“雙碳”目標(biāo)下新能源電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)分析

吳文龍 戚思源 朱 慧 周 艷

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司鹽城市大豐區(qū)供電分公司）

0 引言

在當(dāng)前電子信息技術(shù)不斷應(yīng)用發(fā)展的背景下，市場(chǎng)對(duì)電能的需求不斷增加。為實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定的電能供應(yīng)，同時(shí)也要保證電力系統(tǒng)整體的安全運(yùn)行，需要耗費(fèi)大量的能源。以新能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的發(fā)電方式，有利于減少一次能源的消耗，符合可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。對(duì)“雙碳”目標(biāo)下的新能源電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，有利于保障新能源電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全，在提升電力系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量和效果方面具有積極的意義。

1 新能源電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定技術(shù)

1.1 電壓穩(wěn)定分析方法對(duì)比

1.1.1 傳統(tǒng)電壓穩(wěn)定分析方法

在以往電力系統(tǒng)的運(yùn)行中，主要應(yīng)用靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析、動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定分析以及非線性動(dòng)力學(xué)分析法來實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓穩(wěn)定的分析。以動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定分析方法為例，其中比較有代表性的是小干擾分析法。該方法強(qiáng)調(diào)通過電力系統(tǒng)的微分代數(shù)方程來構(gòu)建電力系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定狀態(tài)的分析：

式中，x代表系統(tǒng)狀態(tài)變量；y代表系統(tǒng)代數(shù)變量；p代表系統(tǒng)控制變量。

對(duì)在平衡點(diǎn)的方程進(jìn)行線性化處理，再將其中的代數(shù)變量消去，可以得到系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的方程：

式中，J代表系數(shù)矩陣。

盡管從理論角度來看，該方法能夠依據(jù)線性化處理微分方程來實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的狀態(tài)分析，但由于系統(tǒng)本身涉及到的元件數(shù)量較多，不同元件對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響也不同，再加上以這種方法建模也存在一定難度，因而仍需要不斷進(jìn)行研究和優(yōu)化。

1.1.2 新能源電壓穩(wěn)定分析方法

在新能源并網(wǎng)后，主要通過對(duì)新能源電力系統(tǒng)簡(jiǎn)化處理的方式構(gòu)建等效的電力系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型，實(shí)現(xiàn)新能源并網(wǎng)對(duì)電壓穩(wěn)定性影響的分析。當(dāng)前常見的風(fēng)機(jī)等效模型見表1，基于不同的分析需要，可以構(gòu)建不同的等效模型［1］。

表1 常見風(fēng)機(jī)類型及等效模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)則以光伏列陣、直流電容、逆變器及其控制模塊為主，如圖1所示，對(duì)光伏發(fā)電等效模型進(jìn)行構(gòu)建。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于這一結(jié)構(gòu)，考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有功率控制和逆變器控制兩種控制模式，構(gòu)建等效模型主要從逆變器控制方式入手，在電流控制方面以PI節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為PQ節(jié)點(diǎn)為等效模型；在恒功率因數(shù)控制方面，以PQ節(jié)點(diǎn)等效模型為主；在恒電壓控制方面，以PV節(jié)點(diǎn)為等效模型。

1.2 新能源電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定技術(shù)應(yīng)用

1.2.1 大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定

在新能源電力系統(tǒng)中應(yīng)用電壓穩(wěn)定技術(shù)，首先可以解決大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定的問題。某電力系統(tǒng)應(yīng)用WSCC3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，將新能源接入節(jié)點(diǎn)3設(shè)定為PQ節(jié)點(diǎn)，將電力系統(tǒng)原有的常規(guī)發(fā)電機(jī)替換為新能源機(jī)組。在架設(shè)某節(jié)點(diǎn)時(shí)發(fā)生三相短路故障，故障持續(xù)時(shí)間為0.2s的情況下，首先基于節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)列出系統(tǒng)完成的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，然后并入負(fù)荷等效阻抗和發(fā)電機(jī)同步電抗進(jìn)行計(jì)算，基于發(fā)電機(jī)分群理論，將節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣中的無關(guān)節(jié)點(diǎn)及時(shí)消除，僅保留發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)，則可以通過計(jì)算得到收縮到發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)納矩陣見表2。

表2 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)收縮到發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)納矩陣

將該導(dǎo)納矩陣中常規(guī)機(jī)組節(jié)點(diǎn)2的部分消去后，可以得到：

式中，Y′WW代表消去常規(guī)機(jī)組節(jié)點(diǎn)后等效網(wǎng)絡(luò)模型的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣；G′WW代表風(fēng)電機(jī)組節(jié)點(diǎn)架設(shè)的電導(dǎo)矩陣；B′WW代表風(fēng)電機(jī)組節(jié)點(diǎn)架設(shè)的電納矩陣。

在替換常規(guī)機(jī)組的新能源機(jī)組功率超過103MW時(shí)，系統(tǒng)如果發(fā)生大擾動(dòng)故障，系統(tǒng)的功角仍能夠保持穩(wěn)定的狀態(tài)，但電壓難以恢復(fù)平衡狀態(tài)，因而會(huì)逐漸失去穩(wěn)定。

1.2.2 小擾動(dòng)電壓穩(wěn)定

針對(duì)小擾動(dòng)電壓穩(wěn)定的情況，仍以WSCC3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例，以P-V曲線分析方法考慮小擾動(dòng)情況對(duì)電壓穩(wěn)定狀態(tài)的影響。將電力系統(tǒng)中的某一常規(guī)發(fā)電機(jī)替換為新能源機(jī)組，將該機(jī)組位置的節(jié)點(diǎn)設(shè)定為PQ節(jié)點(diǎn)，小擾動(dòng)負(fù)荷變化為1%，應(yīng)用同樣的方法對(duì)新能源機(jī)組的最大替換功率進(jìn)行計(jì)算，可以得到替換功率的最大值為212MW。在設(shè)定保持傳統(tǒng)機(jī)組、替換為風(fēng)電和替換為光伏三種情況的前提下，通過仿真實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步分析小干擾下的電壓穩(wěn)定情況，研究表明傳統(tǒng)電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓的穩(wěn)定極限點(diǎn)要超過新能源電力系統(tǒng)，而在新能源不斷注入的情況下，系統(tǒng)的有功裕度呈現(xiàn)出逐漸減小的發(fā)展趨勢(shì)［2］。

在“雙碳”目標(biāo)的影響下，以新能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)發(fā)電機(jī)組，能夠在節(jié)約煤炭資源的同時(shí)，節(jié)省用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組的電能功率，進(jìn)而達(dá)到控制和減輕碳排放的目的。

2 新能源電力系統(tǒng)數(shù)字化與智能化技術(shù)

2.1 數(shù)字化技術(shù)

數(shù)字化技術(shù)也是新能源電力系統(tǒng)中應(yīng)用的主要技術(shù)之一，借助數(shù)字化技術(shù)，電網(wǎng)企業(yè)可以通過構(gòu)建一體化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的方式，為平衡電力行業(yè)電力供需關(guān)系提供更為便利的途徑和方式，有利于優(yōu)化能源的配置，在保障電力供應(yīng)穩(wěn)定性的同時(shí)，也能夠?yàn)榧訌?qiáng)區(qū)域間的能源合作奠定良好的基礎(chǔ)［3］。具體而言，在新能源電力系統(tǒng)中應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，能夠基于全域物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，借助各類傳感器以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備，采集電力行業(yè)運(yùn)行發(fā)展涉及到的各類原始數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多角度的綜合分析，將分析的結(jié)果用于指導(dǎo)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和優(yōu)化企業(yè)的生產(chǎn)流程，如圖2所示。

圖2 電力大數(shù)據(jù)應(yīng)用分類

在此基礎(chǔ)上，基于電力企業(yè)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景來深入挖掘收集數(shù)據(jù)的價(jià)值，結(jié)合用戶用電和繳費(fèi)情況，借助大數(shù)據(jù)構(gòu)建用戶畫像，為用戶提供個(gè)性化服務(wù)。同時(shí)，將大數(shù)據(jù)技術(shù)與電力信息和市場(chǎng)發(fā)展結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行故障的及時(shí)診斷和綜合評(píng)價(jià)，有效保障電力系統(tǒng)以及企業(yè)整體的運(yùn)行安全。

在“雙碳”目標(biāo)的影響下，從深入了解客戶的用電量特點(diǎn)角度出發(fā)，提高對(duì)電力市場(chǎng)發(fā)展情況的預(yù)測(cè)精度，以此來推動(dòng)電力企業(yè)業(yè)務(wù)模式的改進(jìn)，有利于保障電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。以推動(dòng)電力系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的方式，在降低用戶用電成本，提升用戶電網(wǎng)服務(wù)滿意度的同時(shí)，也有利于借助數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)用電需求的分析，進(jìn)而制定更節(jié)約環(huán)保的業(yè)務(wù)運(yùn)行模式和程序。

以某電網(wǎng)企業(yè)為例，在引入新能源電力系統(tǒng)后，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，該企業(yè)2020年的電網(wǎng)線損率為5.59%，比2019年下降了0.21%；2020年萬元產(chǎn)值綜合能耗0.129噸標(biāo)準(zhǔn)煤／萬元，比2019年萬元產(chǎn)值綜合能耗下降了3.7%，可再生能源發(fā)電利用率2020年達(dá)到99.8%，比2019年提高0.3%。基于此，可以發(fā)現(xiàn)該企業(yè)在能源節(jié)約和生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作方面取得了顯著的效果，是符合 “雙碳”目標(biāo)要求的，能夠推動(dòng)新能源電力系統(tǒng)和企業(yè)自身的有效發(fā)展。

2.2 智能化技術(shù)

智能化技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要能夠滿足對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行管理和監(jiān)測(cè)的需要。在“雙碳”目標(biāo)的影響下，以構(gòu)建新能源電力智能化系統(tǒng)為主要目的，主要圍繞電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和共享平臺(tái)、數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用平臺(tái)、業(yè)務(wù)集成應(yīng)用平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)開發(fā)。

具體而言，以滿足電力系統(tǒng)運(yùn)行安全和效率為主要目標(biāo)，將智能化系統(tǒng)分為決策支持層、實(shí)時(shí)監(jiān)管層和專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)層三個(gè)部分。其中，決策支持層主要借助智能分析、計(jì)算方法和決策信息模型來為電力系統(tǒng)的運(yùn)行提供決策指導(dǎo)；實(shí)時(shí)監(jiān)管層主要基于傳感器等設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)管和控制；專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)層則基于電網(wǎng)物理系統(tǒng)，以專業(yè)應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合與應(yīng)用集成，主要負(fù)責(zé)對(duì)專業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［4］。

該系統(tǒng)中體現(xiàn)的智能化技術(shù)，主要包括軟件總線技術(shù)、業(yè)務(wù)集成平臺(tái)以及智能化工作流引擎平臺(tái)。系統(tǒng)軟件總線結(jié)構(gòu)如圖3所示，該技術(shù)能夠滿足統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一權(quán)限控制的要求，也具有數(shù)據(jù)存取和控制的功能，能夠?qū)⑾到y(tǒng)權(quán)限管理、報(bào)表管理、信息綜合查詢等功能集成到總線系統(tǒng)當(dāng)中，使相關(guān)的軟件應(yīng)用開發(fā)人員能夠?qū)⒕械皆O(shè)計(jì)和業(yè)務(wù)開發(fā)的模塊，在提升軟件系統(tǒng)開發(fā)效率的同時(shí)，降低系統(tǒng)投入后期的維護(hù)量。

圖3 軟件總線圖

業(yè)務(wù)集成平臺(tái)作為一個(gè)基礎(chǔ)應(yīng)用平臺(tái)，能夠基于獨(dú)立的MRC技術(shù)來保證平臺(tái)整體運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。在該平臺(tái)的運(yùn)行中，各項(xiàng)具體的業(yè)務(wù)功能主要以構(gòu)件的形式存在，在平臺(tái)與服務(wù)器之間無明顯關(guān)系時(shí)，可以直接由平臺(tái)來對(duì)構(gòu)件的生命周期進(jìn)行統(tǒng)一管理，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各類業(yè)務(wù)構(gòu)件運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

智能化工作流引擎平臺(tái)的構(gòu)建，主要依賴于工作流引擎技術(shù)，在業(yè)務(wù)功能模塊以及業(yè)務(wù)引擎兩個(gè)主要的模塊中，不僅可以滿足系統(tǒng)的業(yè)務(wù)開展需求，同時(shí)也能夠提供豐富的外部接口，滿足流程建模、流程部署、流程的運(yùn)行控制等功能。這一工作流引擎能夠從業(yè)務(wù)管理的角度出發(fā)，幫助企業(yè)構(gòu)建更符合其自身特點(diǎn)和需求的業(yè)務(wù)流程管理系統(tǒng)，推動(dòng)電力企業(yè)管理線路朝著更加規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。在平臺(tái)運(yùn)行中，其能夠依據(jù)對(duì)用戶需求進(jìn)行調(diào)研分析的結(jié)果，對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)能相關(guān)的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行梳理，以流程重組和再造的方式，構(gòu)建基于平臺(tái)業(yè)務(wù)內(nèi)容的邏輯模型，能夠?yàn)槠髽I(yè)信息資源的有效整合提供更為便利的方式。除此之外，基于新能源特色的數(shù)據(jù)集成和共享平臺(tái)的建立，也能夠體現(xiàn)出智能化技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，借助數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)各類異構(gòu)數(shù)據(jù)的有效整合，搭建系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)據(jù)中心，推動(dòng)企業(yè)信息管理朝著一體化的方向發(fā)展。

3 結(jié)束語

綜上所述，新能源電力系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前電力行業(yè)發(fā)展的主要方向和趨勢(shì)之一。在雙碳目標(biāo)的要求和影響下，電力行業(yè)企業(yè)應(yīng)結(jié)合自身的發(fā)展情況，積極發(fā)揮各類先進(jìn)技術(shù)的作用，以更高質(zhì)量的技術(shù)開發(fā)，保障和提升新能源電力系統(tǒng)的運(yùn)行效果。為推動(dòng)電力企業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展，在技術(shù)轉(zhuǎn)型和優(yōu)化升級(jí)的過程中，也應(yīng)充分發(fā)揮電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的作用，注重提升電力市場(chǎng)以及碳市場(chǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)的效率，從而更好地推動(dòng)社會(huì)的發(fā)展。