日期：2021-12-06 瀏覽量：20432 新聞來(lái)源：轉(zhuǎn)自《南方電網(wǎng)報(bào)》，作者：周保榮 為南方電網(wǎng)公司高級(jí)技術(shù)專家、南網(wǎng)科研院新型電力系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)
新型電力系統(tǒng)中新能源成為主體，是一個(gè)逐步演變的過(guò)程，首先體現(xiàn)在新能源裝機(jī)占比居首位，其次新能源發(fā)電量占比居首位，最終新能源裝機(jī)和發(fā)電量占比均超過(guò)50%。預(yù)計(jì)南方電網(wǎng)2030年新能源裝機(jī)約2.5億千瓦，占比約35%，成為第一大電源，基本建成新型電力系統(tǒng)。
新能源發(fā)電具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性，使得電力系統(tǒng)運(yùn)行方式復(fù)雜多變。新能源發(fā)電通過(guò)換流器并網(wǎng)，換流器動(dòng)態(tài)特性對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響逐步凸顯，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題的內(nèi)涵特征發(fā)生新變化。因此，如何認(rèn)知新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定特性，如何開(kāi)展運(yùn)行控制，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定，需要深入研究。電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析是認(rèn)知電力系統(tǒng)穩(wěn)定特性、掌握運(yùn)行規(guī)律的方法體系?，F(xiàn)有的電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析方法是在典型運(yùn)行方式基礎(chǔ)上，針對(duì)預(yù)想故障集，利用穩(wěn)定分析工具研究電力系統(tǒng)穩(wěn)定特性，提出運(yùn)行控制方法?，F(xiàn)有電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析方法應(yīng)用于新型電力系統(tǒng)時(shí)，將面臨海量運(yùn)行方式場(chǎng)景、多時(shí)間尺度物理過(guò)程耦合、穩(wěn)定控制策略適應(yīng)性、柔性化穩(wěn)定控制、非工頻穩(wěn)定性控制等新問(wèn)題新方法。
新能源發(fā)電隨機(jī)性波動(dòng)性間歇性導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定分析面臨海量運(yùn)行場(chǎng)景
傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式主要受負(fù)荷水平和季節(jié)性水電出力兩個(gè)因素的影響，運(yùn)行方式組合較少，在電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行中通常選取“夏大、夏小、冬大、冬小”四種典型運(yùn)行方式即可滿足電網(wǎng)安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估需求。對(duì)于新型電力系統(tǒng)，風(fēng)、光等新能源在電源結(jié)構(gòu)中將占據(jù)主導(dǎo)地位。一方面，新能源出力的隨機(jī)性、波動(dòng)性會(huì)導(dǎo)致電源側(cè)出力水平短期內(nèi)大幅變化，可能的出力組合方式顯著增加；另一方面，大力推進(jìn)電能替代，加劇了用電側(cè)功率波動(dòng)，特別是電動(dòng)汽車等間歇性用電負(fù)荷的爆炸式增長(zhǎng)，大幅增強(qiáng)了負(fù)荷的不確定性。上述發(fā)電側(cè)和用電側(cè)的高度不確定性將導(dǎo)致傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)典型運(yùn)行場(chǎng)景選取方法失效，為有效覆蓋可能出現(xiàn)的海量運(yùn)行場(chǎng)景，同時(shí)兼顧電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬分析效率，亟需對(duì)電力系統(tǒng)各種運(yùn)行方式進(jìn)行特征識(shí)別、聚類和降階，從而得到具有高度代表性的少數(shù)典型運(yùn)行方式。
新能源等電力電子并網(wǎng)設(shè)備導(dǎo)致多時(shí)間尺度物理過(guò)程緊密耦合
傳統(tǒng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定特性主要受各類電氣設(shè)備物理特性的影響，采用傳統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)尺度的分析工具即可得出可信的結(jié)論。新型電力系統(tǒng)中電力電子設(shè)備容量占比高，多時(shí)間尺度物理過(guò)程耦合，其寬頻帶控制作用顯著改變系統(tǒng)穩(wěn)定特性，需依靠電磁暫態(tài)尺度的分析工具，但該類工具在新型電力系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)存在較多問(wèn)題：一方面，以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)具有寬頻特征，建立新能源場(chǎng)站的寬頻帶等效模型十分困難，如再考慮機(jī)組類型、分布運(yùn)行狀態(tài)等因素的影響，等效建模的難度將進(jìn)一步增加；另一方面，新型電力系統(tǒng)具有“雙高”特征，大量電力電子設(shè)備的建模仿真，會(huì)導(dǎo)致電磁暫態(tài)分析工具的效率難以接受；最后，現(xiàn)有電力系統(tǒng)模型一般在機(jī)電暫態(tài)尺度下維護(hù)，電磁暫態(tài)模型的運(yùn)行方式調(diào)整極為不便，嚴(yán)重影響電磁暫態(tài)分析工具的便捷性。因此，新型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定分析工具亟待從通用建模方法、高效求解算法、一體化仿真平臺(tái)等角度深入開(kāi)展研究，以大幅提升電磁暫態(tài)仿真工具的分析能力。
新能源等電力電子并網(wǎng)設(shè)備使得傳統(tǒng)工頻穩(wěn)定性控制擴(kuò)展至非工頻穩(wěn)定性控制
電力系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初，就是按照在工頻下穩(wěn)定運(yùn)行設(shè)計(jì)的，電網(wǎng)所表現(xiàn)出的穩(wěn)定性問(wèn)題主要是指工頻下的穩(wěn)定性，其控制也主要是指工頻穩(wěn)定性控制。以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)所表現(xiàn)出的寬頻振蕩新問(wèn)題，使得傳統(tǒng)穩(wěn)定性控制不再局限于工頻段，而是擴(kuò)展至上千赫茲的非工頻段穩(wěn)定性控制。通過(guò)發(fā)展寬頻信息采集、測(cè)量裝置，有效測(cè)量非工頻電氣量，提高系統(tǒng)的觀測(cè)能力；通過(guò)創(chuàng)新發(fā)展新的控制技術(shù)理論體系，提高系統(tǒng)的認(rèn)知水平和控制能力。為保障新能源為主體的新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，傳統(tǒng)工頻穩(wěn)定性控制將擴(kuò)展至非工頻穩(wěn)定性控制。
運(yùn)行場(chǎng)景多變性使得穩(wěn)定控制策略適應(yīng)性降低，需要多時(shí)間尺度迭代更新穩(wěn)定控制策略
由于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的不確定性相對(duì)可控，“離線決策、實(shí)時(shí)匹配”仍是目前國(guó)內(nèi)外實(shí)際廣泛應(yīng)用的穩(wěn)控措施形成模式。新能源的大量饋入，以及多能源系統(tǒng)、“物理-信息-社會(huì)”系統(tǒng)的廣泛深度耦合，給未來(lái)新型電力系統(tǒng)引入了難以由靈活性資源完全平抑的波動(dòng)性和不確定性。若沿用當(dāng)前的穩(wěn)控策略制定模式，要么導(dǎo)致離線制定的策略對(duì)于實(shí)時(shí)運(yùn)行場(chǎng)景“失配”的幾率大大增加，要么逼迫離線策略設(shè)計(jì)必須考慮過(guò)于寬泛的運(yùn)行狀態(tài)區(qū)間，一方面導(dǎo)致控制代價(jià)過(guò)大、策略形式復(fù)雜甚至找不到可行解，另一方面導(dǎo)致策略設(shè)計(jì)的人工成本和人工失誤風(fēng)險(xiǎn)大幅上升。高性能仿真計(jì)算、全息監(jiān)測(cè)、智能化分析決策、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估防控、實(shí)時(shí)快速自適應(yīng)控制等技術(shù)的發(fā)展，給解決上述控制策略制定“跟不上”系統(tǒng)狀態(tài)變化或“包不住”系統(tǒng)極端隨機(jī)波動(dòng)的矛盾帶來(lái)了機(jī)遇。在上述技術(shù)體系的逐步形成和融合支撐下，穩(wěn)控策略對(duì)高可變強(qiáng)隨機(jī)運(yùn)行環(huán)境的適應(yīng)能力將獲得本質(zhì)升級(jí)。首先，“離線決策、實(shí)時(shí)匹配”的兩階段控制措施形成模式，將逐步過(guò)渡到“離線+在線”多時(shí)間尺度規(guī)范迭代的新模式：在離線、準(zhǔn)實(shí)時(shí)和實(shí)時(shí)等多個(gè)階段，控制策略隨運(yùn)行狀態(tài)的確定而逐漸聚焦，由粗到細(xì)經(jīng)多次規(guī)范迭代修正，最終得到既可靠可監(jiān)管又精準(zhǔn)及時(shí)的控制措施；其次，在各個(gè)時(shí)間尺度的控制策略分析深度、系統(tǒng)性和效率獲得全面提升，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)深度耦合風(fēng)險(xiǎn)、定位風(fēng)險(xiǎn)形成和控制要素、快速及時(shí)更新策略的能力顯著增強(qiáng)，對(duì)人工重復(fù)勞動(dòng)和個(gè)體經(jīng)驗(yàn)的依賴顯著降低。
新能源機(jī)組快速調(diào)節(jié)特性支撐穩(wěn)定控制技術(shù)向“以調(diào)代切”方向發(fā)展
傳統(tǒng)穩(wěn)定控制技術(shù)的特點(diǎn)是直接斷開(kāi)控制對(duì)象和電網(wǎng)的電氣連接關(guān)系，故障后系統(tǒng)恢復(fù)困難。新型電力系統(tǒng)源-網(wǎng)-荷各環(huán)節(jié)高度電力電子化，在電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)，新能源機(jī)組和電力電子化負(fù)荷通過(guò)換流器及鎖相環(huán)并入電網(wǎng)，其動(dòng)態(tài)行為由控制算法決定，這種快速調(diào)節(jié)能力使得電力電子化電源及負(fù)荷具有良好的暫態(tài)響應(yīng)能力，通過(guò)調(diào)節(jié)控制參數(shù)可提供故障過(guò)程中的暫態(tài)支撐能力；在電網(wǎng)側(cè)，直流輸電具有高度靈活可控特性，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行需要可快速調(diào)節(jié)輸送功率大小甚至輸送方向，支撐電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。電力電子并網(wǎng)設(shè)備的數(shù)字式快速調(diào)節(jié)能力給穩(wěn)定控制技術(shù)帶來(lái)新的機(jī)遇和選擇，“以調(diào)代切”思想確?？刂茖?duì)象始終與電網(wǎng)保持電氣連接，有利于故障后系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行，推動(dòng)現(xiàn)有穩(wěn)控技術(shù)向著柔性化方向發(fā)展。
針對(duì)新型電力系統(tǒng)面臨的穩(wěn)定分析和控制問(wèn)題，目前還處于探索階段，相關(guān)理論研究和技術(shù)研發(fā)已加速展開(kāi)，將引入不確定性思維、非線性控制理論以及數(shù)字化技術(shù)，推動(dòng)穩(wěn)定分析和穩(wěn)定控制技術(shù)體系的全面升級(jí)。可以預(yù)見(jiàn)電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析控制技術(shù)必將迎來(lái)一輪新的發(fā)展高潮。
作者：周保榮 為南方電網(wǎng)公司高級(jí)技術(shù)專家、南網(wǎng)科研院新型電力系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)
