電力電子化綜合能源電力系統運行控制

韓旺 王瑞旺 吳和喜

摘要：在多能互補綜合能源電力系統中，分布式能源是核心，基于此在特定的區域內實施能源供應。該能源系統整合了多種能源形式，包括熱、冷、燃氣、電能和水務都可以一體化運行。綜合能源電力系統的一個重要優勢在于，將多種能源協同并予以優化，實現優勢互補，使得再生能源充分利用，提高能源的利用率，避免產生浪費問題。通過對能源逐級合理利用，以提高能源綜合利用水平。綜合能源電力系統本身是非線性系統，其變量非常多，體現出復雜的特征，有很強的隨機性，與傳統的規劃問題相比較，其能源規劃更加復雜。

關鍵詞：電力電子化;綜合能源;電力系統

引言

面對能源危機和環境問題的挑戰，為促進節能減排，早日實現“碳達峰”和“碳中和”的雙碳目標，現代電力系統迫切地需要創新與變革。近年來，新型電力電子變換裝備在新能源發電、柔性交直流輸配電、分布式電源與儲能等領域取得了廣泛的應用，使得傳統能源電力系統的靈活性、可控性逐步增強，多種能源系統耦合性和互動性顯著提升。另一方面，電力電子化的綜合能源電力系統也出現了建模困難、控制復雜度增大等諸多亟待解決的關鍵問題。

1綜合能源電力系統結構

配置綜合能源電力系統的時候，需要對系統部件所屬類型以及規格明確，要充分認識到系統配置對聯供系統節能經濟性具有重要的影響。在構建綜合能源電力系統的時候，對于單個設備的效率要充分考慮，將運行策略制定出來，明確用戶的冷熱電需求，同時還要保證經濟效益與環境效益維持平衡狀態[2]。在系統配置之前需要對綜合能源電力系統的負荷作出預測并詳細分析。在預測冷熱電負荷的時候，要將各種歷史數據為依據，主要為社會、經濟、電力負荷以及氣象等等，明確電力負荷與有關因素之間所存在的內在關聯性，從科學的角度預測未來的負荷。在進行綜合能源電力系統規劃的過程中，負荷預測發揮基礎性的作用，其是否準確對系統配置具有直接的影響。根據負荷預測結果配置綜合能源電力系統。綜合能源電力系統直接向用戶供應能源，隨著用戶的負荷需求發生變化，就會出現用戶負荷的熱電比與系統熱電比以及用戶負荷的冷電比與系統冷電比不能保持一致的問題。為了滿足用戶的負荷需求，需要采用四種系統配置方法：第一種配置方法是補電子系統集成方法;第二種配置方法是補熱子系統集成方法;第三種配置方法是電-熱轉換集成方法;第四種配置方法是蓄能集成方法。如果熱電比非常小或者用戶的電負荷已經超過原動機功率的時候，可以應用并網補充電能的方法，也可以用可再生能源對電能進行補充。當綜合能源電力系統的供熱容量不足的時候，就要應用補熱子系統進行熱量供應。當用戶熱電比以及冷電比都超過系統輸出比的時候，可以應用電-熱轉換的方法將原來的熱需求向電需求轉換。如果用戶需求有峰谷差存在，就需要向綜合能源電力系統中引入蓄能手段，由于不同步導致的供應和需求不平衡的問題就能夠得到緩解，如果存在不同于設計工況的問題，此時系統的調節能力就會有所提高。

2電網規劃方面

以儲能與輸電線路擴建總成本最小為目標，對儲能的功率、選址及輸電網同時進行優化規劃，相比于傳統的單一儲能規劃具有更優的技術經濟性;西安交通大學王建學等以最優潮流模型為基礎，從單時段和多時段兩方面分別計算輸電線路在系統安全約束下的最大輸電能力，并基于此提出能夠有效表征輸電線路資源利用水平的改進利用率計算方法;國網濟南供電公司李瑜等提出了一種火電機組靈活性改造與輸電網規劃多階段聯合決策方法，通過將火電機組靈活性改造納入輸電網規劃優化決策，統籌優化系統靈活性及傳輸能力以促進大規模風電并網消納;中國電力科學研究院唐曉駿等考慮柔性直流接入城市電網后可能帶來的短路電流超標風險，針對現有的短路電流計算方法對柔性直流遠端故障場景計算結果偏保守問題，提出一種考慮柔性直流接入影響的更為準確的電網短路電流簡化計算方法。

3積極應對大規模新能源并網的挑戰

構建以新能源為主體的新型電力系統是電力行業落實“雙碳”目標的具體部署，儲能是支撐新型電力系統建設的核心技術;同時，大規模新能源并網面臨挑戰：系統調峰能力存在缺額，不足以支撐高比例新能源消納;跨區直流運行方式靈活性欠缺，新能源跨區消納難度大;新能源裝機容量增加，新能源電量占比不斷提高，新能源利用率逐漸下降;新能源電量滲透率與利用率間相互制約，以新能源利用率為目標的消納模式亟待向兼顧新能源利用率與發電量占比轉變;電力系統轉動慣量持續減小，頻率調節能力下降，電網存在頻率越限甚至穩定破壞風險;新能源調壓能力不足，大規模新能源并網地區電壓控制困難;高比例受電地區動態無功支撐能力不足，系統電壓調節能力持續下降，系統安全面臨電壓失穩風險。

4綜合能源電力系統的運行策略

其一，以熱定電。用戶的熱需求得到滿足，將發出的電向用戶提供，當電量過剩的時候可以上網售賣，電量不夠充足的時候可以通過電網補充。其二，以電定熱。用戶的電需求得到滿足，釋放的熱量向用戶提供，使其熱需求得到滿足。在熱量不足的情況下，可以使用鍋爐補充燃燒，如果熱量過剩，可以使用蓄熱罐儲存。其三，持續運行系統在預定的時間內可以保持持續運行狀態，即便能源需求有所變化也不需要考慮。如果系統生產的能源可以滿足的用戶需求，有剩余可以上網售電，否則就要通過電網補充。

結束語

在多電平功率變換方面，哈爾濱工業大學紀延超教授團隊及天津大學賈宏杰教授、肖遷博士團隊針對模塊化多電平換流器（MMC）傳統控制方法功率跟蹤精度差、動態響應速度慢等問題，提出一種基于反饋線性化的直接功率控制方法;內蒙古工業大學楊炳元教授團隊分析了基于MMC的交直流混聯電網場景下短路故障特征，并提出一種無需換流站間通信的交直流故障穿越協調控制方案。

參考文獻

[1]卓振宇，張寧，謝小榮，李浩志，康重慶.高比例可再生能源電力系統關鍵技術及發展挑戰[J].電力系統自動化，2019，45（09）：171-191.

[2]李宇澤，齊峰，朱英偉，王鵬，侯健生，文福拴.多能互補綜合能源電力系統的建設模式初探[J].電力科學與技術學報，2019，34（01）：3-10.

[3]鞠平，沈賦，吳峰.綜合能源電力系統的在線分布互聯建模研究[J].電力自動化設備，2018，37（06）：11-14.