新能源电力系统优化控制方法及关键技术探究

新能源电力系统优化控制方法及关键技术探究摘要：能源系统日益高涨的清洁化和低碳化的诉求意味着中国必将走向可再 生能源电力系统。但以风电和光伏为代表的间歇性可再生能源大规模并网为电力 系统运行规划等各个方面带来了全新的挑战。基于此，本文就新能源电力系统优 化控制方法及关键技术进行简要探讨。关键词：新能源；电力系统；关键技术；1新能源电力系统面临的挑战1.1稳定与保护风电和光伏均需要直接或间接通过电力电子装置并网。其电压频率支撑特性 与水电、火电等常规机组有较大差别。因此，随着可再生能源接入电网的规模不 断增大，系统动态特性将发生深刻变化，对系统稳定运行构成新的挑战。同时， 对系统保护装置提出了新的要求。故障连锁脱网与电能质量问题在系统中比例甚 至低比例渗透阶段有可能出现。对于机组本身，电力电子装备过流耐受能力比同 步发电机差。当机端发生故障时，由于无法像常规机组一样维持并网点电压，风 电和光伏电源在电网产生故障时往往更加倾向于尽快脱离电网。由于换流器抗干 扰能力弱，在可再生能源发展早期全球便已发生了大量大规模脱网事故。此外， 在可再生能源机组的局部并网点，电力电子装置功率开关元件的高频开断动作将 产生高频谐波并注入电网，使并网点产生电压畸变与闪变，影响并网点的电能质 量。在并网点电压较低、结构薄弱且可再生能源渗透率较高的电网，电压波动与 闪变严重程度将会加剧，但通常超出并网标准情况较少。在中低比例阶段的集中 并网区域，可再生能源机组电力电子装置与系统中的其他元件相互影响可能产生 稳定问题。随着可再生能源渗透率的逐步提升，传统电力系统中以机电动态为主 导的各种参数的稳定性，包括功角、电压和频率稳定性均会发生改变。在渗透阶 段，由于电力电子的宽频响应特性，系统稳定性不再局限于传统的工频和机电时 间尺度，电磁动态特性加剧，导致出现振荡频率范围扩展到数千赫兹的宽频电磁 振荡现象。且在渗透阶段，这一现象将不仅局限局部并网地区，宽频电磁振荡将 可能扩展至全系统。2.2经济安全运行在运行时间尺度上，可再生能源带来的一系列挑战源自其固有波动性与随机 性。可再生能源电源出力上限通常不可调度，且其变化规律往往与负荷曲线变化 不匹配，甚至呈现反调峰特性。风电场高出力时段可能在负荷较低的深夜，而日 中负荷高峰时出力较低。光伏出力在傍晚开始下降，相对晚高峰亦呈现反调峰特 性。净负荷的波动需要灵活性资源，比如可调常规电源、储能电站和区外来电等 调整出力以保证平衡。随着波动程度的增加，对调峰与爬坡速率等资源总量的需 求进一步增大。这一问题在中比例渗透阶段有可能出现。2019年，中国风电和光伏设备的平均利用小时数分别为2082h和1169h。可 再生能源电力系统中，风电和光伏装机容量将远超负荷峰值。按照目前的风光比 例与负荷容量系数，假设区域平滑效应为60%，若未来风光需要满足中国80%的 电能需求，总电力装机容量将达到负荷峰值的1.75倍。在反调峰的极端场景下， 电力过剩更加严重，与外界互联通道容量较小的局部地区尤甚，需要从需求侧角 度寻找可调负荷主动消纳多余的可再生能源发电。综上所述，系统调峰与电力市 场的组织问题在中比例渗透阶段的时候便会出现，随着渗透率的增加，问题逐渐 凸显。极端潮流模式和电力过剩的问题在与极渗透阶段才会出现。2.3电力系统规划从电力系统规划的角度看，需要立足于整个系统在更长的时间尺度上考虑可 再生能源发展带来的挑战。输电资源短缺的问题在中比例渗透阶段将会出现，随 着可再生能源渗透率的不断提高，尤其是分布式可再生能源的普及，输电资源短 缺的情况将向更低的电压等级和更广阔的网络范围转移，线路阻塞的情况更加普 遍。可再生能源广域空间上的出力波动要求在电网规划中提供充足的输电能力。可再生能源电力系统中电力系统局部的发电负荷自我平衡能力降低，需要更广泛 的电网互联，充分利用可再生能源出力平滑效应。2新能源电力系统优化控制方法及关键技术2.1稳定性控制与监测3.1.1高低电压穿越能力改造可再生能源机组故障穿越模块化改造是除安装无功补偿设备外提高机组故障 穿越能力的另一类技术。硬件改造从根本上提升了换流器对系统电压变化的耐受 能力。常用的保护电路有2类，一类称为消弧电路，主体为电阻，安装于机组一 侧换流器的交流部分，用于吸收过剩能量加速过电流衰减以实现故障时的低电压 穿越；另一类称为斩波电路，主体为电阻和开关器件，位于换流器直流部分，通 过开关斩波实现能量消耗。3.1.2控制策略创新电力电子接口的外部特性由其控制策略决定，可以根据系统需求进行灵活设 定，为传统电力系统运行注入了新的可控性。可再生能源机组电力电子接口根据 原动机内部以及电网侧电气量的变化，按照预设的策略调整可控资源实现目标电 气量达到预设数值。电力电子接口引起的众多问题源于对系统特征认识不足而导 致的控制策略不当或错误。因此，其作为可再生能源问题的来源，同时也是解决 问题的有力手段，控制策略方面的创新已经用于解决暂态时间尺度的各种稳定问 题。3.1.3柔性交流与直流控制目前，应用现有的无功补偿与滤波技术能够较好地应对。能够改善电压质量 指标的主要设备包括静止无功补偿器(staticvarcompensator，SVC)、静止无 功 发生器 (staticvargenerator， SVG ) 和动 态电压 调节器 (dynamicvoltageregulator，DVR)；能够改善电流质量指标(谐波为主)的设 备主要包括传统的无源滤波器和有源电力滤波器(activepowerfilter，APF)等。 此外，SVC和SVG等无功补偿设备能够在系统故障时起到稳定机端电压的作用， 防止换流器过电流，一定程度上提高了机组的故障穿越能力。3.1.4同步调相机近年来，随着非同步可再生能源机组带来的低惯性、低短路电流危害逐渐为 人们所认识，同步调相机开始以“同步机”的身份回到人们的视野。由于结构与 发电机基本相同，同步调相机能够同时提供惯性和短路容量。一般同步调相机惯 性时间常数约为1.25s，加拿大使用的高惯量调相机时间常数能够达到7.84s。 300Mvar同步调相机能够为所并网母线提供10001200A短路电流。同步调相机恰 好能弥补极可再生能源并网引起的低惯性和低短路电流两大挑战。在网络结构薄 弱的小型电力系统中，其作用尤为关键。3.1.5广域测量与控制系统可再生能源并网使得系统的故障特征发生显著变化，远距离的机组谐振与系 统短路电流减小等都对继保设备的正确动作提出挑战。继电保护装置的整定与工 作原理需要与可再生能源电力系统的特点相互适应。目前大数据技术分析系统全 局海量数据为预判和区分系统潜在故障提供了新思路。2009年中国就已投入了 1000多处PMU节点，建立了十多个WAMS中心站，基本覆盖500kV变电站和主要 发电厂。开发WAMS系统在可再生能源系统保护与控制中的先进应用有良好的基 础条件。但由于传统的PMU和WAMS通常只获取基波相量，针对可再生能源接入 电力系统的新型稳定性问题，需要对监测系统进行升级，拓宽相量数据测量和传 输的频率范围。3.2电力、电量的时序平衡3.2.1灵活性电源与火电灵活性改造目前，中国的电源结构仍以煤电为主导，煤电装机占总装机容量的比例约为 60%。传统大型煤电的调节性能较差，运行范围较窄，在爬坡速度、启动时间和 调峰能力等方面均难以满足可再生能源并网的需求。煤电向下调峰能力不足曾经 是中国“三北”（东北、华北、西北）地区弃风的主要原因。推进灵活调节电源 建设和火电灵活性提升工程是现阶段电侧灵活性提升的两大主要手段。3.2.2灵活的电力市场在电力市场发展成熟的国家，电力系统所有生产环节均须通过市场交易的方 式进行。合理的市场平衡机制对调动灵活性资源参与市场和平抑可再生能源发电 的间歇性起到至关重要的作用。一方面，系统需要提高市场交易频度和灵活性以 应对可再生能源小时级以内的波动。电力市场还为可再生能源带来的“外部成本” 提供了内部化的途径。另一方面，尽管可再生能源本身的发电边际成本几乎为零， 但其带来了额外的调峰需求、爬坡需求和惯性稳定需求，其廉价出力在挤占传统 电源发电量的同时，又要求其他主体提供辅助服务。电力市场为电力系统转型过 程中的传统主体转型与新主体引入提供了平台。3.2.4需求响应需求响应是挖掘用户侧灵活性的重要手段，通过用户响应能够使电力负荷 “随风而动、随光而动”，进而降低净负荷曲线的波动性。根据用户响应对象的 不同，需求响应还可分为基于价格的需求响应和基于激励的需求响应。前者通过 零售电价的变化影响用电需求，具体包括分时电价、实时电价和尖峰电价等；后 者通过制定确定性或竞争性的奖励政策来激励用户必要时段调整负荷，激励措施 包括直接负荷控制、可中断负荷和需求侧竞价等。3.2.5储能储能设备通过将电能量转化为机械能和化学能等其他形式实现能量的存储。 截至2019年底，全球已投运电力储能项目的累计装机规模达183.1GW，同比增长 1.2%。在未来储能成本大幅下降的背景下，储能设备将从根本上改变电能无法大 规模长时间存储的电力系统基本特征。3.3电力、电量的空间平衡可再生能源机组选址位置与地区资源禀赋天然相关，而资源富集地与负荷中 心往往逆向分布，因此，可再生能源电力系统必然存在电力、电量空间的不平衡。为此，需要通过电网的大范围互联和多能源形式之间的互济转化实现电力、电量 的空间平衡。3.4多样化清洁能源电力虽然当前新增可再生能源电力以风电和光伏为主，但其他可再生能源与清洁 能源，比如光热和生物质能等的发展潜力亦不容忽视。一方面，这些电源形式的 发展能够结合不同电源形式的特性帮助电力系统更好地消纳风电和光伏的电能； 另一方面，可以提升系统中可再生能源的渗透率。风电和光伏装机均是在近10年内呈现出短时爆发式增长，不能排除未来技术发展带来新的可再生能源电力增 长点。依靠多类型电源的互补协同效应也是实现乃至极可再生能源电力系统的重 要途径。本节将对多种“小众”清洁能源电力的发展现状、经济技术特性和未来 电力系统中的定位进行评述。结语综上所述，目前没有一种技术可以一劳永逸地解决可再生电力系统带来的问 题，这些技术未来是否能够被广泛用于可再生能源并网，不仅取决于其技术可行 性，更取决于其相对技术经济性。本文对各项解决方案的发展前景与经济成本进 行了充分的说明与讨论。希望本文提供的观点与数据能够帮助研究人员在开展具 体领域的深入研究。参考文献：1 姜海洋，杜尔顺，朱桂萍，等.面向可再生能源电力系统的季节性能综 述与展望J.电力系统自动化，2020，44 (19)： 194-207.2 王毅，张宁，康重庆.能源互联网中能量枢纽的优化规划与运行研究综 述及展望J.中国电机工程学报，2015，35 (22)： 5669-5681.3 顾泽鹏，康重庆，陈新宇，等.考虑热网约束的电热能源集成系统运行 优化及其风电消纳效益分析】J.中国电机工程学报，2015, 35 (14)： 3596- 3604.4 陈启鑫，康重庆，夏清.碳捕集电厂的运行机制研究与调峰效益分析J .中国电机工程学报，2020, 30 (07)： 122-128.5 朱寰，程亮，陈琛，等.多重应用场景下的电网侧储能需求评估方法J.电力建设，2019，40 (09)： 135-142.