電氣工程

新能源消納關(guān)鍵因素分析及解決措施研究

舒印彪，張智剛，郭劍波，等

摘要：目的：近年來(lái)，我國(guó)新能源快速發(fā)展，消納問(wèn)題成為各方關(guān)注焦點(diǎn)。新能源消納一直是世界性難題，由于我國(guó)的資源稟賦特點(diǎn)、電力系統(tǒng)條件和市場(chǎng)機(jī)制等問(wèn)題，新能源消納面臨更大挑戰(zhàn)。本文旨在分析影響新能源消納的關(guān)鍵因素，進(jìn)而系統(tǒng)地分析我國(guó)產(chǎn)生棄風(fēng)、棄光問(wèn)題的根源，并提出促進(jìn)新能源消納的措施與方法。方法：文章在總結(jié)近5年我國(guó)新能源裝機(jī)和消納現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)新能源消納問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和機(jī)理分析，進(jìn)而指出了影響我國(guó)新能源棄風(fēng)、棄光問(wèn)題的關(guān)鍵因素，包括電源調(diào)節(jié)性能（最大技術(shù)出力、最小技術(shù)出力）、電網(wǎng)互聯(lián)互通水平（聯(lián)絡(luò)線外送能力）、負(fù)荷規(guī)模及峰谷差等。在理論分析基礎(chǔ)上，以我國(guó)重點(diǎn)省份和葡萄牙電網(wǎng)為案例，通過(guò)新能源理論電量與消納空間電量分析，對(duì)比新能源消納條件和關(guān)鍵因素的作用。進(jìn)一步，針對(duì)我國(guó)目前存在的新能源棄風(fēng)、棄光問(wèn)題，提出“十三五”期間從靈活調(diào)節(jié)電源建設(shè)、火電機(jī)組改造、電網(wǎng)互聯(lián)互通以及電能替代等多方面采取措施，通過(guò)對(duì)上述措施效果的時(shí)序生產(chǎn)模擬，結(jié)果表明所提出的措施能夠有效緩解消納矛盾，促進(jìn)新能源更好發(fā)展。結(jié)果：在2020年用電負(fù)荷水平下，基于當(dāng)前東北、西北電網(wǎng)火電機(jī)組調(diào)峰能力和外送能力，不采取相關(guān)措施的情況下，我國(guó)新能源消納問(wèn)題十分突出。在本文分析提出的影響新能源消納關(guān)鍵因素的基礎(chǔ)上，通過(guò)有針對(duì)性的采取一系列措施，我國(guó)棄風(fēng)、棄光問(wèn)題能夠得到有效緩解。1）火電機(jī)組調(diào)峰能力整體增加20%，東北電網(wǎng)提高新能源消納12.1 TWh，西北提高14.9 TWh；東北電網(wǎng)建設(shè)抽水蓄能電站4.1 GW，可提高新能源消納3.4 TWh。2）建設(shè)跨區(qū)外送通道，東北電網(wǎng)提高新能源消納7.3 TWh，西北提高新能源消納29.4 TWh。3）電動(dòng)汽車參與負(fù)荷調(diào)節(jié)，東北提高新能源消納5 TWh，西北提高4.0 TWh；通過(guò)電能替代，東北電網(wǎng)提高新能源消納9.5 TWh，西北提高7.0 TWh；引入需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制，東北電網(wǎng)提高新能源消納4.4 TWh，西北提高3.3 TWh。4）綜合采用上述多項(xiàng)措施，東北電網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)棄風(fēng)、棄光率為1.7%；西北電網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)棄風(fēng)、棄光率為8.6%。結(jié)論：我國(guó)新能源以集中式開(kāi)發(fā)為主，主要布局在西部北部地區(qū)，本地市場(chǎng)消納空間有限，靈活調(diào)峰電源、火電調(diào)峰能力均嚴(yán)重不足，電網(wǎng)跨區(qū)輸送能力不夠，市場(chǎng)機(jī)制尚不完善，是造成當(dāng)前新能源消納矛盾的主要原因。要破解新能源發(fā)展難題，需要從電源、電網(wǎng)、用戶、市場(chǎng)等多個(gè)環(huán)節(jié)入手，多措并舉、綜合施策。在電源側(cè)加強(qiáng)調(diào)峰能力建設(shè)，提高抽蓄、燃機(jī)等靈活調(diào)節(jié)電源比例，推動(dòng)火電機(jī)組調(diào)峰能力改造，提高供熱機(jī)組調(diào)峰深度。在電網(wǎng)側(cè)加快跨區(qū)跨省通道建設(shè)，擴(kuò)大新能源配置范圍，統(tǒng)籌發(fā)揮大電網(wǎng)配置及平衡能力。在用戶側(cè)推進(jìn)電能替代，加快微電網(wǎng)、儲(chǔ)能、“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源等技術(shù)攻關(guān)，用市場(chǎng)辦法引導(dǎo)用戶參與調(diào)峰調(diào)頻、主動(dòng)響應(yīng)新能源出力變化。在體制機(jī)制方面，完善火電調(diào)峰補(bǔ)償機(jī)制，加快構(gòu)建全國(guó)統(tǒng)一電力市場(chǎng)，建立有利于打破省間壁壘、促進(jìn)清潔能源跨區(qū)跨省消納的電價(jià)機(jī)制和新能源配額制度。

來(lái)源出版物：中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2017, 37(1)： 1-8

入選年份：2017

虛擬同步機(jī)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

呂志鵬，盛萬(wàn)興，劉海濤，等

摘要：目的：虛擬同步機(jī)技術(shù)為解決電力系統(tǒng)電力電子化程度不斷提高進(jìn)程中慣量缺乏、阻尼下降和電網(wǎng)安全穩(wěn)定裕度減小等問(wèn)題提供了新的思路。為進(jìn)一步促進(jìn)虛擬同步機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，加快技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定，推動(dòng)清潔能源參與電力系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)壓技術(shù)規(guī)范的出臺(tái)，本文論述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究成果，在虛擬同步機(jī)技術(shù)分類、功能、控制方法等方面介紹了虛擬同步機(jī)相關(guān)概念，從光伏虛擬同步發(fā)電機(jī)、風(fēng)電虛擬同步發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)和負(fù)荷虛擬同步機(jī)4個(gè)方面，結(jié)合實(shí)際工程介紹了其主要的應(yīng)用方式，并介紹了參數(shù)設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性相關(guān)研究進(jìn)展。方法：首先介紹了虛擬同步機(jī)技術(shù)的相關(guān)概念。虛擬同步機(jī)技術(shù)通常是指電力電子變流器的控制環(huán)節(jié)采用同步電機(jī)的機(jī)電暫態(tài)方程，使采用該技術(shù)的裝置并網(wǎng)運(yùn)行，具有同步機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的慣性、阻尼特性、有功調(diào)頻、無(wú)功調(diào)壓特性等運(yùn)行外特性的技術(shù)。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，虛擬同步機(jī)分為清潔能源虛擬同步機(jī)與負(fù)荷虛擬同步機(jī)。清潔能源虛擬同步機(jī)包括風(fēng)機(jī)虛擬同步發(fā)電機(jī)、光伏虛擬同步發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)。在功能方面，國(guó)家電網(wǎng)公司已編制了相關(guān)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)虛擬同步機(jī)技術(shù)的功能進(jìn)行了一定的要求。以虛擬同步發(fā)電機(jī)為例，建議其應(yīng)具有自主有功調(diào)頻控制、自主無(wú)功調(diào)壓控制、虛擬慣性控制、阻尼控制等功能。其次，按照應(yīng)用場(chǎng)景的不同，從光伏虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)、風(fēng)電虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)、儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)技術(shù)以及負(fù)荷虛擬同步電動(dòng)機(jī)技術(shù)四個(gè)方面介紹了虛擬同步機(jī)技術(shù)的應(yīng)用。然后，介紹了虛擬同步機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析。虛擬同步機(jī)有4個(gè)重要特征參數(shù)，分別為有功調(diào)頻系數(shù)、無(wú)功調(diào)壓系數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)。經(jīng)分析與研究，虛擬同步機(jī)慣量和阻尼參數(shù)的選取同時(shí)受到儲(chǔ)能或等效儲(chǔ)能環(huán)節(jié)以及控制器參數(shù)的影響。在穩(wěn)定性方面，由于機(jī)械與電磁方程上的相似性，虛擬同步機(jī)在模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)慣量與阻尼特性的同時(shí)，也會(huì)引入傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的功率振蕩問(wèn)題。現(xiàn)已有研究表明，可通過(guò)建立工頻小信號(hào)模型，給出基于系統(tǒng)截止頻率和相角裕度的虛擬同步機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)方案，從而在一定程度上避免功率振蕩問(wèn)題。最后，分析了虛擬同步機(jī)技術(shù)目前存在的一些問(wèn)題，如電壓控制問(wèn)題，儲(chǔ)能和預(yù)留容量經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題等。結(jié)果：虛擬同步機(jī)技術(shù)目前已有了一定的研究與應(yīng)用基礎(chǔ)，在國(guó)家電網(wǎng)公司風(fēng)光儲(chǔ)輸示范基地，已建成虛擬同步機(jī)示范工程，其調(diào)節(jié)能力達(dá)到547.5 MW；國(guó)網(wǎng)天津市電力公司也計(jì)劃在中新生態(tài)城智能營(yíng)業(yè)廳內(nèi)引進(jìn)虛擬同步機(jī)技術(shù)。但目前仍存在一些問(wèn)題需要解決：如電壓控制能力不如常規(guī)同步機(jī)組。結(jié)論：雖然虛擬同步機(jī)技術(shù)當(dāng)前還存有一些問(wèn)題，但在傳統(tǒng)機(jī)組仍占主導(dǎo)地位的電力系統(tǒng)中，清潔能源并網(wǎng)在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍需追蹤“同步”電網(wǎng)，所以虛擬同步機(jī)技術(shù)仍有較大應(yīng)用和提升空間，特別是伴隨電力系統(tǒng)的電力電子化程度不斷提高，虛擬同步機(jī)技術(shù)為解決慣量缺乏、阻尼下降和電網(wǎng)安全穩(wěn)定裕度減小等問(wèn)題提供了新的思路。建議進(jìn)一步開(kāi)展虛擬同步機(jī)相關(guān)產(chǎn)品化工作，開(kāi)展并網(wǎng)穩(wěn)定性分析關(guān)鍵技術(shù)研究，探索“源-網(wǎng)-荷”靈活互動(dòng)與自主交互模式，建立支撐電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的虛擬同步機(jī)完整技術(shù)體系。

來(lái)源出版物：中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2017, 37(2)： 349-359

入選年份：2017