新能源场站快速频率支撑能力评估研究现状与技术展望

随着以风电、光伏为代表的新能源发电逐步取代同步机组,系统调频资源不足、抗扰动能力下降,频率安全问题凸显,新能源场站提供快速频率支撑成为构建新型电力系统的必然要求。新能源场站快速频率支撑是其内部多设备、多环节综合作用的结果,受风光资源、控制策略、电网条件等多因素的影响和制约。量化评估新能源场站的快速频率支撑能力是指导场站调频优化控制、分析新型电力系统频率响应特性、实现场站调频资源与电网交互的基础和前提。文中对新能源场站快速频率支撑能力评估问题进行了全面综述。首先,分析场站快速频率支撑的特征,并给出了场站快速频率支撑能力的定义;然后,从状态属性、控制特性、调频效果3个维度梳理了场站快速频率支撑能力的评估指标体系,并对各类评估指标的常用计算方法进行分析评述;最后,提出了值得关注和进一步研究的关键技术问题。

高比例新能源并网与运行发展研究

大力发展新能源是我国实现碳达峰、碳中和战略目标,加速能源结构绿色低碳转型的刚性需求与必由之路。本文在调研分析我国新能源发展现状和趋势的基础上,展望了我国中期(2030年)、远期(2060年)高比例新能源并网场景;阐述了高比例新能源并网与运行面临的高效消纳与能源保障难题并存、安全稳定运行难度剧增、电力市场机制不适应等挑战;从电源侧、电网侧、负荷侧、储能及基础支撑4个方面,全面分析了高比例新能源并网与运行关键技术体系。着眼我国高比例新能源并网与运行的长期稳健发展,提出了加强协调规划、提升灵活平衡能力,强化技术攻关、突破关键技术体系,建立衔接机制、支撑新能源参与市场,深化市场设计、适应新能源消纳场景等建议,可为电力领域规划、电力技术研究提供基础参考。

新能源电力系统电力电量平衡问题研究

高比例新能源电力系统中风电和光伏发电出力的波动性、不确定性给电力电量平衡带来较大影响。随着我国能源清洁转型和新能源装机占比的不断提升,高比例新能源运行场景下电力的可靠供应将面临巨大挑战。基于实际运行数据,分析了新能源出力的日波动特性与季节特性,总结了不同时间尺度上电力电量平衡存在的问题。在此基础上,通过建立电力系统时序生产模拟模型,研究高比例新能源电力系统平衡问题,量化分析了我国典型电网2025年高比例新能源运行场景下的电力供应不足的问题,并提出了解决措施和建议。

新能源侧储能配置技术研究综述

构建以新能源为主体的新型电力系统,是能源电力行业服务碳达峰、碳中和的重要责任和使命。电网对于新能源的要求逐渐从"友好并网"提升至"友好并网+主动支撑",新能源侧标配储能成为大势所趋。储能配置是储能应用领域的前端工作,目前储能成本仍然较高,如何实现最优的储能配置是首要需解决的问题。综述并归纳了目前国内外在新能源侧储能应用场景、配置方法及预评估等方面的研究进展,提出了新能源侧储能配置有待进一步考虑的问题,并对未来的研究方向进行了展望。

新能源侧百兆瓦时级储能电站系统集成技术研究与应用

重点阐述了百兆瓦时级储能电站系统集成,介绍了预制舱的设计技术,分析了储能在新能源并网下典型应用模式及控制策略,并结合仿真及实际运行结果进行验证。理论和实践表明,可以有效解决大规模新能源并网存在的一系列问题,具有一定示范意义。

面向高比例可再生能源电力系统的季节性储能综述与展望

随着可再生能源并网比例持续提高,储能技术的发展受到广泛的关注。季节性储能作为新兴的储能方式,可以实现长时间以及广域空间范围内的大规模能量转移,是消纳高比例可再生能源的重要技术。文中介绍了季节性储能技术的典型类型与发展现状,总结了各种季节性储能的技术性能与关键特征,从季节性储能的建模、灵活运行分析、储能容量需求分析与效益评估、季节性储能优化规划、长-短期储能的协同运行与合理配置等方面综述了电力系统的季节性储能研究现状,从长时间尺度、多能源形式与跨空间范围3个层面分析了面向高比例可再生能源的季节性储能研究的关键科学问题与挑战,展望了未来在季节性储能精细化建模、协调规划、运行控制、综合能源市场等方面需要解决的重点问题,以期为未来研究提供参考。

江苏电网侧百兆瓦级电池储能电站运行与控制分析

电池储能系统具有建设周期短、响应速度快、应用模式多样等显著优点,近年来建设规模不断扩大,在国家和地方政府的推动下,得到越来越广泛的应用。江苏镇江百兆瓦级储能电站自2018年7月投运以来,已参与电网调峰、调频、应急响应等多种辅助服务功能。针对江苏百兆瓦级电池储能电站,从其结构特点入手,研究分析储能电站在不同应用模式下的运行控制策略,并针对电站的响应指标和目前的运行情况进行测试分析,探索电网侧大规模储能电站的应用价值。

电网短路故障下新能源并网变换器的暂态同步机制及其自适应稳定控制策略

新能源并网变换器在电网短路故障期间与电网之间的交互作用显著增强,增加了暂态失稳风险。该文首先建立可再生能源并网换流器(renewable energy grid-connected converter,REGC)在低电压穿越(low-voltageride-through,LVRT)期间的简化等效转子摇摆方程,刻画并分析其同步特征属性。然后,借鉴传统同步发电机的同步稳定理论,推导等效整步转矩系数、等效等面积准则以及阻尼比3个同步特征指数,物理性地揭示不平衡虚拟转矩驱动REGC等效功角运动,甚至引发暂态失步的内在机理,并同时量化衡量REGC的暂态同步稳定性及其在低电压穿越期间的准静态小干扰同步稳定性。最后,提出一种基于自动虚拟变阻器的改进锁相环(phase-lockedloop,PLL)架构,使REGC能够自适应地抵消/补偿线路电阻的压降效应,不仅具备自主平衡能力,而且同时显著增强REGC的暂态同步稳定性及其准静态小干扰同步稳定性。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性和所提控制策略的有效性。

适应多能源基地远距离输送电能的混合四端直流输电系统控制策略研究

为将大规模可再生能源远距离输送到不同的负荷中心,提出一种适用于多个能源基地远距离输电的混合四端直流输电系统。系统采用电网换相换流器(LCC)和模块化多电平换流器(MMC)作为送端,两个MMC换流站作为受端。介绍系统的拓扑结构和数学模型,设计协调控制方案,分析混合直流输电系统的启动过程。利用换流站控制与直流侧开关的配合,设计混合四端电网的直流故障无闭锁穿越策略。在PSCAD/EMTDC中搭建四端电网仿真模型,验证该系统在启动、直流故障及无闭锁穿越等工况下的运行特性。研究结果表明,该系统可为新能源的大规模送出提供一种新选择。

张北柔性直流电网工程新能源与抽蓄电站配置方案运行经济性评估

为解决张家口地区大规模新能源的可靠送出和消纳、支撑绿色低碳冬奥,国家电网有限公司拟建设张北±500kV四端柔性直流电网示范工程。评估张北柔性直流电网工程在不同新能源和抽蓄电站配置方案下的运行经济性,对工程建设决策有着重要的意义。为满足计算精度及工程实用性的需要,提出一种基于时序生产模拟仿真的多端柔性直流电网运行经济性评估方法。以新能源最大化消纳为目标,考虑柔性直流电网传输安全、下网功率调峰需求、线路N-1安全运行、新能源与抽蓄电站互补运行、新能源限电率等约束条件,建立基于直流潮流的新能源与多端柔性直流电网混合运行优化模型。以张家口地区全年的新能源出力时间序列为输入,通过运行优化求解,得到张北柔性直流电网全年逐时段的上网和下网功率,核算在不同新能源和抽蓄电站配置方案下电网的运行成本和收益。采用工程经济学中常用的折现现金流的方式,开展方案的经济性评估,案例测试结果验证了所提方法的有效性。

考虑电池寿命的商业园区储能电站运行控制策略

商业园区中安装电池储能电站(battery energy storage statin,BESS)能够削减用电高峰负荷,提高园区用电经济效益,但现有控制策略较为单一,难以适应未来的大规模发展与应用。为此,以商业园区储能电站为主要研究对象,提出一种考虑电池寿命的商业园区储能电站多目标运行控制策略。首先建立了基于雨流计数法的电池充放电循环次数统计方法,然后采用5阶函数拟合电池循环寿命与放电深度的关系,以此估算电池寿命衰减情况并将其作为控制子目标函数之一,达到延缓电池寿命衰减的目的。依据所提出的储能电站控制策略,基于园区分布式光伏及负荷功率预测曲线,采用遗传算法以10 min为优化区间、每隔1 min对储能系统充放电功率进行一次滚动优化,实现了储能电站的时序分钟级控制。最后,以上海某商业园区夏季典型日为例,验证了控制策略的有效性与优越性。

大规模新能源基地经特高压直流送出系统中长期运行方式优化方法

大规模新能源基地经特高压直流送出是我国未来新能源消纳的重要形式,合理优化特高压直流中长期运行方式,是提高新能源基地外送消纳能力的重要基础。提出了基于时序生产模拟的大规模新能源基地经特高压直流送出系统中长期运行方式优化方法。首先,考虑生产模拟计算准确性与复杂度的要求,建立了不同类型光热电站、火电机组和储能电站的聚合运行模型;然后,考虑特高压直流运行模式、灵活调节性能和受端电网负荷调峰需求,建立了不含整数变量的特高压直流运行模型。最后,建立了以新能源最大化外送消纳为目标,考虑各类电源与特高压直流运行约束的中长期运行方式优化模型,提出了基于逐周计算的全年8760h生产模拟计算方法。算例基于含风电/光伏/光热/火电/储能的大规模新能源基地开展测试,结果表明所提出方法能够优化特高压直流年/月运行曲线,实现新能源的最大化外送消纳,计算准确性与效率能够满足工程实用性需求。

基于电源聚合-分解模型的新能源电力系统月度发电计划优化方法

针对高比例新能源电力系统出力随机波动性强、月度机组组合优化困难等问题,提出了一种基于电源聚合-分解模型的月度发电计划优化方法。首先,在区域电网聚合框架下,建立基于相同类型火电机组和风电场、光伏电站汇集节点的电源聚合模型;然后,以新能源月度出力多场景为输入,以全网发电经济性与清洁性最优为优化目标,建立月度机组组合聚合优化模型,确定聚合火电机组和新能源场站的总运行台数和总出力;最后,考虑系统节能发电、"三公"调度、机组运行约束、场站资源特性等因素,分别建立火电机组运行状态分解优化模型、发电经济调度优化模型、新能源场站电量计划分解模型,确定满足所有新能源出力场景的火电机组最优机组组合方式和新能源场站电量计划。算例基于"三北"地区某省级电网实际数据开展测算,结果验证了所提出方法的有效性和实用性。

计及优先级及电力平衡的新能源中长期交易电量分解方法

随着新能源发电占比以及参与市场交易的比例不断扩大,新能源发电的随机性和波动性导致现行按照电量平衡、电力校核的中长期交易电量分解方法难以适用于高比例新能源电力系统。文中提出了一种计及交易优先级及电力平衡约束的新能源中长期交易电量优化分解方法。首先,从新能源长时间出力曲线构建、交易电量协调优化分解和多场景模拟计算等方面提出满足新能源随机波动性的中长期交易电量协调优化方法。然后,以促进高比例新能源消纳为目标,计及交易优先级建立基于时序仿真的新能源中长期交易电量优化分解模型,实现新能源年度交易电量分解到月。最后,以中国西北地区某省级电网为例开展实例分析,结果表明所提方法可以确保分解结果的合理性和可执行性。

考虑运行环境成本的新能源合理利用率

考虑到不同地区新能源装机规模、负荷水平、电源调节能力的差异,分地区设置合理的新能源利用率目标是未来引领新能源高质量发展的关键。针对综合考虑新能源发电环保效益、火电灵活性改造及调峰运行成本的新能源合理利用率优化计算问题,提出了一种考虑新能源消纳的电力系统运行阶段环境成本计算方法。首先,建立了新能源发电同时率与发电量的量化关系,得到新能源发电同时率与利用率的分布特性;然后,分析了新能源场站运行经济性与发电盈亏小时数,建立了以运行阶段环境成本最优为目标的新能源消纳优化计算模型;最后,以国家电网经营区省级电网实际数据开展案例测算,得到了不同地区运行阶段环境成本最小场景下的新能源新增装机规模以及对应的合理利用率指标。

基于动态谱线插值的新能源场站同步基准信号检测方法

在含高比例新能源的低惯量电力系统中,系统频率呈现基频偏移严重、频率变化快等特征,导致新能源场站在进行并网测试及支撑性能评估时,同步基准信号检测误差增大,进而可能威胁到系统的安全稳定运行。对此,提出基于动态双离散傅里叶变换类(discrete Fourier transformation,DFT)谱线插值的同步基准信号检测算法。通过分析低惯量电力系统受功率扰动后的频率动态响应,揭示系统中基频静动态特征,并在此基础上建立静动态电网信号分析模型。进而量化基频偏移场景下的传统DFT谐波检测算法误差,并说明谱线插值类DFT算法在动态基频场景下的失效机理。继而利用希尔波特黄变换(Hibert-Huang transform,HHT)算法识别动态基频,并结合双DFT谱线插值法修正基频及谐波信号幅值,提高检测精度。又为改善检测效率,增设算法选择判据。试验测试结果表明:所提的检测算法能够准确的测量出强动态电网信号中的基准量,提高对新能源场站同步支撑、电能质量等并网性能的评估精度,为新能源高占比电力系统的同步基准信号检测提供新的可选方案。

基于商业园区源/储/荷协同运行的储能系统多目标优化配置

科技园等商业园区的用电负荷类型多样,用电特征和规律与传统高耗能工厂园也有较大区别。通过分析商业园区多负荷特征和人员作息规律,基于分时电价机制采取低谷储能峰平释能的运行策略动态调整冷负荷侧制冷机组功率和园区与电网联络线功率,既实现了对蓄冰槽出力的优化调度,同时由园区能量平衡原则得到储能系统的实时充放电功率,实现对储能功率和容量的配置。建立基于能效、经济、环境的多目标优化模型,分别实现蓄能装置的循环电量和循环冷量最小、储能系统成本及购电费用之和最少和环境污染成本最小。采用基于动态惯性权重的多目标非支配粒子群算法对所建模型进行求解,对生成的Pareto解集使用模糊隶属度法筛选得到最优解。通过上海某商业园区算例验证了所提方法的有效性和可行性。

基于运行状态评估的双馈风机自适应虚拟同步发电机控制

双馈风机机械与电气解耦,使得接入电网总有效转动惯量降低,增加电网频率调节压力。分析了双馈风机通过虚拟同步发电机控制实现对系统频率响应技术,研究了双馈风机在调频过程中在不同运行工况下能量变化评估方法,提出基于机组状态评估的双馈风机自适应虚拟同步发电机控制。在理论研究基础上进行时域仿真,结果表明,基于运行状态评估的双馈风机自适应虚拟同步发电机控制在不同出力水平下可以对系统频率提供有效支撑,提高系统频率稳定性,同时调频过程中保证机组运行稳定。

光伏电站参与大电网一次调频的控制增益研究

随着光伏发电等新能源的大规模快速发展,电力系统对其参与一次调频提出了相关要求。调频控制增益(调差系数的倒数)是一次调频控制的关键参数,目前其主要参照常规电源机组设置值和部分仿真计算结果制定,欠缺理论分析,国内外不同机构或标准提出的参数推荐值差异较大,不合适的参数可能导致频率调节不稳定。文中首先介绍了国内外有关光伏发电参与一次调频的技术要求,然后建立了光伏电站接入系统的一次调频控制分析模型,鉴于该模型含有死区和饱和等非线性环节,采用基于描述函数的非线性奈奎斯特稳定性判据分析了光伏电站接入系统前后调频控制增益的稳定范围。单机系统和两机系统算例仿真结果验证了所述分析方法和结果的正确性,该分析方法容易推广应用于风电等其它系统,分析结果可对相关标准和现场调频装置参数整定提供借鉴。

一种适用于大规模新能源远距离外送的分层混联输电系统

为实现内陆大规模风电等新能源的直流汇集与远距离输送,该文提出一种适用于不同规模风电基地分层接入的混合级联输电系统。首先介绍分层接入–混合级联输电系统的拓扑结构与运行特性。该系统为双层结构,高压阀组采用电网换相换流器,多个模块化多电平换流器并联作为低压阀组,可实现不同规模风电基地的分层接入。随后分析系统的数学模型,并在此基础上设计协调控制方案。针对风电基地出力波动,为系统设计阀组电压自适应控制,保障系统的稳定运行。最后在PSCAD/EMTDC中搭建分层接入–混合级联输电系统仿真模型,验证控制策略的有效性。研究结果表明,该系统可为大规模风电远距离传输提供一种新选择。