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配网无功调度增加了电网的灵活性

日期:2021-06-07    来源:输配电世界

国际电力网

2021
06/07
09:18
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关键词: 逆变器 电池储能 分布式能源

随着大量可再生资源整合到电网,实时地平衡电网供需变得更加复杂。今天,电网必须在越来越短的时间内预测需求,同时可控的大型发电机组越来越少,基于逆变器的能源(例如,光伏、电池储能和风能)却越来越多。受当地天气的影响,各种类型的可变可再生能源都有自己的间歇性发电模式。这种不可调度的性质与不断变化的负载模式(由交通电气化和供暖脱碳所驱动)相结合,使得当今电网的管理变得更加复杂。

分布式能源 (DER) 管理的智能化是电网效率的关键。Smarter Grid Solutions 和纽约州Rochester Gas & Electric (RG&E,AVANGRID Inc. 的子公司) 实施了一个试点项目,该项目使用来自分布式能源的可控无功功率来管理电压和无功,目标是以最有效的方式向客户输送电力。该项目的结果突出了研究现代动态电压管理技术与传统静态方法之间区别的重要性。

传统的电压支持方式依赖于变电站或传统电容器组提供的无功功率(蓝线)来为本地负载供电。

接入的问题

在将分布式能源连接到电网时,必须解决接入问题,需要获得必要的公用事业批准。在不需要重大系统升级情况下,可安全接入的分布式能源容量取决于馈线的电气特性。另一个问题是分布式能源快速增长时,配电网络拥塞随之而来。因此,高渗透率分布式能源配电网的电压管理将是非常关键的问题。

在联邦和州两级,都希望找到一种方法来聚合和利用分布式能源,以尽可能经济地解决电网级问题。可行的解决方案必须融合技术和经济因素,以采用务实和现代的方法来管理不断发展的电网。

从技术角度来看,如果分布式能源的接入方式不允许对其输出进行监控和管理,则可能需要进行昂贵的电网改造来保证在各种运行条件下都可以安全可靠地接入分布式能源。但是,如果对分布式能源进行智能管理,它们不仅可以相互连接,以进一步提高渗透率,同时还不会对电网造成不利影响。

为了挖掘分布式能源通过智能管理向电网提供服务的潜力,首先要构建分布式能源参与电网服务的模型,该模型可以提供正确的响应来解锁这些服务。从经济角度来看,后续步骤侧重于扩大公用事业收入来源并有效地将上述挑战转化为机遇的新商业模式。总之,这种分布式能源管理的技术经济优化可以为公用事业商业模式提供一个框架,以便随着新市场的发展而发展。

更多的分布式能源将导致更清洁、更灵活但也更复杂的电网。例如,许多现代分布式能源可用于输出无功功率,从而有助于管理电网上的电压和潮流。来自分布式能源的无功和电压服务的新业务模型可以成为充分释放分布式能源价值的解决方案的一部分。

Smarter Grid Solutions 和 AVANGRID 在纽约实施了一个试点项目,重点是使用无功功率调度进行配电网电压管理。

无功调度

传统上,配电网使用传统且动态性很低的无功解决方案(通常包括电容器组)来解决局部馈线电压管理问题。例如,如果馈线遇到欠压问题,则提供一个并联电容器以静态提供无功伏安 (VAR) 将有助于电压支持,无论外部条件如何,要么始终保持连接,要么基于季节性或日计划切换。

日益动态和分布式能源密集型电网为适应分布式能源的安全、可靠互连,可能需要对系统进行重大升级。例如,配电馈线的光伏 (PV) 渗透率很高,在白天,光伏主动向馈线注入电力,导致局部电压升高。现有的固定并联电容器会进一步升高电压,从而加剧了该问题,可能会导致失控的过电压。到了晚上,光伏发电量下降,电压曲线恢复到标称配置,电压由电容器组和其他在线电压调节器支持。

基于逆变器的分布式能源在设计时可以改变其输出的无功功率,而影响互连点的电压。如果启用此功能,分布式能源可能会替代现有的配电电容器组。

作为分布式能源管理系统(DERMS)所管理的电网服务,无功功率分配的工作原理是动态识别无功功率需求,然后直接从本地分布式能源满足电压无功需求。DERMS是实时控制平台,可实现对单个或聚合分布式能源的监控和操作,它们通常与现有的公用事业运营系统连接。尽管分布式能源通常是由第三方安装,并未深入了解电网的运行需求和分布式发电的影响,但DERMS的开发考虑了这些因素,并为公用事业提供了一个平台,可以在其电网上智能、可靠地管理各种分布式能源。

随着分布式能源渗透率的提高,公用事业公司将不得不应对全天急剧变化的电压曲线。除常规措施外,使用替代的无功调度来提供局部电压支持可以更有效地释放分布式能源能够为电网提供的服务。

模拟和实验室结果

Smarter Grid Solutions 和RG&E 在纽约实施了一个试点项目,重点是使用无功调度进行配电网电压管理。

首先是在 RG&E 的 Spencerport 线路上进行的模拟,该馈线已经具有 1.65 MVar 的固定电容器组,通过传统的提供恒定无功功率来提供电压支持;这将变电站的目标功率因数保持在 0.97 以及电压在所需的范围内。加入动态无功调度后,分布式能源能够满足当地无功功率需求,同时将电压保持在水平范围内,但这导致每年额外的 10.4 GVARh 总的无功功率上网。这些结果凸显了研究现代动态电压管理技术与传统静态方法之间互动的重要性。

在第二次试验中,停用固定电容器组,以分析仅依靠智能管理的分布式能源提供无功功率支持的影响。

使用无功调度,本地分布式能源可以动态提供无功功率以满足需求。

在第二次模拟中,停用固定电容器组,以分析仅依靠智能管理的分布式能源提供无功功率支持的影响。在这种情况下,分布式能源在变电站中动态支持电网将功率因数保持在0.97,从而有效地替代了电容器,消除了对电容器的需求,并避免了过多的无功功率上网。

随着停用电容器和无功功率调度的加入,变电站提供的无功功率量被最小化。

在这项模拟和实验室研究中电网的详细电气接线示意图,Spencerport 变电站和相关馈线。

对于有电容器的场景1和没有电容器的场景2,每小时平均从变电站流出无功功率。base case是正常运行,market case包括无功调度。

除了对无功功率调度影响的基于软件的时间序列研究外,该项目的一个关键组成部分是DERMS 支持的分布式能源故障安全运行管理实施的概念验证。随着局部有源网络管理 (ANM) 防故障逻辑的实施,DERMS 可以在模拟过电压期间采取干预控制措施。虽然在第二种情况下干预控制操作的平均次数减少了——不存在电容器造成的系统无功供过于求现象——但在这两种情况下,主动干预的防误(fail-safe)控制层操作都要防止过压的发生,以确保系统电压保持在额定范围内。

在清洁能源领域,此类项目展示了最佳的创新与敏捷合作,并提出有益的新方法和商业模式,这将有助于推动公用事业的发展。该试点展示了供应商和公用事业公司如何更有效地管理未来的配电网,以及如何实时优化分布式能源和电网运营,这是支持纽约州实现清洁、绿色未来的能源和脱碳目标的关键要素。

试点项目还构建了一个框架,为更好地管理不断变化的电网指明方向,而这一问题已在新冠大流行期间因快速变化的电力消费而涌现。从试点项目中学到的东西可以帮助塑造未来的电网,使其在满足供应(例如分布式能源的增长)和需求的不断变化的情况和趋势方面更加灵活和高效。

扩展解决方案

如果需要更广泛地部署这类解决方案,下一步不仅要继续接入和消纳分布式能源,还要将其运营整合到现有电网。公用事业公司可以通过利用 DERMS 来管理其分布式能源,使其持续为客户提供价值。

DERMS 可以提供主动干预式的防误逻辑来实时管理分布式能源。

AVANGRID 正在探索部署这项技术并扩大其使用的方法。DERMS 是 RG&E 2020 年分布式系统实施计划的关键部分,该计划展示了该公司将分布式能源整合到纽约电网的战略。AVANGRID 已经开始与Smarter Grid Solutions和其他技术提供商合作,通过在纽约的示范和试点项目实施有源网络管理和低成本测量、监测和控制 (MM&C) 等关键技术。从 2022 年开始,通过汲取试点项目的经验教训将用于例行实施这些技术,目标是到 2025 年实施功能齐全的DERMS系统。同时,AVANGRID 计划进行更多的现场概念验证试验以试点新的技术。

然而,在推广创新解决方案时,可能给电力行业带来新的问题,因为即使完成概念验证现场试验也需要大量投资。分阶段的开发验证使分析阶段与现场试验脱钩,最后形成业务常态才有助于避免事后遗憾。

因此,至关重要的是,将基于全面学习的解决方案直接构建为业务常态。密切关注每个阶段的业务案例开发,确保整个项目专注于客户价值和最务实的扩展方法进行交付。选择最佳技术和整体设计时要考虑到规模,并将重点放在大规模复制这一最终目标至关重要。

灵活、面向未来的系统

利用分布式能源是帮助实现净零目标和温室气体减排目标的第一步。通过不断创新和投资可带来更灵活、更具弹性的电网,电力公用事业需要更多的注意力来支持针对分布式能源的灵活性创新。能源系统需要继续创新以适应当前的趋势和未来的需求。

分布式能源管理的路线图涉及建立一个基础的防误配电平台,该平台为公用事业提供可视性和管理工具——因此它可以提供安全、可靠的服务——然后添加可以实现各种功能的其他电网服务,建立分布式能源参与模型。这方面的例子可能包括参与电力批发市场的经济和优化问题,以及用户侧和其他形式的基于公用事业的高级优化,这些优化建立在一套先进的技术、分析工具、系统之上,这些技术、分析工具和系统都是为实时操作而强化的。

电力行业正在试验如何最好地加速分布式能源的整合,这是一个新兴领域,需要满足政策和监管的目标。创建正确的激励措施以实现灵活和有弹性的系统非常重要。Smarter Grid Solutions 和 AVANGRID 都在朝着这些目标不断努力。

无功调度项目的另一个成果是分布式能源的分散管理还可以支持微电网的实施,它是跨 AVANGRID 服务区域弹性的、替代解决方案。对分布式能源管理和微电网的投资可以强化电网,并对发电和用电的变化做出快速响应。

分布式能源、无功调度以及随后更加分散的能源供应和微电网都将创建一个技术生态系统,通过创建一个可持续的、有弹性的、面向未来的能源系统应对气候变化,并为美国及其他地区用户和谐发展提供帮助。

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