2024确保电网规范合规性的数字化路径白皮书

确保电网规范合规性的数字化路径 助力公用事业企业在变幻莫测的可再生能源时代守护电网安全 —引言 自一个世纪前开始大规模供电以来，从化石燃料向可再生能源的转变构成了电网最深刻的变革。风能、太阳能和水力等分布式和间歇性能源与电动汽车(EV)、储能系统和低净值独立能源建筑等新技术一起，正在占据能源板块中越来越多的份额。 所有这些正在对电网的稳定性和可靠性造成冲击。作为应对，输电系统运营商(TSO)正在强化电网标准，明确所有参与者在发电资产并网时必须遵循的规则和义务。 公用事业企业、集成商和发电企业必须提供基于“数字孪生”的详细、高保真的电力系统模拟报告，和通过现场测量或组件认证验证的控制系统数字仿真模型。这导致了发电厂主要部件和控制系统在调试和运行期间需要进行测试的次数越来越多。 在本白皮书中，ABB大致介绍了电网运营商如何与有实力的技术供应商合作来应对这种新趋势，确保遵守日新月异的电网标准，管控电网行为变幻莫测的复杂性，并抢占先机部署新一代数字化智能电网解决方案来获得空前的连接性和可靠性。 挑战 发电分散化 这种转变对电网运营商和供电安全影响深远。可再生能源破坏了这种稳定的供电模式，加剧了电网控制的复杂性。如果没有电网级储能系统作为备份，天气条件和能源可用性的波动使得可再生能源本质上是间歇性的。随着人类迫切地希望最大限度利用可再生能源，电网中在任何时候都存在强烈的电力波动。 大多数发达国家的电网以集中发电模式为主，即在化石燃料电站和核电站大规模发电，再通过高压输电线网分配至千家万户。 传统集中发电模式供电稳定可靠，需求明确。这点至关重要，因为只有供需平衡，才能避免频率波动，维持电网稳定。 作为应对，输电系统运营商(TSO)正在强化其电网标准，以图在变幻莫测的可再生能源时代保障电网安全。无论新老公用事业企业、集成商和发电企业都有义务证明其满足这些新的电网标准要求，否则可能不允许并网或吊销营业许可。 然而，形势正在变化。为实现2015年《巴黎协定》的目标，国际社会正致力于推进能源系统脱碳并遏制全球温度升高不超过1.5°C。这导致了燃煤电站和核电站正在逐步被淘汰，转而采用风能和太阳能等可再生能源。 此外，随着越来越多的需求不稳定的电力消费者（如电动汽车）接入电网，电力需求变得日趋分散且不可预测。 放松管制 为鼓励充分竞争并提高整体供电质量，世界各地的监管机构纷纷出台措施，放松对电力系统的市场管制。在这种情况下，独立的电力生产商可单独建设电站和并网，从而改变了发电和配电分家的传统模式。 如今，公用事业企业、集成商和发电企业必须提供基于“数字孪生”技术的 详 细 、高 保 真 的 电 力系 统 仿 真报告。 一方面，这要求电力企业必须全局看待整个电网，包括整体的供需状况。但另一方面，供电越多，利润越高，导致这些新兴的独立发电商片面追求利润最大化。这种矛盾迫使电网运营商制定规则，以避免市场混乱。 更严厉的电网标准 澳大利亚、美国、东南亚和欧洲的电力系统运营商正在实施更严厉的电网标准。所有利益相关方——公用事业企业、集成商和发电企业……都必须遵守。这些标准旨在通过规定各类电站并网时必须考虑的主要准则来确保电网的稳定和安全运行。 比如在欧洲，新的ENTSO-E（欧洲输电系统网络运营商标准）现要求所有欧洲国家制定新电网标准。德国先行一步，已发布新的指导方针和法规，并更新了VDE-AR-N 4110、VDE-AR-N 4120和VDE-AR-N 4130标准。意大利电网公司Terna也在大幅修改其现行法规，最近发布了新电网标准及相关附录(Allegato 18)。 管控电网的复杂性 频率快速变化(RoCoF)事件 传统发电过程中，转动惯量由电站和工业设施内的大型同步发电机和电机所含的能量提供，因为这些设备的旋转频率与电网相同。损失大部分电量后（比如机组强制停机），所导致的系统频率下降会因整体转动惯量存在而暂时延迟，这就像一个减震器，减缓了变化率。 因此，接入非同步连接的发电设施会使电网更不稳定。可再生能源不能增加系统转动惯量。接入电网的太阳能没有旋转质量，而将风力发电机接入电网的变频器阻止发电机旋转动能 在 频 率 变 化时 向系 统 提 供 转 动惯量。 至关重要的是，这为增加电力储备赢得了时间，以便在发生RoCoF事件之后重新建立电力系统平衡，同时维持在可接受频率偏差范围内，消除了减负荷的需求，只需断开消费者连接，即可维持正确的电网频率。 因此，接入非同步连接的发电设施会使电网更不稳定。可再生能源不能增加系统转动惯量。接入电网的太阳能没有旋转质量，而将风力发电机接入电网的变频器阻止发电机旋转动能在频率变化时向系统提供转动惯量。 可再生能源不能持续稳定供电，因此必须储存电能，以便在光照不足和风力过小时使用。今后，如果可再生能源无法就地向电网供电，则需要更大规模地储存能源，才可保证供电。 区域间振荡 故障穿越(FRT) FRT是指发电机，尤其是风能和太阳能设施中的发电机，在电压骤降或电网故障期间与电网保持连接的能力。正如RoCoF事件那样，这种能力对电网稳定性至关重要，因为连接到网络的小型公用事业设备或电力装置越多，如果一个或多个设备的连接断开，系统就越不稳定。 越来越多的可再生能源接入电网，互联电网规模不断扩大，区域间振荡模式(0.1-0.8Hz)日益频繁。 顾名思义，当某个区域的发电机组或电站与另一区域的发电机组或电站的连接很弱（通常通过单一线路连接），就可能会发生区域间振荡，尤其是电力需求较高时。输电量越大，振荡幅度也越大，可能导致电网不稳定，甚至停电。 例如，闪电可能击中电网，导致瞬时过电压或不稳定。部分设备连接可能会断开，意味着无法为电网提供足够电量，由此产生的电压降或频率变化可能会导致更多设备连接断开，形成多米诺骨牌效应。 因此，抑制这些振荡模式以维持电网稳定性，并确保电力供应保持稳定和在线，是公用设备和发电机组的首要任务。电力公司有责任在电力基础设施和连接项目开始时就考虑这些类型的挑战，否则可能导致供应商不能取得经营许可。 电力系统运营商(TSO)正在提高与发电机组克服输电系统故障和干扰的能力相关要求，以避免电压崩溃，并维持稳健的输电系统。FRT是维护系统安全和避免更广泛系统问题（例如电压和频率崩溃及潜在系统断电）的基本要求。 ABB已在澳大利亚使用数字孪生仿真技术进行了内部振荡 抑 制 （ 参 见 第4节 “A B B电 网 标 准 合 规 性 解 决 方案”）。阿德莱德电站与北方相距3000公里的昆士兰电站相互作用，导致了振荡或“摆动”。通过仿真关键的电厂系统，ABB能够抑制这些频率波动并使电网维持稳定。 通过仿真抑制相距3000公里的频率波动 黑启动能力 整个电网断电后，多数电站无法重启，因其需要外部电力才能启动并运行。因此，电力系统运营商(TSO)逐渐要求运营商证明自己拥有在电网其余部分停电时启动电站的相关策略或程序，这样才可以使电网其余资源重新上线。 在部分国家，电网标准还规定了电站在停电之后的应对措施。停电后，不依赖外部输电网络而恢复电站或部分电网的过程称为黑启动。 确保电网标准合规性的解决方案 所有想要将其发电资产接入电网的参与者都必须遵守电力系统运营商(TSO)制定的电网标准，提供基于详细组件和控制系统数字仿真模型（也称为“数字孪生”）的详细高保真电力系统仿真报告。这些模拟必须通过现场测量或组件认证进行验证。此外，在电厂主要部件和控制系统的调试和运行过程中，必要的测试也越来越多。 其 中 ， 基 于 经 过 验 证 的 励 磁 系 统 仿 真 模 型 和 详细 的 电 厂 设 备 ， 如 调 速 器 控 制 和 保 护 设 备 ， 使 用PowerFactory、PSS®E和MATLAB/Simulink等软件进行研究，可确保快速接入电网，避免罚款，轻松与电力系统运营商(TSO)进行技术交流。 电网标准合规性解决方案必须为公用事业公司提供更快的电网连接和电站运营优化。ABB开发了一套独特的建模、分析、计算机模拟和调试服务，以满足公用事业公司和电站的需求。 •电力系统仿真包提供从简单的励磁控制系统参数优化（如AVR -自动压调压器和PSS -电力系统稳定器）到基于定制的、项目特定电站数学模型的详细电网连接研究。这些仿真适用于传统和可再生能源电站寻求从电力系统运营商(TSO)获得接入其电网的许可。 •成熟的ABB UNITROL® 1000和6000励磁系统数字仿真模型已用于PowerFactory和PSS®E先进平台，可以轻松集成至更大的电站仿真模型。 •为公用事业公司、系统集成商和OEM提供电网标准合规性现场服务，提供现场测试服务，以评估励磁设备是否符合国家特殊电网标准合规性要求。 励磁系统对稳定电力输出的重要作用 励磁系统的基本功能是利用闭环或反馈控制向同步电机的励磁绕组提供连续直流电流。因而是许多发电机组的关键部件，电站业主和运营商根据电网要求将之用于实现其资产运行的可靠性、稳定性和快速瞬态响应。 UNITROL是首款完全符合新欧洲电网标准的励磁产品，由TüV NORD认证机构根据德国标准进行验证，这是目前就物理测试和高精度的仿真模型而言，所进行的最具挑战性的电网标准合规性验证。 UNITROL®数字孪生已用于多个电网标准合规性项目，最近ABB在Dinorwig、Avedøre和Manjung电站进行了电力系统稳定性研究，支持电站在现场验证测试期间即从输电系统运营商(TSO)获得快速并网补贴，而不会发生不希望出现的意外。在这些测试项目中，励磁设备完全符合电网的规范要求。 ABB UNITROL® 1000和UNITROL® 6000系列可满足各种发电和非发电应用需求。UNITROL解决方案的安装量超过30000套，它为发电设施提供服务，是自动化和电气系统、旋转机械控制、仪表和先进数字服务组合的一部分。 UNITROL支持同步发电机快速吸收和注入无功功率，有助于系统抵消电压波动。此外，该解决方案还提供高级电力系统稳定器(PSS)功能，使同步发电机高效抑制区域间振荡模式，而不危及系统对RoCoF事件的反应。 — 主要优势 通过简单软件升级现有资产 利用新一代专用软件的支持功能，全球20000多家UNITROL® 1000客户均可遵守最新ENTSO-E法规。 通过电网标准合规性研究降低复杂性 ABB为电力公司提供详细电网标准合规性研究，可帮助运营商向其国家输电系统运营商(TSO)提供仿真报告和性能评估，从而获得接入国家电网的许可。 认证和易用性 励磁系统满足TŰV Nord认证的最新、最严格电网标准要求。如果更新AVR固件或与其他经过认证的ABB设备交换，则无需重新认证发电设备。ABB最先进的仿真模型可轻松集成至发电机控制模型，从而加速整个发电机组的认证。 远程可能性：电网的未来 主要依赖于化石燃料电站和核电站的大规模持续供电和可预测需求的传统集中发电模式正在逐渐被不稳定且更加分散的电网所取代。随着能源结构的变化，电网合规性流程必须做出相应调整。 数字互联是关键。通过将越来越多的公用事业设备连为一体（见“互联思维：塔斯马尼亚的ABB励磁解决方案”），运营商就能够向不同的电站发出警报，以便其能够提前采取措施，避免发生电网事故。 与现代工业的许多方面一样，数字化、自动化和远程技术已革新了公用事业公司、集成商和发电公司展示电网合规性的方式。由于新能源和新科技不断改变电网状况，当前认为合理的合规性标准可能仅数月之后就过时了。 目前，电网合规性流程每2-5年执行一次，未来将实现自动化，可能频繁到每周一次。 目前，公用事业公司或电力公司如需证明其符合电网标准，就会接洽ABB等专业技术供应商。技术人员根据所设置的励磁系统参数进行现场模型验证研究，然后调试和整定项目以证明电站系统的运行符合仿真预期。电网运营商核实报告之后，公用事业公司就可以获得输电系统运营商(TSO)许可进行并网。 目