关于新型电力系统稳定分析与控制的思考

2021-12-03

新型电力系统中新能源成为主体,是一个逐步演变的过程,首先体现在新能源装机占比居首位,其次新能源发电量占比居首位,最终新能源装机和发电量占比均超过50%。预计南方电网2030年新能源装机约2.5亿千瓦,占比约35%,成为第一大电源,基本建成新型电力系统。

新能源发电具有随机性、波动性和间歇性,使得电力系统运行方式复杂多变。新能源发电通过换流器并网,换流器动态特性对系统稳定性的影响逐步凸显,电力系统稳定性问题的内涵特征发生新变化。因此,如何认知新型电力系统稳定特性,如何开展运行控制,确保系统安全稳定,需要深入研究。电力系统稳定分析是认知电力系统稳定特性、掌握运行规律的方法体系。现有的电力系统稳定分析方法是在典型运行方式基础上,针对预想故障集,利用稳定分析工具研究电力系统稳定特性,提出运行控制方法。现有电力系统稳定分析方法应用于新型电力系统时,将面临海量运行方式场景、多时间尺度物理过程耦合、稳定控制策略适应性、柔性化稳定控制、非工频稳定性控制等新问题新方法。

新能源发电随机性波动性间歇性导致系统稳定分析面临海量运行场景

传统电力系统的运行方式主要受负荷水平和季节性水电出力两个因素的影响,运行方式组合较少,在电力系统规划和运行中通常选取“夏大、夏小、冬大、冬小”四种典型运行方式即可满足电网安全性、稳定性和经济性评估需求。对于新型电力系统,风、光等新能源在电源结构中将占据主导地位。一方面,新能源出力的随机性、波动性会导致电源侧出力水平短期内大幅变化,可能的出力组合方式显著增加;另一方面,大力推进电能替代,加剧了用电侧功率波动,特别是电动汽车等间歇性用电负荷的爆炸式增长,大幅增强了负荷的不确定性。上述发电侧和用电侧的高度不确定性将导致传统的电力系统典型运行场景选取方法失效,为有效覆盖可能出现的海量运行场景,同时兼顾电力系统运行模拟分析效率,亟需对电力系统各种运行方式进行特征识别、聚类和降阶,从而得到具有高度代表性的少数典型运行方式。

新能源等电力电子并网设备导致多时间尺度物理过程紧密耦合

传统电力系统稳定特性主要受各类电气设备物理特性的影响,采用传统机电暂态尺度的分析工具即可得出可信的结论。新型电力系统中电力电子设备容量占比高,多时间尺度物理过程耦合,其宽频带控制作用显著改变系统稳定特性,需依靠电磁暂态尺度的分析工具,但该类工具在新型电力系统中应用时存在较多问题:一方面,以新能源为主体的新型电力系统具有宽频特征,建立新能源场站的宽频带等效模型十分困难,如再考虑机组类型、分布运行状态等因素的影响,等效建模的难度将进一步增加;另一方面,新型电力系统具有“双高”特征,大量电力电子设备的建模仿真,会导致电磁暂态分析工具的效率难以接受;最后,现有电力系统模型一般在机电暂态尺度下维护,电磁暂态模型的运行方式调整极为不便,严重影响电磁暂态分析工具的便捷性。因此,新型电力系统的稳定分析工具亟待从通用建模方法、高效求解算法、一体化仿真平台等角度深入开展研究,以大幅提升电磁暂态仿真工具的分析能力。

新能源等电力电子并网设备使得传统工频稳定性控制扩展至非工频稳定性控制

电力系统在设计之初,就是按照在工频下稳定运行设计的,电网所表现出的稳定性问题主要是指工频下的稳定性,其控制也主要是指工频稳定性控制。以新能源为主体的新型电力系统所表现出的宽频振荡新问题,使得传统稳定性控制不再局限于工频段,而是扩展至上千赫兹的非工频段稳定性控制。通过发展宽频信息采集、测量装置,有效测量非工频电气量,提高系统的观测能力;通过创新发展新的控制技术理论体系,提高系统的认知水平和控制能力。为保障新能源为主体的新型电力系统安全稳定运行,传统工频稳定性控制将扩展至非工频稳定性控制。

运行场景多变性使得稳定控制策略适应性降低,需要多时间尺度迭代更新稳定控制策略

由于传统电力系统的不确定性相对可控,“离线决策、实时匹配”仍是目前国内外实际广泛应用的稳控措施形成模式。新能源的大量馈入,以及多能源系统、“物理-信息-社会”系统的广泛深度耦合,给未来新型电力系统引入了难以由灵活性资源完全平抑的波动性和不确定性。若沿用当前的稳控策略制定模式,要么导致离线制定的策略对于实时运行场景“失配”的几率大大增加,要么逼迫离线策略设计必须考虑过于宽泛的运行状态区间,一方面导致控制代价过大、策略形式复杂甚至找不到可行解,另一方面导致策略设计的人工成本和人工失误风险大幅上升。高性能仿真计算、全息监测、智能化分析决策、风险评估防控、实时快速自适应控制等技术的发展,给解决上述控制策略制定“跟不上”系统状态变化或“包不住”系统极端随机波动的矛盾带来了机遇。在上述技术体系的逐步形成和融合支撑下,稳控策略对高可变强随机运行环境的适应能力将获得本质升级。首先,“离线决策、实时匹配”的两阶段控制措施形成模式,将逐步过渡到“离线+在线”多时间尺度规范迭代的新模式:在离线、准实时和实时等多个阶段,控制策略随运行状态的确定而逐渐聚焦,由粗到细经多次规范迭代修正,最终得到既可靠可监管又精准及时的控制措施;其次,在各个时间尺度的控制策略分析深度、系统性和效率获得全面提升,主动发现深度耦合风险、定位风险形成和控制要素、快速及时更新策略的能力显著增强,对人工重复劳动和个体经验的依赖显著降低。

新能源机组快速调节特性支撑稳定控制技术向“以调代切”方向发展

传统稳定控制技术的特点是直接断开控制对象和电网的电气连接关系,故障后系统恢复困难。新型电力系统源-网-荷各环节高度电力电子化,在电源侧和负荷侧,新能源机组和电力电子化负荷通过换流器及锁相环并入电网,其动态行为由控制算法决定,这种快速调节能力使得电力电子化电源及负荷具有良好的暂态响应能力,通过调节控制参数可提供故障过程中的暂态支撑能力;在电网侧,直流输电具有高度灵活可控特性,根据系统运行需要可快速调节输送功率大小甚至输送方向,支撑电网安全稳定运行。电力电子并网设备的数字式快速调节能力给稳定控制技术带来新的机遇和选择,“以调代切”思想确保控制对象始终与电网保持电气连接,有利于故障后系统恢复运行,推动现有稳控技术向着柔性化方向发展。

针对新型电力系统面临的稳定分析和控制问题,目前还处于探索阶段,相关理论研究和技术研发已加速展开,将引入不确定性思维、非线性控制理论以及数字化技术,推动稳定分析和稳定控制技术体系的全面升级。可以预见电力系统稳定分析控制技术必将迎来一轮新的发展高潮。

(作者周保荣 为南方电网公司高级技术专家、南网科研院新型电力系统研究所所长)

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来源:南方电网公司