新能源電力系統(tǒng)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)整合方法

王照陽

（南京華盾電力信息安全測評有限公司，南京 211106）

以化石燃料為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)電力能源，長期以來作為現(xiàn)代社會的一種重要的能源服務(wù)于社會發(fā)展。但長時間對化石能源大規(guī)模開采使用，使得化石能源逐漸枯竭，同時也帶來了大氣污染、噪音、水資源污染等一系列環(huán)境問題。為了實(shí)現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展，在未來就必須減少對化石能源的依靠，而代替的使用風(fēng)能、太陽能等再生清潔能源。此類能源資源豐富，每年可開采量完全可以滿足人類社會的能源需求。在未來只有構(gòu)建清潔能源為主、化石能源為輔的能源體系，設(shè)計(jì)傳統(tǒng)電站與新能源電站多元互補(bǔ)的新能源電力系統(tǒng)，人類社會才能走綠色可持續(xù)發(fā)展道路。而在此過程中，如何實(shí)現(xiàn)新舊電網(wǎng)的融合，是一個必須解決的問題。

1 新能源電力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

新能源電力系統(tǒng)利用的能源形式主要包括太陽能、地?zé)崮?、海洋能和風(fēng)能等一系列能源，這些能源具有儲量大、可再生、分布范圍廣等特征。我國新能源的研究起步較晚，相關(guān)技術(shù)、配套管理、規(guī)劃設(shè)計(jì)和市場機(jī)制還有待進(jìn)一步的研究。能源電力系統(tǒng)現(xiàn)在仍處于資金投入的階段，隨著相關(guān)技術(shù)和研究的發(fā)展，其相對于傳統(tǒng)電力的價格優(yōu)勢、環(huán)境綜合盈利優(yōu)勢將逐步體現(xiàn)出來[1]。

現(xiàn)階段我國新能源電力系統(tǒng)的發(fā)展與世界先進(jìn)水平還有一定差距。技術(shù)上面臨國際上的技術(shù)壟斷和封鎖，我國將大量資金投入與新能源相關(guān)技術(shù)研究和設(shè)備開發(fā)上，導(dǎo)致新能源發(fā)電成本高，收益率較低。但隨著近年來的發(fā)展，我國相關(guān)的技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)逐漸擺脫對西方國家的依賴，自主水平化水平不斷提高。在制度設(shè)計(jì)方面，我國新能源的政策制度還不夠完善，缺乏頂層設(shè)計(jì)和相關(guān)制度規(guī)劃，市場化水平和市場參與度不高，新能源發(fā)電價格機(jī)制還不夠完善。同時，行業(yè)內(nèi)也缺少統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)規(guī)劃，導(dǎo)致各類型能源系統(tǒng)不能很好融合和協(xié)調(diào)工作，這種情況阻礙了新能源電力系統(tǒng)的發(fā)展[2]。

2 新能源電力系統(tǒng)的能源類型

2.1 太陽能

太陽能是非常重要的一種清潔能源，沒有地域的限制，儲量巨大。現(xiàn)在太陽能利用的方法主要包括了熱轉(zhuǎn)化和電轉(zhuǎn)化2種類型。熱轉(zhuǎn)化是指將太陽光通過聚合的方式，直接將太陽能轉(zhuǎn)化成熱能，如太陽能熱水器、太陽灶等。電轉(zhuǎn)化是指將太陽光通過半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)原理產(chǎn)生電能，這方式可以用來改善偏遠(yuǎn)農(nóng)村的電力供應(yīng)，降低環(huán)境壓力[3]。由于政府的重視和推動，我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度較快。

2.2 風(fēng)能

風(fēng)能是由空氣流動所產(chǎn)生的動能，本質(zhì)是太陽能的一種轉(zhuǎn)化形式。地球表面由于太陽的輻射而不均勻受熱，而導(dǎo)致了大氣層中的壓力分布不均勻，因而產(chǎn)生了空氣的流動。風(fēng)能分布范圍廣，儲量大，但是能量密度低、不穩(wěn)定，開發(fā)利用受地理限制非常嚴(yán)重。在一些發(fā)達(dá)國家風(fēng)能發(fā)電量已經(jīng)達(dá)到了全社會發(fā)電總量的一半。我國風(fēng)力發(fā)電雖然起步較晚，但是發(fā)展比較迅速，目前已經(jīng)超越美國風(fēng)電產(chǎn)能，成為世界上最大的風(fēng)能發(fā)電國。

2.3 生物質(zhì)能

生物質(zhì)能是指太陽能以化學(xué)能形式儲存在各種有機(jī)物中的能量形式，目前較為科學(xué)環(huán)保的利用技術(shù)包括沼氣燃料電池技術(shù)、生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)和生物質(zhì)制氫技術(shù)等。近年來我國生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策不斷完善，相關(guān)技術(shù)進(jìn)一步提高，越來越多的企業(yè)參與到行業(yè)發(fā)展中來。目前新能源發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展的重點(diǎn)是沼氣發(fā)電及生物質(zhì)發(fā)電等產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目。

2.4 核能

核能是人類最具有希望的未來能源之一。核電站只需要消耗很少的核燃料，就可產(chǎn)生大量的電能。在我國核電領(lǐng)域已經(jīng)形成了一系列法律法規(guī)、規(guī)章標(biāo)準(zhǔn)及其他規(guī)范性文件，涉及核電站建設(shè)、運(yùn)行、退役到安全事故處理的諸多方面，在技術(shù)和管理上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與世界先進(jìn)水平接軌。

3 能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于電力系統(tǒng)的必要性

新能源將在未來代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源，成為人類社會賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。新能源具有地理上分散，生產(chǎn)不連續(xù)，隨機(jī)波動和不可控的特點(diǎn)，已存在的傳統(tǒng)電網(wǎng)布局和統(tǒng)一化管理方式難以適應(yīng)新能源大規(guī)模利用的要求。在傳統(tǒng)電網(wǎng)模式下，新能源分步式發(fā)電并網(wǎng)難以解決電網(wǎng)電能質(zhì)量管理、故障檢測和故障隔離方面所存在的問題，難以實(shí)現(xiàn)新能源的最大化利用。

而能源互聯(lián)網(wǎng)綜合利用電力電子技術(shù)和先進(jìn)的智能信息技術(shù)，將各種新能源、電力網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)和石油網(wǎng)絡(luò)等能量網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)不同能量網(wǎng)絡(luò)、供給方和需求方和用戶與用戶之間能量雙向流動，以及信息溝通與共享。能源互聯(lián)網(wǎng)模式能有效實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電網(wǎng)與新能源電網(wǎng)的兼容，并且能源互聯(lián)網(wǎng)可以有效整合產(chǎn)業(yè)鏈上下游形成供需互動及交易，能源互聯(lián)網(wǎng)還能支持匹配供需信息整合分散需求，使每一個家庭都能成為能源的消費(fèi)者和提供者。當(dāng)前社會用電顯示出越來越明顯的隨機(jī)性特點(diǎn)，這使得電力企業(yè)用電系統(tǒng)的供電與社會用電之間產(chǎn)生不對應(yīng)的情況，極不利于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。顯然，能源互聯(lián)網(wǎng)的模式能更有效地控制電力系統(tǒng)和保障電網(wǎng)運(yùn)行安全。

4 能源互聯(lián)網(wǎng)背景下電力系統(tǒng)整合方法

4.1 系統(tǒng)供需協(xié)調(diào)規(guī)劃

能源互聯(lián)網(wǎng)可以借助信息采集功能，全面掌握供需雙方的信息，包括電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)組工作狀態(tài)、發(fā)電量任務(wù)安排和用戶預(yù)測用電量等信息。結(jié)合生產(chǎn)信息和需求信息及電網(wǎng)內(nèi)部各系統(tǒng)的地理位置，協(xié)調(diào)傳統(tǒng)電網(wǎng)與新能源電網(wǎng)之間供電調(diào)配，并結(jié)合各區(qū)域之間的差異性，具體化不同電力系統(tǒng)的規(guī)劃方案和供電計(jì)劃。利用能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分散式和集中式能源模塊的之間的供需互動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全局統(tǒng)籌，使得整個電網(wǎng)效益的最大化。

4.2 模塊化和交互性

新能源電力系統(tǒng)和傳統(tǒng)電力系統(tǒng)在發(fā)電方式與運(yùn)營管理上存在一些不同，因此2個系統(tǒng)要在互聯(lián)網(wǎng)背景下獨(dú)立制定內(nèi)部運(yùn)營模式和發(fā)電計(jì)劃，使系統(tǒng)內(nèi)部成為一個整體，創(chuàng)造更適合于能源互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)營模式和生產(chǎn)制度。同時要在能源互聯(lián)網(wǎng)中保持交互性，保證能源模塊之間可以進(jìn)行協(xié)同合作，根據(jù)全局需求進(jìn)行技術(shù)性適配和運(yùn)營方案適配。

4.3 建立多元能量交互模塊

在能源互聯(lián)網(wǎng)的控制層面，要實(shí)現(xiàn)多元交互能量模塊。因?yàn)樾履茉措娏ο到y(tǒng)在結(jié)合傳統(tǒng)電力系統(tǒng)之后所形成的新系統(tǒng)將更加復(fù)雜，系統(tǒng)管理層面上要結(jié)合先進(jìn)電力電子技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等融合技術(shù)，建立中間接口型交互模塊，使得不同能源類型系統(tǒng)之間可以進(jìn)行信息的交互、能量的雙向流動，保證各個子系統(tǒng)相對完整和獨(dú)立的同時，使得整個系統(tǒng)能作為一個整體進(jìn)行有效運(yùn)行。

4.4 規(guī)劃設(shè)計(jì)問題

各類新能源的快速發(fā)展對傳統(tǒng)電力行業(yè)造成了很大沖擊和影響，并對我國電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃能力提出了更高的要求。我國電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃水平還略顯不足，主要體現(xiàn)在能源與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃不協(xié)調(diào)、多類型能源規(guī)劃不協(xié)調(diào)、分布式能源規(guī)劃不協(xié)調(diào)和供需設(shè)計(jì)規(guī)劃不協(xié)調(diào)等。系統(tǒng)規(guī)劃階段的不合理性將直接影響到整個電力系統(tǒng)的安全性及未來可發(fā)展性。而互聯(lián)網(wǎng)能源技術(shù)可以突破子系統(tǒng)的空間限制，保證行業(yè)基本要素信息的可采集性和可利用性，在設(shè)計(jì)規(guī)劃的初期，可以對各種規(guī)劃方案進(jìn)行虛擬運(yùn)行，從而得出較優(yōu)的規(guī)劃設(shè)計(jì)。

4.5 綜合能源系統(tǒng)的源端構(gòu)建

利用一定的技術(shù)方法，將電網(wǎng)系統(tǒng)和燃?xì)庀到y(tǒng)相聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)將棄光和棄風(fēng)轉(zhuǎn)化為可存儲的氫能和天然氣，實(shí)現(xiàn)富裕能源的規(guī)模轉(zhuǎn)化和儲存。從而搭建起能源綜合利用平臺和高效分配和儲存系統(tǒng)。在此類系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，實(shí)現(xiàn)將棄光、棄風(fēng)等能源充分地轉(zhuǎn)化利用，并同時保證電力的高質(zhì)量、平穩(wěn)的輸送和經(jīng)濟(jì)上的可行性。

4.6 綜合能源系統(tǒng)的受端構(gòu)建

因?yàn)樵炊讼到y(tǒng)復(fù)雜程度的影響，受端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須要充分考慮能源輸送模式的復(fù)雜性和多樣性，使得供受系統(tǒng)整體上協(xié)調(diào)、配合和優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)社會用能效率最優(yōu)、促進(jìn)可再生能源規(guī)模化利用。因此，在供受系統(tǒng)端設(shè)計(jì)時，就應(yīng)考慮到供電、供氣和供熱實(shí)現(xiàn)方法的可行性與穩(wěn)定性，2個系統(tǒng)之間的匹配性關(guān)系，讓能源可以得到充分的利用并使得整個系統(tǒng)處于安全狀態(tài)和可控狀態(tài)。

5 新能源與傳統(tǒng)電力并網(wǎng)穩(wěn)定性分析

隨著傳統(tǒng)電力系統(tǒng)和新能源電力系統(tǒng)不斷融合發(fā)展，復(fù)合系統(tǒng)的不穩(wěn)定問題呈現(xiàn)出許多新形態(tài)，并且具有持續(xù)時間長、影響程度大和原理復(fù)雜等特征。研究影響復(fù)合型電網(wǎng)穩(wěn)定性背后的原理，對于電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型和進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。

5.1 新能源電力系統(tǒng)的框架和新特征

隨著因特網(wǎng)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)電力行業(yè)也不斷地吸取互聯(lián)網(wǎng)的理念和方法，形成了新的能源產(chǎn)業(yè)鏈和消費(fèi)模式，其框架示意圖如圖1所示。新的能源系統(tǒng)展現(xiàn)了不同于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的新特征。在物理融合方面主要表現(xiàn)為智能電網(wǎng)為主，多種其他形式能源網(wǎng)絡(luò)并存的形態(tài)。在信息融合方面，以互聯(lián)網(wǎng)為主，整個系統(tǒng)中信息透明、平等和對等。

5.2 新能源電力系統(tǒng)穩(wěn)定性評估方法

新型能源電力系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定性的機(jī)理，現(xiàn)在還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識，因此形成了不同的穩(wěn)定性評價方法和對應(yīng)解決方法。目前最常用的方法是從穩(wěn)定性等價、標(biāo)稱行和魯棒性3個方面對提出方法有效性進(jìn)行評估，對設(shè)備失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行研究時，主要包括確定穩(wěn)定判據(jù)集合、模型有效性評價和保留。

確定穩(wěn)定判斷集合首先要對系統(tǒng)中各個設(shè)備的關(guān)鍵物理部件特性進(jìn)行采集，并建立設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，之后將不同的部件作為主導(dǎo)因素并消去其他無關(guān)變量，進(jìn)而形成對應(yīng)判據(jù)。通過這種方法可以找到影響系統(tǒng)穩(wěn)定性最關(guān)鍵的因素。接下來可以通過對穩(wěn)定性判據(jù)的適應(yīng)性分析，導(dǎo)出有效的穩(wěn)定性方法和穩(wěn)定分類。

5.3 以雙饋機(jī)組為例的穩(wěn)定判據(jù)和機(jī)理導(dǎo)出

研究雙饋機(jī)組并網(wǎng)的穩(wěn)定性，主要需要研究鎖相環(huán)和內(nèi)環(huán)2類穩(wěn)定判據(jù)，從而研究機(jī)側(cè)變流器主導(dǎo)的同步振蕩現(xiàn)象對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。鎖相環(huán)主導(dǎo)的判據(jù)主要是相位穩(wěn)定判據(jù)，而內(nèi)環(huán)主導(dǎo)判據(jù)主要包括修正序阻抗判據(jù)。

以下是其特征方程

式（1）中：Lθ，DFIG為相位開環(huán)傳遞函數(shù)。式（2）中：L+/-為正/負(fù)序阻抗判據(jù)。

之后通過設(shè)計(jì)鎖相環(huán)參與度振蕩和線路串補(bǔ)電容振蕩2種模式，驗(yàn)證模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步導(dǎo)出穩(wěn)定性相關(guān)結(jié)論：雙饋機(jī)組的相位等效阻尼不足，與系統(tǒng)失去同步，其主導(dǎo)輸出變量為電流相位。

6 能源互聯(lián)網(wǎng)背景下電力系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化運(yùn)營模式

在能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到電力系統(tǒng)之后，行業(yè)的電能生產(chǎn)、企業(yè)管理模式、市場運(yùn)行模式和消費(fèi)響應(yīng)方式等基本要素都會發(fā)生本質(zhì)變化，能源體系將形成傳統(tǒng)電力系統(tǒng)與新能源系統(tǒng)相結(jié)合的局面。2類電力系統(tǒng)將各自實(shí)現(xiàn)內(nèi)部自平衡和優(yōu)化，而2個系統(tǒng)之間將表現(xiàn)出交互性、互補(bǔ)性和協(xié)調(diào)性。其中的廣域網(wǎng)技術(shù)是比較關(guān)鍵的技術(shù)，能夠完成區(qū)域內(nèi)人口數(shù)量、能源分布情況、節(jié)能情況和能耗情況等數(shù)據(jù)的收集與管理，為系統(tǒng)的改進(jìn)及相關(guān)的決策提供可靠的、智能化的依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)要素的合理規(guī)劃。另外利用系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，可以建立起仿真模擬的數(shù)學(xué)模型，可以預(yù)見性地獲得系統(tǒng)運(yùn)行的最優(yōu)方案。新型的能源電力系統(tǒng)運(yùn)營方式將廣泛利用廣域能源資源協(xié)調(diào)技術(shù)和能源供需協(xié)調(diào)優(yōu)化等能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，其關(guān)系如圖2所示。

在建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)過程中，重要的一部分工作是如何將新能源這種分散型的電力系統(tǒng)整合到能源互聯(lián)網(wǎng)的框架中來，并解決新能源發(fā)電的隨機(jī)性與不穩(wěn)定性所帶來的問題，使得整個電力系統(tǒng)安全可靠并降低運(yùn)行成本。能源互聯(lián)網(wǎng)中分散型電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

能源互聯(lián)網(wǎng)中的分散式管理方案，其核心內(nèi)容可以概括為2點(diǎn)，即生產(chǎn)要素配置去中心化和生產(chǎn)管理模型的扁平化，充分體現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)的開放、平等、協(xié)助及分享精神。分散式能源互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)有著很大的區(qū)別。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)不支持多種能源的接入和互相轉(zhuǎn)化，難以適應(yīng)大量分布式發(fā)電以及發(fā)電、用電、用能高效一體化系統(tǒng)發(fā)展趨勢，用戶難以參與到整個能源系統(tǒng)的生產(chǎn)調(diào)配當(dāng)中來。

將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)向新一代能源互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)化，可以為電力行業(yè)和電力市場帶來很大的改變。一是可以大大提高各類能源的利用率，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)；二是利用互聯(lián)網(wǎng)思維及相關(guān)方法，可以在能源系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)類似互聯(lián)網(wǎng)的功能和特性，為能源生產(chǎn)、傳輸及消費(fèi)提供全新的方法模式；三是可以帶來新的業(yè)態(tài)和商業(yè)模式，為行業(yè)發(fā)展和消費(fèi)發(fā)展注入新的動能和活力。能源互聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)市場要素的有效配置，極大推進(jìn)我國能源市場和電力體制的改革與進(jìn)步。

7 結(jié)束語

在未來新能源使用比例將會越來越大，探索新能源電力系統(tǒng)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的融合方式具有非常重要的意義。能源互聯(lián)網(wǎng)概念提出和相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用，為電力系統(tǒng)整合提供了一種有效的解決方案。本文對新能源發(fā)展和新能源電力系統(tǒng)的特征進(jìn)行了簡要介紹，并且基于能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對電力系統(tǒng)融合方法和運(yùn)營模式進(jìn)行了討論。希望本文可以為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供參考。