智能電網(wǎng)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

【摘 要】現(xiàn)代電力系統(tǒng)由于大量具有波動性的可再生能源接入以及日益活躍的需求側(cè)推動電力工業(yè)朝智能電網(wǎng)的目標(biāo)逐步推進(jìn)。智能電網(wǎng)的出現(xiàn)對已有的電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析與控制帶來較大影響。本文介紹了中國智能電網(wǎng)的發(fā)展、目標(biāo)和特征，討論了在智能電網(wǎng)環(huán)境下電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析與運(yùn)行、智能調(diào)度、大規(guī)模風(fēng)電接入、分布式發(fā)電所帶來的新問題。

【關(guān)鍵詞】智能電網(wǎng)；穩(wěn)定性分析；穩(wěn)定運(yùn)行；分布式發(fā)電；需求側(cè)響應(yīng)

隨著全球資源環(huán)境壓力的不斷增大，電力市場化進(jìn)程的不斷推進(jìn)及用戶對電能可靠性和質(zhì)量要求的不斷提升，要求未來的電網(wǎng)必須能夠提供更加安全、可靠、清潔、優(yōu)質(zhì)的電力供應(yīng)，能夠適應(yīng)多種能源類型發(fā)電方式及客戶自主選擇的需要。為此，世界各國都提出要建設(shè)靈活、清潔、安全、經(jīng)濟(jì)、友好的智能電網(wǎng)，并將智能電網(wǎng)視為未來電網(wǎng)的發(fā)展方向。

到目前為止，智能電網(wǎng)還沒有一個統(tǒng)一而清晰的定義，還處于研究的初期階段。我國正處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時期，負(fù)荷增長快且能源分布不均，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)也比較薄弱，變化快。所以我國智能電網(wǎng)的研究重點(diǎn)是加快建立特高壓骨干網(wǎng)架，運(yùn)用大量新技術(shù)提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平。

1.智能電網(wǎng)建設(shè)

各國根據(jù)自己的實(shí)際情況正在建立適合國情的智能電網(wǎng)，中國的智能電網(wǎng)建設(shè)相對較晚，但目前已經(jīng)取得重視并提出了自己的發(fā)展目標(biāo)和規(guī)劃。

1.1中國智能電網(wǎng)

我國對于能夠降低化石能源消耗、節(jié)能減排的智能電網(wǎng)需求非常迫切。按照規(guī)劃，我國2010年風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到3500萬kW，2020年風(fēng)力、太陽能等可再生能源的發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到總裝機(jī)容量的16%，2050 年風(fēng)力、太陽能等可再生能源的發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到總裝機(jī)容量的30%。如何適應(yīng)大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電的高速發(fā)展是我國建設(shè)智能電網(wǎng)面臨的一個重要問題。

結(jié)合國際電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展方向和我國電網(wǎng)發(fā)展特點(diǎn)，國家電網(wǎng)公司重點(diǎn)組織開展了新型能源接入、特高壓輸電、大電網(wǎng)運(yùn)行控制、數(shù)字化變電站與數(shù)字化電網(wǎng)、靈活交直流輸電及儲能、電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)與城鄉(xiāng)電網(wǎng)安全可靠供電、電網(wǎng)環(huán)保與節(jié)能等方面的研究，在特高壓輸電技術(shù)、電網(wǎng)廣域監(jiān)測分析保護(hù)控制技術(shù)、電網(wǎng)頻率質(zhì)量控制技術(shù)、穩(wěn)態(tài)/暫態(tài)/動態(tài)三位一體安全防御技術(shù)和自動電壓控制技術(shù)等方面處于國際領(lǐng)先地位。

1.2智能電網(wǎng)的特點(diǎn)

中國智能電網(wǎng)的特征是信息化、數(shù)字化、自動化、互動化，簡稱 “四化”。信息化就是各種實(shí)時和非實(shí)時信息的高度集成、共享和利用；數(shù)字化就是電網(wǎng)對象、結(jié)構(gòu)及狀態(tài)的定量描述和各類信息的精確高效采集與傳輸；自動化就是電網(wǎng)控制策略的自動優(yōu)選、運(yùn)行狀態(tài)的自動監(jiān)控和故障狀態(tài)的自動恢復(fù)；互動化就是電源、電網(wǎng)和用戶資源的友好互動和協(xié)調(diào)運(yùn)行。

2.智能電網(wǎng)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

和傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，智能電網(wǎng)更關(guān)注系統(tǒng)中信息的傳輸、分析和利用。它能優(yōu)化各級電網(wǎng)的控制，構(gòu)建結(jié)構(gòu)扁平化、功能模塊化、系統(tǒng)組態(tài)化的柔性體系架構(gòu)，并通過集中與分散相結(jié)合的方法，靈活變換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、智能重組系統(tǒng)架構(gòu)、最佳配置系統(tǒng)效能，使電網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量得到優(yōu)化。而分布式電源的接入，其間歇性和不確定性給電網(wǎng)供電造成很大的影響，使得配電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和潮流更復(fù)雜。

2.1智能大電網(wǎng)骨架的安全穩(wěn)定控制

中國的智能電網(wǎng)要求根據(jù)超高壓電網(wǎng)形成的過程規(guī)律和特高壓輸電的作用，以及國家發(fā)電資源和負(fù)荷中心的地理分布特點(diǎn)，加快建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架的國家電網(wǎng)。

2020年前為特高壓建設(shè)的高峰期，也是形成特高壓電網(wǎng)的過渡期。在此期間電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化很快，在制定控制策略時應(yīng)考慮時空的協(xié)調(diào)。時間協(xié)調(diào)是指所制定的控制策略應(yīng)盡量滿足電網(wǎng)結(jié)構(gòu)隨時間變化的需求?？臻g協(xié)調(diào)是指電氣距離相近的控制裝置間應(yīng)協(xié)調(diào)優(yōu)化。

2.2智能電網(wǎng)中的安全穩(wěn)定分析軟件

智能調(diào)度是智能電網(wǎng)的重要組成部分。與傳統(tǒng)的安全穩(wěn)定分析軟件相比，智能電網(wǎng)環(huán)境下的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析與預(yù)防控制軟件系統(tǒng)還應(yīng)該具有以下功能：

1）進(jìn)行量化分析，給出各種狀態(tài)的安全穩(wěn)定裕度；

2）快速的篩選、處理、分析大量的數(shù)據(jù)，滿足在線分析的需求；

3）動態(tài)監(jiān)視電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，并提供各種直觀、準(zhǔn)確、方便的可視化表現(xiàn)手段；

4）發(fā)現(xiàn)各種潛在的安全威脅，提供各種安全威脅發(fā)生后的控制策略和控制后的安全穩(wěn)定裕度；

5）在線監(jiān)視和分析低頻振蕩，實(shí)時監(jiān)控振蕩模式的變化；

6）對電網(wǎng)的各種擾動精確的識別；

7）具有自動調(diào)整和優(yōu)化功能，當(dāng)監(jiān)測到一個運(yùn)行方式穩(wěn)定裕度過低時，能自動地做出調(diào)整使穩(wěn)定裕度更高，并將調(diào)整過程和結(jié)果顯示給調(diào)度人員。

2.3分布式電源的接入

智能電網(wǎng)的一個重要特點(diǎn)是電源結(jié)構(gòu)的多元化，隨著智能電網(wǎng)的不斷建設(shè)，分布式電源將越來越多的接入系統(tǒng)。它們最終將實(shí)現(xiàn)所有電壓等級上的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)“即插即用”。

分布式發(fā)電的特點(diǎn)是：

1）安全、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，是供電安全防護(hù)和應(yīng)急處理的理想設(shè)施；

2）投資少、回收快。

分布式電源的接入可以減少對外來能源的依賴并在故障時繼續(xù)供電，提高供電可靠性。但隨著分布式發(fā)電在智能電網(wǎng)中占比越來越大，和其自身容量的增大，將給區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定分析帶來影響。因此還需研究如下問題：

1）對各類分布式電源的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)做進(jìn)一步研究。

2）對各類分布式電源的建模方法、參數(shù)選取做進(jìn)一步研究。

3）分析各類分布式電源的靜態(tài)和動態(tài)特性。

4）對地區(qū)電網(wǎng)中的大量分布式電源的等值方法進(jìn)行研究。

2.4大規(guī)模風(fēng)電接入對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

風(fēng)能具有隨機(jī)性、波動性的特征，其大范圍的波動會對系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生巨大影響。從靜態(tài)來講，可能會存在由潮流的大范圍轉(zhuǎn)移造成的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性或者線路阻塞等問題，而從動態(tài)的角度考慮，可能會導(dǎo)致短路容量增加、系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性發(fā)生變化等等。此外，風(fēng)電場往往處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，本身電網(wǎng)薄弱可能會加重其對穩(wěn)定性的影響。

2.5需求側(cè)響應(yīng)

需求測響應(yīng)（DR）是智能電網(wǎng)中在用戶層級上的應(yīng)用，通過電價或某種激勵方式，在市場電價較高或者系統(tǒng)運(yùn)行可靠性較低時引導(dǎo)用戶配合改變正常用電方式，減少用電需求。其理想形式是“虛擬發(fā)電廠”，此形容指負(fù)荷可以像發(fā)電廠一樣為系統(tǒng)提供調(diào)節(jié)能力，同時其調(diào)節(jié)控制可像發(fā)電機(jī)組一樣的準(zhǔn)確可控。而這就需要與智能電網(wǎng)的發(fā)展相結(jié)合，從根本上提升控制技術(shù)。

通過發(fā)展高效可靠的DR控制手段可對電網(wǎng)的運(yùn)行管理起到如下作用：

1）通過負(fù)荷的平移，減小峰谷差，提高電力設(shè)備利用率，改善資產(chǎn)管理，同時降低或者緩解電價；

2）提供調(diào)頻能力，平抑可再生能源接入引起的波動，改善電能質(zhì)量，同時降低網(wǎng)損；

3）提供緊急備用，取代部分旋轉(zhuǎn)備用容量，減少停電間隔和停電頻率，有效地消除區(qū)域性大停電。

DR 也是緩解系統(tǒng)短期容量短缺和延緩電網(wǎng)升級投資的有效手段，尤其是在可再生能源發(fā)電滲透率快速提高的情形下，通過 DR 來應(yīng)對可再生能源出力的波動和參與輔助服務(wù)具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3.總結(jié)

我國智能電網(wǎng)發(fā)展的總體目標(biāo)是以特高壓網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的電網(wǎng)為基礎(chǔ)，利用先進(jìn)的通信、信息、和控制技術(shù)，構(gòu)建以信息、數(shù)字化、自動化、互動化、為特征的自主創(chuàng)新、國際領(lǐng)先的智能電網(wǎng)。

為了建成這樣的智能電網(wǎng)，電力系統(tǒng)必須進(jìn)行根本性變革。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，特別是分布式電源的大規(guī)模接入，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特征、運(yùn)行方式和能源結(jié)構(gòu)都將發(fā)生很大的變化。這給傳統(tǒng)的電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提出了很大的挑戰(zhàn)，也說明傳統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法不再適用，需要研究適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展的新方法，確保智能電網(wǎng)的順利建設(shè)和運(yùn)行。

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