新能源電力系統與傳統電力系統整合方法

王照陽

（南京華盾電力信息安全測評有限公司，南京 211106）

以化石燃料為基礎的傳統電力能源，長期以來作為現代社會的一種重要的能源服務于社會發展。但長時間對化石能源大規模開采使用，使得化石能源逐漸枯竭，同時也帶來了大氣污染、噪音、水資源污染等一系列環境問題。為了實現人類可持續發展，在未來就必須減少對化石能源的依靠，而代替的使用風能、太陽能等再生清潔能源。此類能源資源豐富，每年可開采量完全可以滿足人類社會的能源需求。在未來只有構建清潔能源為主、化石能源為輔的能源體系，設計傳統電站與新能源電站多元互補的新能源電力系統，人類社會才能走綠色可持續發展道路。而在此過程中，如何實現新舊電網的融合，是一個必須解決的問題。

1 新能源電力系統發展現狀

新能源電力系統利用的能源形式主要包括太陽能、地熱能、海洋能和風能等一系列能源，這些能源具有儲量大、可再生、分布范圍廣等特征。我國新能源的研究起步較晚，相關技術、配套管理、規劃設計和市場機制還有待進一步的研究。能源電力系統現在仍處于資金投入的階段，隨著相關技術和研究的發展，其相對于傳統電力的價格優勢、環境綜合盈利優勢將逐步體現出來[1]。

現階段我國新能源電力系統的發展與世界先進水平還有一定差距。技術上面臨國際上的技術壟斷和封鎖，我國將大量資金投入與新能源相關技術研究和設備開發上，導致新能源發電成本高，收益率較低。但隨著近年來的發展，我國相關的技術和設備已經逐漸擺脫對西方國家的依賴，自主水平化水平不斷提高。在制度設計方面，我國新能源的政策制度還不夠完善，缺乏頂層設計和相關制度規劃，市場化水平和市場參與度不高，新能源發電價格機制還不夠完善。同時，行業內也缺少統一的行業標準與設計規劃，導致各類型能源系統不能很好融合和協調工作，這種情況阻礙了新能源電力系統的發展[2]。

2 新能源電力系統的能源類型

2.1 太陽能

太陽能是非常重要的一種清潔能源，沒有地域的限制，儲量巨大。現在太陽能利用的方法主要包括了熱轉化和電轉化2種類型。熱轉化是指將太陽光通過聚合的方式，直接將太陽能轉化成熱能，如太陽能熱水器、太陽灶等。電轉化是指將太陽光通過半導體的光伏效應原理產生電能，這方式可以用來改善偏遠農村的電力供應，降低環境壓力[3]。由于政府的重視和推動，我國光伏產業發展速度較快。

2.2 風能

風能是由空氣流動所產生的動能，本質是太陽能的一種轉化形式。地球表面由于太陽的輻射而不均勻受熱，而導致了大氣層中的壓力分布不均勻，因而產生了空氣的流動。風能分布范圍廣，儲量大，但是能量密度低、不穩定，開發利用受地理限制非常嚴重。在一些發達國家風能發電量已經達到了全社會發電總量的一半。我國風力發電雖然起步較晚，但是發展比較迅速，目前已經超越美國風電產能，成為世界上最大的風能發電國。

2.3 生物質能

生物質能是指太陽能以化學能形式儲存在各種有機物中的能量形式，目前較為科學環保的利用技術包括沼氣燃料電池技術、生物質發電技術和生物質制氫技術等。近年來我國生物質產業發展政策不斷完善，相關技術進一步提高，越來越多的企業參與到行業發展中來。目前新能源發電系統發展的重點是沼氣發電及生物質發電等產業項目。

2.4 核能

核能是人類最具有希望的未來能源之一。核電站只需要消耗很少的核燃料，就可產生大量的電能。在我國核電領域已經形成了一系列法律法規、規章標準及其他規范性文件，涉及核電站建設、運行、退役到安全事故處理的諸多方面，在技術和管理上已經實現了與世界先進水平接軌。

3 能源互聯網應用于電力系統的必要性

新能源將在未來代替傳統能源，成為人類社會賴以生存和發展的基礎。新能源具有地理上分散，生產不連續，隨機波動和不可控的特點，已存在的傳統電網布局和統一化管理方式難以適應新能源大規模利用的要求。在傳統電網模式下，新能源分步式發電并網難以解決電網電能質量管理、故障檢測和故障隔離方面所存在的問題，難以實現新能源的最大化利用。

而能源互聯網綜合利用電力電子技術和先進的智能信息技術，將各種新能源、電力網絡、天然氣網絡和石油網絡等能量網絡互聯起來，實現不同能量網絡、供給方和需求方和用戶與用戶之間能量雙向流動，以及信息溝通與共享。能源互聯網模式能有效實現傳統電網與新能源電網的兼容，并且能源互聯網可以有效整合產業鏈上下游形成供需互動及交易，能源互聯網還能支持匹配供需信息整合分散需求，使每一個家庭都能成為能源的消費者和提供者。當前社會用電顯示出越來越明顯的隨機性特點，這使得電力企業用電系統的供電與社會用電之間產生不對應的情況，極不利于電力系統的安全穩定運行。顯然，能源互聯網的模式能更有效地控制電力系統和保障電網運行安全。

4 能源互聯網背景下電力系統整合方法

4.1 系統供需協調規劃

能源互聯網可以借助信息采集功能，全面掌握供需雙方的信息，包括電網中發電機組工作狀態、發電量任務安排和用戶預測用電量等信息。結合生產信息和需求信息及電網內部各系統的地理位置，協調傳統電網與新能源電網之間供電調配，并結合各區域之間的差異性，具體化不同電力系統的規劃方案和供電計劃。利用能源互聯網技術，實現分散式和集中式能源模塊的之間的供需互動，進而實現全局統籌，使得整個電網效益的最大化。

4.2 模塊化和交互性

新能源電力系統和傳統電力系統在發電方式與運營管理上存在一些不同，因此2個系統要在互聯網背景下獨立制定內部運營模式和發電計劃，使系統內部成為一個整體，創造更適合于能源互聯網的運營模式和生產制度。同時要在能源互聯網中保持交互性，保證能源模塊之間可以進行協同合作，根據全局需求進行技術性適配和運營方案適配。

4.3 建立多元能量交互模塊

在能源互聯網的控制層面，要實現多元交互能量模塊。因為新能源電力系統在結合傳統電力系統之后所形成的新系統將更加復雜，系統管理層面上要結合先進電力電子技術、大數據技術和網絡技術等融合技術，建立中間接口型交互模塊，使得不同能源類型系統之間可以進行信息的交互、能量的雙向流動，保證各個子系統相對完整和獨立的同時，使得整個系統能作為一個整體進行有效運行。

4.4 規劃設計問題

各類新能源的快速發展對傳統電力行業造成了很大沖擊和影響，并對我國電力系統設計規劃能力提出了更高的要求。我國電力系統設計規劃水平還略顯不足，主要體現在能源與網絡規劃不協調、多類型能源規劃不協調、分布式能源規劃不協調和供需設計規劃不協調等。系統規劃階段的不合理性將直接影響到整個電力系統的安全性及未來可發展性。而互聯網能源技術可以突破子系統的空間限制，保證行業基本要素信息的可采集性和可利用性，在設計規劃的初期，可以對各種規劃方案進行虛擬運行，從而得出較優的規劃設計。

4.5 綜合能源系統的源端構建

利用一定的技術方法，將電網系統和燃氣系統相聯接，實現將棄光和棄風轉化為可存儲的氫能和天然氣，實現富裕能源的規模轉化和儲存。從而搭建起能源綜合利用平臺和高效分配和儲存系統。在此類系統的構建過程中，實現將棄光、棄風等能源充分地轉化利用，并同時保證電力的高質量、平穩的輸送和經濟上的可行性。

4.6 綜合能源系統的受端構建

因為源端系統復雜程度的影響，受端系統的設計必須要充分考慮能源輸送模式的復雜性和多樣性，使得供受系統整體上協調、配合和優化，從而實現社會用能效率最優、促進可再生能源規模化利用。因此，在供受系統端設計時，就應考慮到供電、供氣和供熱實現方法的可行性與穩定性，2個系統之間的匹配性關系，讓能源可以得到充分的利用并使得整個系統處于安全狀態和可控狀態。

5 新能源與傳統電力并網穩定性分析

隨著傳統電力系統和新能源電力系統不斷融合發展，復合系統的不穩定問題呈現出許多新形態，并且具有持續時間長、影響程度大和原理復雜等特征。研究影響復合型電網穩定性背后的原理，對于電力系統轉型和進一步發展具有重要意義。

5.1 新能源電力系統的框架和新特征

隨著因特網的不斷發展，傳統電力行業也不斷地吸取互聯網的理念和方法，形成了新的能源產業鏈和消費模式，其框架示意圖如圖1所示。新的能源系統展現了不同于傳統電力系統的新特征。在物理融合方面主要表現為智能電網為主，多種其他形式能源網絡并存的形態。在信息融合方面，以互聯網為主，整個系統中信息透明、平等和對等。

5.2 新能源電力系統穩定性評估方法

新型能源電力系統出現不穩定性的機理，現在還沒有形成統一的認識，因此形成了不同的穩定性評價方法和對應解決方法。目前最常用的方法是從穩定性等價、標稱行和魯棒性3個方面對提出方法有效性進行評估，對設備失穩機理進行研究時，主要包括確定穩定判據集合、模型有效性評價和保留。

確定穩定判斷集合首先要對系統中各個設備的關鍵物理部件特性進行采集，并建立設備的數學模型，之后將不同的部件作為主導因素并消去其他無關變量，進而形成對應判據。通過這種方法可以找到影響系統穩定性最關鍵的因素。接下來可以通過對穩定性判據的適應性分析，導出有效的穩定性方法和穩定分類。

5.3 以雙饋機組為例的穩定判據和機理導出

研究雙饋機組并網的穩定性，主要需要研究鎖相環和內環2類穩定判據，從而研究機側變流器主導的同步振蕩現象對電網穩定性的影響。鎖相環主導的判據主要是相位穩定判據，而內環主導判據主要包括修正序阻抗判據。

以下是其特征方程

式（1）中：Lθ，DFIG為相位開環傳遞函數。式（2）中：L+/-為正/負序阻抗判據。

之后通過設計鎖相環參與度振蕩和線路串補電容振蕩2種模式，驗證模型的實驗數據，進一步導出穩定性相關結論：雙饋機組的相位等效阻尼不足，與系統失去同步，其主導輸出變量為電流相位。

6 能源互聯網背景下電力系統協同優化運營模式

在能源互聯網技術應用到電力系統之后，行業的電能生產、企業管理模式、市場運行模式和消費響應方式等基本要素都會發生本質變化，能源體系將形成傳統電力系統與新能源系統相結合的局面。2類電力系統將各自實現內部自平衡和優化，而2個系統之間將表現出交互性、互補性和協調性。其中的廣域網技術是比較關鍵的技術，能夠完成區域內人口數量、能源分布情況、節能情況和能耗情況等數據的收集與管理，為系統的改進及相關的決策提供可靠的、智能化的依據，從而實現區域內要素的合理規劃。另外利用系統運行中產生的數據，可以建立起仿真模擬的數學模型，可以預見性地獲得系統運行的最優方案。新型的能源電力系統運營方式將廣泛利用廣域能源資源協調技術和能源供需協調優化等能源互聯網相關技術，其關系如圖2所示。

在建設能源互聯網過程中，重要的一部分工作是如何將新能源這種分散型的電力系統整合到能源互聯網的框架中來，并解決新能源發電的隨機性與不穩定性所帶來的問題，使得整個電力系統安全可靠并降低運行成本。能源互聯網中分散型電力系統結構如圖3所示。

能源互聯網中的分散式管理方案，其核心內容可以概括為2點，即生產要素配置去中心化和生產管理模型的扁平化，充分體現了互聯網的開放、平等、協助及分享精神。分散式能源互聯網與傳統電力系統有著很大的區別。傳統電力系統不支持多種能源的接入和互相轉化，難以適應大量分布式發電以及發電、用電、用能高效一體化系統發展趨勢，用戶難以參與到整個能源系統的生產調配當中來。

將傳統電力系統向新一代能源互聯網轉化，可以為電力行業和電力市場帶來很大的改變。一是可以大大提高各類能源的利用率，實現優勢互補；二是利用互聯網思維及相關方法，可以在能源系統中實現類似互聯網的功能和特性，為能源生產、傳輸及消費提供全新的方法模式；三是可以帶來新的業態和商業模式，為行業發展和消費發展注入新的動能和活力。能源互聯網能夠實現市場要素的有效配置，極大推進我國能源市場和電力體制的改革與進步。

7 結束語

在未來新能源使用比例將會越來越大，探索新能源電力系統與傳統電力系統的融合方式具有非常重要的意義。能源互聯網概念提出和相關的技術應用，為電力系統整合提供了一種有效的解決方案。本文對新能源發展和新能源電力系統的特征進行了簡要介紹，并且基于能源互聯網技術對電力系統融合方法和運營模式進行了討論。希望本文可以為相關領域的研究提供參考。