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互联输电系统是若干个平衡区(即区域性输电网)互联起来的群集(clusters),每个平衡区是一个集群;每个区域性输电网是若干个配电网互联起来的群集,每个配电网是若干个微网、建筑单元组成的群集,每个微网又可以是由若干个建筑单元互联起来的群集,由此形成多层的群集层次结构。如果这个图扁平化,则形成群集嵌套。
与平衡区相似,每个集群都有发电或负荷、智能控制(能量管理系统)和通信功能。集群的基本功能包括:进行发电或负荷调度;当地的反馈控制,以用于平滑波动;通过削减发电或负荷来缓解故障。
分层分群的概念看似与当今的电力系统并无太大不同,但一个关键区别是,潮流不再只是从大型电力系统到用户的单向流动。首先,配电系统或大电网上的大多数节点乃至终端用户的电表都可以注入和输出功率,并且可以在这两个模式之间平稳地切换。其次,这些特点再加上不同规模的经济高效的储能,变革势在必行,其中至少要对配电系统运行进行变革。从大系统和批发市场运营商的角度来看,他们希望每个输电和配电接口都可以在充当负荷节点和充当供应节点之间切换运行方式。
美国西北太平洋国家实验室通过分层优化解耦研究,也确认了这种分层分群的电网体系结构。本质上,所有群协作作为一个常见的优化问题,定会产生必要的协调信号。在局部,每个群都可以使用协调框架内的本地目标和约束条件来执行优化。需要强调的是,上述分层分群的电网体系结构不需舍弃成功的能量管理系统或运行良好的输电系统的网络运行的做法,仅是使其变得更简单(对外围设备不承担任何责任)。
对能源清洁低碳转型有积极作用
虚拟电厂的概念与实践对分布式电源发展、能源清洁低碳转型有着积极意义。
电网被认为是20世纪最伟大的发明,而互联网则是21世纪最伟大的创新。互联网是智能的,可以轻松地适应接连不断的具有颠覆性的信息革命快速变化的情景。在新的电力时代,电网也将像互联网一样智能化。
互联网之所以智能,因为它是从全球互联网到局域网这样一个网络结构。这样一种分群分层方式的构造,使得网络责任分摊成为可能。每一个互联网子域的协议栈都是分层结构,有应用层、传输层、网络层、通信层。这些子网络的协议非常明确。明确的分工特别适合技术创新,所以互联网的智能化分布在整个网络的层次结构当中。
从互联网的发展经验来看,分层分群体系结构的电网具有与互联网一样的层次结构特点和运行范式,因而也会像互联网一样的智能。它特别适合未来电网发展,尤其体现在以下六个方面:
一是可以更好地利用多变的可再生能源,当可再生能源由当地利益相关者运营时,他们对资源的预测、计划和控制有更好的了解。二是可为生产型消费者赋权。生产型消费者将受到机制的激励,积极安装和运行高效设备,例如光伏发电系统、电池储能系统、电动汽车充电系统以及信息和通信系统等。三是与外围设备分担责任。在数字化时代,因为硬件变得越来越便宜,软件变得越来越智能,外围设备的智能化管理模式与电网运营商在管理其子电网方面相似。四是纳米电网、迷你电网和微电网的无缝集成。新范式的责任分担功能与当今的纳米电网、迷你电网和微电网的自治或半自治理念兼容,有助于它们的无缝集成。此外,允许群集的半自治运行能防止生产型消费者“逃离”电网。五是快速适应技术创新:分层分群的体系结构使整合创新技术变得容易。六是增强韧性和抵御不断增加的网络攻击。平衡区理念可把分布式电源的使用同来自电网的各种压力解耦,并提供一种可以更具体地应用于提升分布式电源容量系统韧性(且不降低配电的可靠性)的结构。在该结构下,大电网的运行部门不要求配电层次上任何详细的可观性,同时还可避免安全事故扩大化和网络安全漏洞。
从虚拟电厂的发展来看,如果一个配电区域发电量大于用电量,它就可以向输电系统运营商输出正功率;满足平衡区定义条件的虚拟电厂,如果同时遵守相同的运行规范,就可以助力保障未来超复杂电网的可靠性。如此,随着虚拟电厂的发展,就会逐步形成一个个相对独立的功率平衡区,从而加速分层分群电网体系结构的形成。因此,一定要把电网分层分群体系结构中的功率平衡区作为虚拟电厂的范式。
同时应明确以下三点:首先,平衡区的运行规范是平衡区内自行实现净功率平衡与优化,各平衡区间围绕总体目标进行协调。其次,虚拟电厂需满足平衡区定义中的条件,且最好遵守相同的运行规范,以确保未来超复杂电网的可靠责任。最后,监管结构、电网行业结构(包括市场结构)和控制、协调结构应保持一致。配电层次的虚拟电厂聚合的全部分布式电源,只能由一个当地的配电系统运营商(DSO)管理,且每个分布式电源都由当地配电网和大容量电力系统之间的单一接口进行电气定义。
(作者系中国工程院院士、天津大学教授;编辑整理:本刊记者赵卉寒)
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