能源转型背景下电力系统不确定性及应对方法综述

在可再生能源迅速发展、能源结构低碳化转型的背景下,电力系统正由确定性系统向强随机性系统转变,在电力系统分析、规划与运行等各个领域出现了各类应对不确定性的方法与手段。文中分别从不确定性因素建模、不确定性因素影响评估、不确定性环境下决策以及不确定性平抑措施等4个方面,总结已有成果、阐述研究难点、探讨该领域的未来研究方向。指出多学科交叉与融合是不确定性分析方法的发展方向,在广义范围内实现能源平衡是应对不确定性因素的重要手段。

面向新型电力系统的虚拟电厂商业模式与关键技术

以新能源为主体的新型电力系统的电源侧结构与负荷侧形态均发生深刻变化,导致其电力电量平衡困难日益凸显,对用户侧灵活性可调节资源的需求更为迫切。虚拟电厂通过需求响应和协调控制聚合海量、分散、多元的柔性负荷与分布式资源,形成大容量的统一灵活调节能力,对保障新型电力系统安全稳定运行至关重要。文中从虚拟电厂的基本概念、商业模式和关键技术三方面进行综述。首先,介绍了虚拟电厂的概念、特点和功能,对比分析了国内外具有借鉴意义的虚拟电厂示范工程;其次,从价值主张、资源组成、经营模式和成本收益等多方面阐述了虚拟电厂的商业模式;再次,从状态感知与灵活聚合、信息预测与容量估计、市场交易与优化决策、补偿结算与效益评估等方面综述了虚拟电厂关键技术,剖析了现有技术、模型和方法的重点与难点;最后,展望了面向新型电力系统的虚拟电厂未来发展方向。

面向高比例可再生能源电力系统的容量补偿机制研究

可再生能源的较低发电边际成本将导致市场中的能量价格持续处于低位,压缩了各类电源的收益空间。为确保电力系统中的充足容量供给,市场需要引入容量补偿机制。文章综述并比较了国外电力市场的典型容量补偿机制,提出了适应于我国的电力容量补偿机制。具体地,该方法考察了市场中各机组单位有效容量的成本缺额的平均值,确定了单位有效容量的成本补偿价格,并据此对机组容量补偿价格进行结算。最后,基于我国某省目前实际和未来规划的电力系统数据完成了算例。结果表明,随着可再生能源渗透率的不断提高,需要容量补偿的火电机组逐渐增加,容量补偿收益占总收益比例不断增加,容量补偿机制重要性将不断凸显。

计及采样扰动抑制的电压源逆变器三矢量无模型预测电流控制方法

针对传统电压源逆变器无模型预测电流控制(model-free predictive current control,MFPCC)方法存在电流纹波大、电流梯度更新停滞以及预测性能易受采样扰动影响的问题。该文提出一种计及采样扰动的三矢量MFPCC方法。在一个控制周期应用3个基本矢量,并根据价值函数计算矢量作用时间,降低了输出电流纹波;其次,通过建立不同矢量作用下的电流梯度方程组,实现电流梯度数据的实时更新,消除了停滞现象;再次,分析采样扰动对MFPCC的影响,采用扩张状态观测器估计采样扰动以补偿预测电流控制,抑制其对输出电流的影响。最后,通过仿真和实验,对所提方法的有效性进行了验证。

省间电力现货交易优化设计与定价机制

在“碳达峰·碳中和”的目标驱动下,受新能源地理分布与随机性影响,以跨区域交易为媒介的区域间电能与灵活性互济重要性凸显。目前,中国正处于构建全国统一电力市场体系的关键阶段,需要有效的市场机制来管理省间电力现货交易。基于上述背景,设计了一种不依赖于跨区域投标者的省间电力现货交易方法。首先,提出了基于报价区的市场出清模型,采用分区边际定价的方法计算每个报价区的结算价格;然后,基于等效双边配对方法,按潮流贡献计算得到各区域间交易所需承担的输电费用;最后,采用算例验证了所提方法的有效性。与已有方法相比,所提方法在不依赖于跨区域投标者的前提下完成了跨区跨省电力交易,充分利用了输电线路容量,且市场出清过程中保护了各区域内部网架信息隐私。

面向光伏直流升压系统的高压大功率LLC谐振变换器设计方法

文中提出一种适用于光伏直流升压变换系统的高压大功率LLC谐振变换器设计方法与死区时间设计优化方法。文中先介绍大功率LLC变换器的应用场景,光伏直流升压变换器的系统架构和模块拓扑,然后基于模态分析法建立LLC变换器的时域模型,研究其求解方法。分析大功率LLC变换器与小功率设计时的差异,不能沿用小功率变换器设计方法,为此,从原始参数出发,以高效率为目标,时域模型求解方法为基础,提出一种精确简便的大功率LLC变换器设计方法,另外基于模态分析提出了死区时间设计优化方法。理论研究与提出的方法在一台80kW/5kV光伏直流升压变换器样机上得到验证。

LC滤波型电压源逆变器无模型预测电压控制策略

为解决传统模型预测控制在参数失配时预测误差增大的问题,该文提出一种适用于LC滤波型电压源逆变器的无模型预测电压控制策略。该策略建立了基于电压和电流双梯度的查询表,通过计算和存储上一时刻应用矢量作用下的电压和电流梯度,并结合当前时刻的采样值,实现未来时刻电压和电流的无模型预测;进一步重构状态空间预测方程,根据应用矢量作用下的电压和电流梯度实时更新未应用矢量的梯度值,保证了梯度的准确性;使用电压和电流双目标的价值函数进行跟踪评估,进而选取下一控制周期最优的矢量。该方法不依赖于任何系统参数、计算简单,且消除了传统无模型预测中梯度更新停滞现象,改善了输出电压性能。最后通过实验验证了所提方法的有效性和优越性。

基于双矢量的并网逆变器无模型预测电流控制策略

为消除并网逆变器模型预测控制对系统参数的依赖,该文提出一种基于双矢量的并网逆变器无模型预测电流控制(MFPCC)策略。该策略通过计算和存储上一时刻双矢量作用下的电流梯度,更新剩余6个未使用矢量的电流梯度,并结合当前时刻的电流采样值,实现未来时刻的电流预测;进一步利用电流预测的价值函数选取合适的电流梯度及其作用时间,从而得到下一时刻最优的电压矢量。该方法不依赖于任何系统参数、计算量小,且消除了传统MFPCC策略中电流梯度更新停滞现象,降低了输出电流谐波。最后,通过仿真和实验验证了所提方法的有效性和优越性。

储能参与电力市场机制:现状与展望

储能可有效解决高比例可再生能源引致的电网调节能力不足、频率稳定难度上升等问题。在电力市场化改革的大背景下,建立完善的市场机制并将储能纳入其中,对激励储能发展具有重要意义。与传统的发电侧、负荷侧资源不同,储能具有能量有限、快速响应等物理特性,其参与市场交易的机制也应有其特殊性。为此,首先综述了国内外在储能参与市场的价值分析、框架体系与交易机制方面的研究;关注美国、英国、澳大利亚的业界实践,着重介绍在美国联邦能源监管委员会841法案下,各独立系统运营商为适应储能物理特性,在能量市场、辅助服务市场、容量市场、输电资产方面做出的机制探索。在此基础上,进一步提炼出储能参与市场的普遍性问题,并结合中国电力市场建设的现状与挑战,对中国未来推动储能参与市场提出了相关建议。

面向电力电子变压器应用的大容量高频变压器技术综述

作为电力电子变压器和隔离型DC-DC变换器的核心部件,大容量高频变压器关键技术直接影响整个电力电子装备的性能。文中首先梳理和归纳大容量高频变压器的应用场景、应用实例、基本要求和发展目标。进而从磁芯材料、结构设计、散热设计和绝缘设计等4方面调研并分析了相关的国内外研究情况,并从中归纳总结大容量高频变压器设计亟待解决的关键问题。最后,对大容量高频变压器技术的发展现状和未来趋势进行阐述。

电力现货市场建设进展与关键问题

现货市场是电力市场体系的关键环节,其通过产生分时分地的价格信号,推动资源实现更优配置,并形成可供调度执行的生产计划。文中论述了欧洲、美国、中国电力现货市场的建设进展,并从区域市场融合、容量充裕性机制、新主体参与市场、市场运营水平提升4个方面提炼了电力现货市场建设的关键与共性问题。针对中国电力体制、市场体系、现货市场范围扩展、价格机制、参与主体、出清模型、辅助服务机制等问题,展望了中国市场建设的未来发展方向。

永磁同步电机直接驱动柔性负载控制方法

针对太阳能帆板驱动系统中,由于步进电机的步进运动与帆板自身的柔性相互耦合而产生的谐振问题,提出使用永磁同步电机(PMSM)直接驱动柔性负载的方法。根据Lagrange原理,得到柔性负载动力学模型,并与PMSM数学模型结合,得到PMSM驱动柔性负载系统的数学模型。采用双闭环矢量控制策略对PMSM驱动柔性负载系统进行控制,得到此时电流环及转速环开环传递函数。通过与传统PMSM驱动刚性负载系统对比,分析负载柔性对电流环和转速环控制特性的影响。在此基础上,分别使用极点配置方法和传统PI调节器参数确定方法,对控制器中PI调节器参数进行了整定。仿真和实验结果验证了上述分析及参数整定方法的有效性。

高比例可再生能源接入下考虑输配协同的输电网规划测试系统

以风光为主的高比例可再生能源通过不同电压等级接入电网,输电网与配电网之间的互济需求增强,促使输电网规划考虑与配电网协同,然而协同规划却面临着缺乏测试系统的难题。因此,构建了一个高比例可再生能源接入下考虑输配协同的输电网规划测试系统HRPTD-20,描述了系统的源网荷基本特性并给出了相关数据。系统包含2个区域、3个电压等级,以及3种传统和3种未来典型配电网结构场景,可再生能源装机容量占比接近55%。基于考虑输配协同的输电网规划模型求解,给出了测试系统的基准规划方案。对比分析验证了该测试系统可以用于输配电网协同规划,有助于提高可再生能源通过不同电压等级接入输配电网的消纳能力。

高比例可再生能源渗透下的电力市场价值分配机制设计

大力发展可再生能源、构建清洁高效的能源体系已成为贯彻落实能源革命的必然选择。在电力市场环境下,随着可再生能源渗透率的持续提升,传统火电份额被不断占据。由于尚未建立合理的市场机制保障火电提供容量的基本收益,火电企业缺乏为高比例可再生能源提供辅助服务的动力。市场价值分配的核心思想在于按照“谁创造的价值谁分享,谁产生的成本谁承担”来量化市场成员的贡献和价值,并分配利益。为此,提出一种高比例可再生能源渗透下的电力市场价值分配机制。基于Vickrey-Clarke-Groves(VCG)机制,定义一台火电机组的价值为该机组对其他发电资源的替代效益,精准辨识火电为可再生能源并网消纳付出的真实成本,从而激励火电机组真实报价,主动预留辅助容量,形成高比例可再生能源电力市场互利共济的格局。

中国跨区跨省电力交易综述及展望

跨区跨省电力交易是指在由各运营主体负责下形成的区域(或省级)电网之间发生的电力交易行为。在实现“碳达峰、碳中和”的目标背景下,新能源发电占比将不断增长,考虑中国新能源发电与负荷的逆向地理分布现状,推动跨区跨省电力交易有利于实现更大范围内的资源优化配置,使得社会福利最大化。基于上述背景,对国内外多区域电力市场基本架构、交易分类、出清机制、模型求解算法、价格机制等方面进行了分析和介绍,总结了目前跨区跨省电力交易机制中的关键问题,并对后续研究方向进行了展望。

电力市场环境下虚拟电厂经济效益敏感因素分析

随着我国对新型电力系统建设要求的不断明确,虚拟电厂(virtual power plants,VPP)的建设得到了业界的广泛关注。然而,在虚拟电厂规模化推进建设和运营过程中,市场化环境下的经济效益影响因素尚未得到充分研究。针对此问题,对虚拟电厂的建设投资成本、运营成本和收益情况进行梳理,构建了虚拟电厂经济效益模型;进一步,在市场化收益的视角下选取敏感因素,提出虚拟电厂参与不同市场交易品种的经济效益分析方法;最后,给出算例验证,讨论了虚拟电厂经济效益在不同敏感因素条件下的变化趋势。研究结果可为新型电力系统市场环境下的虚拟电厂合理有效回收成本、参与市场交易提供客观的评价方法支持。

级联H桥变换器IGBT开路故障分析与冗余方法研究

级联H桥变换器包含了大量的开关器件,往往面临严峻的可靠性问题。该文从电路特性和调制过程两方面对级联H桥变换器IGBT开路故障的影响规律进行分析,并提出一种基于调制重构的级联H桥变换器IGBT故障冗余方法。该故障冗余方法通过重构变换器调制过程,使H桥从故障中恢复运行,且发生开路故障的单元依然具有部分功率传输能力,提高了级联H桥变换器开路故障的处理能力。

基于数据挖掘的区域暂态电压稳定评估

针对区域暂态电压稳定评估相关理论还不完善、工程判据可靠性不足等问题,提出了基于数据挖掘的区域暂态电压稳定评估方法,构建了综合考虑单点负荷稳定与多点电压相互影响的2层评价框架。利用节点稳定度量指标及基于辨识的电压无功灵敏度矩阵提取网络原始特征。面对区域暂态电压失稳尚无可靠界定标准的难题,采用基于约束的半监督学习方式对数据集进行可靠分类。基于决策树算法建立逐步更新的分类模型,生成区域暂态电压稳定判据,通过模型挖掘出有关电压分区、代表节点的内在规律。EPRI 36节点系统上的仿真结果证明了评估方案的有效性,以及分类评估模型的适应性和准确性。

基于时序轨迹特征学习的暂态电压稳定评估

以先进机器学习方法等为代表的人工智能技术在增强现代电网安全稳定态势感知能力方面展现出巨大的潜力。针对在线暂态电压稳定评估的传统难题,提出基于时序轨迹特征学习的稳定评估方法。通过分析系统能量函数与暂态响应轨迹的相关性,给出学习过程输入数据选取的理论依据。在时序轨迹Shapelet变换基础上,提出以刻画系统稳定/失稳案例关键局部轨迹差异为核心的特征学习方法及稳定评估方案。双机四节点系统和南方电网中的算例测试结果表明,除了实现可靠的稳定监测和评估,还可充分利用文中方法的可解释性从数据层面剖析特定系统的失稳模式和规律。

跨界思维在能源互联网中应用的思考与认识

针对中国双碳目标下能源绿色低碳转型面临的重大挑战,能源互联网利用跨界思维,破除能源系统中的各种壁垒,低成本地从电力行业之外寻找潜在资源,助力构建以新能源为主体的新型电力系统。能源互联网跨界思维应用有3个维度的要素:目标维度,包含绿色、低碳、安全、高效、优质等;对象维度,包含部门之间、主体之间、行业之间的跨界;手段维度,包含能量层打破物理壁垒实现互补资源互联、信息层打破信息壁垒打造灵活协同智慧、价值层打破价值壁垒构建多方共赢生态。分析了中国已实施的若干能源互联网项目在跨界思维3个维度的要素。探讨了学术层面学科跨界交叉融合若干方向的科学问题和关键技术。