4 فناوری کلیدی شبکه هوشمند برای سیستم برق جدید: نوآوری‌ها در شبکه‌های توزیع

Edwiin

ميدان: کلید برق

China

1. نوین مواد و تجهیزات و مدیریت دارایی

1.1 تحقیق و توسعه نوین مواد و قطعات جدید

انواع مختلف مواد جدید به عنوان حامل‌های مستقیم برای تبدیل انرژی، انتقال برق و کنترل عملیات در سیستم‌های توزیع و مصرف برق جدید عمل می‌کنند و به طور مستقیم کارایی عملیاتی، امنیت، قابلیت اطمینان و هزینه‌های سیستم را تعیین می‌کنند. به عنوان مثال:

مواد رسانای جدید می‌توانند مصرف انرژی را کاهش دهند و مشکلاتی مانند کمبود انرژی و آلودگی محیط زیست را حل کنند.
مواد مغناطیسی الکتریکی پیشرفته که در سنسورهای شبکه هوشمند استفاده می‌شوند، به بهبود قابلیت اطمینان عملیات سیستم کمک می‌کنند.
مواد عایق جدید و ساختارهای عایق می‌توانند مشکلات متداول ناشی از ادغام تجهیزات الکترونیکی قدرت را حل کنند.
دستگاه‌های رادیویی میکروویو نسل بعدی و دستگاه‌های الکترونیکی قدرت که بر اساس مواد نیمه‌رسانا جدید (مثل نیترید گالیوم (GaN) و کربید سیلیسیم (SiC)) توسعه یافته‌اند، می‌توانند پشتیبانی فنی برای صرفه‌جویی در انرژی و کاهش مصرف در زمینه‌های ارتباطات و الکترونیک ارائه دهند.

1.2 تحقیق و توسعه تجهیزات برق جدید و تسهیلات مصرف برق

از نظر محصولات خاص جدید، شرکت‌ها تجهیزات الکترونیکی برق جدید را توسعه می‌دهند—به ویژه سوئیچ‌های نرم معمولاً باز. با کنترل جریان‌های فعال و غیرفعال روی خطوط تغذیه متصل، این دستگاه‌ها عملکردهایی مانند تعادل برق، بهبود ولتاژ، انتقال بار و محدود کردن جریان خطا را انجام می‌دهند.

در موج اینترنت انرژی، یکپارچه‌سازی فناوری‌های جدید برای رسیدن به "عملکرد + 监控+电子化+数字化+人工智能"使企业能够从低端模仿转向高端制造，从单一产品扩展到综合解决方案，并从制造工厂转变为创新驱动的设施。这使得低压电气设备制造和创新为低碳化、数字化和可持续发展做出贡献。

1.3 全生命周期电力设备资产管理技术

新型配电和用电系统涉及各种新型电力设备和用电设备，因此对配电设备的全生命周期管理和生态设计非常重要。必须确保所有设备的安全运行同时实现经济效益。

全生命周期运维涵盖采购需求阶段、设备验收阶段、生产和运营阶段以及退役阶段。在资产管理中，应实施集成设计以确保数据共享和优化管理。应整合“互联网+”等技术以扩大管理范围并提高管理效率。

2. 分布式发电与微电网技术

2.1 分布式新能源发电技术

2.1.1 高效经济的新能源及可再生能源开发技术

随着新能源开发技术的进步，一些可再生能源（如风能和太阳能）已达到较高的应用水平，并在配电系统中占据主导地位。然而，开发新材料和低成本高效率的光伏板集成技术仍然至关重要。

同时，还需要进一步推广其他能源（如氢能、地热能和生物质能）的发展。例如氢气生产-储存-运输技术、多级地热利用技术和生物燃料技术。

此外，集中式和分布式新能源的协调发展可以减少输电损耗，提高新能源利用率，增强电网对新能源的吸纳能力，从而带来更好的社会经济效益。

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2.2 分布式能源规划技术

解决分布式能源所有权的规划和优化的关键在于打破不同实体之间的信息通信壁垒和调度协调壁垒。

从技术角度来看，在规划阶段必须考虑更多的技术约束，包括电压等级、短路电流水平和电能质量（闪烁、谐波）。

从数学角度来看，涉及多目标和多不确定性组合优化的规划方法非常复杂。因此，整合资源和运营的多目标优化规划至关重要。

此外，还应注意：对具有分布式能源的系统进行网络分析和评估；研究配电系统和通信网络的集成和最优规划；开发综合可靠性、风险和经济分析的模型和仿真工具。

2.3 分布式新能源发电的主动支持技术

分布式发电不仅需要在一定范围内调整频率和电压，还需要抑制频率和电压的快速变化。

目前，一些学者提出了一种“惯性-刚度补偿器”，当系统出现功率缺额时，该补偿器能使分布式发电提供瞬时频率和电压支持。通过功率阶跃变化期间提供的有功功率补偿来定量表达分布式发电的频率惯性支持能力，为制定后续并网标准提供了依据。

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2.4 分布式新能源发电输出预测技术

分布式新能源发电具有广泛的空间分布、复杂的周边微气象特征以及建筑物和人类活动对其影响显著的特点，使得输出预测变得困难。

目前对分布式新能源发电输出的研究主要集中在利用天气预报和气候条件进行发电预测上，过度强调自然条件对新能源输出的影响，缺乏对分布式发电空间分布特性和与人类社会活动相关的因素的考虑。

2.5 分布式新能源发电集群控制技术

分布式控制是高渗透率新能源配电系统中分布式发电的理想集群控制方法。

目前，对分布式新能源发电集群控制技术的研究仍处于起步阶段。相关成果主要集中在单个发电装置的控制上，很少考虑多个通过并网逆变器连接到系统的新能源发电装置的协调控制策略。

关键问题仍未解决：功率阶跃变化期间多个逆变器之间的不平衡功率分配机制；多时间尺度控制策略的交互机制；以及当配电线路电阻不可忽略时，传统的下垂控制（基于有功功率-频率和无功功率-电压特性曲线）不足，导致分布式发电无法参与一次频率和电压调节。

2.6 分布式储能技术

从电力角度来看，新型配电系统的静态和动态问题本质上是在不同时间尺度上的功率不平衡问题：

在相对较长的时间尺度（如高峰负荷期间），发电侧和负荷侧之间的功率不平衡导致了诸如峰谷差等静态问题。
在相对较短的时间尺度（从功率阶跃变化到一次频率/电压调节激活），电力电子设备缺乏同步发电机的转子惯性，无法支持系统应对功率不平衡，导致系统稳定性降低和电能质量恶化。

分布式储能技术为解决不同时间尺度上的功率不平衡引起的静态和动态问题提供了一个可行的解决方案。

2.6.1 储能削峰填谷和调频技术

以分布式抽水蓄能、液流电池、锂离子电池和冷/热储能技术为代表的能量型储能可以消除负荷峰值，削峰填谷，平滑波动，并与充电桩协同运行以减轻充电功率冲击，从而提高配电设备的利用率。

储能削峰填谷和调频技术对储能系统在容量、响应速度、成本、安全性和功率/能量密度等方面提出了很高的要求。单一储能类型难以满足这些要求，因此有必要研究具有综合优势的混合储能技术。

2.6.2 稳定性和电能质量提升技术

分布式储能技术为提高新型配电系统的稳定性和电能质量提供了一个可行的解决方案。

一些学者提出了一种将储能系统与并网逆变器控制策略相结合的方法，使分布式发电能够为系统提供动态稳定性支持。随着电力电子设备的大规模集成减少了系统惯性，结合储能的并网逆变器将成为提高系统动态稳定性的重要手段。

此外，以超级电容器为代表的功率型储能具有快速响应能力，在提高配电系统电能质量方面发挥着关键作用。目前，大容量、安全且经济的分布式储能技术尚未成熟应用，无法完全满足大规模增量负荷的削峰需求。

2.6.3 微电网技术

在微电网层面考虑各种分布式资源的协调控制，并将微电网视为外部的电压/电流源，可以简化配电系统中的频率和电压稳定性控制。

在微电网集群层面考虑功率互助和调度优化，可以利用不同区域的新能源和负荷的互补特性，解决分布式发电输出波动和峰谷差等经济调度问题。

2.6.4 新能源微电网的频率和电压动态稳定性技术

作为相对独立和自主的区域，新能源微电网面临类似于配电系统的动态稳定性问题。

一些学者提出了一种虚拟同步发电机（VSG）控制策略。VSG是一种常见的控制方法，用于提高分布式发电的动态频率和电压支持能力。其核心思想是控制并网逆变器模拟同步发电机的外部特性（有功功率-频率和无功功率-电压）。

传统VSG技术模拟的同步发电机的虚拟惯性和阻尼通常是固定的。在不同类型功率扰动下，固定的惯性参数无法满足微电网频率动态调节的稳定性和快速性要求。

基于上述考虑，一些学者提出了自适应虚拟惯性控制技术。此外，其他学者通过改进传统下垂控制提出了广义下垂控制技术，将二次频率控制纳入传统下垂控制，以模拟惯性和阻尼特性。

2.6.5 微电网集群的宏观控制技术

微电网集群的运行和控制中的关键问题包括如何实现多个微电网的统一调控以及如何实现功率互助和优化运行。

一些学者提出了微电网集群的四层控制结构，包括配电网层、微电网集群层、微电网层和单元层。

在微电网集群层采用两种主要策略：主从控制和平行控制。

主从控制要求微电网之间有较高的通信，并对主控单元的电压和频率调节施加较大压力。
平行控制克服了这些缺点：每个微电网单元基于预设的下垂曲线进行自主平行控制，无需通信或上级控制。

一些学者提出了一种由交流和直流微电网组成的混合微电网集群的控制策略。该策略标准化了交流微电网的有功功率-频率特性和直流微电网的有功功率-电压特性，获得统一的控制尺度，从而实现混合微电网集群的平行控制。

为了解决微电网集群实时调度优化的挑战，一些学者提出了一种基于部分可观测马尔可夫决策过程（POMDP）的微电网集群协调优化建模方法。该方法即使在弱通信条件下也能基于部分观测信息进行优化建模，并使用拉格朗日乘子解耦目标函数，降低了求解复杂度。这项研究为实现微电网集群的实时调度优化和平行控制提供了重要指导。

3. 源荷互动技术

灵活负荷利用和负荷管理技术

灵活负荷利用是未来智能用能和节能发展的关键环节，有助于建设节约型社会。

灵活负荷调节技术的研究包括：

根据负荷特性对其进行分类和建模，充分挖掘负荷弹性潜力。
积极改进灵活负荷机制，推进示范项目建设。
利用智能技术进行用户行为差异化分析，提高调节精度。

有效的负荷管理可以缓解由于新能源不稳定和负荷侧不确定性引起的新能源系统供需失衡问题。目前，电力负荷管理技术已经具备电费管理、线损管理、反窃电分析和数据共享等功能。

随着数据驱动技术、虚拟电厂和5G通信的发展，电力负荷管理系统将在负荷数据预测、负荷协调控制技术和管理效果方面得到显著提升。这将有力支持分布式发电、电动汽车和储能系统等各种组件的协调运行，提高资源的合理利用。

3.1 考虑源荷不确定性的潮流计算方法

潮流计算是配电系统规划和调度运行的重要基础。

目前，一些学者提出了考虑光伏发电和风力发电出力不确定性的潮流计算方法。此外，其他学者提出了考虑负荷不确定性和负荷响应削峰需求不确定性的潮流计算方法。

总体而言，现有研究已广泛考虑了源荷互动各个环节的不确定性，并提出了针对个别不确定性的潮流计算方法。然而，缺乏对多种不确定性的综合分析及其耦合效应，限制了复杂新型配电系统中潮流计算的准确性。

3.2 源荷互动模式下的配电系统多目标优化调度技术

在源荷互动模式下，调度决策很大程度上影响系统的安全和可靠运行。

目前，一些学者提出了使用二阶锥优化和粒子群优化算法的多目标潮流优化方案。这些方案利用帕累托最优解集对潜在最优解进行多维度评价，为调度员提供更多灵活的决策选项，便于在源荷互动模式下实现安全、稳定和经济的调度。

3.3 电力市场环境下的经济运行技术

通过各种激励方式引导多方参与电力市场交易是促进源荷互动的重要手段。具体技术形式包括需求响应（DR）和虚拟电厂（VPPs）。

目前，相关研究主要集中在利用价格激励机制激发用户的参与热情。为了充分挖掘和调动系统中的可调节资源，一些学者进行了以下研究：源-网-荷整体态势感知；实时定量评估响应能力；从群体到个体的响应策略实施；源-网-荷协调控制技术；以及负荷的多时间尺度特性。这些研究为基于需求响应的系统动态功率平衡技术的发展提供了思路。

源荷互动的研究主要集中在两个方面：潮流分析和优化技术，以及市场引导机制。

在潮流分析和优化技术方面，现有技术忽略了由源荷聚合引起的时空耦合特性和温度相关特性，难以提高新型配电系统的潮流控制精度，并在短时间内实现峰谷差平滑。

在市场引导机制方面，考虑到负荷响应不可避免的时间延迟，需求响应不能完美解决配电系统的峰谷差问题。需要整合深度灵活负荷控制技术，使负荷能耗曲线能够实时跟踪新能源发电曲线，从而实现实时源荷平衡，从根本上解决峰谷差问题，提高配电设备的利用率。

4. 直流配电技术

目前，直流配电技术的研究主要集中在以下几个方面：

4.1 电压序列和标准化

目前还没有统一的国际直流配电电压等级序列标准。

国内外学者基于供电能力、投资成本、直流设备制造水平、电能质量要求、配电经济性和各种典型配电场景的负荷需求特点等因素，提出了多种直流电压等级序列选择方案。

中国于2017年12月发布了GB/T 35727—2017《中低压直流配电电压指南》。目前，相关标准主要关注中低压公共直流配电系统的电压等级规划，而缺乏针对通信系统、建筑供电、船舶供电和城市轨道交通等特定场景的直流电压等级序列详细标准。

4.2 直流配电系统的故障保护技术

故障保护技术是确保直流配电网络安全运行的关键手段。

新型配电设备（如两电平电压源换流器和模块化多电平换流器）和环网拓扑结构的出现，深刻改变了配电网络的故障特性。