新能源電力系統(tǒng)優(yōu)化控制方法及關(guān)鍵技術(shù)探究

王永科

（許昌電氣職業(yè)學(xué)院，河南 許昌 461000）

近幾年，資源短缺，氣候復(fù)雜多變，環(huán)境污染嚴(yán)重，隨著世界科技的不斷進步，促進了電力系統(tǒng)可再生資源的建設(shè)，已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，風(fēng)能、太陽能、水能以及核能資源的充分利用，加速了國內(nèi)新能源與國家電網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)型，將綠色環(huán)保，低碳生活作為國家新能源戰(zhàn)略的主要任務(wù)。本文主要以探究新能源電力系統(tǒng)優(yōu)化控制及關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用的探討，借此推動電力用戶主動試用新能源電力系統(tǒng)，推進新能源電力系統(tǒng)優(yōu)化升級，有利于發(fā)電穩(wěn)定。

1 新能源電力系統(tǒng)的特點及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 特征

新能源電力系統(tǒng)的中心意義就是實現(xiàn)真正的 縱向垂直互補,垂直網(wǎng)絡(luò)負載能源存儲協(xié)調(diào) 的幫助下相關(guān)的技術(shù)手段，減少一次性能源的使用，增加新能源在電力系統(tǒng)的比重，最后逐步使可再生能源占據(jù)電力資源結(jié)構(gòu)的主要位置。

新能源發(fā)電系統(tǒng)具有隨機性和波動性、受溫度的影響較大的特點，新能源集成產(chǎn)生的振蕩對電力系統(tǒng)的安全運行有著重要的影響。因此，新能源比例越高，振蕩問題就越嚴(yán)重，新能源的普及不僅會影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，而且會對新能源電力系統(tǒng)的運行率產(chǎn)生重大影響。

選擇將傳統(tǒng)煤燃發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成新能源電力系統(tǒng)最主要的原因就是，新能源系統(tǒng)本身所具有的可再生性、可重復(fù)性及可利用性。風(fēng)能、核能、太陽能和水能等新能源的開發(fā)利用是現(xiàn)階段新能源發(fā)展的重要組成部分。

目前，清潔改造電力基礎(chǔ)設(shè)施的配套能力有待進一步提高，新能源電力系統(tǒng)深入滲透率高，導(dǎo)致對新能源電力系統(tǒng)的控制有著嚴(yán)重的不穩(wěn)定性。特別是分布式發(fā)電的 弱調(diào)度特性，使高滲透電力系統(tǒng)的運行難以控制。因此，研究多資源、多總體目標(biāo)以及多約束的協(xié)調(diào)控制技術(shù)是十分必要的。

新能源電力的另一個重要特征是其低能量密度。例如，風(fēng)速為3m/s 時，其能量密度約為20W/m2，即使天氣晴朗時正午時分的太陽能，垂直于地球表面的太陽的能量密度也僅為1000W/m2，這使新能源個發(fā)電設(shè)備的獨立容量不能太大。大量小容量發(fā)電機組并網(wǎng)，使電力系統(tǒng)臺受控發(fā)電機組呈現(xiàn)爆炸性增長趨勢。

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

（1）目前，我國燃煤發(fā)電系統(tǒng)缺乏靈活性和調(diào)節(jié)能力，電網(wǎng)調(diào)度運行模式相對僵化，已成為制約可再生能源高比例接入電網(wǎng)的瓶頸。在目前中國的電力規(guī)劃中，電源側(cè)的靈活性資源配置落后于可再生能源的發(fā)展速度，現(xiàn)存煤電機組靈活性改造仍有較大空間，豐富能源資源地區(qū)水利發(fā)電、蓄水儲能、核能發(fā)電等具有調(diào)節(jié)性能的靈活電源比例不足。

（2）“三北”地區(qū)是我國重要的風(fēng)電基地，但由于當(dāng)?shù)匚漳芰Σ蛔?，需要通過電網(wǎng)進行大規(guī)模的遠距離輸電，這也帶來了一些經(jīng)濟和技術(shù)問題。為了大規(guī)模推動風(fēng)電技術(shù)，調(diào)峰問題是需要解決的。并且還要知道風(fēng)能、太陽能資源集中在 三北 地區(qū)，水資源集中在西南地區(qū)，電力負荷集中在華北、華東、華中和華東地區(qū)，占全國用電量的80%以上。這就決定了西部北部的大量清潔能源需要向東部和中部轉(zhuǎn)移，對電網(wǎng)的輸送能力提出了更高的要求。

（3）可再生能源在時間長度上具有顯著的季節(jié)變化和間歇性，并具有區(qū)域水汽與風(fēng)能互補、跨河水力互補和跨區(qū)域風(fēng)能與太陽能互補的特征。因此，通過廣泛互聯(lián)的新發(fā)電系統(tǒng)，可以實現(xiàn)全網(wǎng)的多能量互補、時空互助和友好接納。

2 新能源電力系統(tǒng)優(yōu)化控制方法

從生產(chǎn)發(fā)電來看，要實現(xiàn)間接性和波動性明顯的風(fēng)力發(fā)電、光伏消納，電力系統(tǒng)必須增加一些可以靈活迅速調(diào)節(jié)的電源作為支撐點。然而，我國低碳化的靈活電源，如正電、抽水蓄能裝機占比過高，因而在這方面需要進一步挖掘潛力，加速靈活電源建設(shè)和改建，以搭配新能源的發(fā)展。并且電力系統(tǒng)的負荷已不同于傳統(tǒng)化相對穩(wěn)定性的負荷。伴隨空調(diào)等大量波動性負荷的發(fā)展，必須加強數(shù)字化技術(shù)和電力網(wǎng)技術(shù)的深層融合，電網(wǎng)數(shù)字化頻率控制模型如圖1 所示。

圖1 電網(wǎng)數(shù)字化頻率控制模型

從智慧型能源的發(fā)展建設(shè)方面看，要充分考慮能源系統(tǒng)中各個領(lǐng)域相互之間的協(xié)調(diào)性協(xié)調(diào)，比如，考量應(yīng)急電源、通信電源和清潔電源發(fā)展規(guī)劃布局之間的協(xié)調(diào)性協(xié)調(diào)，電力網(wǎng)建設(shè)與靈活電源布局之間的協(xié)調(diào)性協(xié)調(diào)，電力網(wǎng)中不同傳送方式之間的協(xié)調(diào)性協(xié)調(diào)，電力網(wǎng)與冰網(wǎng)、熱網(wǎng)相互之間的協(xié)調(diào)配合，用戶側(cè)與電源側(cè)、用戶側(cè)與用戶側(cè)相互之間的協(xié)調(diào)協(xié)調(diào)，電力與交通、工業(yè)和住戶等不同行業(yè)之間的相互配合。智慧能源系統(tǒng)也是在原本智能電力的基礎(chǔ)知識上進一步拓寬，涵蓋電、熱、冷、氣以及氫等多種多樣能源的智慧化、綜合性系統(tǒng)。

從具體的發(fā)展方位上看，要實現(xiàn)以電為中心站，電、熱、冷、氣多種能源相互之間的互聯(lián)互通，以及多種多樣能源相互之間的協(xié)調(diào)發(fā)展，就要注重基礎(chǔ)性技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。因為能源轉(zhuǎn)型需要很多新的技術(shù)性和新的裝置，這類技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)離不開一些基本理論、基礎(chǔ)知識材料、主導(dǎo)元器件以及關(guān)鍵技術(shù)的支撐點。同時，要注意把區(qū)塊鏈、互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)等技術(shù)同電力網(wǎng)技術(shù)深層相融，進而打造一個新型的能源生態(tài)系統(tǒng)。

3 新能源電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探究

總之，有別于歐美地區(qū)發(fā)達國家，我國能源低碳轉(zhuǎn)型和發(fā)展所面臨的壓力與挑戰(zhàn)極大，但同時，也給電力系統(tǒng)的創(chuàng)新帶來了更多的機遇。對科學(xué)界、學(xué)術(shù)界和工業(yè)領(lǐng)域而言，如何進行電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)及新型電力設(shè)備的產(chǎn)品研發(fā)，都是迫切需要開展的工作。

3.1 建立實時預(yù)測系統(tǒng)

為解決可再生資源消耗比例高的問題，必須提高與電力相關(guān)的新能源技術(shù)水平，確保電網(wǎng)安全運行。風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)安全控制流程如圖2 所示。

因此，在未來幾年，有必要不斷提高新能源調(diào)度的技術(shù)水平，研究并建立具體的風(fēng)電機組仿真模型，即風(fēng)電場、光伏發(fā)電模塊和光伏變電站，仿真分析平臺建設(shè)，新能源發(fā)電并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；產(chǎn)品開發(fā)電站實時檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)風(fēng)電場資源的實時信息和運行監(jiān)控；產(chǎn)品研發(fā)可應(yīng)用于平原、盆地及山地等地形，以及暖溫帶季節(jié)性氣候、大陸性氣候、熱帶季節(jié)性風(fēng)力發(fā)電預(yù)測系統(tǒng)。有助于提升電力網(wǎng)的調(diào)節(jié)控制力，增加電力網(wǎng)運轉(zhuǎn)的靈活性，通過區(qū)域電力網(wǎng)的互聯(lián)互通，發(fā)揮相連電力網(wǎng)的間接儲能功效，以實現(xiàn)資源調(diào)優(yōu)利用，并降低系統(tǒng)總成本，同時，也要通過集中型和分布式儲能技術(shù)相結(jié)合，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)性來增加電力網(wǎng)孤網(wǎng)能力。

圖2 風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)安全控制流程圖

3.2 電力系統(tǒng)以及電瓶車的相融

將新能源電力系統(tǒng)與電瓶車相融合，運用更多的清潔能源，隨著電瓶車的普及，越來越多的電瓶車開上街道，那么，作為必要的基礎(chǔ)設(shè)施，發(fā)展也必須得跟上。另外，如何高效化地把它們相融到電力系統(tǒng)中，也是一個探索。各個國家的合作能幫助我們在這方面完成“1+1=2”的功效。同時，讓我們也要在各個行業(yè)，在有利益相關(guān)的方面，包括交通領(lǐng)域、電能領(lǐng)域密切合作。讓我們相信新能源汽車以及電力系統(tǒng)，不論是在電力網(wǎng)方面還是在地方，通過一系列的技術(shù)性解決方案能緊密融合。再者，在市場監(jiān)管這方面政策的適應(yīng)，或者說是調(diào)節(jié)，也將能使這樣的融合迅速發(fā)生。

4 結(jié)語

總而言之，在未來的大部分時間里，新能源電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和控制方法的轉(zhuǎn)化升級會逐漸成我國電力系統(tǒng)發(fā)展的主要目標(biāo)，只有真正實現(xiàn)新能源電力系統(tǒng)的自由使用，才能慢慢化解科技進步與環(huán)境資源之間的沖突，才能真正進行科技的全方位的研究投入，推動世界的進步，為人們的理想生活帶來真正意義上的改變。然而，國家相關(guān)電力系統(tǒng)與新能源技術(shù)的融合研究還不夠成熟，還需要國家大量的研究投入來縮短新能源電力系統(tǒng)的推廣時間。