深度解析！未来电力系统十大关键技术及挑战

2016年8月21～26日，第46届国际大电网委员会（CIGRE）年会在法国巴黎召开，超过3000位代表出席了会议，其中来自中国的参会代表有80多位。大会以主旨报告《电力大变革—未来电力系统》作为开始，并以“分布式发电对大容量电网影响的全球视角”为主题召开了开幕论坛。CIGRE2016提出了两个大方向：一是未来电力系统发展趋势及动向；另一个是如何充分尽限利用现有的系统。

CIGRE2016的主旨报告《电力大变革—未来电力系统》指出，各种各样的因素正推动着全球能源系统向着面对不同挑战风险、不同管理方式、不同条件状况的资源–市场混合型模式转变。这些因素主要包括：

（1）国际和国家层面的政策鼓励低碳生产、可再生能源（RES）的使用以及能源的高效利用。

（2）将可再生能源（RES）和分布式电源（DG）接入配电网。

（3）配电网中日益增加的用户和由此引起的对电网的需求。

（4）信息与通信技术（ICT）的进步。

（5）电网全寿命周期更新投资的需要。

（6）利用基于市场的方法控制电网阻塞的必要性。

（7）市场规划与管理机制向着公平、成本效益最好的方法演变。

（8）现有及新建设施的稳定性、持续性及其对环境的影响。

（9）世界上仍有大量的人口用电不足的问题亟待解决。

上述因素可能促使电网在2020年及以后（甚至到2040年），向着以下两种模式发展：

（1）互联大电网：在负荷区域和大型集中式可再生发电站之间传输大功率的互联大电网的重要性不断提升。应用大电网联接不同国家的能源市场。

（2）主动配电网：大量小型及大型包含分散式发电厂、储能、有功用户参与的自我供给配电网的簇拥出现，导致必须采用主动配电网对有功和无功进行管理。

未来的电网发展中，大型能源网络越发重要，同时小型微电网也蓬勃发展，它们相辅相成，共同发展。未来，不同地区的电网中将会出现不同的能源组合，以往的用电方也可以成为发电方，因此电网必须更加智能可控，要实现双向负荷流的管理。由于大量互联电网的加入，主动配电网被视为解决日益突出的环保、经济、可靠等问题的方法，因此未来电力系统很可能以上述两类模式的混合形式出现。

一 未来电力系统十大关键技术及相关挑战

（1）主动配电网将导致在配电网电压等级和更高电压等级网络中产生双向潮流与数据流，如何建立合理的智能控制技术来实现大量小型电源之间的协调是一项新的技术挑战。

首先需要获取数据信息（配电网自动化、家庭能源管理以及电动汽车的数据信息），这就需要安装大量的智能电表和需求侧响应电表。同时，还需要研究合理的配电网结构以确保其能够为当地的能量平衡提供更好的保障。另外，由于市场和制度正潜移默化地向着高效管理、公平公正、成本回收的方向进化，以市场为导向的分布式发电（如虚拟电厂）控制技术也是应对该项挑战的可能方法之一。

（2）先进测量与监测设备的使用以及对信息交换的大量需求，对传感技术及大数据处理技术提出了新的要求。

1）在系统的运行、保护、检修以及全寿命管理等过程中需要新的量测参数、网架信息、通信技术以及相关的新式算法。

2）交换数据的识别及其相关需求，例如数据的可靠性、安全性等。

3）故障恢复与转供规划方法。

4）网络安全与准入控制：网络安全、信安全等问题。

（3）在各电压等级下直流技术与电力电子（PE）应用的增长及其在电能质量、系统控制、系统安全以及系统标准化方面的影响。传统的电路理论不能简单地直接用于分析交直流混合电网和含有大量电力电子设备的微电网，需要做更多新技术的相关研究。

1）计及高压直流（HVDC）和PE系统控制模型的交流电网性能的研究。

2）在HVDC和PE运行过程中，交流和直流谐波过滤器所产生的谐波失真管理，以及由于电力电子用户日益增加所产生谐波污染的去除。

3）在交流电网发生故障时，直流和基于PE的发电站在动态响应及性能方面较传统发电厂和交流线路有着显著的区别。许多情况下，如何选用适当的设计和控制方法，从而大大增强全网的可靠性是需要考虑的重要问题。

4）高压直流电网是一种与传统电网在动态响应和性能上皆有着明显不同的全新电网形式。建立完善的HVDC电网，需要灵活使用制造业的各种设备，并逐步完善各项标准和网络节点。

5）高压直流电网是一种全新电网形式。为了使其逐步的建立起来，需要建立相应的标准以及电网技术准则（gridcodes）。同时，不同制造商提供的设备也应该具有互换性。

6）如何满足日益增长的终端直流供电的需求（例如居民用户和商业建筑等）也是挑战之一。

（4）储能系统中重要设备的发展及其对电力系统运行发展的影响。

为实现分布式能源之间的协调，储能系统发挥着越来越重要的作用，同时也带来了许多技术问题。

1）建设问题：先进材料、安装成本和建设成本的下降、环境影响的降低、充放电周期效率的提升、重量减轻且尺寸密度的提升以及全寿命周期评价模型的研发等。

2）运行和网络问题：各电压等级下储能的影响、静态稳定建模和动态仿真、充放电管理、与RES联合运行的混合系统、孤岛管理、削峰能力，以及需求侧管理技术协调运行等。

3）抽水蓄能和电池储能的协调发展。

（5）针对系统运行、系统控制和市场/法规规划，建立计及主动用户与不同发电形式间相互作用的新概念。

1）发电站随机组合以及柔性负荷和储能导致的负荷变动所带来的运行挑战。包括：功率平衡、阻塞管理、市场规划和规范机制的改进，以及促进含用户和RES参与的电力市场、有功无功储备和风险管理等。

2）输电系统中电力电子整合技术，如含HVDC线路的内部互联系统会对可靠性、电力市场整合与控制以及电力系统动态性能带来挑战。

3）各大洲、各国、各地区电力系统控制的发展：输电系统运行人员（TSO）、配电系统运行人员（DSO）、电力市场运行人员、能源服务商以及其他相关人员之间都需要共同协作。应当了解全网的地位、各系统间的界限，信息交互以及生产和负荷中心TSO、DSO及其他相关人员间的可操作接口。

4）自动化水平的提升：新开发软件的工具可以快速地确定系统在整个网络中的状态，其可提供决策支持，并为系统运行、自动化结构以及电气参数的调整、转供自动化、事故恢复等提供警示。

5）应确保系统运行人员相关培训和具有相应资质。