云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司文山供電局 朱明海

1 引言

隨著氣候變化和能源安全的日益凸顯，新能源作為清潔、可再生的能源形式，逐漸成為能源領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。然而，將新能源大規(guī)模接入傳統(tǒng)電力系統(tǒng)也引發(fā)了一系列挑戰(zhàn)。新能源的不穩(wěn)定性、波動(dòng)性以及其與電力系統(tǒng)的調(diào)度、運(yùn)行之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題，都對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提出了新的要求。因此，為了充分利用新能源的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)確保電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要采用一系列創(chuàng)新的優(yōu)化控制方法。

2 新能源接入電力系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

2.1 不穩(wěn)定的能源輸出

新能源的不穩(wěn)定性主要由風(fēng)速和日照等氣象因素引起。風(fēng)速的變化和日照的不連續(xù)性導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的產(chǎn)出存在明顯波動(dòng)，這給電力系統(tǒng)的供需平衡帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。當(dāng)新能源產(chǎn)出下降時(shí)，電力系統(tǒng)可能面臨供電短缺的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而可能引發(fā)電力系統(tǒng)的頻率波動(dòng)，危及系統(tǒng)穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰。

2.2 負(fù)荷波動(dòng)的增加

新能源的接入引發(fā)電力系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)的增加。由于新能源發(fā)電的不確定性，電力系統(tǒng)負(fù)荷與供應(yīng)之間的平衡變得更加復(fù)雜。頻繁的能源波動(dòng)可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)需要更頻繁地進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整，這不僅增加了發(fā)電設(shè)備的啟停次數(shù)，也對(duì)傳輸設(shè)備和電力市場(chǎng)造成了額外的壓力。

2.3 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)通常依賴于大型穩(wěn)定發(fā)電機(jī)來(lái)提供電力系統(tǒng)的慣性和穩(wěn)定性。然而，新能源發(fā)電單元通常分布分散、規(guī)模較小，其響應(yīng)速度較慢。這導(dǎo)致在面對(duì)電力系統(tǒng)頻率波動(dòng)時(shí)，新能源發(fā)電難以像傳統(tǒng)大型發(fā)電機(jī)那樣迅速響應(yīng)，使得電力系統(tǒng)的頻率控制和穩(wěn)定性維護(hù)變得更加復(fù)雜。

2.4 電力質(zhì)量問(wèn)題

新能源發(fā)電的波動(dòng)性和不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)電壓和頻率的變化，對(duì)電力質(zhì)量帶來(lái)不利影響。頻繁的電壓和頻率波動(dòng)可能對(duì)用戶設(shè)備造成損害，影響電力供應(yīng)的可靠性和質(zhì)量，從而降低用戶滿意度。

3 新型電力系統(tǒng)優(yōu)化控制方法

3.1 新能源預(yù)測(cè)與調(diào)度方法

這一方法的核心在于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)新能源的產(chǎn)量，同時(shí)通過(guò)靈活的發(fā)電調(diào)度，以確保電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。以風(fēng)能和太陽(yáng)能為例，這兩種新能源的產(chǎn)出受氣象因素的影響，呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)性。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，首先需要建立能源產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型。通過(guò)整合來(lái)自氣象站點(diǎn)、歷史產(chǎn)出記錄以及相關(guān)天文學(xué)模型的數(shù)據(jù)，可以采用多種技術(shù)手段，如統(tǒng)計(jì)學(xué)、時(shí)間序列分析以及深度學(xué)習(xí)方法，來(lái)構(gòu)建預(yù)測(cè)模型。這些模型將提供在不同時(shí)間段內(nèi)新能源產(chǎn)出的概率分布和趨勢(shì)，為調(diào)度決策提供可靠的依據(jù)。此外，為了提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)整合和分析也至關(guān)重要。可以整合來(lái)自多個(gè)數(shù)據(jù)源的信息，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，從而深入了解新能源產(chǎn)出的特點(diǎn)和規(guī)律。這將有助于不斷優(yōu)化預(yù)測(cè)模型，確保其能夠準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況。

基于預(yù)測(cè)的能源產(chǎn)量，制定合理的發(fā)電計(jì)劃是新能源預(yù)測(cè)與調(diào)度方法的另一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這涉及確定哪些發(fā)電單元應(yīng)該運(yùn)行、停機(jī)或調(diào)整出力。為此，可以運(yùn)用優(yōu)化算法，將實(shí)時(shí)負(fù)荷需求和能源產(chǎn)出預(yù)測(cè)相結(jié)合，生成靈活的發(fā)電調(diào)度方案。這些方案可以在滿足電力系統(tǒng)需求的前提下，地減輕能源波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響[1]。此外，跨時(shí)段調(diào)整策略也是不可忽視的。鑒于新能源波動(dòng)的不同時(shí)間尺度，需要制定短時(shí)尺度內(nèi)的快速調(diào)整方案，以應(yīng)對(duì)短期波動(dòng)，同時(shí)還要考慮中長(zhǎng)時(shí)尺度內(nèi)的調(diào)整，以適應(yīng)季節(jié)性和日夜變化。這種分層次的調(diào)整策略有助于保持系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性。

最后，新能源預(yù)測(cè)與調(diào)度方法需要建立實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與反饋機(jī)制。通過(guò)建立實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以持續(xù)收集新能源產(chǎn)出和實(shí)際發(fā)電情況的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，從而檢驗(yàn)預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性。通過(guò)反饋機(jī)制，可以動(dòng)態(tài)地對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以不斷提高預(yù)測(cè)的可靠性和準(zhǔn)確性?？傊?，新能源預(yù)測(cè)與調(diào)度方法為電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)者提供了應(yīng)對(duì)新能源波動(dòng)性的有效工具，有助于優(yōu)化電力系統(tǒng)的發(fā)電調(diào)度策略，推動(dòng)清潔能源的可持續(xù)發(fā)展。

3.2 多能互補(bǔ)系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略

多能互補(bǔ)系統(tǒng)是一種應(yīng)對(duì)新能源波動(dòng)性的關(guān)鍵策略，旨在將不同類型的能源（如風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能等）整合在一起，通過(guò)協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)相互補(bǔ)充，從而平衡能源供應(yīng)。這里將利用專業(yè)數(shù)據(jù)和公式來(lái)論證多能互補(bǔ)系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略。

3.2.1 數(shù)據(jù)分析與整合

可以使用歷史的風(fēng)速、太陽(yáng)輻射、水流速等數(shù)據(jù)，多能源系統(tǒng)中的能量流動(dòng)如圖1所示，這些數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確反映不同能源的產(chǎn)量變化。以風(fēng)能為例，通過(guò)分析多年的風(fēng)速數(shù)據(jù)，可以得到風(fēng)速的頻率分布、季節(jié)性變化以及小時(shí)尺度的波動(dòng)性。同樣，對(duì)于太陽(yáng)能和水能，可以獲取類似的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

圖1 多能源系統(tǒng)中的能量流動(dòng)

3.2.2 能源補(bǔ)充模型

對(duì)于不同類型的能源，可以建立相應(yīng)的能源產(chǎn)量模型。以風(fēng)能為例，可以使用功率曲線和風(fēng)速數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算風(fēng)能的產(chǎn)量。假設(shè)Pwind表示風(fēng)能發(fā)電功率，A 為風(fēng)輪面積，ρ 為空氣密度，V 為風(fēng)速，Cp為功率系數(shù)，則風(fēng)能產(chǎn)量：

同樣，對(duì)于太陽(yáng)能和水能，可以基于對(duì)應(yīng)的公式計(jì)算出能源產(chǎn)量。

3.2.3 協(xié)同控制策略

可以采用優(yōu)化算法來(lái)實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)系統(tǒng)的協(xié)同控制，以確保系統(tǒng)能夠始終提供穩(wěn)定的能源供應(yīng)。假設(shè)多能互補(bǔ)系統(tǒng)中包括風(fēng)能和太陽(yáng)能，可以建立一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，擴(kuò)大風(fēng)能和太陽(yáng)能的綜合產(chǎn)量。同時(shí)，需要考慮電力需求和儲(chǔ)能狀態(tài)等因素，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

其中，Ewind和Esolar分別為風(fēng)能和太陽(yáng)能的產(chǎn)量。

約束條件包括：

通過(guò)解決這個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，可以得到風(fēng)能和太陽(yáng)能的最優(yōu)產(chǎn)量分配，以滿足電力需求和儲(chǔ)能狀態(tài)的限制。

3.3 智能微網(wǎng)技術(shù)

智能微網(wǎng)技術(shù)作為應(yīng)對(duì)新能源接入電力系統(tǒng)挑戰(zhàn)的前沿方法，綜合了分布式能源系統(tǒng)、智能控制策略以及靈活能源管理，旨在建立自主供電和控制的區(qū)域性能源網(wǎng)絡(luò)。這項(xiàng)技術(shù)不僅為電力系統(tǒng)提供了適應(yīng)日益增長(zhǎng)的新能源接入和多樣性能源供應(yīng)的解決方案，還以其卓越的應(yīng)用潛力引領(lǐng)著電力領(lǐng)域的創(chuàng)新浪潮。在智能微網(wǎng)中，分布式能源是關(guān)鍵組成部分，匯集了太陽(yáng)能光伏、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能源等多種形式，以減少對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。智能控制策略則通過(guò)高級(jí)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能源產(chǎn)量和負(fù)荷需求，實(shí)現(xiàn)能源平衡和優(yōu)化利用，從而提升電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率。同時(shí)，智能微網(wǎng)引入儲(chǔ)能裝置，實(shí)現(xiàn)能源的靈活管理，應(yīng)對(duì)新能源波動(dòng)和負(fù)荷需求變化，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。應(yīng)用方面，智能微網(wǎng)在偏遠(yuǎn)地區(qū)提供可靠電力供應(yīng)，減少對(duì)主電網(wǎng)的依賴；在工業(yè)園區(qū)實(shí)現(xiàn)成本降低和效率提高；在應(yīng)急情況下自主運(yùn)行，為緊急設(shè)施提供可靠電力支持[2]。

在部分地區(qū)智能微網(wǎng)可以為居民提供可靠的電力供應(yīng)，減少對(duì)主電網(wǎng)的依賴，改善能源供應(yīng)的可持續(xù)性。在工業(yè)園區(qū)或商業(yè)中心，智能微網(wǎng)可以通過(guò)能源的協(xié)同管理，實(shí)現(xiàn)成本的降低和效率的提高。此外，智能微網(wǎng)還具備應(yīng)急能力，當(dāng)主電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以自主運(yùn)行，為緊急設(shè)施提供可靠的電力支持。

4 關(guān)鍵技術(shù)研究與分析

4.1 高精度新能源發(fā)電預(yù)測(cè)技術(shù)

在新能源接入電力系統(tǒng)中，新能源的波動(dòng)性對(duì)電力供應(yīng)造成了挑戰(zhàn)。為了解決這一問(wèn)題，高精度的新能源發(fā)電預(yù)測(cè)技術(shù)成為關(guān)鍵。這項(xiàng)技術(shù)利用氣象數(shù)據(jù)、歷史發(fā)電數(shù)據(jù)等多種因素，借助統(tǒng)計(jì)學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等方法，建立預(yù)測(cè)模型來(lái)預(yù)測(cè)新能源的產(chǎn)量。通過(guò)分析風(fēng)速、日照、氣溫等因素的變化，預(yù)測(cè)模型可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)新能源發(fā)電量的波動(dòng)，提供給電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)者有關(guān)未來(lái)能源供應(yīng)的信息。這將有助于更好地調(diào)整電力系統(tǒng)運(yùn)行策略，應(yīng)對(duì)新能源波動(dòng)對(duì)電力供應(yīng)的影響。

4.2 柔性直流輸電技術(shù)的應(yīng)用

柔性直流輸電技術(shù)作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在新能源接入電力系統(tǒng)中具有重要作用。隨著可再生能源如風(fēng)能和太陽(yáng)能在電力系統(tǒng)中的比例不斷增加，傳統(tǒng)交流輸電方式在長(zhǎng)距離高容量傳輸方面面臨著挑戰(zhàn)。在這種情況下，柔性直流輸電技術(shù)成為一種有效的解決方案，能夠優(yōu)化能源的分布和傳輸，應(yīng)對(duì)新能源波動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響。柔性直流輸電技術(shù)的關(guān)鍵在于其能夠調(diào)整直流電壓和頻率，以適應(yīng)電力系統(tǒng)的需求。通過(guò)調(diào)整電壓和頻率，柔性直流輸電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)能源在不同地區(qū)之間的高效傳輸，減少輸電損耗，提高能源利用率。其具體應(yīng)用可以通過(guò)以下公式進(jìn)行描述：

其中，P 為功率，V 為電壓，I 為電流，θ 為電壓和電流的相位差。

柔性直流輸電技術(shù)具有多種優(yōu)點(diǎn)，包括傳輸損耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、抗電力波動(dòng)性強(qiáng)等。這使得其特別適合用于遠(yuǎn)距離的大容量能源傳輸，如海上風(fēng)電場(chǎng)到陸地，或遠(yuǎn)距離不同地區(qū)之間的能源交換。此外，柔性直流輸電技術(shù)還能夠提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低電力系統(tǒng)頻率和電壓的波動(dòng)，從而增強(qiáng)電力系統(tǒng)的抗干擾能力[3]。

在新能源接入電力系統(tǒng)中，柔性直流輸電技術(shù)可以協(xié)助實(shí)現(xiàn)能源的平衡分配，減少因新能源波動(dòng)帶來(lái)的不穩(wěn)定性。通過(guò)在電力系統(tǒng)中引入柔性直流輸電技術(shù)，系統(tǒng)可以更加靈活地調(diào)整能源傳輸路徑，使得電力系統(tǒng)能夠更好地應(yīng)對(duì)新能源波動(dòng)帶來(lái)的挑戰(zhàn)。這有助于實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和能源的高效利用。

4.3 頻率響應(yīng)與電壓控制關(guān)鍵技術(shù)

頻率響應(yīng)和電壓控制是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的核心要素，尤其在面對(duì)新能源接入帶來(lái)的挑戰(zhàn)時(shí)更加重要。新能源的波動(dòng)可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)頻率和電壓的變化，從而影響電力質(zhì)量和穩(wěn)定性。因此，開(kāi)發(fā)和應(yīng)用有效的頻率響應(yīng)和電壓控制技術(shù)至關(guān)重要。

5 結(jié)語(yǔ)

新能源接入電力系統(tǒng)面臨諸多挑戰(zhàn)，如不穩(wěn)定的能源輸出、負(fù)荷波動(dòng)的增加、電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題等。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，新型電力系統(tǒng)優(yōu)化控制方法及關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。其中，高精度新能源發(fā)電預(yù)測(cè)技術(shù)能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)新能源產(chǎn)量，多能互補(bǔ)系統(tǒng)優(yōu)化控制策略實(shí)現(xiàn)能源平衡，智能微網(wǎng)技術(shù)提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，柔性直流輸電技術(shù)優(yōu)化能源傳輸。這些技術(shù)的研究與應(yīng)用將為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、可靠供應(yīng)和可持續(xù)發(fā)展提供有力支持。通過(guò)不斷創(chuàng)新和應(yīng)用，電力領(lǐng)域?qū)⒂瓉?lái)更加智能化和高效化的未來(lái)。