“双高”电力系统:一种新的稳定判据和稳定性分类探讨

随着能源变革和电力电子技术发展,高比例新能源和高比例电力电子设备(简称“双高”)在电力系统中比例增高,带来新的稳定问题。该文对“双高”电力系统的失稳影响因素和稳定判据进行深入剖析,探索“双高”电力系统的失稳机理,提出系统阻抗角稳定性分析方法。基于所提出的稳定性分析方法,从系统有功功率、无功功率平衡基本运行规则出发,构建“双高”电力系统的阻抗角稳定判据,通过搭建仿真模型验证所提稳定判据的有效性和正确性。同时,对IEEE 提出的稳定性分类进行探讨,在遵循传统稳定性分类原则基础上,基于所构建的稳定判据,尝试提出一种新的稳定性分类方法,希望有助于厘清“双高”电力系统稳定性问题,为后续系统规划、稳定性控制提供指导。

从智能电网到新型电力系统

构建以新能源为主体的新型电力系统,加速能源生产侧清洁替代和能源消费侧电能替代是我国能源体系转型以及实现“双碳”目标的关键举措。立足于电力与能源系统的发展进程,分析了新型电力系统建设的主要特征和技术路径。通过梳理从智能电网到新型电力系统的历史发展脉络,总结出以融合、互动、开放、消纳等为关键词的新型电力系统发展的主要特点。围绕能源-信息-社会融合、源-网-荷-储协同互动、能源市场开放共享、新能源高比例安全消纳等能源发展形势,重点阐述了我国电力与能源系统向安全高效、清洁低碳的能源体系转型的主要技术方向和实现路径,以期为我国新型电力系统建设的高标准落地提供参考。

“双高”配电系统的挑战与应对措施探讨

随着风光等可再生能源及多变流器等电力电子设备在配电系统中渗透率逐步提高,“双高”配电系统面临诸多问题与挑战。高比例可再生能源出力的不确定性及波动性,高比例电力电子设备大量存在于控制环节带来的低惯性及弱阻尼等新问题均为配电系统安全运行带来了新的挑战。该文从“双高”特性对配电系统影响的不同时空尺度出发,归纳配电系统新形势下面临的问题,分析这些新问题的产生机理,并针对现有的解决方案展开探讨。最后尝试对“双高”配电系统的发展进行展望。

微网中分布式电源锁相环建模及其稳定性分析

多分布式电源的同步失稳对微网的稳定性有重要影响,由微网中各分布式电源的控制策略不尽相同而带来的多类型逆变器并联系统建模及其同步稳定性分析已经成为困扰微网广泛应用的重要问题,其中同步锁相环(phase locked loop,PLL)的失稳又是多分布式电源发生同步失稳的主要原因之一。因此,该文提出一种基于PLL的多逆变器并联系统稳定性分析策略。首先建立基于下垂控制器和P&Q控制器的逆变器系统及其PLL小信号分析模型,其次利用信号流图和梅森增益定理得到多逆变器并联系统的PLL小信号分析模型,最后得到其传递函数。提出的小信号模型可以很好地鉴别多逆变器并网及孤岛情况下系统的同步稳定性。最后通过仿真验证所提出的基于PLL的多逆变器并联系统稳定性分析策略的可行性和有效性。

考虑冰灾环境的配电网态势感知和薄弱环节辨识方法

建立了一种考虑冰灾环境的配电网态势感知框架及薄弱环节辨识方法。通过综合考虑气象、地理系统、电力系统及社会资源的多源信息并分析其相关性,提出包含线路段实时风险态势、供电设备风险态势、防御风险态势、灾害故障态势和网络拓扑态势的综合态势感知框架,改变了以往仅通过线路覆冰情况预测配电网故障的局限性,修正了配网线路覆冰模型,并构建了线路段综合薄弱性指标(linesegment comprehensive vulnerability index,LSCVI)衡量线路段的薄弱程度,提升了配电网薄弱环节的辨识能力。最后通过东北某受灾区的实例分析,验证了所提方法的正确性和有效性,对冰灾时配电网的主动防御具有重要意义。

中国特色能源互联网三网融合及其“自-互-群”协同管控技术框架

从当代中国基本国情出发,以终端用能侧作为切入点,以互联、感知、优化、调控、共享为重点,力图构建开放共享的综合能源系统。该文首先分析了中国能源互联网的基本特点,设计了中国特色能源互联网的"三网一体"网络结构,然后从分布式的技术角度与自-互-群的能源角度分析了支撑中国特色能源互联网的重要技术手段。由"群"层级构建能源价值网络,构建能源交易平台,为"互"层级提供价格区间;"互"层级通过多主体博弈生成出清价格、以微增率的一致指导终端进行分布式优化、以分布式协同控制实现系统状态量一致。最终"自"层级基于能量枢纽,实现内部能量优化。至此,共同构成自上而下的一体化优化策略,实现中国特色能源互联网的经济、安全、高效运行。

面向“碳达峰、碳中和”的新型电力系统的潮流计算

在含高比例可再生能源的新型电力系统中,由于不考虑电力电子变换器的阻抗特性,使得潮流计算的精度降低。为此,需要一种基于本地控制器阻抗特性的由大量分布式发电机组成的新型电力系统潮流计算方法。首先,基于小信号扰动法和dq轴、αβ轴、abc轴之间的等效变换,对变换器的源端等效输出阻抗矩阵进行了估计。然后将总线-分布式电源等效阻抗模型转化为总线-总线的阻抗模型。同时,将等效阻抗模型嵌入雅可比矩阵迭代过程中,提高了潮流计算方法的精度。最后,利用IEEE-4总线测试系统、PG&E-69总线测试系统和IEEE-118总线测试系统对基于本地控制器阻抗特性的潮流计算进行了仿真,表明所提出的潮流计算方法更为准确。

基于多时间尺度的电-气-热耦合网络动态状态估计

目前能源网络状态估计的研究一般仅对单一系统或双系统。针对多种能源网络联系日益紧密的情况,研究了电-气-热耦合网络中不同子网络间的耦合关系和交互作用,并根据不同网络之间动态特性的差别,提出了基于多时间尺度的电-气-热耦合网络顺序状态估计(state estimation,SE)方法。同时以无迹卡尔曼滤波算法为基础,考虑到不同子网络间的耦合约束,构建了适应多情景的状态估计全局一致算法,保证了耦合网络状态估计结果满足边界耦合约束。仿真算例验证了所提方法的正确性和有效性,其结果对构建面向综合能源系统的新一代能量管理系统提供了数据支撑。

含恒功率负载的弱电网线路阻抗稳定区间辨识:阻抗技术

弱电网因其易发生低频振荡和谐波振荡现象而被广泛研究。然而,传统的阻抗方法更注重于线路阻抗稳定运行点的辨识和回比矩阵的稳定裕度,而不能提供具体的线路阻抗稳定区间。因此,文中提出一种基于安全保护映射理论的弱电网线路阻抗稳定区间辨识方法,以求为实际系统规划和相关回稳方法研究提供指导。首先,分别建立交流弱电网的源侧阻抗矩阵和载侧导纳矩阵。然后,对上述互联系统建立稳定禁止区间,并进一步转化为稳定运行区间。其与基于范数的阻抗准则相比,该稳定区间的保守性显著降低。进而,通过镜像、平移和旋转映射互联系统的回比矩阵将线路阻抗稳定区间的求解过程转化为Hurwitz矩阵的辨识问题,并且通过安全保护映射理论直接得到线路阻抗稳定运行区间。最后,通过仿真和实验结果验证该方法的保守性和有效性。

计及安全–经济的自能源双层自适应控制策略

自能源是一种具备全双工、分布式、对等化和智能化等重要特性的能源互联网基本能源单元,其对于促进可再生能源消纳、提升能源利用效率、降低能源系统碳排放具有重要意义。该文研究了自能源运行时的安全性与经济性,提出一种针对自能源的双层控制策略。结合异构能源网络的网络特性与动力学规律,首次推导得到综合能源系统多维"负载–参数"演化规律,进而提出自能源外层控制策略,实现自能源电能与热能输出按比例分配,避免自能源出现高负荷或过载现象。当新能源出力波动时,外层控制策略将自适应调节参数来保证其有效性。同时所提控制策略不需要自能源间进行信息交互,从而减少通信问题对系统安全运行带来的影响。内层控制以自能源的能量转换特性为基础,通过对自能源内部设备进行控制来最小化自能源的运行费用,同时保证各个设备的容量裕度,减少设备过载的情况,实现自能源的经济与安全运行。为验证方法有效性,以一个若干自能源组成的综合能源系统为算例进行分析,同时给出不同负荷变化情况对控制方法的影响。

工科专业课课程思政建设方案:以《电力系统分析》课程为例

把立德树人作为教学中心环节已成为我国高等教育事业新趋势,如何在工科专业课程中润物无声地融入思政元素是一个需要探讨的问题。为了培养德才兼备的复合性人才,高校必须尽快建立适用于工科专业课程的思政建设方案。该文分析工科专业涉及到的科学、技术、工程的国界属性,充分挖掘基于工科专业课程的培养模式与思政元素,构建工科专业人才培养的课程思政教学体系。文章分析传道受业解惑三者在课程中的辩证关系,针对六项课程思政培养目标,将工科专业课解构为5个典型教学环节,在这个课程思政教学框架下,提出十类课程思政在专业课中的融入策略,以期为我国工科专业的人才全方位培养提供参考。并以电气工程专业的核心专业课《电力系统分析》为例,探讨所提出的工科专业课程思政建设方案的有效性和可行性。

基于GAN的非侵入式自能源建模

自能源(we-energy)作为能源互联网的能源终端,其模型是能源互联网优化和调度的基础。该文针对自能源建模问题,提出一种基于生成式对抗网络(generative adversarial networks,GAN)的非侵入式建模方法。首先,考虑到自能源中风、光、储、耦合设备的产能特性,通过联合滑动与梯度分离实现自能源的非侵入式监测。进一步地,结合生成对抗网络的生成能力和判别能力,利用改进的GAN处理自能源中电-气-热数据时间异步问题,从而实现能源设备的分类和辨识,并在此基础上建立自能源的可调度模型。最后,以北方某能源区域作为算例进行仿真,验证所提方法的有效性和准确性。

面向综合能源系统的静态电压稳定性分析

针对多能耦合情况下的电力系统静态电压稳定性问题,提出面向电–气–热综合能源系统的静态电压稳定性分析方法。首先对综合能源系统中各个能源载体及其耦合设备进行稳态建模并求解,得到多能流收敛的统一雅可比矩阵J后,进一步推导出用于综合能源系统静态电压稳定性分析的降维矩阵Jr、JR。其中Jr考虑了多能流状态变量对无功功率的影响,物理意义明确且计算简便;JR进一步考虑了多能流控制变量对电网电压的影响,具备更低的保守性,但计算相对复杂。在此基础上,该文讨论了统一雅可比矩阵J和降维矩阵Jr、JR基于奇异值分解的静态电压稳定性指标,探究能源载体负荷波动对综合能源系统及电网电压稳定性指标的影响。经算例验证,所求指标包含了重要的关于综合能源系统中电网电压稳定性的裕度信息,且降维矩阵可以更好地描述综合能源系统中的静态电压稳定性问题。

基于随机矩阵谱偏离度的微网状态感知方法研究

针对大规模微网的状态监测问题,在实现快速检测及考虑节点数据控制的基础上,提出一种基于随机矩阵谱偏离度的微网状态感知方法。首先通过PBH秩判据分析微网邻接矩阵并且从中选择出感知微网数据的测控节点。然后通过所选择节点的电压及其功角序列构造的标准测控协方差矩阵,提高节点数据变化的灵敏度,并且将微网状态判断转化为分析随机矩阵谱偏离度变化程度。在得知微网状态改变的前提下,根据谱分布对应的最大特征向量元素改变量得到波动邻近测控节点,降低数据变化检测时间,满足在线快速检测的要求。最后以改进的IEEE 37节点微网为例进行仿真,仿真结果验证了所提方法的有效性。

基于拓展型双曲正切函数的全桥LLC变换器大信号建模方法

连续模型的准确性对于电力电子变换器的特性分析与实时仿真十分重要。由于独特的谐振腔结构,LLC变换器在不同工作频率区间分别以连续电流模式和断续电流模式运行,故而传统方法很难以连续模型实现其多种运行模式的统一描述。为此,该文提出一种基于拓展型双曲正切函数的全桥LLC变换器大信号建模方法。首先,分析各工作频率区间全桥LLC变换器特性,建立一种大信号非连续模型,该模型能够实现LLC变换器多种运行模式的统一描述。然后,构建含陡度因子/脉冲系数的拓展型双曲正切函数,利用其将上述大信号模型连续化,从而建立了全桥LLC变换器的大信号连续模型。基于此模型,连续系统的方法可以被直接应用以实现对变换器特性分析、实时仿真和控制器设计。同时,相比于现有LLC变换器大信号连续模型,该模型具有较低的阶数和更高的精确度。此外,该模型在时域中能够提供次级侧功率器件高准确性的开关信息,便于作为同步整流设计的参考。最后,仿真和实验结果验证了该模型的准确性和有效性。

计及气体成分变化的电-气-热综合能源系统能量流计算方法

为实现“双碳”目标,缓解环境压力,综合能源系统(integrated energy system,IES)已成为能源转型的重要发展方向之一。考虑到电转气(power-to-gas,P2G)技术引入的氢气、合成天然气等多类型供气源混合的问题,传统的IES能量流计算已无法确定混合后的燃气品质是否达标,无法量化其对IES中的节点压力、电压等参数影响。为此,提出了一种计及气体成分变化的电-气-热综合能源系统能量流计算方法。首先,将气体相对密度和热值建模为迭代变量,给出了混合气体的相对密度和热值的节点偏差方程及求解流程,为IES中多种供气源及其混合问题提供了通用模型;其次,提出了扩展牛顿-拉夫逊求解方法,给出反映耦合关系的扩展雅可比矩阵,以实现更全面的能量流结果评估和运行分析;最后,通过算例验证了所提模型和方法可有效反映气体成分变化对耦合系统的影响。

从虚拟电厂到真实电量:虚拟电厂研究综述与展望

随着大量分布式能源接入电网,虚拟电厂作为一种分布式能源管理技术,因其灵活性、高效性和可持续性而受到了广泛关注。首先简述了虚拟电厂的产生背景,分析了虚拟电厂中的研究热点和新兴方向,介绍了虚拟电厂的组成与结构。并进一步根据虚拟电厂调节目标和功能的不同,将其分为任务驱动型虚拟电厂、经济驱动型虚拟电厂和混合驱动型虚拟电厂。在此基础上,进一步论述了不同类型虚拟电厂的不同运行模式及其相应的关键技术。最后,展望了虚拟电厂未来的发展前景。

信息能源系统自-互-群立体协同优化方法

可再生能源高速发展、信息智能技术深度融合以及终端用能的多样化需求使得能源生产、分配及消费形式都呈现出时空异步、信能融合、多能互补以及智物协同的新趋势,这使得终端信息能源系统的平衡、协同、管控必须与之相适应。根据终端、拓扑网络以及综合能源管理云平台的特性,该文首先设计了自适应嵌入式信息能源智能终端,提出基于有限智能需求的边缘智能策略,以及多智能终端之间互协作策略,最终基于云平台提出拓扑网络与云平台纵向联合能源调配方案。构建了端-网-云立体协同架构以及自-互-群的立体管控策略,实现了综合能源系统不同层级资源协同优化调度,保障大规模动态信息能源系统的安全高效运行。

基于模糊Q学习的自能源综合能量管理策略

随着用户在综合能源系统中的参与度以及系统复杂度的提升,传统的能源枢纽已无法完全满足需求。同时,如何解决环境与负荷的不确定性以及提升能量单元的自我调节能力是亟需考虑的因素。基于此,提出了具备全双工与分布式特性的自能源单元,构建了一种针对多种不确定性以及需求侧响应的自能源综合调度模型并提出相应的能量管理策略。相较于其他模型,所提自能源综合调度模型全面描述了自能源在能源互联网中的运行特点。进一步,采用对环境模型需求较低的增强学习算法,引入不确定性作为状态指标并进行模糊离散化处理,使其可以在无前期预测的情况下解决模型中的多种不确定性带来的影响。仿真结果证明,所提综合能量管理策略具有较高的效率和更好的适用性,能有效实现不确定环境下自能源的最优调配。

“分布式信息能源系统”专题特约主编寄语

分布式信息能源系统(distributed cyber energy system,DCES)是能源互联网(energy Internet,EI)顺应新时代、新机遇与新挑战的产物,是能源发展的新阶段与新形态。能源作为信息的载体催生出海量能源数据,而信息技术的发展又将反哺能源网络的改造和升级。DCES通过信息流与能量流的交互影响,加强能源互联网的计算、优化、控制与管理的深度融合,以安全、高效、可靠和实时的方式感知与管控能源系统,实现多能源系统之间的自治与协作。