面向新能源电力系统频率时空动态的节点等效惯量指标及其应用

面向新能源电力系统频率时空动态的节点等效惯量指标及其应用

王德传

国家能源聊城发电有限公司

摘要：近年来，随着新能源接入电网的渗透能力逐渐增大，由于新能源出力具有间歇性、不确定性和波动性的特点，对电力系统频率影响也在不断加强。目前各区域的水电机组和火电机组是主要的调频电源，传统的机组存在调频速度慢，时间长等缺陷，为保证电力系统的稳定运行，解决新能源不断接入电网造成的电网频率波动是未来急需解决的问题。

关键词：新能源；电力系统；频率时空动态；节点等效惯量指标；应用

引言

近年来，我国新能源发展迅猛，碳达峰、碳中和（“双碳”）战略目标也为风电、光伏发电的加速发展赋予了新动能。《2030年前碳达峰行动方案》（2021年）提出开展能源绿色低碳转型行动、构建新能源占比逐渐提高的新型电力系统，从而明确了新能源在实现“双碳”目标过程中的重要地位。《“十四五”可再生能源发展规划》（2022年）指出，2025年可再生能源消费总量约为1×109tce，风电和光伏发电量实现翻倍；2030年的风电和光伏发电总装机容量将达1.2×109kW。为了实现“双碳”目标，新能源还需加速发展，在全国范围内实现高比例甚至超高比例的并网。

1新能源发展优势

在我国主要以太阳能、风能发展为主，尤其是对于可再生能源行业来讲，风力发电占据主要地位，且在社会中针对风力发展所进行的研究也是相对较多的，技术发展也是比较成熟的。可以说风能发展具有较高的发展空间，已经成为规模化开发中的重点。通过对新能源发电中各项参数检测、状态细致表面特征等进行研究，以此来解决存在的问题。根据联合国相关会议中中针对可再生新能源的定义，新能源为:油页岩、太阳能、风能、海水温差能等几大类，而我国所提出的新能源主要包含风能、太阳能、地热能等几个分类。我国新疆戈壁、吉林、黑龙江、内蒙古草原等地区中具有丰富的风力资源，借助风力资源能够产生大量电力资源。随着风机控制、驱动技术等的不断升级，又涉及到定桨距失速调解、变速变桨距调节等。目前我国光能较为强烈的区域主要集中在西北、西部、西南部地区中，因这些区域中的日照强烈度较高，能够借助光能完成发电，同时也可以实现大规模开发目标。在沿海地区中经济发展速度相对较快，建筑规模较大，可以开发与建筑物一体化的楼顶太阳能，同时也可以建设光伏发电设施。

2储能技术现状

物理储能主要有抽水储能电站、压缩空气储能和飞轮储能。抽水储能是目前相对较为成熟，应用比较广泛的一种储能方式，运行简单可靠，储能容量非常大，但是抽水蓄能电站受到地域影响较大。目前受政策影响，新能源接入电力系统容量不断增加，压缩空气储能在未来会逐渐成为趋势。飞轮储能主要是一种电能和动能互相转化的一种物理装置，连续工作能力强，但是放电时间短，设备成本高。电化学储能主要是通过各种蓄电池进行储能的一种形式，常用的有铅酸电池、锂离子电池、液流电池、钠硫电池等。电化学储能各具特色，不受地域环境的限制，可以进行大规模的储能，具体的储能效率取决于电化学的性质。电化学在充放电时的电流不能太大、电压都不能太高，短路时可能出现爆炸。电磁储能主要是通过超级电容和超导磁能进行储能。超级电容主要是通过电化学双电层理论研制而成的，属于功率型的储能装置，脉冲功率强大，不需要特殊的控制电路，工作性能好，耐压性能强，但是不适合长时间大容量地储能；超导磁能主要是结合电力电子进行充/放电，实现电与磁的相互转化，主要特点是控制灵活，响应速度快，能量的释放速度高，但是存在电磁的相互干扰问题，技术还不是很成熟。

3电力系统频率时空动态的节点等效惯量指标及其应用

3.1促进新能源消纳

利用储能平抑新能源波动、促进新能源消纳，本质上是利用储能的充放电双向性，即当新能源发电超出上限时，通过储能系统储存超出部分的电能，当低于下限时，储能放电，从而提高新能源利用率。设计合理的容量配比是投入应用的首要问题，设定过高，投资成本高，设定过低，不利于新能源消纳，国内外学者针对平滑风电输出的BESS容量配置开展了深入研究，并取得了一定的研究成果。利用抗脉冲平均滤波法对风电场出力数据序列进行平滑，平滑后的出力序列可作为BESS容量配置的参考依据；通过一阶巴特沃思滤波环节提取高频功率，理论分析了BESS平滑风电功率波动所需能量最大值。上述2种方法均是通过滤波的形式平滑新能源波动获得平滑序列，并将其作为电化学储能容量配置的参考依据。

3.2储能调频的技术

对于储能控制技术的研究，国内研究成果较少，仅提出了广域储能电源协调控制，将储能电源参与电网的各项应用，总体上提出了储能的工作模式和控制策略。相较于国内研究，国外对于储能的研究相对成熟，对于储能电源、新能源接入电网的仿真模型和控制策略，对于储能电源参与电网调频的经济技术因素以及可行性做了较为全面的研究。对于储能参与电力系统的调频仍然存在以下问题：一是随着新能源接入电网规模越来越大，电网结构更加复杂，但是现在建立的储能调频模型相对简单，并不能很好地将电力系统、储能以及新能源等因素进行高度融合，仿真出来的数据不够全面；二是结合储能电源以及新能源等电源，研究预测控制在调频领域内的应用具有重要价值，形成多时间尺度协调控制技术仍然有待于进一步探索，在电网调频中预测控制采用集中式还是分散式仍需要研究。

3.3新能源多时间尺度高精度功率预测技术

新能源功率预测分为风电功率预测、光伏发电功率预测，使用新能源场站基础信息、功率、气象信息（风速、太阳辐照度）等数据，建立气象预报数据与功率数据之间的映射关系（即功率预测模型）；进而根据气象预报或实测功率等输入数据，提前预知未来一段时间内（七天、日前、日内、超短期等）逐时刻的新能源功率。新能源功率预测将随机波动的风电、光伏发电功率变为基本已知参量，可降低新能源功率的不确定度；在计划市场中，有助于电网企业调整机组的组合方案，优化常规电源机组发电计划，根据超短期预测结果滚动调整日发电计划，优化旋转备用，达到系统安全性约束条件下的最佳经济性。在电力市场中，调度方可根据预测结果来确定备用市场中所需购买的备用容量并在实时市场中根据超短期预测结果来买进或卖出差额备用电量，发电企业可根据预测结果参与市场竞价。因此，新能源功率预测精度直接影响市场参与者的经济收益。

结束语

综上所述，新能源接入对电网安全稳定运行有着直接的影响，所以在分析中需要及时找出影响因素，并分析出影响出现的原因，做好新能源安全稳定控制系统设计与研究工作，结合所产生的影响制定出有效的应对策略，加大对新能源接入的研究力度，展现新能源的作用与优势，减少环境污染问题，促进社会快速发展。

参考文献

[1]朱建军,杨彦波.宁夏电网新能源电站快速频率响应特性研究分析[J].宁夏电力,2020(06):40-44.

[2]赵宏程,张志鹏.大规模间歇性新能源接入对西藏电网的影响研究[J].电力设备管理,2020(12):124-125+128.

[3]覃锦涛,刘洪波.高压直流闭锁对交流系统频率影响研究综述[J].吉林电力,2020,48(06):34-38.

[4]张锋,考虑MMC内部动态约束的换流站工作域的确定方法及系统.新疆维尔自治区,国网新疆电力有限公司,2020-12-22.

[5]曹志远,凌跃胜.全桥LLC谐振变换器改进型混合控制方法[J].电源技术,2020,44(12):1826-1830.