低碳发展战略下的配电网技术运用和研究
时间：2023-01-16 16:40:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
深圳供电规划设计院有限公司 于嘉敏
推动社会绿色、低碳、可持续发展已经成为一个全球性的共识，中国政府在2020年9月第75届联合国大会上郑重承诺，2030年中国的CO2排放力争达到峰值、2060年争取达到碳中和。碳中和是指在特定的时间里，产生的二氧化碳排放量与吸收量平衡。以碳中和为主要目的，既能有效地应对全球气候变化，又能促进产业的现代化，是一个关乎全球能源安全与人类前途的重大课题。作为连接能源生产与消费的重要公共基础设施，它将在实现碳中和目标导向的能源转变中扮演着重要角色，并担负起主要的减排职责。
例如，在能源供应上，电力系统将会大力发展风能、太阳能等可再生能源，从而有效地减少高碳排放的能源。在能源消费上，城市交通、绿色建筑、工业制造等工业的电气化水平不断提高，各种形式的碳排放最终通过电力网络传输和采集。另外，能源效率提高、电-气-热多能互补等许多公司都把电能作为能源转化和利用的基础，而电力系统则是能源一体化技术的核心。这些积极的发展与“以新能源为主的新能源系统”的发展方向是一致的，它将推动“清洁、低碳、安全高效”的发展。
在传统的配电网络规划中，一般采用峰值负荷预测法来决定输配电站的容量和位置，再按照设计指导方针和经济原理，对各站的供电线路进行分配。“闭环建设、开环运行”是一种典型的放射状结构，而且通常仅考虑最小的投入和运行费用，传统的配电网络规划一般都是由上而下的方式进行。
考虑到碳排放限制的智能配电网络规划，除考虑到变电站、架空线路或电缆、无功补偿装置选址、容量及设计的优化之外，还应考虑到更多的问题[1]。它不仅包含了许多关系，例如源-网-荷-储等，还因为利益相关者的不同使其越来越复杂。碳排放约束也有助于将不同的计划元素进行规范化分配，下面将详细介绍这一点。同时，由于“碳约束”机制的本地化和资源要素的分配，使得规划思路走向“自下而上”，更为平坦的结构将是关键，配电网络规划是制订发展战略的重要先决条件。
在配电网络规划当中，不管是在土地利用、电厂规划、布线等方面，还是在零碳规划的基础上，都进行了全面的规划。主要技术路线有：一是确定上级电力系统的最大传输能力，确定规划期间的配网碳减排指标，并且对电网进行负荷分析，确定新能源的强度；
二是以具有一定规模的集散集散中心作为“碳中和区”，逐步扩展与周围负荷的联系，形成一个配电网，并在此基础上实现各要素的优化配置；
三是“碳中和区”与附近的发电站连接，为它提供了电力供应和供电，且在每一个“碳中和区”间还可使用一个智能软开关（Software,SOP），形成了就地消纳、大面积灵活接驳的新型配电网络发展模式。
然而，基于现有的碳中和技术，对现有的碳中和技术进行改造将会受到极大的限制。例如，由于缺少政策导向和收益调节，使得电力系统的安装运营混乱现象更加突出，很难达到与新能源相匹配的最优匹配；
原有的城市职能分区会造成电力需求的不同，单纯的集中、填埋式发展，使得新的设施布局很难容纳新的设施，“碳中和区”的划分与现有的电力系统的矛盾等。但它也有一个优点，就是除为电动汽车充电外，现有的电源系统将会在某种程度上增加负载。工业、商业、住宅用电功率基本保持不变，其性能的预报和分析也将更为精确。因此，在现有的城市电网碳中和技术改造的基础上，探讨一条经济、切实可行的技术路线，不仅要使宏观规划与协调统一，而且要在微观层面上灵活运用具体的战略。
2020年9月习近平在联合国第75届会议上提出，中国要加强政府指标的投入，并实施更为有力的政策，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[2]。碳达峰与碳中和是一项积极的措施，以解决气候变化。全球变暖是人类面临的一个共同挑战，我国提出“双碳”远景和目标，是一个发展中大国对全人类的责任，是我们国家社会责任的表现。
碳达峰与碳中和也是保证能源安全的必要手段。能源是国家的基础和基础，是国民经济的生命线。大力发展可再生能源的可替代性活动，加强电力开发、加速实施清洁能源供应和能源消费，是降低对外依存度、维护能源安全的重要手段。“双碳”目标的提出，为应对全球气候变化、推动绿色低碳发展提供了指导，碳达峰与碳中和是促进我国经济高质量发展的一项重要措施。
2.1 主要研究内容
第一，将风、光、储、用一体化应用于配电网。传统的一体化微电网技术是将风能、太阳能等非碳清洁能源转换成电力，再由储能系统作为微网的一部分来储存和提供电力，以清洁能源的生产和消费为主要目的。这项研究的目的是将风能、太阳能、储和用的微型电网技术结合起来，除了利用传统的技术计划来制造和消耗洁净的能源之外，其主要目的是利用大规模的能量储存系统来追踪电力的输出。终端负载曲线是一种有效的能量吸收与输送，能够有效地降低配电变压器电源端负载的峰值和峰值，这项研究旨在减少电网中的碳排放，包括本地清洁能源的生产和消费，减少电网的负荷峰谷差异，拉平区域的功率分布曲线，进而提高电网的容量，降低功耗。
第二，实现能源管理的智慧化。在配电系统的供电端，结合清洁能源、太阳能、储能等清洁能源及集成的微电网，通过对电力系统进行节能管理达到峰谷调节的目的。实现绿色能源的就地生产，减少电力系统的负荷。负荷峰谷差可以使地区的功率曲线变得平滑，提高系统的容量，降低网络的损失，从而降低系统的碳排放量，达到绿色能源、低碳利用和智能化控制建筑的目的。
第三，对零碳的设计和验证系统的研究。采用智能化能源管理平台，建立了零能耗配电板的年度能效和二氧化碳排放模型，并与全年的实际运行情况进行比较，零碳排放的可调节的海绵型配电房，为今后的推广应用提供参考。
第四，开展对电力的有益探索。采用“光、储、用一体化”、“配电+充电”、“峰谷电价差异化”等方式，实现了“虚拟发电厂”和“供电分区”，对地区用户的用电量进行了准确的定位，从而提高了电网的运行效率。就分配+充电站技术而言，充电器的设计主要围绕着配电室，这样可以缩短充电器的充放电路径，减少系统的损失。另外，利用V2G（车到网）技术，在高负载的电网中，将未使用的电动车临时向电网销售。
2.2 技术实施方案
第一，配电室的绿化建筑设计。传统的绿色建筑设计方法多采用立体造景、自然通风、保温隔热、绿色建材、无碳能源，以实现对再生资源的充分利用，减少不可再生资源的使用。在本研究中的绿色建筑设计中，除常规的减量一次性和增加可再生方式之外，还将利用光伏系统、建筑和照明系统、垃圾和固体回收相结合，通过对机房设备布局、生产经营需求的分析，优化配电室建筑布局，降低建筑照明用电等能耗，使配电室室内照明、监控设施、通风系统、维护和服务100%清洁能源，同时减少碳排放，提高CO2的吸收率。该方案通过将多余的非碳能源作为电力系统的动力来源，降低电力供应端的能量消耗，对供、配电装置的运行损失进行补偿，达到零碳排放的目的。
第二，装配式配电房设计。本文结合当前土建配电室及箱式变产品的现状及问题，借鉴工业设计为主题的理念，将室内环境控制的关键技术与结构设计技术相结合，使其达到高度一体化的目的，实现系统内设备高度集成化、工厂生产化、模块组装化、设计简单化等，适用于不同的环境，打造环保节能的装配式配电房。一种是保温隔热墙设计，即在墙体上添加一层保温材料，以达到室内和室外温度的变化，从而达到节约能源的目的；
另一种是热反射式隔热墙设计，即在外墙外涂一种能使墙面在日光下得到调节的热反射涂层。在室外热辐射进入室内时其反射率为92%，达到室内外温差调节，节约能源。
3.1 能源渐进替代
碳中和理念的实现并非一朝一夕之功，而是逐渐地经过“高碳-低碳-零碳”发展的过程，在这段时期，合理的利用和利用的方法是更加现实的。变电站从上级电网，其实际运营能力会逐步降低，同时随着碳中和的不断加深，相关的高碳基础设施也会逐步降低。但当前我国的电网主体还在很大程度上依靠传统的能源，也就是目前发电厂主要靠热能发电。冬季和夏季对“双峰”的供电需求，以传统能源为保障，以实现电网的均衡与调峰。
弹性的传统能源在基础和比例上的优越性，将会在今后相当一段时期内继续扮演重要角色。如美国得克萨斯州2021年2月15号的大规模停电，其中一个直接的原因是天然气和风轮机（77%的电能）占据了得克萨斯州的主要能源。由于严寒天气，天然气管道和风力发电装置由于结冰而被迫停运，发电能力大幅降低，出现了大规模的断电。因此，目前正在进行的关于智能配电网络规划的实际问题的研究，以及新能源投资与传统能源投资比例与运行方式的协调，能够正确解决能源持续稳定增长、能源供应安全可靠、能源转换低碳等问题。
3.2 城乡协同规划
城市配电网以其高的负载密度、高的供电可靠性为特征，而农村的电力分配体系比较分散，能源供给比较弱。但由于资源的日益匮乏，短期内难以解决其碳排放问题。但是像风力、光能这样的可再生资源是非常丰富的，而且价格也比较便宜。随着我国农民生活水平的不断提高，以及对农村及周边地区的碳排放需求的不断增加，农业生产中的机械、灌溉、温室等替代能源得到了快速发展。在不久的未来，利用洁净的能源可以有效降低农村的燃油消耗量。研究城市与乡镇之间的负荷源计算、统筹发展、构建一体化的碳排放调节机制，既为城市规模规划提供了新的思路，同时也大大提高了新能源的统一性和集中度，这将提高整个区域能源供应的安全性和可靠性。
3.3 运行模式转变
在今后的发展中，将会逐渐形成“协同、开放、绿色、共享”的一体化能源服务体系，经营方式和传统的销售网络有很大区别。
一是要进一步强化各种能源的相互关联和互补。单向的源与负荷追踪会变成一个协同的源与负荷的互动，进行最优配置。通过定量计算碳排放量和发电总量的相关性，碳捕集电厂可以根据不同的操作方式进行调节。可以看出，这种变化会使碳足迹与发电、发电的关系更为复杂，因此，智能电网规划方案必须具备较高的适应性和适应性。在互联互通的基础上，对碳流和路径的优化设计提出了更高的要求.
二是将会有更多的信息和能源流动，信息化和因特网技术将为电力系统的动态感知、计算决策和智能电网的智能互动提供一种新的控制手段，这就是数字和碳管制。为了进一步提升智能化程度，在智能电网规划中要充分考虑运行层次的“信息—能量—碳排放”多网络之间的紧密联系，保证整个系统的总体布局的统一。
碳达峰和碳中和是中国未来能源消费系统发展的主要战略决策。风电、光伏等分布式电源的高比例渗透是电力系统改造的关键支撑，而电力系统的碳中和、先进的技术生产、安全稳定的生态建设、高效的联合治理等新的挑战，则将对智能配电网的理论和技术改革产生深远影响。
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