新能源電力系統(tǒng)控制與優(yōu)化

廣東省能源集團(tuán)貴州有限公司 張穎業(yè)

1 引言

一直以來(lái)我國(guó)發(fā)電主要依靠石油、煤炭、天然氣等傳統(tǒng)資源，這些資源都屬于不可再生資源。伴隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，在電力生產(chǎn)領(lǐng)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(chǔ)存難度高，電力生產(chǎn)穩(wěn)定性不高等問(wèn)題。多方面因素導(dǎo)致電力系統(tǒng)的可控性顯著降低。在此背景下，新能源電力系統(tǒng)的出現(xiàn)使得電力系統(tǒng)的控制得到較大改變，在一定程度上解決并推動(dòng)了整體電力系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展。

2 新能源電力系統(tǒng)的概況與特點(diǎn)

石油、煤炭等不可再生資源對(duì)人們的生活生產(chǎn)有著重要影響。不可再生資源在幫助電力系統(tǒng)發(fā)電的同時(shí)也會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染?？稍偕Y源儲(chǔ)存難度大、穩(wěn)定性差，無(wú)法對(duì)電力系統(tǒng)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(shí)可以保證供電的穩(wěn)定性。新能源發(fā)展時(shí)期的電力系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要包括：一是普及率較高，對(duì)資源環(huán)境無(wú)重大污染。目前，我國(guó)對(duì)于新能源的應(yīng)用最多的兩個(gè)省份分別為新疆和甘肅，從地理位置上來(lái)看，這兩個(gè)省份對(duì)于新能源的使用不僅減少了遠(yuǎn)距離電網(wǎng)輸送的弊端，而且還節(jié)約了生產(chǎn)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(diǎn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，即供應(yīng)和需求。供給主要是指通過(guò)使用太陽(yáng)能、風(fēng)電等綠色能量技術(shù)來(lái)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了電力資源綠色、安全、穩(wěn)定的供給。而且通過(guò)使用相關(guān)技術(shù)，這些能源資源可優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而克服了一些穩(wěn)定性較差的問(wèn)題。需求是指滿(mǎn)足了用戶(hù)的特殊需要，通過(guò)電力系統(tǒng)目前的技術(shù)手段，用戶(hù)能夠詳細(xì)掌握自身的供電狀況，同時(shí)能夠精確掌握供電系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)狀況，方便使用者調(diào)整供電方法與決策。

3 新能源大發(fā)展時(shí)期電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

3.1 穩(wěn)定與保護(hù)

風(fēng)能與光伏均需要通過(guò)直接或間接地利用電力與電子裝置并網(wǎng)，其電流頻譜及基礎(chǔ)特點(diǎn)與水電、火電等的常規(guī)發(fā)電廠(chǎng)都有較大差別。所以，由于新型能源管理系統(tǒng)連接國(guó)家輸配電網(wǎng)的規(guī)模日益擴(kuò)大，系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)特征也將出現(xiàn)巨大改變，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行將構(gòu)成全新的挑戰(zhàn)。故障連鎖脫網(wǎng)和電能質(zhì)量等問(wèn)題，在整個(gè)系統(tǒng)中高比例或低比例的滲透階段都有機(jī)會(huì)發(fā)生。針對(duì)發(fā)電廠(chǎng)自身，能源電子裝備的過(guò)流耐受能力往往比傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)較差。在機(jī)端出現(xiàn)故障時(shí)，因?yàn)闊o(wú)法像常規(guī)發(fā)電機(jī)組那樣保持高并流網(wǎng)點(diǎn)電壓，因此風(fēng)能和光伏電源設(shè)備在電網(wǎng)產(chǎn)生故障時(shí)，往往會(huì)迅速脫離電網(wǎng)。因?yàn)閾Q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(jīng)出現(xiàn)過(guò)大量的大規(guī)模脫網(wǎng)事件。

另外，對(duì)于新型能源發(fā)電機(jī)組的局部并站點(diǎn)，由于電力或電子裝置功率開(kāi)關(guān)部件的高頻開(kāi)斷動(dòng)作將形成高頻網(wǎng)絡(luò)諧波電流并投入供電，使并站點(diǎn)形成電流畸變和閃變，從而危害并站點(diǎn)的電力品質(zhì)。對(duì)于并站點(diǎn)中電壓等級(jí)較低、內(nèi)部結(jié)構(gòu)脆弱以及對(duì)能源穿透率較大的電網(wǎng)，電壓波形變化和閃變程度也會(huì)增加，但一般高于并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)情形較少。在中低比重階段的集中式并網(wǎng)地區(qū)，與新型能源機(jī)組電力電子裝置和控制系統(tǒng)中的一些部件相互作用，可以形成穩(wěn)定性問(wèn)題[2]。

隨著可再生資源滲透率的逐漸增加，在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中以機(jī)電產(chǎn)品動(dòng)態(tài)為基礎(chǔ)的所有技術(shù)參數(shù)的運(yùn)行穩(wěn)定性，主要是功角、電流和頻譜穩(wěn)定性都會(huì)出現(xiàn)顯著變化。在滲透發(fā)展階段，因?yàn)殡娏﹄娮拥膶掝l響應(yīng)特征，系統(tǒng)穩(wěn)定性已不僅局限于傳統(tǒng)的工頻和機(jī)電時(shí)空尺度，而且電磁動(dòng)態(tài)特征的增強(qiáng)，導(dǎo)致出現(xiàn)了振動(dòng)頻譜范圍擴(kuò)大至幾千赫茲的寬頻電磁振動(dòng)現(xiàn)象。而在滲透發(fā)展階段，這一現(xiàn)狀將不再限制于局部并網(wǎng)區(qū)域，而寬頻的電磁振蕩也將可以延伸至全系統(tǒng)。

3.2 經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行

在運(yùn)行的時(shí)間方式中，新型能源所帶來(lái)的一系列挑戰(zhàn)主要來(lái)自其固有波動(dòng)性和隨機(jī)性。且新型能源電源輸出能力上限往往難以調(diào)節(jié)，而且其變化也常常和負(fù)載曲線(xiàn)變化不相符，或者出現(xiàn)逆調(diào)峰運(yùn)行特征。風(fēng)電場(chǎng)最高輸入出力時(shí)段可能在負(fù)載較低的深夜，又或日中負(fù)荷最高時(shí)段輸入，出力較低。光伏出力一般從傍晚開(kāi)始逐漸減少，且相對(duì)于晚高峰亦出現(xiàn)反調(diào)峰特性。由于凈負(fù)載的波動(dòng)要求大量靈活性資源，包括通過(guò)可調(diào)常規(guī)電、儲(chǔ)能電站以及區(qū)外來(lái)電等方式調(diào)節(jié)出力，以保持均衡。但隨著波動(dòng)性程度的加大，對(duì)調(diào)峰能力和爬坡速度等資源總量的要求逐漸提高。這一問(wèn)題在中低比例的滲透階段也有機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)。

2019年，我國(guó)風(fēng)能和光伏發(fā)電裝置的年均使用小時(shí)數(shù)將分別為2082h和1169h。在可再生資源動(dòng)力系統(tǒng)中，風(fēng)能與光伏發(fā)電裝置容積都將遠(yuǎn)超負(fù)載峰值。而根據(jù)中國(guó)目前的風(fēng)景比率和負(fù)載容量系數(shù)，假定區(qū)域平滑效果約為60%，如果中國(guó)未來(lái)風(fēng)景比率需要滿(mǎn)足全球80%的發(fā)電需要，總發(fā)電裝置容積將超過(guò)負(fù)載最大峰值的1.75倍。在中反調(diào)峰的極端情景下，用電能量超額將更為嚴(yán)峻，在外部互聯(lián)網(wǎng)通道容積較小的局部地方尤甚，必須從供需雙側(cè)視角尋求可調(diào)負(fù)荷積極消納過(guò)剩的可再生資源發(fā)電。

3.3 電力系統(tǒng)規(guī)劃

從電力系統(tǒng)建設(shè)的角度看，必須立足于完整體系并從更長(zhǎng)的時(shí)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(wèn)題在中比例低滲透階段將會(huì)發(fā)生，伴隨能源滲入率的進(jìn)一步增加，特別是由于分布式能源的廣泛應(yīng)用，輸電資源不足的狀況將向更低的電力級(jí)別和更廣泛的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域轉(zhuǎn)化，線(xiàn)路閉塞的狀況將越來(lái)越普遍。新型能源廣域網(wǎng)空間上的出力波動(dòng)，需要在供電規(guī)劃中提出足夠的輸電能量。在新型能源動(dòng)力系統(tǒng)中，電力系統(tǒng)局部的發(fā)電負(fù)載自平衡能力明顯減弱，因此需要更廣泛的供電互聯(lián)，以充分利用新型能源輸送的出力平滑效應(yīng)概率預(yù)測(cè)作為一門(mén)量化估計(jì)不確定性的理論和方法。

4 新能源電力系統(tǒng)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(jìn)的技術(shù)方法，以及豐富發(fā)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀，在此基礎(chǔ)上分析出可控制的手段或者方法。在未來(lái)電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)就是通過(guò)控制方法優(yōu)化實(shí)現(xiàn)發(fā)電量預(yù)測(cè)。電力系統(tǒng)在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中需要對(duì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)行充分利用，友好型控制方法可以對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰壓力進(jìn)行有效緩解。為了推動(dòng)新能源的進(jìn)一步發(fā)展，需要對(duì)友好型控制方法做進(jìn)一步完善與發(fā)展，在未來(lái)應(yīng)用過(guò)程中，新能源可以與其他資源進(jìn)行協(xié)調(diào)使用，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，推動(dòng)新能源系統(tǒng)的穩(wěn)步發(fā)展[3]。

4.2 多源互補(bǔ)型控制方法

新能源形式多樣，不同形式在發(fā)電時(shí)其優(yōu)缺點(diǎn)也是不同的。新型能源的不穩(wěn)定性會(huì)在一定程度上對(duì)發(fā)電產(chǎn)生影響，需要通過(guò)多能互補(bǔ)的方式，進(jìn)一步優(yōu)化新能源電力系統(tǒng)。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?xún)?yōu)勢(shì)最大化地發(fā)揮出來(lái)，通過(guò)二者的有機(jī)協(xié)調(diào)最大化滿(mǎn)足社會(huì)需求，實(shí)現(xiàn)發(fā)電目標(biāo)。多種能源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、協(xié)調(diào)發(fā)展，可以使得電力系統(tǒng)達(dá)到發(fā)展平衡。多源互補(bǔ)型控制方法為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，一般會(huì)對(duì)不可再生資源進(jìn)行使用，這相對(duì)于傳統(tǒng)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(guó)家資源的同時(shí)，將發(fā)電過(guò)程中的環(huán)境污染最大化降低，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)能源與可再生資源的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，進(jìn)一步提高新能源的使用效率，為新能源技術(shù)的未來(lái)更好發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

4.3 雙側(cè)資源型控制方法

當(dāng)前，我國(guó)各大企業(yè)、行業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，電力人員相對(duì)于其他生產(chǎn)方式而言，污染和能源消耗相對(duì)較小，會(huì)在一定程度上有效降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)力的全面提高。在社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，社會(huì)的電能需求量也得到了迅猛增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的單側(cè)資源控制方法無(wú)法較好地滿(mǎn)足需求，在此背景下誕生了雙側(cè)資源型控制方法。目前，雙側(cè)資源型控制方法具有獨(dú)特的雙隨機(jī)波動(dòng)性，可以為社會(huì)和電力系統(tǒng)進(jìn)行資源的有效配置，在滿(mǎn)足供需要求的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)新能源電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的進(jìn)一步提高，使得電力系統(tǒng)的綜合利用度得到顯著增長(zhǎng)。

4.4 概率預(yù)測(cè)

概率預(yù)測(cè)作為一門(mén)量化估計(jì)不確定性的理論和方法，可以獲得預(yù)測(cè)對(duì)象概率分布信息，為決策人員提供更加全面的預(yù)警信號(hào)，并更好地運(yùn)用到能源系統(tǒng)分析和管理、資源優(yōu)化與調(diào)度、市場(chǎng)交易等諸多場(chǎng)景。在此背景下，新型能源電力系統(tǒng)中的概率預(yù)測(cè)問(wèn)題越來(lái)越成為學(xué)界與工業(yè)界所重視的熱點(diǎn)話(huà)題。由于概率預(yù)測(cè)涉及電力系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和表達(dá)、人工智能、概率統(tǒng)計(jì)學(xué)、決策優(yōu)化、不確定性分析等多個(gè)專(zhuān)業(yè)多領(lǐng)域的復(fù)雜交叉問(wèn)題，為概率預(yù)測(cè)分析和建模提出了挑戰(zhàn)。進(jìn)行新型能源電力系統(tǒng)運(yùn)行概率預(yù)測(cè)的系統(tǒng)性研究，能更好地適應(yīng)電力系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)展過(guò)程中存在的信息數(shù)據(jù)復(fù)雜、多重不確定性突出、各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的交叉融合等創(chuàng)新特征，進(jìn)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(chǎng)吸引到與開(kāi)發(fā)的新能源技術(shù)電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)中的有效安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，為我國(guó)能源潔凈化的轉(zhuǎn)型發(fā)展提供強(qiáng)大保證[4]。

5 新能源電力系統(tǒng)的優(yōu)化方式

5.1 新能源電力系統(tǒng)中電源、電網(wǎng)及負(fù)荷響應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用

電源、電網(wǎng)以及負(fù)荷相應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域主要通過(guò)清潔能源電力系統(tǒng)運(yùn)行硬件優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)性能的全面提高：一是電源反應(yīng)領(lǐng)域，主要通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)突破實(shí)現(xiàn)了新能源技術(shù)發(fā)電轉(zhuǎn)化效益的全面提高。二是供電系統(tǒng)響應(yīng)速度問(wèn)題，主要利用供電優(yōu)勢(shì)使供電系統(tǒng)傳輸過(guò)程中沒(méi)有受到通電能力和電流容限的干擾。三是負(fù)荷響應(yīng)問(wèn)題。

5.2 新能源電力系統(tǒng)中云端智能綜合控制技術(shù)的應(yīng)用

大型系統(tǒng)通常擁有更高的管理層級(jí)別以及相對(duì)復(fù)雜的信息渠道，一定程度上也提高使用管理的復(fù)雜性。云技術(shù)隨著近年來(lái)在中國(guó)進(jìn)行的研究蓬勃發(fā)展，電力系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員已經(jīng)開(kāi)始研究在新能源電力系統(tǒng)中結(jié)合原設(shè)備并加以運(yùn)用，對(duì)整體電力系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。為智能綜合控制技術(shù)，在云端技術(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)云端存儲(chǔ)加以利用幫助與新能源的電力系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)互通。而且還可以利用高原智能集成控制技術(shù)，使得在動(dòng)力系統(tǒng)工作流程中更好地進(jìn)行了系統(tǒng)規(guī)劃和協(xié)調(diào)，在節(jié)約系統(tǒng)資源的時(shí)候，也極大地提升了動(dòng)力系統(tǒng)工作效能。

5.3 新能源電力系統(tǒng)中大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用

大數(shù)據(jù)技術(shù)相對(duì)于常規(guī)的來(lái)說(shuō)，從信息獲取數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析這幾個(gè)層面，性能更加優(yōu)越。大數(shù)據(jù)分析的基本特征是類(lèi)型多樣化，信息廣泛，同時(shí)有著較低的價(jià)值密度等。在新能源電力管理系統(tǒng)中把互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)加以運(yùn)用，就能夠獲得整個(gè)管理系統(tǒng)中的能量流、復(fù)制流和信息流等的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，得到更加有效地控制與協(xié)調(diào)。保證新能源動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的信號(hào)傳遞較為平穩(wěn)靈活。同時(shí)，大數(shù)據(jù)技術(shù)還具備了信息儲(chǔ)存、垃圾處理等多項(xiàng)實(shí)用功能，在新能源電力系統(tǒng)中，對(duì)大數(shù)據(jù)技術(shù)加以有效運(yùn)用，就能夠使系統(tǒng)工作的過(guò)程得以更加優(yōu)化。

5.4 新能源電力系統(tǒng)中微電網(wǎng)控制的應(yīng)用

微電網(wǎng)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(wǎng)整合到一塊。將電源、負(fù)載、儲(chǔ)能設(shè)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(dòng)新型能源的進(jìn)一步發(fā)展。微電網(wǎng)上分布著大量的分布式電力，以及各種型號(hào)的分布式電力源的電壓是不同的，控制難度較大。微電網(wǎng)的另一個(gè)主要特點(diǎn)是并網(wǎng)孤島雙模運(yùn)營(yíng)，采用了分布式能源的微電網(wǎng)控制系統(tǒng)，以保證微電網(wǎng)工作方式轉(zhuǎn)換自然平滑，使得微電網(wǎng)可以更好地實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)孤島雙模運(yùn)行功能。屋頂光伏、電動(dòng)汽車(chē)等都可能被歸類(lèi)于采用分布式能量的微電網(wǎng)控制。

綜上所述，在我國(guó)未來(lái)能源發(fā)展過(guò)程中，對(duì)新型能源動(dòng)力體系實(shí)現(xiàn)合理的調(diào)控和優(yōu)化是未來(lái)的重要趨勢(shì)。新型能源控制方式分為友好型控制方式、多源互補(bǔ)型控制方式、雙側(cè)資源型控制方式和采用分布式電力的微電網(wǎng)控制系統(tǒng)等，優(yōu)化手段一般包括對(duì)新能源動(dòng)力控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備優(yōu)化，以及對(duì)云技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的引入等。需要對(duì)這些方式加以合理分類(lèi)和運(yùn)用，才能促進(jìn)新能源電力系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)在中國(guó)的未來(lái)良好發(fā)展前景。