如何快速判断故障产生的原因及范围，根据仿真分析生成控制策略，并解决如何采用智能系统实现系统的自愈，实现高度智能化的电网调度控制，保证同电网的有效衔接与安全的电力供应。

5）主动配电系统源/网/荷的协调控制技术主动配电系统源/网/荷的协调控制技术属于系统运行优化层面的内容。

该技术融合需求管理特性，综合考虑分布式电源、储能系统、柔性负荷的多时间尺度互补特性以及电价、气象预测、负荷预测等信息，对分布式电源、储能系统、柔性负荷以及配电网可控单元进行综合协调优化控制，在满足安全性、可靠性和供电质量的同时，充分发挥储能的快速功率吞吐能力和柔性负荷的调节作用，提高主动配电网的主动控制能力和运行经济性，提高配电系统中的可再生能源的利用效率，促进分布式电源的就地接纳。

2、“源—网—荷”协调优化需解决的问题未来电网中，电源、电网和负荷间的构成形式、响应范围和交互模式较目前电网更趋复杂，对电网调度控制和安全稳定运行将产生多方面的深远影响。

如果控制得当，电源、电网、负荷的互动将成为一种柔性的良性互动，从而大大提升电力系统功率动态平衡能力，适应未来智能电网的发展需求。

但要达到“源—网—荷”互动这一理想境界，将面临诸多挑战，目前需要解决的问题主要有如下几个：1）电力系统功率动态平衡能力亟待提高。

电力系统是一个发用电必须随时保持动态平衡的系统。

以风电、光伏发电为代表的可再生能源具有随机性、间歇性和波动性特点，在机组特性、发电方式上与传统发电机组差别很大。

大规模电动汽车随机充放电和需求响应的大范围实施将会增加功率平衡难度。

因此，在满足新能源规模化接入前提下，如何保障电网的实时动态功率平衡，是实现“源—网—荷”互动面临的重大挑战。

2）在能源开发利用方式上，可再生能源（如风电、光伏发电）具有随机性、间歇性和波动性特点，在满足新能源规模化接入前提下，需要保实现多元能源系统间的良性互动和各种资源的综合高效优化利用；3）电网潮流时空分布特性更趋复杂。

主动配电网将呈现分布式电源高渗透率、互动行为难以预知、电力双向交换、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等特征，间歇性电源出力的随机性、复杂负荷响应单独及综合作用等都将导致电网的潮流分布特性呈现新的特征，如不加以合理控制，将会引起大范围潮流波动，对电网调峰、调频、调压和断面潮流控制产生较大影响。

4）电网分析基础理论有待发展。

随着电源、电网、负荷自身特性的变化以及相互间互动能力的发展，目前基于确定性理论的分析方法将难以满足新的需求，这同时也对进一步发展和应用基于不确定性理论的分析方法提出了新的要求。

5）电网运行调控准则和策略需要更新。

随着电网的不断发展，未来电网存在海量的分布式电源／微网和可控负荷，基于分散自治的分布式控制是未来极具应用前景的控制模式。

这种模式具有投资小、通信和控制灵活的优势，但由于只反馈本地可观测量，难以体现系统控制的整体性，因此，需充分发挥分布式控制的自组织、自适应能力强和集中控制的全局协调能力强这二者的优点，实现电网运行和控制的高效、有序和互动。