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智能电网与新能源发电
智能电网与新能源发电技术
摘要：
伴随着我国特高压电网的大力建设和电力行业体制改革的不断推进，着力发展智能电网技术成为我国电网未来探索的新领域.本文主要简述了智能电网的概念及特点，并指出了目前国内外智能电网的发展现状.通过分析我国智能电网发展的现有条件以及未来的发展趋势，提出国内新能源未来的发展规划，以期实现新能源发电和智能电网的协调发展，实现建设资源节约型与环境友好型社会的基本目标,争取早日实现我国未来社会、经济和环境的可持续发展。
关键词：
智能电网;新能源；协调发展
SmartGridandNewEnergyPowerGenerationTechnology
（IndustrialTechnologyResearchInstituteofZhengzhouUniversity，Zhengzhou450001，HenanProvince，.）
Abstract:
Thispapermainlyintroducestheconceptandcharacteristicsofsmartgrid，andpointsoutthedevelopmentstatusofsmartgridathomeandabroad。
ThroughtheanalysisoftheexistingconditionsofthedevelopmentofsmartgridinChinaandthefuturedevelopmenttrend,putforwardthenewenergyplanforfuturedevelopment,realizethecoordinateddevelopmentofnewenergyandsmartgridinordertoachievethebasicgoalofbuildingaresource-savingandenvironmentfriendlysociety,toachievethesustainabledevelopmentofsociety,economyandenvironmentinourcountryinthefutureassoonaspossible。
Keywords:
Smartgrid；newenergy;coordinateddevelopment
引言：
智能电网（smartpowergrids），也就是电网智能化，它的基础是建立在集成、高速、双向的通信网络，并通过先进的传感测量技术及先进的设备技术、控制方法等，以达到可靠、安全、经济、高效的电网使用环境.
智能电网技术有机融合了高级传感、通信、自动控制等技术，具有自我管理与恢复、兼容性强等特点，其快速发展为分布式能源的无缝并网提供了良好的技术保障。
通过合理利用各类高级控制技术，能推动各类分布式能源与现有电力系统的有机融合，实现“即插即用”、实时互动和协调运行。
目前，分布式能源的开发利用多处于自治运行模式，缺乏一个长远的具体发展模式，进而实现分布式能源的大规模的开发利用。
因此，
积极研究智能电网环境下的分布式能源发
展模式对未来实现分布式能源大规模的开发，缓解能源危机等战略目标具有重要的意义.智能电网作为未来电网发展的主要方向，以及新能源发展的有力平台，促进智能电网的发展相应地也会促进新能源产业的发展，是可持续发展的基本要求。
首先,智能电网经过近些年的发展和改进，其配置与容纳能力得到较大提高，能够保证新能源合理入网及利用；其次，不断发展的新能源相关产业同时也为智能电网的大力发展提供强有力的技术保障，两者相互促进、相辅相成，共同发展与完善。
我国新能源近年发展迅速，由于新能源发电具有随机性、波动性和间歇性，其接入电网会影响电力系统的安全稳定运机“智能电网”的提出，有利于促进可再生能源的发展，实现可再生能源与电力系统有机融合，相对彻底的解决目前困扰新能源发电入网等技术问题。
1智能电网的概念及发展现状
1。
1智能电网的概念
国家电网公司对中国智能电网有一个概述:
智能电网要求发、输、变、配、用电各个环节都能得到实时监控，每个点上的电流和信息得到双向流动，通过通信系统和自动控制系统实现电网上的各个设备及用户无缝连接和实时互动；在发生电力故障时，电网具有足够的自愈能力保障系统的安全运行。
智能电网就是所谓的电网的智能化，它是以精确的、集成的、高速双向的通信网络为基础,借助于先进的设备、先进的控制方法、先进的传感测量技术、先进的信息技术以及先进的决策支持系统技术，达到电网安全、经济、高效、环保的基本要求。
要实现智能电网的这些功能，充分发挥其优势，首先要将资产和设备通过传感器有效地连接起来,使电网达到较高的数字化程度;然后建立行之有效的数据和信息的收集体系，确保每个信息精确无误；最后智能电网系统应具备完善的信息分析能力,即对已经收集到或掌握的数据及信息进行分析处理,优化资源配置，提高智能电网的管理能力，使电力资源的使用效率达到最高。
1.2智能电网的特征
智能电网是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效的目标，其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。
其主要目标是实现电网运行的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全，电网能够实现这些目标,就可以称其为智能电网［1]。
1.2.1智能电网的可靠性
相比于普通的电网,智能电网显得更加的可靠，因为智能电网不管在何时何地,都能为客户提供稳定的电力供应。
它能经受大多数电网干扰而不会断电,且它在用户断电之前就能自行采取快速有效的措施使其校正，让用户尽可能的不受到供电中断的影响。
1。
2。
2智能电网的安全性和经济性
智能电网对物理和网络的进攻有很好的承受能力，不会出现大面积停电的现象，因此也不会为此付出昂贵的电力恢复费用。
同时智能电网抵御自然灾害的能力也很强。
对公众和电网公人，智能电网也有很好的保护措施，确保不伤害人,这一点是普通电网所不及的.另外，智能电网的运行在供求平衡的基本规律下，用电价格很公平并且电力供应充足，这体现了智能电网的经济性.
1。
2.3智能电网的高效性
智能电网通过投资、成本的控制,并在电力输送和分配时，最大程度的减少电力的损耗，使得电力资产的利用更具有效率.同时智能电网通过控制潮流法,减少了电力输送功率的拥堵，并允许低成本的电源的接入，体现了智能电网的高效性。
1。
3国内外智能电网发展现状
1。
3。
1我国智能电网的发展现状
我国电力工业面临的情况:
在宏观政策层面,电力行业需要满足建设资源节约型和环境友好型社会的要求，适应气候变化;在市场化改革层面，交易手段与定价方式正在改变，市场供需双方的互动将会越来越频繁.这说明智能电网建设也将成为我国电网发展的一个新方向。
目前，中国发展智能电网的条件已经具备，通过智能电网建设，电力各领域都将发生飞跃和提升，电网的发展也将随之深刻变化[2].
我国发展智能电网与其他国家有所差别。
外国智能电网更多地关注配电领域.目前，我国需要更多地关注智能输电网领域，把特高压电网的发展融入其中，保证电网的安全可靠和稳定，提升驾驭大电网安全运行的能力.另外,我国电网企业正在转变电网发展方式，用户的用电行为也在发生变化。
以建设智能电网为抓手，能够比较方便地建成满足未来需要的下一代电力网络。
要实现电网智能化目标,有许多技术需要进行研究。
其中输电网中基于相量测量单元的广域测量系统、柔性交流输电和配电网中分布式发电、自动抄表、需求侧管理等很多技术，在智能电网概念提出前就已经在研究，并且取得了不错的成绩。
智能电网的发展，会让这些技术提高到新的层次,并使研发工作更有用武之地.此外还要开发诸如储能技术、先进的双向式白动计量表计设施、风能和太阳能等可再生能源的接入技术、微电网等一系列新的技术［6］。
1。
3.2国外智能电网发展形势
就国际形势而言，由于国外一些国家在电网方面的起步比较早，并且结合各自有利的技术优势，国外形成了比较先进的智能电网技术。
在亚太地区,日韩作为亚洲智能电网的领先者，各自的发展具有强烈的个性色彩.就日本而言，迫于2011年的核危机，日本不得不“弃核"，这或许是其智能电网发展的一个重要机遇，日本立足于在储能方面的技术优势，致力于与美国的项目合作,大力发展太阳能并网和电动汽车的相关产业。
就韩国而言,智能电网的发展是建立在其IT技术优势之上的，对外加强试点工作，推进智能电表等用电侧的发展；对内积极研发新的IT技术，促进输配电技术的发展.印度作为亚太地区智能电网的新参与者,其研究重点主要是分布式能源的接人和能效管理[3］.
欧洲地区的智能电网建设是以英、法、德等北海国家为主要代表，其他国家起辅助作用。
各国都在充分考虑本国实际情境的基础上，积极按照欧盟委员会的统筹和部署开展智能电网的相关工作。
2新能源发电特点及发展现状
2.1新能源发电概述
20世纪以来，随着社会经济的发展和生活水平的提高，使人们对能源的需求量不断增长。
同时由于化石能源资源的有限性,以及他们在燃烧过程中对全球气候和环境所产生的影响日益为人们所关注，因此从资源、环境、社会发展的需求来看，开发和利用新能源和可再生能源是必然的趋势.利用清洁的可再生能源来加以替代,是人类迫切希望，同时也意味着目前正处于能源变革的过渡时期。
新能源是指常规能源之外的太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等一次能源，是在高新技术基础上开发利用的可再生能源，它的开发利用不会污染环境,是清洁的能源。
因此新能源发电是当今能源发展的希望行业，并将在未来能源市场中扮演重要的角色.
2。
2新能源发电的特点
能源按其使用性质分为一次能源和二次能源，具体分类如图1所示。
图1
新能源,人们又称非常规能源，指的是传统能源以外的其他各种能源形式，也指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源形式。
新能源种类较多，目前人类已知的主要包括太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能、潮汐能、核能、氢能等。
其中，中国新能源分类如图2所示.
图2
新能源具有以下几个特点：
（1）新能源储量巨大,普遍具备可再生特性,可以为人类生产生活提供持续不断的动力。
（2）新能源的能量密度分布相对比较低,大力开发和利用新能源资源可能会需要比较大的空间。
（3）新能源大部分属于绿色无污染的能源，产生较少的污染排放物，对环境影响小，尤其是对温室效应的影响几乎可以忽略不计。
（4）新能源分布范围较广，难以大规模集中利用,小规模分散开发利用可能是比较明智的选择。
（5）间断式供应，稳定性较差，持续利用存在较大困难。
（6）新能源除水力发电外,开发和利用新能源资源的成本会比普通的常规能源高。
2.3新能源发展现状
目前，中国正处于新能源发展的重要时期,国内新能源产业的发展主要有政府行政和市场导向两个方面。
政府强制性新能源政策主要是指对能源生产者和消费者实行强制性的行政命令，从而直接对新能源市场进行干涉。
以市场导向为主，并辅以相应的行政手段的新能源政策主要是通过市场的导向来引导市场参与者的市场行为,并辅之相应的激励政策和惩罚措施,如对企业不合法的排污行为进行罚款或责令整改，以及对一些新能源优秀的企业给予税收和贷款的优惠政策等.
我国新能源资源丰富，依托此背景，大力发展新能源对我国的能源安全、环境污染和促进经济结构转型具有重要的战略意义。
但是基于不同的国情考虑，中国与发达国家在发展新能源产业方面的侧重点有所不同.因此,应立足基本国情,因地制宜，走一条中国特色的新能源发展之路是时下较为明智的选择。
中国的能源生产和消费总量位居世界前列，但是能源消耗仍以传统能源为主，而新能源产业基础还相对薄弱，原有的能源生产供需矛盾日益突出,进口量不断增大，能源短缺问题已经成为制约我国经济快速发展的瓶颈。
综上来看,我国面临的能源危机尤为突出，函待优化能源产业结构,加大开发新能源产业的投入，大力发展新能源技术，提高新能源的利用效率，建立以新能源为主体的绿色环保的能源消费体系,保证能源持续安全供应与消费，确保我国的能源产业稳定健康发展，为早日实现伟大的中国梦做出应有的贡献［4]。
2.4新能源发展面临的挑战
虽然新能源的发展有许多的优点，但是由于现阶段科学技术水平的限制以及人们对能源的认识还有一定局限性，因此新能源发电还面临着许多挑战。
（1）调峰、调频问题。
为了满足电力系统实时供需平衡的要求，必须利用其他电源的互补特性来抑制新能源发电带来的电网随机波动性。
水电和火电是互补电源的最优选择。
我国火电至今仍在总装机容量中占据主导地位。
所以，我国新能源发电在发展过程中必要要依赖火电的快速深度调峰.
（2）新能源电力消纳问题.新能源具有分散性的特点，以我国风能发电为例，风能主要分布在西北地区。
然而，西北地区经济欠发达，发电量没法被全部消纳，只有利用西电东送的发展战略输送给东部地区。
可以预测，未来的电网发展模式将不再仅仅依赖于大电网的独立运行，而是和分布式小规模电网协调共存。
（3）继电保护遇到的挑战。
与同步电机相比，异步发电机在发生短路故障时无法提供可持续、稳定的电流别。
所以,新能源发电继电保护设计的难点之一就是怎么让相关的继电保护装置依据不持续的短路电流来判定故障的发生，准确快速的切除故障，最大程度的消除事故对电力系统安全运行的影响。
（4）电网安全问题。
大规模新能源电力输出功率的随机波动性、难以准确预测性以及用于并网的电力电子变换器对电网扰动的敏感，使电力系统安全面临新的挑战，事故频发，并且电力系统的大型互联带来了局部干扰演变成全网故障的潜在威胁。
（5）对电网运行经济性的影响。
由于新能源的随机性、间歇性，现在只能把新能源电力供应作为未知因素考虑。
为了避免并网对电力系统造成的影响，需要额外增添一定容量的旋转备用。
新能源并网既分担部分负荷，降低电力系统的燃料成本,又增加了电力系统的可靠性成本。
2。
5新能源发展趋势
针对目前新能源发展所面临的的一些问题，未来新能源发展将会有以下趋势：
（1）大力发展储能技术。
随着新能源的日益普及以及电网调峰、提高电网可靠性和改善电能质量的迫切需求，电力储能系统的重要性日益凸显.电力储能技术为实现电网可持续发展目标、解决电量供需不平衡矛盾和提高供电可靠性问题提供了一揽子解决方案，采用大规模储能装置，提高现有电力设备的利用率和供电可靠性,降低发电煤耗、供电线损。
（2）超导技术.超导电力技术在电力系统稳定性、大容量输送和短路故障保护等方面的应用具用显著的优势,因而，如果超导技术能够在电力系统中得到广泛应用将引起电力行业的重大变革,也为新能源电网的发展提供先进的技术力量.通过试点和示范工程加速超导电力技术在我国电力实用化进程.
（3）输能管网技术.输能管网技术的核心理念就是利用同一超导管线网络实现输电和液态氢的同时输送别。
利用高压直流超导电缆输送电能，而液态氢在电缆芯的管道中流动。
（4）灵活多变的输电系统。
先进的输电方式既能增强电网的输送能力又能实现资源的优化配置.根据多种输电方式共存和新能源发电的分散性特点，构建分层分区、区域解藕互联的大电网构架，实施电力就地消纳和特高压远距离输送相互补的电网模式。
3智能电网与新能源的协调发展
3。
1新能源在智能电网发展中的地位
近年来，世界范围内能源危机日益加剧，能源的开采和使用加速了人类生存环境的恶化。
人类必须在有限资源和环境保护要求的双重制约下发展经济。
因此，作为一次能源的最大使用者，电力行业综合利用各种新能源具有非常重要的意义.与此同时,以集中发电、远距离输电和大电网互联为主要特性的电力系统的弊端也日益呈现,如技术复杂、不能灵活跟踪负荷的变化、局部的偶然事故极易扩散，导致大面积停电等等.因此，各国不约而同的地提出要建设灵活、清洁、安全、经济、友好的智能电网，将具有智能电网视为未来电网的发展方向，我国也提出了建设坚强智能电网的战略部署.国际上发展智能电网的初衷也许不尽相同，但是有一个共同点就是都把新能源的发展涵括进来并把新能源的利用作为了智能电网发展的核心部分。
国家电网公司正在实施“一特四大”的发展战略，将国家电网建设成为以特高压为骨干网架，各级电网协调发展，具有信息化、自动化和互动化特征的坚强智能电网，促进大煤电、大水电、大核电和大型可再生能源基地的集约化开发利用[5］。
3。
2新能源发电对智能电网的影响
由于新能源发电有其稳定性差、位置偏远、并网困难等特点，因此新能源对智能电网会有一定的影响。
（1）对电能质量的影响
目前发展比较好的新能源发电是风力发电和光伏发电.由于受天气影响均具有间歇性和波动性特点，且一般配有整流一逆变设备和大量的电力电子设备，会产生一定的谐波和直流分量。
谐波电流注入电力系统后，会引起电网电压畸变，影响电能质量，造成测量仪表不准确、加重负荷,还会造成电力系统继电保护、自动装置误动作，影响电力系统安全运行。
由于其并网电量随机波动较大、可调节性差,并网时会产生较大的冲击电流，从而会引起电网频率偏差、电压波动与闪变,引起馈线中的潮流发生变化，进而影响稳态电压分布和无功特性，使电的不可控性和调峰容量余度增大.新能源发电单元的频繁启动会使配电线路的负荷潮流变化大，从而加大了电压调整的难度。
由于发电设备采用大量的电力电子装置，电压的调节和的控制方式也与传统电网方式有很大不同。
虽然一般新能源的发电装置上装有逆功率继电器,正常运行时不会向电网注入功率,但当配电系统发生故障时，短路瞬间会有电流注入电网，增加配电网开关电流，可能使配电网的开关短路电流超标,影响电网安全运行。
（2）对电网系统的实时监控的影响
现行的配电网是一个无源的放射形电网，信息采集、开关的操作、能源的调度等相应比较简单，其实施监测、控制和高度是由供电部门统一来执行的.新能源的接入使此过程复杂化，特别需要对新能源接入后可能出现的“孤岛”现象进行监测预防。
当新能源的本电网与主配电网分离后,仍继续向所在的独立配电网输电,就会形成“孤岛”现象。
所谓孤岛效应是指当电网的部分线路因故障或维修而停电时，停电线路由所连的并网发电装置继续供电,并连同周围负载构成一个自给供电的孤岛的现象。
孤岛中的电压和频率不受电网控制,如果电压和频率超出允许的范围,会对用户设备造成损坏；如果负载容量大于孤岛中逆变器容量，会使逆变器过载，可能会烧毁逆变器。
同时，会对检修人员造成危险；如果对孤岛进行重合闸操作，会导致该线路再次跳闸，而且负荷可能出现供需不平衡,将严重损害电能质量，从
而降低配电网的供电可靠性.
3。
3智能电网与新能源协调发展
实现智能电网与新能源的协调发展是实现可持续发展能源战略的基础，大力发展作为今后电网发展方向的智能电网,是提升电网资源优化配置,满足新能源分布式发电大规模集中接入的需求.
3.3.1智能电网与新能源发展瓶颈
智能电网与新能源产业，作为两个门类来讲发展历史较短，基础设施和相应技术开发不全面，因此造成了智能电网与新能源发电两者在规划上不协调、运行管理方法不一致、技术标准不统一、项目审批建设政出多门等问题，严重制约了智能电网与新能源发电的普及和发
展。
3。
3。
2智能电网与新能源协调发展
实现智能电网与新能源的协调发展需要从政策支持、发展速度、发展规模、开发技术等方面得到保障。
新能源的发展应该在发展速度上与智能电网的速度匹配，在开发技术上，提升自身发电的可靠性与可控性，满足智能电网分布式发电集中式接入的需求，提升电网的灵
活度。
智能电网应在建设为友好电网的前提下，在建设规模上与新能源产业均衡,平衡新能源发展的要求，为今后在政策配套的基础上,新能源发电的并网提供条件[8]。
3。
3。
3智能电网与新能源协调发展体系
智能电网与新能源的协调发展，是在发展方式上的协调，是以发展为基础，通过整合两者和各自内部资源的前提下的良性循环，其强调在发展过程中的整体的和谐一致、综合上的有序配合、资源分配和发展规模速度的均衡发展，突破单一要素的独立发展,着眼于多方面、多系统、多要素在共同目标下的协调发展。
其具有以下几个特点:
（1）系统性.从电力系统大环境下，系统的将智能电网和新能源发电作为其重要的组成部分，在资源分配和运行管理上统一规划、协调发展；
（2）全面性。
兼顾在电力系统发展过程中的宏观规划和微观实施，协调发展在建设过程中所涵盖的政策法规、技术规范、管理条例、资源处置等多方面;
（3）科学性.在智能电网与新能源发电的协调发展中，对指标的设置既要便于测量比较，又要易于统计整理；既要符合各学科理论原来，又要反应实际情况。
总之，智能电网与新能源作为未来电力系统的重要组成部分，将会涉及到分布式发电、集中式接入、调度等环节。
只有将两者全面发展、协调发展，科学发展才能使之彼此适应、彼此融合,最终实现智能电网与新能源发电的全面协调发展［7]。
3.4新能源发电接入智能电网技术研究
智能电网解决新能源发电并网问题，将主要应用两个方面的先进技术:
电力电子技术和大容量储能技术.通过电力电子技术，对电力设备和电网进行改造，来提高电能质量，提升电网输送容量和可靠性;通过引进许多新的储能设备和电源，来平衡和调节新能源发电及电力需求的稳定性。
（1）电力电子技术
电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换及控制的一种现代技术,节能效果可达10％-40％，可以减少机电设备的体积并能够实现最佳工作效率。
目前,半导体元器件向高压化、大容量化发展,电力电子产业出现了以交换虚拟电路为代表的柔性交流输电技术、以高压直流输电为代表的新型超高压输电技术、以高压变频为代表的电气传动技术和以智能开关为代表的同步开断技术等。
①高压直流输电技术。
高压直流输电技术对于远距离输电,高压直流输电拥有独特的优势。
其中，轻型直流输电系统采用门控晶闸管、绝缘栅双极型晶体管等可关断的器件组成换流器，使中型的直流输电工程在较短输送距离也具有竞争力。
此外，可关断器件组成的换流器，还可用于向海上石油平台、海岛等孤立小系统供电，未来还可用于城市配电系统,接入燃料电池、光伏发电等分布式电源。
轻型直流输电系统更有助于解决清洁能源上网稳定性。
②柔性交流输电技术。
柔性交流输电技术是新能源、清洁能源的大规模接入电网系统的关键技术之一，将电力电子技术与现代控制技术相结合，通过对电力系统主要参数（如电压、相位差、电抗等）进行灵活快速的适时控制，以实现输送功率合理分配，从而大幅降低输电损耗、提高输电线路输送能力和保证电力系统稳定水平.除此之外，更
重要的是网络本身的设计，要变得更加柔性、灵活,由于分布式电源以及储能系统的引入，电网的设计需要在达到“即插即用"要求的同时，还要考虑对周边设施冲击
最小。
③高压变频技术。
高压变频技术是在高压大容量电能变换及高品质控制方面应用电力电子技术，对电力系统的频率和幅值直接实施变压变频控制，从而大幅降低损耗。
特别是新型多电平电压型高压变频产品，随着以IGBT,IGCT（绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流晶闸管）为代表的性能优异的复合器件的快速发展,和相应的各种PWM（脉冲宽度调制）控制算法的不断深入研究,使多电平结构逐步走向应用化。
④同步开断（智能开关）技术。
同步开断是在电压或电流的指定相位完成电路的断开或闭合.目前，高压开关大都是机械开关，开断时间长、分散性大，难以实现准确的定相开断。
实现同步开断的根本出路在于用电子开关取代机械开关，在理论上应用同步开断技术可完全避免电力系统的操作过电压，这样由操作过
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