新能源电力系统运行与控制

知识点：新能源发电单元供电运行方式

1.新能源电力系统概述和特点

针对原来的电力系统，主要依靠煤炭、石油等化石能源进行发电。但是现在随着发电技术的不断进步，一些可再生能源被利用到发电中来，很多可再生能源发电已形成规模。新能源发电和传统发电方式的最大不同之处在于，传统发电方式可以把发电能源进行存储，以建立起较为稳定的发电管理模式，电力系统的供需两侧可以进行控制和调节。而新能源是把可再生能源作为动力源，具有不可存储的特点，由于不确定性较高，电力系统的供需可调整性差。随着新能源发电方式的不断产生，可以更好弥补可调节性不足的缺点。新能源发电技术也可以使电力系统得到更为稳定、可靠地调控，得到安全有效的利用。在新能源电力系统中，电源与电网之间、电源与电源之间、电网与负荷之间的关联性大大增强，在深入认知新能源电力系统特性的基础上，创新控制与优化理论方法将是解决新能源电力规模化消纳难题的必由之路。

2. 新能源电力系统的运行与控制

新能源电力系统作为典型的复杂大系统，实现其控制与优化需遵循分解与协调的原则，既要考虑系统的整体协调与全局优化，也要考虑各局部子系统的自治与优化。在新能源电力系统中，电源侧与负荷侧的双随机特性、源-源及荷-荷之间的互补性、控制单元的复杂性与多样性等等因素都使得系统的整体性增强、控制难度加大。研究局部系统控制以及全局协同优化控制理论方法，是发展新能源电力系统的基础性科学问题。

（1） 电网友好型发电控制

新能源发电的随机波动性是导致其规模化并网困难的主要原因，实现电源侧的电网友好型发电控制，尤其是实现新能源发电的电网友好型控制，可以有效降低其规模化并网对电力系统运行的影响,促进规模化新能源电力的消纳。

相较于传统能源形式，风能、太阳能等新能源型式作为一次能源不可控，基于气象信息、历史数据及先验知识等进行超前分析与预测，是提升其发电功率输出可控性的有效手段。因此，新能源发电功率预测已成为缓解电网调峰压力、降低系统备用容量、提高电网对新能源发电的接纳能力的有效手段之一。功率预测按时间尺度可以分为分钟级、小时级和日级预测，其中，分钟级功率预测能够为单元机组的优化控制提供前馈输入信号，小时级功率预测可用于电网的运行调度控制与管理，日前预测主要服务于制定电网日前调度.。目前，分钟级和小时级的功率预测精度可以达到90%及以上，日级预测的精度稍逊一些。为进一步提升新能源发电功率预测精度，可综合考虑不同区域新能源资源特性的差异，结合数值天气预报等高科技气象数据，围绕预测机制进行技术与方法的创新。

对单元机组来说，电网友好型发电控制与设计制造水平、控制策略等因素密切相关。以风电机组为例，风电制造厂商及研究学者围绕气动系统的风能捕获控制、高自由度控制、传动系统的高效传递控制以及发电机的大范围变速控制等方面开展了大量研究，基于上述研究设计的具有局部变桨等能力的智能叶片，可以从源头上实现风能捕获的有效控制，提高功率输出的电网友好性，相对于设计制造水平，单元机组的控制策略相对灵活、方法也较多，但更精细、更有效的优化控制方法亟待发展。

图-1 电网友好型控制

而对于新能源场站，功率输出的可控性要好于单台机组，一方面，场站的输出功率波动性减弱；另一方面，更多的发电单元会提供更多的资源调配选择。考虑到新能源发电单元维数的爆炸性增长，如何实现场站内可调度资源的优化配置与分配，是新能源场站控制的重要内容。目前，分级、分簇控制等策略己在新能源场站输出功率控制上发挥了重要作用，未来的发展必将向着更精、更细、更优等方向发展。同时，新能源场站的多能互补控制也已成为重要发展方向，例如通过风电、光伏发电及储能之间的互补来平抑新能源电力的随机波动性。因此，通过新能源场站的集中控制及分散优化协调控制,是实现其电网友好型发电的基础与关键。

此外，规模化新能源电力并网还会增加电力系统发生故障的风险，因此，电网友好型新能源发电控制还应该包含其在运行状态下的故障穿越能力和灾害条件下的处置能力。例如，具有低电压穿越能力的风电机组可以确保电力系统在电压波动时不解列、避免连锁故障，从而有效提高风电场运行的安全性和经济性。高电压穿越控制、频率穿越控制以及灾害处置等安全能力也同样重要，它们都是电网友好型新能源发电技术的重要内涵。

图-2 规模化新能源并网

（2）基于分布式能源的微电网控制

微电网作为一项环保、灵活、高效的分布式发电管理形式，是一种融合多种分布式发电为本地负荷供电的配电网，它将电源、负荷、储能装置等结合成一个单一可控的单元，是大力发展可再生能源，提高供电电源可靠性，扩大供电系统容量的重要途径。在微电网中，由于存在大量的分布式电源，每种分布式电源都各不相同，其电压等级区分也并不明显，因此控制起来并不容易。微电网整体控制策略是以各种分布式电源、储能装置和负荷的控制方法为基础，形成的各发用电设备之间的协调组织和自动运行策略。并网和孤岛双模式运行是微电网的重要特征，实现在两种模式之间平滑切换是微电网双模式运行的关键。通过设计了分布式电源网侧变换器预同步控制单元，提出了微电网运行模式平滑切换的控制流程，实现了微电网两种运行模式之间的平滑转换。通过针对多逆变器型微电网系统的特点，提出了统一控制器的设计方法，该控制器由内部电压电流环和外部基于下垂特性的功率环组成，并在外部功率控制环中加入了同步并网控制环节，有效降低了微电网并网对电网的冲击，提高了系统的稳定性和可靠性。

      实际上，目前流行的电动汽车和屋顶光伏均可归类于基于分布式能源的微电网控制，以电动汽车为例，在新能源发电高峰时，可发挥其储能的作用储存电能，一方面用于转换为机械能发挥其汽车的属性，另一方面也可在用电高峰时，将储存的电能释放到电网，满足电力系统负荷需求。随着我国电动汽车规模的大幅增长，深入研究最大化其削峰填谷能力的控制策略，将是未来新能源电力系统安全稳定运行的重要支撑。

图-3新能源屋顶光伏发电

图-4 含电动汽车的直流微电网结构

随着新型发电技术不断被研发出来，新能源电力系统的应用已经成为发展趋势。需要对新能源电力系统优化控制关键技术进行深入的分析和研究，充分利用好新能源发电持测试仪，实现多种能源的高效互补，从而保证电网供电的稳定性，为用户输送清洁、可靠的电能。

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