大规模新能源电力安全高效利用基础问题

陈学民

摘要：本文首先分析了新能源电力系统的基本特征，然后分析了新能源电力系统基础问题：新能源电力系统时空多尺度动力学特性及建模理论；新能源电力系统多元互补机制及协同调控理论方法；新能源电力设备及系统故障演化机制及安全防御策略。

关键字：大规模；新能源；电力安全；高效利用；

引言

在当前的能源紧张的世界格局之中，传统能源开发利用所带来的环境污染和气候变化等成为了全球人类必须共同面度的问题。气候变化成为了共同的难题，难以解决，虽然有着大规模的新能源的利用和开发，但是如何应对气候的变化，成为了当前国际上炙手可热的话题。

风能、太阳能等可再生能源是最具规模化开发前景的新能源。过去10年,中国风电、太阳能发电装机分别增长了47倍和21倍。2011年,全年风力发电新增装机达1763.09万kW,累计装机容量达到6236.42万kW,居世界第一位。预计到2020年,中国风电装机容量将至少达到1.5亿kW,太阳能发电装机容量将达到2000万kW。到2030—2050年,按人均发电装机1.5kW计算,全国电力总装机容量将达到24亿kW,其中风电、太阳能等价装机容量为7.2亿kW,约占30%。因此,未来新能源电力必将由补充能源发展为替代能源,并最终成为主流能源。当前，规模化的新能源电力易经成为了中国电力发展的重要且艰巨的问题。大规模新能源电力输出功率的随机波动性、难以准确预测性以及用于并网的电力电子变换器对电网扰动的敏感性,使电力系统安全面临新的挑战。

一、新能源电力系统的基本特征

电力系统是由发电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统,其功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能,再经输电系统将电能供应到用户。电力系统的基本特征是保证能量的供需平衡,由于电能难以大量储存,电力系统一般依靠中长期负荷预测与规划、短期负荷预测与机组优化调度、超短期负荷预测与自动发电控制(automaticgenerationcontrol,AGC)实现对电源侧的控制,保证电能的供需平衡。系统实时运行时,当发电侧控制无法保证电网稳定时,将采取切除负荷的办法维持电网的稳定运行。

对于火电、水电、核电等传统发电过程而言,虽然电能难以大规模储存,但其一次能源是可以储存的,因而电能的输出是可控的。以风电、太阳能发电为代表的新能源发电与传统发电的本质差异在于其一次能源即风能、太阳能是不可储存的,其发电功率输出只能是在一次能源约束下的可控。而一次能源风能、太阳能的随机波动性决定了风电、太阳能发电的随机波动性,当大规模新能源电力接入电网以后,电力系统需要在随机波动的负荷需求与随机波动的电源之间实现能量的供需平衡,这样将使电力系统结构、运行控制方式发生根本性变革,形成新一代电力系统,即新能源电力系统。

二、新能源电力系统基础问题

（一）新能源电力系统时空多尺度动力学特性及建模理论

新能源电源空间具有着一定的空间尺度上的分散性、时间尺度的随机波动性，并且借由导致了宏观和微观不同层面的数学物理模型不再是确定性的模型，并且有着极大的随机性；另一方面，新能源电力采取的各种接入和平技术性较强，又使得新能源电力系统成就了跨大尺度的耦合性问题。鉴于规模化新能源电源驱动能量存在不确定性和随机波动性等特点,需首先建立新能源电力系统的不确定性度量与建模理论,深入剖析新能源电力系统的动力学特性,揭示规模化新能源电源与电网之间的相互作用机制,为实现新能源电力系统的安全高效运行提供理论基础。

（二）新能源电力系统多元互补机制及协同调控理论方法

作为复杂大系统,新能源电力系统具有电源多元化、电网多层次以及负荷多类型等复杂特征。电源侧具有良好可控性以及快速深度变负荷运行的能力是确保新能源电力系统安全高效运行的基础,而传统电源的迟延性与新能源电源的随机性决定了新能源电力系统电源侧功率的平滑输出必然要依赖于各类电源的多元互补与协同调控。因此,要解决上述问题,需在掌握大系统分散协调控制与智能调度理论方法的基础上,深入剖析系统的机制特性,研究系统状态参数的精细表征方法,构建先进的新能源电力系统控制理论方法。

针对新能源电源、传统电源、储能等不同种类电源,需进一步研究其功率输出特性、可控性原理以及波动功率注入下新能源电力系统的潮流计算、电力电量平衡、备用决策等理论方法,建立场/群级协调控制系统结构与调控方法,以实现多元发电过程的多能互补优化运行。火力发电作为多元互补的核心内容,其大范围变负荷运行时的经济性仍是瓶颈问题。分析其用于机组变负荷控制的可行性,基于此创建新的机炉协调控制系统结构与控制理论方法,以提高机组的变负荷控制速率,最终形成大型火电机组快速深度变负荷控制策略,为实现多元互补奠定基础。

（三）新能源电力设备及系统故障演化机制及安全防御策略

新能源电力设备地域分布分散、运行环境恶劣、系统结构复杂、运行工况多变,导致设备故障率升高,系统安全问题更加突出。为构建新能源电力系统的安全防御策略,需深入研究新能源电力设备的故障演化机制及系统故障特征,建立新能源电力设备安全评估模型及系统安全评估理论,提高系统的可靠性;发展基于多元广域响应的自适应保护与安全控制理论,为实现新能源电力系统的安全防御奠定基础。

基于此,提出基于设备安全评估分级模型的新能源电力系统安全评估理论方法,进一步揭示系统故障特征与系统模型及参数、运行水平及扰动等各种因素间的关联规律;提出新能源电力系统的自适应保护与安全控制策略,将系统安全防御从常规的故障控制转变为针对系统实时状态的表征、评估、预警、保护及安全控制体系,保障新能源电力系统的安全稳定运行。

参考文献

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