源网荷理论分析.docx

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源网荷理论分析

源网荷理论分析

（1）（总9页）

1、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（WindGenerator，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著，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（FuelCell）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、甚至城市垃圾为原料，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、垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发电、沼气发电。

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自耦变压器、有载分接开关、智能控制器三部分构成，通过有载分接开关，调节变压器变比来实现自动有载调压，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）可计划负荷，指可中断、可延迟类负荷，例如充电汽车、HVAC等，某一时段的形状和大小可削减。

（3）混合特性负荷，指在不同情况下具备多种属性的负荷，例如热水器，在水量处于上下限之间时，属于可计划类负荷（可中断、可延迟），其负荷形状可改变（目标水温可调），一旦水量低于下限，因为添水导致与目标温度偏差值越限，为保证用户舒适度，通常此时热水器会立即启动，其属性变为基线负荷（强制负荷）。

源网荷协调优化主要组成部分如图1所示：

图1源网荷协调优化主要组成部分

2、源网荷协调优化的重点及研究方向、解决的问题、提升措施（重点）、预期达到的效果。

（尽可能详实）

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。

由于“源—网—荷”互动实现了电源、电网和负荷全局的资源调节，一方面增加了电网调频的新手段，另一方面则可能会增大网际联络线交换功率的偏离程度，现有的传统有功功率就地平衡模式将不再适应“

源—网—荷”互动，需要改变原有的联络线功率控制准则，采用满足“源—网—荷”互动环境需要的控制模式和策略。

6）电网安全评估及稳定控制方法尚需提升。

在“源—网—荷”互动过程，电网运行状态和潮流分布的随机性、波动性加强，电网可能趋于某种临界状态，新的扰动可能引起复杂连锁故障的发生；随着电力电子器件在电力系统中的广泛应用，可能出现局部电网转动惯量降低的趋势，使得电网的动态稳定特性发生改变，电网安全和系统稳定问题变得更加复杂，对计及不确定性因素的安全稳定机理和安全风险评估及控制方法提出了更高要求。

7）在能源消费结构上，具有与电网双向互动能力的电动汽车将改变现有负荷特性，使得电力用户同时也会成为电力供应方；储能的大量应用将给电网生产主要环节带来重大影响。

3、提升措施

针对以上存在的问题，可以考虑从以下四个方面来进行提升：

（1）主动规划

与传统的配电网规划设计方法侧重于一次电网架构的确定与变压器容量的选择不同，在源网荷协调的配电网规划中强调规划、建设和运行的完整性、统一性，强调在规划设计阶段，就充分考虑配电网自动化、通信和配电管理系统对改善配电网运行性能所发挥的重大作用，强调协调统一地规划建设坚强可靠的一次电网架构、深度协同的二次自动化系统与功能强大的智能决策支持系统，实现三位一体的协同规划，这是主动规划的第一层涵义。

主动规划的第二层涵义体现在对分布式可再生能源的态度上，对于电网公司而言，分布式发电由于其随机性、波动性、不可控性常常被认为是“垃圾”电。

更重要的是，由于其大多建在用户侧，采用“自发自用、余电上网”的分布式电源鼓励政策，分布式发电享受的是零售端的上网电价，使得电网公司的售电收益受到极大的影响。

对于分布式发电，在传统配电网中，通常采取“接入即忘”的态度，认为分布式发电渗透率较低，对电网运行影响不大，在规划阶段，只对其进行简单的接入评价，在系统运行阶段，把这些分布式电源看作是正常的扰动，作为负荷处理，不采取任何特别措施。

国内外研究表明，这种被动型的配电网对分布式能源的接纳能力不会大于10%。

当分布式能源大于这一比例时，为了克服高渗透率分布式发电间歇性、随机性所带来的功率双向流动、电压波动加大、电能质量问题突出等负面影响，需要在规划设计阶段就对配电网中的电源和负荷进行主动规划。

主动规划强调由配电网规划设计单位主动对区域内的分布式可再生能源发电能力进行主动评估，掌握区域内分布式可再生发电的资源，主动规划设计分布式电源的接入点，主动评估配电网在消纳不同渗透率下的接纳能力，在消纳能力不足时，对配电网主动进行必要的、前瞻性的改造，确保所有的分布式可再生能源发电可以安全经济地并网。

（2）主动控制

主动控制理论是主动配电网的理论基础。

从控制理论上讲，传统的被动控制是出现问题、解决问题，缺乏预见性，没有全局优化的概念；与被动控制相反，主动控制预先分析目标偏离的可能性，并拟订和采取一系列的预防性控制措施，通过提前感知、系统控制，达到统筹优化的目的，最终实现计划目标。

在配电网实时运行控制过程中，调控中心必须实时掌握电网的实际运行信息，了解电网中每条线路的负载情况，当电网中出现阻塞时，可以通过主动控制网络结构和网络中的可控设备、各种可控的发电与需求响应负荷，疏解电网中线路的负载情况，达到既保证电网运行安全性，又确保电网运行稳定性的目的。

（3）主动管理

在配电网运行过程中，充分利用主动配电网中的“冷热电”三联供、分布式储能、电压调节负荷、需求响应负荷、生物质发电平抑光伏发电的随机性、波动性，通过与电网运行态势的密切互动，达到全额消纳可再生能源发电的目标。

（4）主动服务

主动服务包括，可以为客户提供定制电力服务，根据客户需要提供满足其需求的、可以选择的高品质电能服务；为客户积极参与需求响应、改善能效提供技术支撑；充分利用主动配电网中的可控资源，为上级电网提供电能、在线备用等服务，从而实现配电网与客户配电网与上级电网之间全面的互动互惠。

4、预期的目标

通过源网荷综合协同优化，可以优化分布式电源接入点、容量、类型，变电站/馈线改扩建，无功电源位置、容量等要素，实现如下目标:

1）通过源网荷的协调控制可以提高分布式电源利用小时数，提高配电网清洁能源消纳能力。

2）通过源网荷的协调控制可以减少配电线路阻塞，降低配电线路网损，延缓配电网线路升级，降低配电系统运行成本。

3）提高分布式电源的渗透率的同时，可以通过主动控制网络结构和网络中的可控设备、各种可控的发电与需求响应负荷，疏解电网中线路的负载情况，保证配网的安全稳定运行。

4）通过分布式电源的无功调节能力控制配电网的潮流，从而控制和改善配电网的电压，一定程度上解决配网电压越限问题。

5）通过分布式电源的孤岛运行和配电网的重构提高主动式配电网的可靠性，提升用户满意度。