電氣工程

新能源消納關鍵因素分析及解決措施研究

舒印彪，張智剛，郭劍波，等

摘要：目的：近年來，我國新能源快速發展，消納問題成為各方關注焦點。新能源消納一直是世界性難題，由于我國的資源稟賦特點、電力系統條件和市場機制等問題，新能源消納面臨更大挑戰。本文旨在分析影響新能源消納的關鍵因素，進而系統地分析我國產生棄風、棄光問題的根源，并提出促進新能源消納的措施與方法。方法：文章在總結近5年我國新能源裝機和消納現狀的基礎上，對新能源消納問題進行數學建模和機理分析，進而指出了影響我國新能源棄風、棄光問題的關鍵因素，包括電源調節性能（最大技術出力、最小技術出力）、電網互聯互通水平（聯絡線外送能力）、負荷規模及峰谷差等。在理論分析基礎上，以我國重點省份和葡萄牙電網為案例，通過新能源理論電量與消納空間電量分析，對比新能源消納條件和關鍵因素的作用。進一步，針對我國目前存在的新能源棄風、棄光問題，提出“十三五”期間從靈活調節電源建設、火電機組改造、電網互聯互通以及電能替代等多方面采取措施，通過對上述措施效果的時序生產模擬，結果表明所提出的措施能夠有效緩解消納矛盾，促進新能源更好發展。結果：在2020年用電負荷水平下，基于當前東北、西北電網火電機組調峰能力和外送能力，不采取相關措施的情況下，我國新能源消納問題十分突出。在本文分析提出的影響新能源消納關鍵因素的基礎上，通過有針對性的采取一系列措施，我國棄風、棄光問題能夠得到有效緩解。1）火電機組調峰能力整體增加20%，東北電網提高新能源消納12.1 TWh，西北提高14.9 TWh；東北電網建設抽水蓄能電站4.1 GW，可提高新能源消納3.4 TWh。2）建設跨區外送通道，東北電網提高新能源消納7.3 TWh，西北提高新能源消納29.4 TWh。3）電動汽車參與負荷調節，東北提高新能源消納5 TWh，西北提高4.0 TWh；通過電能替代，東北電網提高新能源消納9.5 TWh，西北提高7.0 TWh；引入需求側響應機制，東北電網提高新能源消納4.4 TWh，西北提高3.3 TWh。4）綜合采用上述多項措施，東北電網可實現棄風、棄光率為1.7%；西北電網可實現棄風、棄光率為8.6%。結論：我國新能源以集中式開發為主，主要布局在西部北部地區，本地市場消納空間有限，靈活調峰電源、火電調峰能力均嚴重不足，電網跨區輸送能力不夠，市場機制尚不完善，是造成當前新能源消納矛盾的主要原因。要破解新能源發展難題，需要從電源、電網、用戶、市場等多個環節入手，多措并舉、綜合施策。在電源側加強調峰能力建設，提高抽蓄、燃機等靈活調節電源比例，推動火電機組調峰能力改造，提高供熱機組調峰深度。在電網側加快跨區跨省通道建設，擴大新能源配置范圍，統籌發揮大電網配置及平衡能力。在用戶側推進電能替代，加快微電網、儲能、“互聯網+”智慧能源等技術攻關，用市場辦法引導用戶參與調峰調頻、主動響應新能源出力變化。在體制機制方面，完善火電調峰補償機制，加快構建全國統一電力市場，建立有利于打破省間壁壘、促進清潔能源跨區跨省消納的電價機制和新能源配額制度。

來源出版物：中國電機工程學報, 2017, 37(1)： 1-8

入選年份：2017

虛擬同步機技術在電力系統中的應用與挑戰

呂志鵬，盛萬興，劉海濤，等

摘要：目的：虛擬同步機技術為解決電力系統電力電子化程度不斷提高進程中慣量缺乏、阻尼下降和電網安全穩定裕度減小等問題提供了新的思路。為進一步促進虛擬同步機技術的應用，加快技術標準制定，推動清潔能源參與電力系統調頻、調壓技術規范的出臺，本文論述了近年來國內外的研究成果，在虛擬同步機技術分類、功能、控制方法等方面介紹了虛擬同步機相關概念，從光伏虛擬同步發電機、風電虛擬同步發電機、儲能虛擬同步機和負荷虛擬同步機4個方面，結合實際工程介紹了其主要的應用方式，并介紹了參數設計和穩定性相關研究進展。方法：首先介紹了虛擬同步機技術的相關概念。虛擬同步機技術通常是指電力電子變流器的控制環節采用同步電機的機電暫態方程，使采用該技術的裝置并網運行，具有同步機組并網運行的慣性、阻尼特性、有功調頻、無功調壓特性等運行外特性的技術。根據應用場景的不同，虛擬同步機分為清潔能源虛擬同步機與負荷虛擬同步機。清潔能源虛擬同步機包括風機虛擬同步發電機、光伏虛擬同步發電機和儲能虛擬同步機。在功能方面，國家電網公司已編制了相關的企業標準對虛擬同步機技術的功能進行了一定的要求。以虛擬同步發電機為例，建議其應具有自主有功調頻控制、自主無功調壓控制、虛擬慣性控制、阻尼控制等功能。其次，按照應用場景的不同，從光伏虛擬同步發電機技術、風電虛擬同步發電機技術、儲能虛擬同步機技術以及負荷虛擬同步電動機技術四個方面介紹了虛擬同步機技術的應用。然后，介紹了虛擬同步機的參數設計和穩定性分析。虛擬同步機有4個重要特征參數，分別為有功調頻系數、無功調壓系數、轉動慣量和阻尼系數。經分析與研究，虛擬同步機慣量和阻尼參數的選取同時受到儲能或等效儲能環節以及控制器參數的影響。在穩定性方面，由于機械與電磁方程上的相似性，虛擬同步機在模擬傳統同步發電機慣量與阻尼特性的同時，也會引入傳統同步發電機的功率振蕩問題。現已有研究表明，可通過建立工頻小信號模型，給出基于系統截止頻率和相角裕度的虛擬同步機參數設計方案，從而在一定程度上避免功率振蕩問題。最后，分析了虛擬同步機技術目前存在的一些問題，如電壓控制問題，儲能和預留容量經濟性問題等。結果：虛擬同步機技術目前已有了一定的研究與應用基礎，在國家電網公司風光儲輸示范基地，已建成虛擬同步機示范工程，其調節能力達到547.5 MW；國網天津市電力公司也計劃在中新生態城智能營業廳內引進虛擬同步機技術。但目前仍存在一些問題需要解決：如電壓控制能力不如常規同步機組。結論：雖然虛擬同步機技術當前還存有一些問題，但在傳統機組仍占主導地位的電力系統中，清潔能源并網在很長時間內仍需追蹤“同步”電網，所以虛擬同步機技術仍有較大應用和提升空間，特別是伴隨電力系統的電力電子化程度不斷提高，虛擬同步機技術為解決慣量缺乏、阻尼下降和電網安全穩定裕度減小等問題提供了新的思路。建議進一步開展虛擬同步機相關產品化工作，開展并網穩定性分析關鍵技術研究，探索“源-網-荷”靈活互動與自主交互模式，建立支撐電力系統穩定運行的虛擬同步機完整技術體系。

來源出版物：中國電機工程學報, 2017, 37(2)： 349-359

入選年份：2017