電力電子化綜合能源電力系統(tǒng)運行控制

韓旺 王瑞旺 吳和喜

摘要：在多能互補綜合能源電力系統(tǒng)中，分布式能源是核心，基于此在特定的區(qū)域內(nèi)實施能源供應(yīng)。該能源系統(tǒng)整合了多種能源形式，包括熱、冷、燃氣、電能和水務(wù)都可以一體化運行。綜合能源電力系統(tǒng)的一個重要優(yōu)勢在于，將多種能源協(xié)同并予以優(yōu)化，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，使得再生能源充分利用，提高能源的利用率，避免產(chǎn)生浪費問題。通過對能源逐級合理利用，以提高能源綜合利用水平。綜合能源電力系統(tǒng)本身是非線性系統(tǒng)，其變量非常多，體現(xiàn)出復(fù)雜的特征，有很強的隨機性，與傳統(tǒng)的規(guī)劃問題相比較，其能源規(guī)劃更加復(fù)雜。

關(guān)鍵詞：電力電子化;綜合能源;電力系統(tǒng)

引言

面對能源危機和環(huán)境問題的挑戰(zhàn)，為促進節(jié)能減排，早日實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”的雙碳目標，現(xiàn)代電力系統(tǒng)迫切地需要創(chuàng)新與變革。近年來，新型電力電子變換裝備在新能源發(fā)電、柔性交直流輸配電、分布式電源與儲能等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用，使得傳統(tǒng)能源電力系統(tǒng)的靈活性、可控性逐步增強，多種能源系統(tǒng)耦合性和互動性顯著提升。另一方面，電力電子化的綜合能源電力系統(tǒng)也出現(xiàn)了建模困難、控制復(fù)雜度增大等諸多亟待解決的關(guān)鍵問題。

1綜合能源電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

配置綜合能源電力系統(tǒng)的時候，需要對系統(tǒng)部件所屬類型以及規(guī)格明確，要充分認識到系統(tǒng)配置對聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能經(jīng)濟性具有重要的影響。在構(gòu)建綜合能源電力系統(tǒng)的時候，對于單個設(shè)備的效率要充分考慮，將運行策略制定出來，明確用戶的冷熱電需求，同時還要保證經(jīng)濟效益與環(huán)境效益維持平衡狀態(tài)[2]。在系統(tǒng)配置之前需要對綜合能源電力系統(tǒng)的負荷作出預(yù)測并詳細分析。在預(yù)測冷熱電負荷的時候，要將各種歷史數(shù)據(jù)為依據(jù)，主要為社會、經(jīng)濟、電力負荷以及氣象等等，明確電力負荷與有關(guān)因素之間所存在的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，從科學(xué)的角度預(yù)測未來的負荷。在進行綜合能源電力系統(tǒng)規(guī)劃的過程中，負荷預(yù)測發(fā)揮基礎(chǔ)性的作用，其是否準確對系統(tǒng)配置具有直接的影響。根據(jù)負荷預(yù)測結(jié)果配置綜合能源電力系統(tǒng)。綜合能源電力系統(tǒng)直接向用戶供應(yīng)能源，隨著用戶的負荷需求發(fā)生變化，就會出現(xiàn)用戶負荷的熱電比與系統(tǒng)熱電比以及用戶負荷的冷電比與系統(tǒng)冷電比不能保持一致的問題。為了滿足用戶的負荷需求，需要采用四種系統(tǒng)配置方法：第一種配置方法是補電子系統(tǒng)集成方法;第二種配置方法是補熱子系統(tǒng)集成方法;第三種配置方法是電-熱轉(zhuǎn)換集成方法;第四種配置方法是蓄能集成方法。如果熱電比非常小或者用戶的電負荷已經(jīng)超過原動機功率的時候，可以應(yīng)用并網(wǎng)補充電能的方法，也可以用可再生能源對電能進行補充。當綜合能源電力系統(tǒng)的供熱容量不足的時候，就要應(yīng)用補熱子系統(tǒng)進行熱量供應(yīng)。當用戶熱電比以及冷電比都超過系統(tǒng)輸出比的時候，可以應(yīng)用電-熱轉(zhuǎn)換的方法將原來的熱需求向電需求轉(zhuǎn)換。如果用戶需求有峰谷差存在，就需要向綜合能源電力系統(tǒng)中引入蓄能手段，由于不同步導(dǎo)致的供應(yīng)和需求不平衡的問題就能夠得到緩解，如果存在不同于設(shè)計工況的問題，此時系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力就會有所提高。

2電網(wǎng)規(guī)劃方面

以儲能與輸電線路擴建總成本最小為目標，對儲能的功率、選址及輸電網(wǎng)同時進行優(yōu)化規(guī)劃，相比于傳統(tǒng)的單一儲能規(guī)劃具有更優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟性;西安交通大學(xué)王建學(xué)等以最優(yōu)潮流模型為基礎(chǔ)，從單時段和多時段兩方面分別計算輸電線路在系統(tǒng)安全約束下的最大輸電能力，并基于此提出能夠有效表征輸電線路資源利用水平的改進利用率計算方法;國網(wǎng)濟南供電公司李瑜等提出了一種火電機組靈活性改造與輸電網(wǎng)規(guī)劃多階段聯(lián)合決策方法，通過將火電機組靈活性改造納入輸電網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化決策，統(tǒng)籌優(yōu)化系統(tǒng)靈活性及傳輸能力以促進大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)消納;中國電力科學(xué)研究院唐曉駿等考慮柔性直流接入城市電網(wǎng)后可能帶來的短路電流超標風(fēng)險，針對現(xiàn)有的短路電流計算方法對柔性直流遠端故障場景計算結(jié)果偏保守問題，提出一種考慮柔性直流接入影響的更為準確的電網(wǎng)短路電流簡化計算方法。

3積極應(yīng)對大規(guī)模新能源并網(wǎng)的挑戰(zhàn)

構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是電力行業(yè)落實“雙碳”目標的具體部署，儲能是支撐新型電力系統(tǒng)建設(shè)的核心技術(shù);同時，大規(guī)模新能源并網(wǎng)面臨挑戰(zhàn)：系統(tǒng)調(diào)峰能力存在缺額，不足以支撐高比例新能源消納;跨區(qū)直流運行方式靈活性欠缺，新能源跨區(qū)消納難度大;新能源裝機容量增加，新能源電量占比不斷提高，新能源利用率逐漸下降;新能源電量滲透率與利用率間相互制約，以新能源利用率為目標的消納模式亟待向兼顧新能源利用率與發(fā)電量占比轉(zhuǎn)變;電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量持續(xù)減小，頻率調(diào)節(jié)能力下降，電網(wǎng)存在頻率越限甚至穩(wěn)定破壞風(fēng)險;新能源調(diào)壓能力不足，大規(guī)模新能源并網(wǎng)地區(qū)電壓控制困難;高比例受電地區(qū)動態(tài)無功支撐能力不足，系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)能力持續(xù)下降，系統(tǒng)安全面臨電壓失穩(wěn)風(fēng)險。

4綜合能源電力系統(tǒng)的運行策略

其一，以熱定電。用戶的熱需求得到滿足，將發(fā)出的電向用戶提供，當電量過剩的時候可以上網(wǎng)售賣，電量不夠充足的時候可以通過電網(wǎng)補充。其二，以電定熱。用戶的電需求得到滿足，釋放的熱量向用戶提供，使其熱需求得到滿足。在熱量不足的情況下，可以使用鍋爐補充燃燒，如果熱量過剩，可以使用蓄熱罐儲存。其三，持續(xù)運行系統(tǒng)在預(yù)定的時間內(nèi)可以保持持續(xù)運行狀態(tài)，即便能源需求有所變化也不需要考慮。如果系統(tǒng)生產(chǎn)的能源可以滿足的用戶需求，有剩余可以上網(wǎng)售電，否則就要通過電網(wǎng)補充。

結(jié)束語

在多電平功率變換方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)紀延超教授團隊及天津大學(xué)賈宏杰教授、肖遷博士團隊針對模塊化多電平換流器（MMC）傳統(tǒng)控制方法功率跟蹤精度差、動態(tài)響應(yīng)速度慢等問題，提出一種基于反饋線性化的直接功率控制方法;內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)楊炳元教授團隊分析了基于MMC的交直流混聯(lián)電網(wǎng)場景下短路故障特征，并提出一種無需換流站間通信的交直流故障穿越協(xié)調(diào)控制方案。

參考文獻

[1]卓振宇，張寧，謝小榮，李浩志，康重慶.高比例可再生能源電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展挑戰(zhàn)[J].電力系統(tǒng)自動化，2019，45（09）：171-191.

[2]李宇澤，齊峰，朱英偉，王鵬，侯健生，文福拴.多能互補綜合能源電力系統(tǒng)的建設(shè)模式初探[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2019，34（01）：3-10.

[3]鞠平，沈賦，吳峰.綜合能源電力系統(tǒng)的在線分布互聯(lián)建模研究[J].電力自動化設(shè)備，2018，37（06）：11-14.