關于新型電力系統穩定分析與控制的思考

日期:2021-12-06  瀏覽量:7878  新聞來源:轉自《南方電網報》,作者:周保榮 為南方電網公司高級技術專家、南網科研院新型電力系統研究所所長

      新型電力系統中新能源成為主體,是一個逐步演變的過程,首先體現在新能源裝機占比居首位,其次新能源發電量占比居首位,最終新能源裝機和發電量占比均超過50%。預計南方電網2030年新能源裝機約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。

  新能源發電具有隨機性、波動性和間歇性,使得電力系統運行方式復雜多變。新能源發電通過換流器并網,換流器動態特性對系統穩定性的影響逐步凸顯,電力系統穩定性問題的內涵特征發生新變化。因此,如何認知新型電力系統穩定特性,如何開展運行控制,確保系統安全穩定,需要深入研究。電力系統穩定分析是認知電力系統穩定特性、掌握運行規律的方法體系。現有的電力系統穩定分析方法是在典型運行方式基礎上,針對預想故障集,利用穩定分析工具研究電力系統穩定特性,提出運行控制方法。現有電力系統穩定分析方法應用于新型電力系統時,將面臨海量運行方式場景、多時間尺度物理過程耦合、穩定控制策略適應性、柔性化穩定控制、非工頻穩定性控制等新問題新方法。

  新能源發電隨機性波動性間歇性導致系統穩定分析面臨海量運行場景

  傳統電力系統的運行方式主要受負荷水平和季節性水電出力兩個因素的影響,運行方式組合較少,在電力系統規劃和運行中通常選取“夏大、夏小、冬大、冬小”四種典型運行方式即可滿足電網安全性、穩定性和經濟性評估需求。對于新型電力系統,風、光等新能源在電源結構中將占據主導地位。一方面,新能源出力的隨機性、波動性會導致電源側出力水平短期內大幅變化,可能的出力組合方式顯著增加;另一方面,大力推進電能替代,加劇了用電側功率波動,特別是電動汽車等間歇性用電負荷的爆炸式增長,大幅增強了負荷的不確定性。上述發電側和用電側的高度不確定性將導致傳統的電力系統典型運行場景選取方法失效,為有效覆蓋可能出現的海量運行場景,同時兼顧電力系統運行模擬分析效率,亟需對電力系統各種運行方式進行特征識別、聚類和降階,從而得到具有高度代表性的少數典型運行方式。

  新能源等電力電子并網設備導致多時間尺度物理過程緊密耦合

  傳統電力系統穩定特性主要受各類電氣設備物理特性的影響,采用傳統機電暫態尺度的分析工具即可得出可信的結論。新型電力系統中電力電子設備容量占比高,多時間尺度物理過程耦合,其寬頻帶控制作用顯著改變系統穩定特性,需依靠電磁暫態尺度的分析工具,但該類工具在新型電力系統中應用時存在較多問題:一方面,以新能源為主體的新型電力系統具有寬頻特征,建立新能源場站的寬頻帶等效模型十分困難,如再考慮機組類型、分布運行狀態等因素的影響,等效建模的難度將進一步增加;另一方面,新型電力系統具有“雙高”特征,大量電力電子設備的建模仿真,會導致電磁暫態分析工具的效率難以接受;最后,現有電力系統模型一般在機電暫態尺度下維護,電磁暫態模型的運行方式調整極為不便,嚴重影響電磁暫態分析工具的便捷性。因此,新型電力系統的穩定分析工具亟待從通用建模方法、高效求解算法、一體化仿真平臺等角度深入開展研究,以大幅提升電磁暫態仿真工具的分析能力。

  新能源等電力電子并網設備使得傳統工頻穩定性控制擴展至非工頻穩定性控制

  電力系統在設計之初,就是按照在工頻下穩定運行設計的,電網所表現出的穩定性問題主要是指工頻下的穩定性,其控制也主要是指工頻穩定性控制。以新能源為主體的新型電力系統所表現出的寬頻振蕩新問題,使得傳統穩定性控制不再局限于工頻段,而是擴展至上千赫茲的非工頻段穩定性控制。通過發展寬頻信息采集、測量裝置,有效測量非工頻電氣量,提高系統的觀測能力;通過創新發展新的控制技術理論體系,提高系統的認知水平和控制能力。為保障新能源為主體的新型電力系統安全穩定運行,傳統工頻穩定性控制將擴展至非工頻穩定性控制。

  運行場景多變性使得穩定控制策略適應性降低,需要多時間尺度迭代更新穩定控制策略

  由于傳統電力系統的不確定性相對可控,“離線決策、實時匹配”仍是目前國內外實際廣泛應用的穩控措施形成模式。新能源的大量饋入,以及多能源系統、“物理-信息-社會”系統的廣泛深度耦合,給未來新型電力系統引入了難以由靈活性資源完全平抑的波動性和不確定性。若沿用當前的穩控策略制定模式,要么導致離線制定的策略對于實時運行場景“失配”的幾率大大增加,要么逼迫離線策略設計必須考慮過于寬泛的運行狀態區間,一方面導致控制代價過大、策略形式復雜甚至找不到可行解,另一方面導致策略設計的人工成本和人工失誤風險大幅上升。高性能仿真計算、全息監測、智能化分析決策、風險評估防控、實時快速自適應控制等技術的發展,給解決上述控制策略制定“跟不上”系統狀態變化或“包不住”系統極端隨機波動的矛盾帶來了機遇。在上述技術體系的逐步形成和融合支撐下,穩控策略對高可變強隨機運行環境的適應能力將獲得本質升級。首先,“離線決策、實時匹配”的兩階段控制措施形成模式,將逐步過渡到“離線+在線”多時間尺度規范迭代的新模式:在離線、準實時和實時等多個階段,控制策略隨運行狀態的確定而逐漸聚焦,由粗到細經多次規范迭代修正,最終得到既可靠可監管又精準及時的控制措施;其次,在各個時間尺度的控制策略分析深度、系統性和效率獲得全面提升,主動發現深度耦合風險、定位風險形成和控制要素、快速及時更新策略的能力顯著增強,對人工重復勞動和個體經驗的依賴顯著降低。

  新能源機組快速調節特性支撐穩定控制技術向“以調代切”方向發展

  傳統穩定控制技術的特點是直接斷開控制對象和電網的電氣連接關系,故障后系統恢復困難。新型電力系統源-網-荷各環節高度電力電子化,在電源側和負荷側,新能源機組和電力電子化負荷通過換流器及鎖相環并入電網,其動態行為由控制算法決定,這種快速調節能力使得電力電子化電源及負荷具有良好的暫態響應能力,通過調節控制參數可提供故障過程中的暫態支撐能力;在電網側,直流輸電具有高度靈活可控特性,根據系統運行需要可快速調節輸送功率大小甚至輸送方向,支撐電網安全穩定運行。電力電子并網設備的數字式快速調節能力給穩定控制技術帶來新的機遇和選擇,“以調代切”思想確保控制對象始終與電網保持電氣連接,有利于故障后系統恢復運行,推動現有穩控技術向著柔性化方向發展。

  針對新型電力系統面臨的穩定分析和控制問題,目前還處于探索階段,相關理論研究和技術研發已加速展開,將引入不確定性思維、非線性控制理論以及數字化技術,推動穩定分析和穩定控制技術體系的全面升級。可以預見電力系統穩定分析控制技術必將迎來一輪新的發展高潮。

       作者:周保榮 為南方電網公司高級技術專家、南網科研院新型電力系統研究所所長

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