新能源電力系統控制與優(yōu)化

廣東省能源集團貴州有限公司 張穎業(yè)

1 引言

一直以來我國發(fā)電主要依靠石油、煤炭、天然氣等傳統資源，這些資源都屬于不可再生資源。伴隨著科學技術的進步與發(fā)展，在電力生產領域逐步使用可再生資源取代不可再生資源。但是可再生資源也存在一定的弊端與不足，如儲存難度高，電力生產穩(wěn)定性不高等問題。多方面因素導致電力系統的可控性顯著降低。在此背景下，新能源電力系統的出現使得電力系統的控制得到較大改變，在一定程度上解決并推動了整體電力系統的持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展。

2 新能源電力系統的概況與特點

石油、煤炭等不可再生資源對人們的生活生產有著重要影響。不可再生資源在幫助電力系統發(fā)電的同時也會造成嚴重的環(huán)境污染。可再生資源儲存難度大、穩(wěn)定性差，無法對電力系統供給提供基本的可控性保障。新能源這一可再生資源更加安全高效，同時可以保證供電的穩(wěn)定性。新能源發(fā)展時期的電力系統的優(yōu)點主要包括：一是普及率較高，對資源環(huán)境無重大污染。目前，我國對于新能源的應用最多的兩個省份分別為新疆和甘肅，從地理位置上來看，這兩個省份對于新能源的使用不僅減少了遠距離電網輸送的弊端，而且還節(jié)約了生產成本，最重要的是使可再生資源得以更高效使用[1]。

二是多能量與橫向供給相輔相成，其優(yōu)點主要體現在兩個方面，即供應和需求。供給主要是指通過使用太陽能、風電等綠色能量技術來發(fā)電，實現了電力資源綠色、安全、穩(wěn)定的供給。而且通過使用相關技術，這些能源資源可優(yōu)勢互補，從而克服了一些穩(wěn)定性較差的問題。需求是指滿足了用戶的特殊需要，通過電力系統目前的技術手段，用戶能夠詳細掌握自身的供電狀況，同時能夠精確掌握供電系統的運營狀況，方便使用者調整供電方法與決策。

3 新能源大發(fā)展時期電力系統面臨的挑戰(zhàn)

3.1 穩(wěn)定與保護

風能與光伏均需要通過直接或間接地利用電力與電子裝置并網，其電流頻譜及基礎特點與水電、火電等的常規(guī)發(fā)電廠都有較大差別。所以，由于新型能源管理系統連接國家輸配電網的規(guī)模日益擴大，系統運行動態(tài)特征也將出現巨大改變，對系統穩(wěn)態(tài)運行將構成全新的挑戰(zhàn)。故障連鎖脫網和電能質量等問題，在整個系統中高比例或低比例的滲透階段都有機會發(fā)生。針對發(fā)電廠自身，能源電子裝備的過流耐受能力往往比傳統同步發(fā)電機較差。在機端出現故障時，因為無法像常規(guī)發(fā)電機組那樣保持高并流網點電壓，因此風能和光伏電源設備在電網產生故障時，往往會迅速脫離電網。因為換流器的抗干擾力量較弱，所以在新型能源蓬勃發(fā)展早期全世界便已經出現過大量的大規(guī)模脫網事件。

另外，對于新型能源發(fā)電機組的局部并站點，由于電力或電子裝置功率開關部件的高頻開斷動作將形成高頻網絡諧波電流并投入供電，使并站點形成電流畸變和閃變，從而危害并站點的電力品質。對于并站點中電壓等級較低、內部結構脆弱以及對能源穿透率較大的電網，電壓波形變化和閃變程度也會增加，但一般高于并網技術標準情形較少。在中低比重階段的集中式并網地區(qū)，與新型能源機組電力電子裝置和控制系統中的一些部件相互作用，可以形成穩(wěn)定性問題[2]。

隨著可再生資源滲透率的逐漸增加，在傳統電力系統中以機電產品動態(tài)為基礎的所有技術參數的運行穩(wěn)定性，主要是功角、電流和頻譜穩(wěn)定性都會出現顯著變化。在滲透發(fā)展階段，因為電力電子的寬頻響應特征，系統穩(wěn)定性已不僅局限于傳統的工頻和機電時空尺度，而且電磁動態(tài)特征的增強，導致出現了振動頻譜范圍擴大至幾千赫茲的寬頻電磁振動現象。而在滲透發(fā)展階段，這一現狀將不再限制于局部并網區(qū)域，而寬頻的電磁振蕩也將可以延伸至全系統。

3.2 經濟安全運行

在運行的時間方式中，新型能源所帶來的一系列挑戰(zhàn)主要來自其固有波動性和隨機性。且新型能源電源輸出能力上限往往難以調節(jié)，而且其變化也常常和負載曲線變化不相符，或者出現逆調峰運行特征。風電場最高輸入出力時段可能在負載較低的深夜，又或日中負荷最高時段輸入，出力較低。光伏出力一般從傍晚開始逐漸減少，且相對于晚高峰亦出現反調峰特性。由于凈負載的波動要求大量靈活性資源，包括通過可調常規(guī)電、儲能電站以及區(qū)外來電等方式調節(jié)出力，以保持均衡。但隨著波動性程度的加大，對調峰能力和爬坡速度等資源總量的要求逐漸提高。這一問題在中低比例的滲透階段也有機會發(fā)現。

2019年，我國風能和光伏發(fā)電裝置的年均使用小時數將分別為2082h和1169h。在可再生資源動力系統中，風能與光伏發(fā)電裝置容積都將遠超負載峰值。而根據中國目前的風景比率和負載容量系數，假定區(qū)域平滑效果約為60%，如果中國未來風景比率需要滿足全球80%的發(fā)電需要，總發(fā)電裝置容積將超過負載最大峰值的1.75倍。在中反調峰的極端情景下，用電能量超額將更為嚴峻，在外部互聯網通道容積較小的局部地方尤甚，必須從供需雙側視角尋求可調負荷積極消納過剩的可再生資源發(fā)電。

3.3 電力系統規(guī)劃

從電力系統建設的角度看，必須立足于完整體系并從更長的時期尺度上思考能源快速發(fā)展所造成的各種挑戰(zhàn)。輸電資源不足的主要問題在中比例低滲透階段將會發(fā)生，伴隨能源滲入率的進一步增加，特別是由于分布式能源的廣泛應用，輸電資源不足的狀況將向更低的電力級別和更廣泛的網絡區(qū)域轉化，線路閉塞的狀況將越來越普遍。新型能源廣域網空間上的出力波動，需要在供電規(guī)劃中提出足夠的輸電能量。在新型能源動力系統中，電力系統局部的發(fā)電負載自平衡能力明顯減弱，因此需要更廣泛的供電互聯，以充分利用新型能源輸送的出力平滑效應概率預測作為一門量化估計不確定性的理論和方法。

4 新能源電力系統的控制方法

4.1 友好型控制方法

友好型控制方法是利用先進的技術方法，以及豐富發(fā)實踐經驗對預測數據與記錄數據進行解讀，在此基礎上分析出可控制的手段或者方法。在未來電力系統的發(fā)展趨勢就是通過控制方法優(yōu)化實現發(fā)電量預測。電力系統在未來發(fā)展過程中需要對科學技術進行充分利用，友好型控制方法可以對電網調峰壓力進行有效緩解。為了推動新能源的進一步發(fā)展，需要對友好型控制方法做進一步完善與發(fā)展，在未來應用過程中，新能源可以與其他資源進行協調使用，優(yōu)勢互補，推動新能源系統的穩(wěn)步發(fā)展[3]。

4.2 多源互補型控制方法

新能源形式多樣，不同形式在發(fā)電時其優(yōu)缺點也是不同的。新型能源的不穩(wěn)定性會在一定程度上對發(fā)電產生影響，需要通過多能互補的方式，進一步優(yōu)化新能源電力系統。首先，發(fā)電主力是新型能源；其次，將不可再生資源的穩(wěn)定性優(yōu)勢最大化地發(fā)揮出來，通過二者的有機協調最大化滿足社會需求，實現發(fā)電目標。多種能源優(yōu)勢互補、協調發(fā)展，可以使得電力系統達到發(fā)展平衡。多源互補型控制方法為了保證系統穩(wěn)定性，一般會對不可再生資源進行使用，這相對于傳統的只使用不可再生資源而言，這一控制方法在降低能源消耗、節(jié)約國家資源的同時，將發(fā)電過程中的環(huán)境污染最大化降低，實現傳統能源與可再生資源的優(yōu)勢互補，進一步提高新能源的使用效率，為新能源技術的未來更好發(fā)展奠定了基礎。

4.3 雙側資源型控制方法

當前，我國各大企業(yè)、行業(yè)之間的競爭越來越激烈，電力人員相對于其他生產方式而言，污染和能源消耗相對較小，會在一定程度上有效降低生產成本，實現競爭力的全面提高。在社會發(fā)展的同時，社會的電能需求量也得到了迅猛增長，傳統的單側資源控制方法無法較好地滿足需求，在此背景下誕生了雙側資源型控制方法。目前，雙側資源型控制方法具有獨特的雙隨機波動性，可以為社會和電力系統進行資源的有效配置，在滿足供需要求的同時，可以實現新能源電力系統穩(wěn)定性的進一步提高，使得電力系統的綜合利用度得到顯著增長。

4.4 概率預測

概率預測作為一門量化估計不確定性的理論和方法，可以獲得預測對象概率分布信息，為決策人員提供更加全面的預警信號，并更好地運用到能源系統分析和管理、資源優(yōu)化與調度、市場交易等諸多場景。在此背景下，新型能源電力系統中的概率預測問題越來越成為學界與工業(yè)界所重視的熱點話題。由于概率預測涉及電力系統、數據處理和表達、人工智能、概率統計學、決策優(yōu)化、不確定性分析等多個專業(yè)多領域的復雜交叉問題，為概率預測分析和建模提出了挑戰(zhàn)。進行新型能源電力系統運行概率預測的系統性研究，能更好地適應電力系統運行發(fā)展過程中存在的信息數據復雜、多重不確定性突出、各專業(yè)領域的交叉融合等創(chuàng)新特征，進而為新能源發(fā)電分析與投資決策提供重要信息支持，有效助力將潔凈燃料市場吸引到與開發(fā)的新能源技術電力系統運營中的有效安全、經濟地運行，為我國能源潔凈化的轉型發(fā)展提供強大保證[4]。

5 新能源電力系統的優(yōu)化方式

5.1 新能源電力系統中電源、電網及負荷響應技術的應用

電源、電網以及負荷相應技術領域主要通過清潔能源電力系統運行硬件優(yōu)化策略，實現了系統性能的全面提高：一是電源反應領域，主要通過關鍵技術突破實現了新能源技術發(fā)電轉化效益的全面提高。二是供電系統響應速度問題，主要利用供電優(yōu)勢使供電系統傳輸過程中沒有受到通電能力和電流容限的干擾。三是負荷響應問題。

5.2 新能源電力系統中云端智能綜合控制技術的應用

大型系統通常擁有更高的管理層級別以及相對復雜的信息渠道，一定程度上也提高使用管理的復雜性。云技術隨著近年來在中國進行的研究蓬勃發(fā)展，電力系統專業(yè)技術人員已經開始研究在新能源電力系統中結合原設備并加以運用，對整體電力系統的應用與發(fā)展產生了深遠影響。為智能綜合控制技術，在云端技術的基礎上對云端存儲加以利用幫助與新能源的電力系統進行互聯互通。而且還可以利用高原智能集成控制技術，使得在動力系統工作流程中更好地進行了系統規(guī)劃和協調，在節(jié)約系統資源的時候，也極大地提升了動力系統工作效能。

5.3 新能源電力系統中大數據技術的應用

大數據技術相對于常規(guī)的來說，從信息獲取數據、數據處理和統計分析這幾個層面，性能更加優(yōu)越。大數據分析的基本特征是類型多樣化，信息廣泛，同時有著較低的價值密度等。在新能源電力管理系統中把互聯網信息技術加以運用，就能夠獲得整個管理系統中的能量流、復制流和信息流等的關鍵數據，得到更加有效地控制與協調。保證新能源動力系統運營過程中的信號傳遞較為平穩(wěn)靈活。同時，大數據技術還具備了信息儲存、垃圾處理等多項實用功能，在新能源電力系統中，對大數據技術加以有效運用，就能夠使系統工作的過程得以更加優(yōu)化。

5.4 新能源電力系統中微電網控制的應用

微電網這種高效環(huán)保的分布式水力發(fā)電企業(yè)管理形態(tài)，能夠把眾多分布式發(fā)電網整合到一塊。將電源、負載、儲能設備組成一種控制單元，能夠增加電源容量，增加電源安全性，推動新型能源的進一步發(fā)展。微電網上分布著大量的分布式電力，以及各種型號的分布式電力源的電壓是不同的，控制難度較大。微電網的另一個主要特點是并網孤島雙模運營，采用了分布式能源的微電網控制系統，以保證微電網工作方式轉換自然平滑，使得微電網可以更好地實現并網孤島雙模運行功能。屋頂光伏、電動汽車等都可能被歸類于采用分布式能量的微電網控制。

綜上所述，在我國未來能源發(fā)展過程中，對新型能源動力體系實現合理的調控和優(yōu)化是未來的重要趨勢。新型能源控制方式分為友好型控制方式、多源互補型控制方式、雙側資源型控制方式和采用分布式電力的微電網控制系統等，優(yōu)化手段一般包括對新能源動力控制系統的硬件設備優(yōu)化，以及對云技術、大數據分析技術的引入等。需要對這些方式加以合理分類和運用，才能促進新能源電力系統運行技術在中國的未來良好發(fā)展前景。