能源互联网下的源网荷互动体系及应用

袁晓冬01背景和意义02互动体系03场景应用04总结22一、背景和意义电力系统结构的转变必要性可行性33电力系统结构的转变4火电/天然气核电水电核电CCCCCCCCCCC能量流断续的信息流...CCCC风电火电/天然气水电太阳能储能核电风电火电/天然气水电太阳能太阳能储能太阳能CC用户CCC用户C能量流风电持续的信息流电动汽车6能量流风电持续的信息流电动汽车77源•以风电、光伏发电为代表的可再生能源随源•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。必要性电力系统功率动态平衡能力亟待提高必要性•特高压直流传输容量大，一旦失去，将对大受端•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定运行造成的冲击。荷•大规模电动汽车随机充放电；•荷•大规模电动汽车随机充放电；•需求响应的大范围实施88必要性电网潮流时空分布特性更趋复杂必要性1分布式电源高渗透率2互动行为难以预知3电力双向潮流；局部电网潮流拥挤，窜动4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ll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；l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。l产生柔性负荷的概念：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、蓄能以及信息交互完善，源网荷可以感知自身信息和其他个体信息可行性源-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柔性电网增强了电网的可控性99可行性空调负荷已开展实践可行性近年来，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江苏2015年负荷利用小时数曲线20112012201320142015江苏近5年最高空调负荷变化趋势可行性空调负荷已开展实践可行性公共楼宇空调负荷参与电网需求响应的四个阶段刚主动刚性控制柔柔刚主动刚性控制柔柔并济控制虚拟调峰阶段（执行中）虚拟调峰阶段（执行中）有•调节出回水温度有•调节水阀开度•调整风量等•关停空调主机激励引导电价/激励型需求响应阶段（起步）•引导空调负荷转移合约下合约下紧急控制紧急需求响应阶段紧急需求响应阶段•事先签署备用合同•快速切断负荷•循环泵等可行性空调负荷已开展实践1有序削峰1有序削峰空调1楼宇1楼宇2电网负荷缺口电网运行曲线空调1楼宇1楼宇2电网负荷缺口电网运行曲线空调n楼宇n空调n可行性空调负荷已开展实践可行性连续调2连续调2虚拟调峰调节曲线方式一电网运行曲线楼宇1楼宇2楼宇1楼宇2楼宇n方式二空调1空调2空调n可行性空调负荷已开展实践可行性3电价激励引导楼宇1楼宇2空调2空调n楼宇n下发3电价激励引导楼宇1楼宇2空调2空调n楼宇n下发反馈方式一：电价机制（峰谷、尖峰）方式二：激励机制（可中断补偿）电网运行曲线电价激励方式公共楼宇群负荷电网运行曲线双向拟合负荷可行性空调负荷已开展实践4合约下紧急控制特高压故障电网扰动紧急调度特高压故障电网扰动紧急调度调度调度楼宇n空调1空调n紧急控制事件互联电网一键式控制紧急控制事件互联电网一键式控制公共楼宇群负荷可行性光伏高渗透下德国电网应对日全食可行性实际实际速调节可中断负荷有充足的系统备用电网的弹性恢复能力力/力/GW总共下降约830万千瓦光伏出光伏出下降约240万千瓦下降约240万千瓦0上升约1500万千瓦9:45-10:30下降约590万千瓦10:00时间l提前预测用户用电行为，大量民众外出观看日食景观，少量负荷因日食中断（减少约300万千瓦）l切可中断负荷，AGC（约290万千瓦）l根据需求响应，4家铝厂800MW负荷切出系统运行l位于图林根州的欧洲最大抽水蓄1000MW）l系统旋转备用投入约600MW铝厂重新并网、抽水蓄能电站调整运行l大量电力盈余，被其他邻国买走二、互动体系互动内涵技术框架调度架构网网网网网荷源荷源源荷随网动荷随源动源随源动网荷源荷源源—源-荷源源荷源源随荷动源源源一l多类型能源相关性互补一源随源动l广域互补源随源动l大型储能平滑波动源荷储能、储能、电动汽车等可调度的资源参与电网有功调节荷随源动资源参与电力供需平衡荷随源动荷l荷l可控刚性负荷l可调柔性负荷l需求侧响应负荷荷随网动l小概率高风险的备用容量不足荷随网动l线路或设备潮流越限网网网l小概率高风险的备用容量不足l线路或设备潮流越限网荷”柔性互动协调控制策略和技术控制时间特性“源-网-荷”特性及互动行为建模荷”柔性互动协调控制策略和技术控制时间特性“源-网-荷”特性及互动行为建模调节范围统一模型安全约束模型“源-网-荷”互动能力辨识构成构成柔性互动环境下的电网分析方法感知基础理论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-在“荷”侧，为了实现电动车集群、楼宇、家庭等的自律调控，分别有电动车集群EMS（V-T-EMSD-EMST-EMSW-EMSW-EMSH-EMSu-H-EMSP-P-EMS荷V-V-EMSB-EMSH-EMSnn集中式控制的示意图能量管理系统架构能量管理系统架构①集中式架构•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。•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。n集中式架构示意图能量管理系统架构能量管理系统架构②分布式架构•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•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•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器器洗机器、烘n分布式架构能量管理系统架构能量管理系统架构•负荷聚合商(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。调控中心...控制层负荷聚合商1协调层负荷聚合商1协调层负荷聚合商2电力系统负荷群1负荷群2负荷群1负荷群2本地响应层本地响应层n基于负荷聚合商的分层架构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模式为可中断负荷，直接投资小，通信和控制灵活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与电网调度没有直接通讯式适用电价价值或需求侧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与调度中心有通讯通道，适用任意调度模式。三、场景应用大型受端电网故障应急主动配电系统UPFC大规模源网荷友好互动系统投运，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。u2016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49.26Hz。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。电网大面积停电的风险始终存在大规模源网荷友好互动系统大规模源网荷友好互动系统应急模式-毫秒级负荷控制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。应急模式-毫秒级负荷控制故障感知优化决策协调控制负控系统需求侧响应虚拟虚拟态势感知态势感知微电网微电网互动优化协调控制互动优化协调控制泛在信息通信系统泛在信息通信系统通信信息网通信信息网安全与管控安全与管控统一信息建模统一信息建模大规模源网荷友好互动系统整体架构整体架构大规模源网荷友好互动系统总体功能总体功能主动配电系统2常规模式：通过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。故障感知优化决策协调控制故障感知优化决策协调控制负控系统需求侧响应态势感知态势感知虚拟微电网互动优化协调控制互动优化协调控制泛在信息通信系统泛在信息通信系统通信信息网通信信息网安全与管控安全与管控统一信息建模统一信息建模实验平台整体结构主动配电系统实验平台整体结构故障恢复与自愈 主动配电系统故障恢复与自愈ⅡDTUDTU8 ⅡDTUDTU8 8故障模拟器故障模拟器VSC1SC22TUTUTU互为支撑WP1VSG2V2G23负载SC1VSG1 模拟器模拟器8故障模拟器故障模拟器VSC1SC22TUTUTU互为支撑WP1VSG2V2G23负载SC1VSG1 模拟器模拟器VSC2TUTUTUTUⅢ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主动配电系统4444 主动配电系统UU88故障模拟器故障模拟器VSC2VSC1TUTUTUTUTUAC/DCAC/DCWP1新能源高渗透率配网消纳模式验证 主动配电系统UU88故障模拟器故障模拟器VSC2VSC1TUTUTUTUTUAC/DCAC/DCWP1SC2TUVSG2V2G2模拟器0.51模拟器负载SC1VSG10.51模拟器负载SC1VSG1主动配电系统交直流混供微电网运行控制主动配电系统UU故障模拟器故障模拟器SC2VSC1TUTUTUTUTUTUAC/DCAC/DCWP1UU故障模拟器故障模拟器SC2VSC1TUTUTUTUTUTUAC/DCAC/DCWP1VSC2VSG2V2G2模拟器负载SC1模拟器模拟器负载SC1模拟器VSG1虚拟同步机提高微电网惯性UU88故障模拟器 虚拟同步机提高微电网惯性UU88故障模拟器故障模拟器故障模拟器VSC2SCVSC2SC2VSC1TUTUTUTUTUAC/DCV2G2WP1模拟器负载SC1AC/DCTUVSC1TUTUTUTUTUAC/DCV2G2WP1模拟器负载SC1AC/DCTUVSG2模拟器VSG1电网友好型逆变器控制能力验证 主动配电系统电网友好型逆变器控制能力验证U88U88U故障模拟器故障模拟器故障模拟器SC2VSC1TUTUTUTUTU故障模拟器SC2VSC1TUTUTUTUTU1VSC2TUAC/DC2V2G2WP1AC/DC2V2G2WP1VSG2AC/DC模拟器模拟器负载SC1模拟器模拟器负载SC1VSG1主动配电系统双向充放电主动配电系统双向充放电11U8U88U故障模拟器2故障模拟器VSC1SC2TUTUTUTUTUWP18U故障模拟器2故障模拟器VSC1SC2TUTUTUTUTUWP1VSC2TUVSG2V2G2模拟器负载SC1模拟器负载SC1模拟器VSG1105.0105.0(2)稳态潮流控制效果0.00.0●●255.3(2)5468255.3(2)5468112.1(2)112.1(2)190190.23815160.1(2)322.5(2)363.9(2)2000.0(2)50.0110.0(2)Δ3815160.1(2)322.5(2)363.9(2)2000.0(2)50.0110.0(2)Δ553.8(2)721.8(2)155.1(2)