智能電網(wǎng)_源_網(wǎng)_荷_互動(dòng)運(yùn)行控制概念及研究框架_姚建國(guó)

1、D O I :10.3969/j.i s s n .1000-1026.2012.21.001智能電網(wǎng)“源網(wǎng)荷”互動(dòng)運(yùn)行控制概念及研究框架姚建國(guó)1,楊勝春1,2,王珂1,楊爭(zhēng)林1,宋曉芳1(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院(南京,江蘇省南京市210003;2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,湖北省武漢市430074摘要:開放互動(dòng)是智能電網(wǎng)的重要特征之一。現(xiàn)有的互動(dòng)研究主要集中在源網(wǎng)協(xié)調(diào)和互動(dòng)用電等局部方面,缺乏對(duì)未來(lái)電源、電網(wǎng)、負(fù)荷復(fù)雜互動(dòng)環(huán)境下電網(wǎng)運(yùn)行控制的整體思考和系統(tǒng)性研究。文中提出“源網(wǎng)荷”互動(dòng)的概念并討論了互動(dòng)內(nèi)涵,認(rèn)為電源、負(fù)荷與電網(wǎng)三者之間應(yīng)進(jìn)行協(xié)調(diào)互動(dòng)以提高電網(wǎng)功率動(dòng)態(tài)平衡能力。在分析實(shí)

2、現(xiàn)“源網(wǎng)荷”互動(dòng)面臨的挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上,提出了智能電網(wǎng)“源網(wǎng)荷”互動(dòng)運(yùn)行控制的研究框架,包括基礎(chǔ)理論、復(fù)雜互動(dòng)特性分析、復(fù)雜互動(dòng)行為建模、互動(dòng)能力辨識(shí)、電網(wǎng)互動(dòng)安全運(yùn)行分析理論與方法、柔性互動(dòng)協(xié)調(diào)控制策略與技術(shù)等6個(gè)方向,并結(jié)合需求對(duì)各個(gè)研究方向進(jìn)行了概括和展望。關(guān)鍵詞:“源網(wǎng)荷”互動(dòng);智能電網(wǎng);可再生能源;柔性負(fù)荷;互動(dòng)行為建模;互動(dòng)能力辨識(shí);安全分析;協(xié)調(diào)控制收稿日期:2012-07-10;修回日期:2012-10-04。0引言能源安全事關(guān)國(guó)家安全,大力發(fā)展可再生能源已經(jīng)成為全球共識(shí),也是智能電網(wǎng)發(fā)展的重要標(biāo)志性內(nèi)容之一。在能源開發(fā)利用方式上,可再生能源(如風(fēng)電、光伏發(fā)電具有隨機(jī)性、間歇性和波

3、動(dòng)性特點(diǎn),在滿足新能源規(guī)模化接入前提下,需要保障電網(wǎng)的實(shí)時(shí)功率動(dòng)態(tài)平衡和安全穩(wěn)定;可再生能源還具有分散性特點(diǎn),靠近負(fù)荷側(cè)就地接入并構(gòu)成微網(wǎng)/分布式發(fā)電,也將成為未來(lái)電網(wǎng)的重要組成部分。在多元能源綜合利用上,未來(lái)電網(wǎng)的一次能源具有多樣性,其時(shí)空分布和電源動(dòng)態(tài)特性各異,如何實(shí)現(xiàn)多元能源系統(tǒng)間的良性互動(dòng)和各種資源的綜合高效優(yōu)化利用,是當(dāng)前和未來(lái)都需要解決的重要課題。在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)上,具有與電網(wǎng)雙向互動(dòng)能力的電動(dòng)汽車將改變現(xiàn)有負(fù)荷特性,使得電力用戶同時(shí)也會(huì)成為電力供應(yīng)方;儲(chǔ)能的大量應(yīng)用將給電網(wǎng)生產(chǎn)主要環(huán)節(jié)帶來(lái)重大影響。為了應(yīng)對(duì)上述趨勢(shì),世界電力工業(yè)已將發(fā)展智能電網(wǎng)作為積極應(yīng)對(duì)未來(lái)挑戰(zhàn)的共同選擇1。提高

4、電網(wǎng)可靠性和靈活性,打造綠色電力,提升能源利用效率和實(shí)現(xiàn)與用戶的良性互動(dòng),是未來(lái)電力發(fā)展的永恒主題。開放互動(dòng)是智能電網(wǎng)的重要特征之一,目前對(duì)于互動(dòng)的研究與應(yīng)用主要局限于源網(wǎng)協(xié)調(diào)和互動(dòng)用電等方面。研究熱點(diǎn)包括:集中式可再生能源的友好接入技術(shù)、分布式發(fā)電/微網(wǎng)與大電網(wǎng)的相互作用、電動(dòng)汽車/儲(chǔ)能與電網(wǎng)的互動(dòng)和用戶側(cè)需求響應(yīng)技術(shù)等。這些研究從單個(gè)環(huán)節(jié)和局部問(wèn)題出發(fā),側(cè)重于解決電網(wǎng)當(dāng)前階段面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,缺少對(duì)電源、電網(wǎng)、負(fù)荷互動(dòng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行控制影響的整體思考和系統(tǒng)性研究。筆者認(rèn)為,單純從網(wǎng)源協(xié)調(diào)、網(wǎng)荷互動(dòng)、電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的互動(dòng)等方面進(jìn)行研究難以提供整體解決方案。只有電源、電網(wǎng)、負(fù)荷的全面互動(dòng)和協(xié)調(diào)平

5、衡才能適應(yīng)未來(lái)智能電網(wǎng)的發(fā)展需求,這種良性互動(dòng)不僅必須而且可能。一方面,大規(guī)模和分布式可再生能源的快速發(fā)展、未來(lái)電動(dòng)汽車充放換電設(shè)施的大量接入,以及儲(chǔ)能和微網(wǎng)的不斷發(fā)展,都對(duì)電網(wǎng)造成了不同程度的沖擊。目前所遇到的可再生能源消納等新問(wèn)題,其中一個(gè)重要原因是仍然按“發(fā)電跟蹤負(fù)荷”的常規(guī)電網(wǎng)運(yùn)行控制理論來(lái)應(yīng)對(duì)新需求,沒有讓可控負(fù)荷成為電網(wǎng)調(diào)節(jié)和消納新能源的重要手段2,沒有讓電源、電網(wǎng)、負(fù)荷形成真正的互動(dòng),未能充分發(fā)揮智能電網(wǎng)的作用。另一方面,隨著新理論、新技術(shù)、新材料的快速發(fā)展,電源、電網(wǎng)和負(fù)荷均具備了柔性特征。通過(guò)間歇式能源與具有良好調(diào)節(jié)和控制性能的柔性電源的協(xié)調(diào)配合,可以使之共同向可預(yù)測(cè)3、可調(diào)

6、控4-5的方向發(fā)展;與電網(wǎng)友好的可控常規(guī)負(fù)荷及微網(wǎng)6-7、儲(chǔ)能8-9、電動(dòng)汽車10-11、需求響應(yīng)12-14等將發(fā)展成為能夠適應(yīng)電網(wǎng)調(diào)控需求的柔性負(fù)荷;電網(wǎng)中柔性交流輸電系統(tǒng)(F A C T S 15等設(shè)備增強(qiáng)了電網(wǎng)柔性可控性;信息交互的完善,使得電源、電網(wǎng)、負(fù)荷不僅能感知自身狀態(tài)的變化,同時(shí)還能獲知其他個(gè)體的全面信息。這一切都為電源、電網(wǎng)、負(fù)荷相互之間的全面互動(dòng)提供了可能。因此,“源網(wǎng)荷”互動(dòng)(電源、第36卷第21期2012年11月10 日V o l .36N o .21N o v .10,2012電網(wǎng)、負(fù)荷相互之間良性互動(dòng)是應(yīng)對(duì)未來(lái)電網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)變革的重要手段,也是未來(lái)電網(wǎng)快速發(fā)展的必然趨勢(shì)

7、。本文從未來(lái)智能電網(wǎng)運(yùn)行控制的視角出發(fā),基于電源、電網(wǎng)和負(fù)荷三者間柔性互動(dòng)的發(fā)展需求,分析“源網(wǎng)荷”互動(dòng)的內(nèi)涵和面臨的挑戰(zhàn),并提出相應(yīng)的理論和技術(shù)研究框架,以期為進(jìn)一步全面開展“源網(wǎng)荷”互動(dòng)運(yùn)行控制理論和技術(shù)研究奠定基礎(chǔ)。1“源網(wǎng)荷”互動(dòng)的內(nèi)涵“源網(wǎng)荷”柔性互動(dòng)是指電源、負(fù)荷與電網(wǎng)三者間通過(guò)多種交互形式,實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)、高效和安全地提高電力系統(tǒng)功率動(dòng)態(tài)平衡能力的目標(biāo)?！霸淳W(wǎng)荷”互動(dòng)本質(zhì)上是一種能夠?qū)崿F(xiàn)能源資源最大化利用的運(yùn)行模式。如圖1(a所示,傳統(tǒng)電力系統(tǒng)運(yùn)行控制模式是電源跟蹤負(fù)荷變化進(jìn)行調(diào)整,尚未形成明顯的互動(dòng)關(guān)系。未來(lái)電網(wǎng)由于電源、電網(wǎng)和負(fù)荷均具備了柔性特征,將形成全面的“源網(wǎng)荷”互動(dòng),呈現(xiàn)

8、源源互補(bǔ)、源網(wǎng)協(xié)調(diào)、網(wǎng)荷互動(dòng)和源荷互動(dòng)等多種交互模式(見圖1(b 。圖1“源-網(wǎng)-荷”互動(dòng)內(nèi)涵F i g.1“S o u r c e-g r i d-l o a d”i n t e r a c t i o nc o n n o t a t i o n源網(wǎng)協(xié)調(diào)是指在現(xiàn)有電源、電網(wǎng)協(xié)同運(yùn)行的基礎(chǔ)上,通過(guò)新的電網(wǎng)調(diào)節(jié)技術(shù)有效控制間歇性能源大規(guī)模并網(wǎng)及分布式接入電網(wǎng)時(shí)的“不友好”特性,間歇性電源和常規(guī)電源一起參與電網(wǎng)調(diào)節(jié),使得電源朝著具有友好調(diào)節(jié)能力和特性(即柔性電廠的方向發(fā)展;網(wǎng)荷互動(dòng)是指在電網(wǎng)出現(xiàn)或者即將出現(xiàn)問(wèn)題時(shí),通過(guò)負(fù)荷有計(jì)劃的主動(dòng)調(diào)節(jié)來(lái)改變潮流分布,確保電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行;源荷互動(dòng)是指電源

9、和負(fù)荷均可作為可調(diào)度的資源參與電力供需平衡控制,負(fù)荷的柔性變化成為平衡電源波動(dòng)的重要手段之一。以上3種互動(dòng)其實(shí)是一個(gè)不可分割的整體,電源側(cè)、負(fù)荷側(cè)的變化都必須通過(guò)作為物理載體的電網(wǎng)進(jìn)行相互作用,因此,電網(wǎng)必須具有柔性開放的接入能力和靈活可控的調(diào)節(jié)能力才能承載“源網(wǎng)荷”互動(dòng),即未來(lái)電網(wǎng)必須發(fā)展成為柔性電網(wǎng)。此外,各種電源的特性各異,且存在地域和物理特性上的互補(bǔ)性,因此,除了上述3種模式外,還存在源源互補(bǔ)模式。1.1源源互補(bǔ)未來(lái)電網(wǎng)的一次能源具有多樣性(如水電、風(fēng)電、光伏發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電、海洋能發(fā)電等,其時(shí)空分布和動(dòng)態(tài)特性均存在一定的相關(guān)性和廣域互補(bǔ)性16-17,通過(guò)源源互補(bǔ)可以彌補(bǔ)單一可再生能源

10、易受地域、環(huán)境、氣象等因素影響的缺點(diǎn),并利用互聯(lián)大電網(wǎng)中多種能源的相關(guān)性、廣域互補(bǔ)性和平滑效應(yīng)來(lái)克服單一新能源固有的隨機(jī)性和波動(dòng)性的缺點(diǎn),從而有效提高可再生能源的利用效率,減少電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用,增強(qiáng)系統(tǒng)的自主調(diào)節(jié)能力。1.2源網(wǎng)協(xié)調(diào)現(xiàn)有電網(wǎng)運(yùn)行控制是按不同時(shí)間尺度綜合應(yīng)用負(fù)荷預(yù)測(cè)、機(jī)組組合、日前計(jì)劃、在線調(diào)度及實(shí)時(shí)控制等,實(shí)現(xiàn)電源和電網(wǎng)的協(xié)同控制。隨著間歇式能源的大規(guī)模集中并網(wǎng)和小容量分布式接入電網(wǎng),源網(wǎng)協(xié)調(diào)主要體現(xiàn)在:一方面,將規(guī)模化新能源與水電、火電特別是抽水蓄能等常規(guī)能源分工協(xié)作,進(jìn)行聯(lián)合打捆外送;另一方面,根據(jù)電網(wǎng)供需平衡需求,可通過(guò)微網(wǎng)、智能配電網(wǎng)等將數(shù)量龐大、形式多樣的分布式電源進(jìn)行靈

11、活、高效的組合應(yīng)用。伴隨源網(wǎng)協(xié)調(diào)技術(shù)的發(fā)展,間歇式能源的可預(yù)測(cè)、可調(diào)度和可控制能力將大為改觀,從而克服其“不友好”的特性。1.3網(wǎng)荷互動(dòng)作為電力系統(tǒng)功率瞬時(shí)平衡的一方,負(fù)荷特性及行為特征很大程度上決定著電網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。不同負(fù)荷對(duì)供電可靠性要求是有區(qū)別的,隨著需求側(cè)的逐步開放,通過(guò)電價(jià)政策激勵(lì)用電側(cè)資源進(jìn)行主動(dòng)的削峰填谷和平衡電力,將成為提高電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性的重要手段;作為備用的另一種形式,可中斷負(fù)荷是電網(wǎng)可調(diào)度的緊急備用“發(fā)電”容量資源,也可經(jīng)濟(jì)、有效地應(yīng)對(duì)小概率高風(fēng)險(xiǎn)的備用容量不足,確保電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。隨著分布式電源、微網(wǎng)、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能等的廣泛應(yīng)用,新型柔性負(fù)荷具有發(fā)電

12、和(或儲(chǔ)能的特性,能夠與電網(wǎng)進(jìn)行能量的雙向交互,可以參與電網(wǎng)調(diào)控并可以成為黑啟動(dòng)電源。1.4源荷互動(dòng)未來(lái)電網(wǎng)是由時(shí)空分布廣泛的多元電源和負(fù)荷組成,電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)均可作為可調(diào)度的資源。負(fù)荷側(cè)的儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等可控負(fù)荷參與電網(wǎng)有功調(diào)節(jié),電力用戶中的工業(yè)負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷以及居民生活 2012,36(21負(fù)荷中的空調(diào)、冰箱等作為需求側(cè)資源能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)電網(wǎng)需求并參與電力供需平衡,通過(guò)有效的管理機(jī)制,柔性負(fù)荷將能夠成為平衡間歇性能源功率波動(dòng)的重要手段。1.5柔性電網(wǎng)電源和負(fù)荷都需要通過(guò)電網(wǎng)進(jìn)行相互作用,這就要求電網(wǎng)必須具備柔性開放的接入能力和靈活的調(diào)節(jié)能力。未來(lái)電網(wǎng)調(diào)度控制中心將綜合各種先進(jìn)技術(shù)和智能化手段

13、,對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行主動(dòng)的監(jiān)視、分析、預(yù)警、輔助決策和自愈控制18-19,輔助調(diào)度員應(yīng)對(duì)電網(wǎng)可能出現(xiàn)的各種擾動(dòng),為電源和負(fù)荷的友好互動(dòng)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。靈活交直流輸電系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用也將為現(xiàn)代電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)、可靠和優(yōu)質(zhì)運(yùn)行提供有效的手段,靜止無(wú)功補(bǔ)償器(S V C、統(tǒng)一潮流控制器(U P F C、基于電壓源換流器的高壓直流輸電(V S C-HV D C裝置等先進(jìn)電力電子裝置具有快速調(diào)整有功、無(wú)功功率的能力,能夠靈活調(diào)節(jié)和動(dòng)態(tài)優(yōu)化電網(wǎng)潮流分布,提升電網(wǎng)運(yùn)行的可控性和彈性。2實(shí)現(xiàn)“源網(wǎng)荷”互動(dòng)面臨的挑戰(zhàn)未來(lái)電網(wǎng)中,電源、電網(wǎng)和負(fù)荷間的構(gòu)成形式、響應(yīng)范圍和交互模式較目前電網(wǎng)更趨復(fù)雜,對(duì)電網(wǎng)調(diào)度控制和安全

14、穩(wěn)定運(yùn)行將產(chǎn)生多方面的深遠(yuǎn)影響。如果控制得當(dāng),電源、電網(wǎng)、負(fù)荷的互動(dòng)將成為一種柔性的良性互動(dòng),從而大大提升電力系統(tǒng)功率動(dòng)態(tài)平衡能力,適應(yīng)未來(lái)智能電網(wǎng)的發(fā)展需求。但要達(dá)到“源網(wǎng)荷”互動(dòng)這一理想境界,將面臨諸多挑戰(zhàn)。1電力系統(tǒng)功率動(dòng)態(tài)平衡能力亟待提高。電力系統(tǒng)是一個(gè)發(fā)用電必須隨時(shí)保持動(dòng)態(tài)平衡的系統(tǒng)。以風(fēng)電、光伏發(fā)電為代表的可再生能源具有隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性特點(diǎn),在機(jī)組特性、發(fā)電方式上與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組差別很大。大規(guī)模電動(dòng)汽車隨機(jī)充放電和需求響應(yīng)的大范圍實(shí)施將會(huì)增加功率平衡難度。因此,在滿足新能源規(guī)?；尤肭疤嵯?如何保障電網(wǎng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)功率平衡,是實(shí)現(xiàn)“源網(wǎng)荷”互動(dòng)面臨的重大挑戰(zhàn)。2電網(wǎng)潮流時(shí)空分布特

15、性更趨復(fù)雜。未來(lái)電網(wǎng)將呈現(xiàn)分布式電源高滲透率、互動(dòng)行為難以預(yù)知、電力雙向交換、不同電壓等級(jí)可再生能源多點(diǎn)集中接入與分布式分散接入并存等特征,間歇性電源出力的隨機(jī)性、復(fù)雜負(fù)荷響應(yīng)單獨(dú)及綜合作用等都將導(dǎo)致電網(wǎng)的潮流分布特性呈現(xiàn)新的特征,如不加以合理控制,將會(huì)引起大范圍潮流波動(dòng),對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓和斷面潮流控制產(chǎn)生較大影響。3電網(wǎng)分析基礎(chǔ)理論有待發(fā)展。隨著電源、電網(wǎng)、負(fù)荷自身特性的變化以及相互間互動(dòng)能力的發(fā)展,目前基于確定性理論的分析方法將難以滿足新的需求,這同時(shí)也對(duì)進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用基于不確定性理論的分析方法提出了新的要求。4電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)控準(zhǔn)則和策略需要更新。隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展,未來(lái)電網(wǎng)存在海量的

16、分布式電源/微網(wǎng)和可控負(fù)荷,基于分散自治的分布式控制是未來(lái)極具應(yīng)用前景的控制模式。這種模式具有投資小、通信和控制靈活的優(yōu)勢(shì),但由于只反饋本地可觀測(cè)量,難以體現(xiàn)系統(tǒng)控制的整體性,因此,需充分發(fā)揮分布式控制的自組織、自適應(yīng)能力強(qiáng)和集中控制的全局協(xié)調(diào)能力強(qiáng)這二者的優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行和控制的高效、有序和互動(dòng)。由于“源網(wǎng)荷”互動(dòng)實(shí)現(xiàn)了電源、電網(wǎng)和負(fù)荷全局的資源調(diào)節(jié),一方面增加了電網(wǎng)調(diào)頻的新手段,另一方面則可能會(huì)增大網(wǎng)際聯(lián)絡(luò)線交換功率的偏離程度,現(xiàn)有的傳統(tǒng)有功功率就地平衡模式將不再適應(yīng)“源網(wǎng)荷”互動(dòng),需要改變?cè)械穆?lián)絡(luò)線功率控制準(zhǔn)則,采用滿足“源網(wǎng)荷”互動(dòng)環(huán)境需要的控制模式和策略。5電網(wǎng)安全評(píng)估及穩(wěn)定控制

17、方法尚需提升。在“源網(wǎng)荷”互動(dòng)過(guò)程中,電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和潮流分布的隨機(jī)性、波動(dòng)性加強(qiáng),電網(wǎng)可能趨于某種臨界狀態(tài),新的擾動(dòng)可能引起復(fù)雜連鎖故障的發(fā)生;隨著電力電子器件在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用,可能出現(xiàn)局部電網(wǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低的趨勢(shì),使得電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定特性發(fā)生改變,電網(wǎng)安全和系統(tǒng)穩(wěn)定問(wèn)題變得更加復(fù)雜,對(duì)計(jì)及不確定性因素的安全穩(wěn)定機(jī)理和安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及控制方法提出了更高要求。3“源網(wǎng)荷”柔性互動(dòng)運(yùn)行控制研究框架互動(dòng)環(huán)境賦予了電力系統(tǒng)新的功能和形態(tài),其運(yùn)行特性、數(shù)學(xué)模型、安全穩(wěn)定機(jī)理等也將隨之發(fā)生變化,需從基礎(chǔ)理論、復(fù)雜互動(dòng)特性分析、復(fù)雜互動(dòng)行為建模、互動(dòng)能力辨識(shí)、柔性互動(dòng)環(huán)境下的電網(wǎng)安全分析理論與方法、“源網(wǎng)荷

18、”柔性互動(dòng)協(xié)調(diào)控制策略和技術(shù)等6個(gè)方面開展研究,最終形成“源網(wǎng)荷”互動(dòng)運(yùn)行理論框架體系?！霸淳W(wǎng)荷”柔性互動(dòng)運(yùn)行控制理論和技術(shù)研究的總體框架如圖2所示?！霸淳W(wǎng)荷”柔性互動(dòng)運(yùn)行控制涉及的各關(guān)鍵技術(shù)之間的關(guān)系如圖3所示。其中,復(fù)雜互動(dòng)特性研究將分析大電網(wǎng)“源網(wǎng)荷”的廣域互補(bǔ)特征以及柔性負(fù)荷和電網(wǎng)的互動(dòng)機(jī)理,為其他研究提供個(gè)體特性、互補(bǔ)特性和互動(dòng)模式;互動(dòng)行為建模則考慮隨機(jī)因素,對(duì)多時(shí)間/多空間尺度的混雜互動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)·專家論壇·姚建國(guó),等智能電網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷”互動(dòng)運(yùn)行控制概念及研究框架行建模,為后續(xù)的分析和控制提供統(tǒng)一建模手段;互動(dòng)能力評(píng)估為運(yùn)行特性分析和柔性控制提供時(shí)間特性、調(diào)節(jié)范

19、圍和互動(dòng)構(gòu)成等基本互動(dòng)要素;電網(wǎng)安全理論方面,基于間歇性能源發(fā)電能力和負(fù)荷水平置信區(qū)間進(jìn)行電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)分析方法研究,研究復(fù)雜互動(dòng)環(huán)境下的潮流特性和電網(wǎng)安全穩(wěn)定機(jī)理,為柔性控制提供互動(dòng)環(huán)境下的安全約束 。圖2“源-網(wǎng)-荷”柔性互動(dòng)運(yùn)行控制理論和技術(shù)總體框架F i g.2R e s e a r c hf r a m e w o r ko f“s o u r c e-g r i d-l o a d”i n t e r a c t i v eo p e r a t i o na n dc o n t r o l圖3“源-網(wǎng)-荷”互動(dòng)運(yùn)行控制的技術(shù)框架關(guān)系F i g.3R e l a t i o n s

20、 h i po fc o r e l a t i v ek e yt e c h n o l o g i e so f“s o u r c e-g r i d-l o a d”i n t e r a c t i v eo p e r a t i o na n dc o n t r o l3.1基礎(chǔ)理論的研究與發(fā)展“源網(wǎng)荷”互動(dòng)運(yùn)行控制涉及能源、控制、信息等領(lǐng)域,將成為多學(xué)科交叉的重要前沿。需要針對(duì)復(fù)雜、多變、隨機(jī)性和不確定增強(qiáng)等實(shí)際需求,研究、應(yīng)用并發(fā)展諸如系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論、不確定性理論、熵理論、博弈論和自組織臨界性理論等基礎(chǔ)理論。3.2復(fù)雜互動(dòng)特性分析與互動(dòng)建模方法準(zhǔn)確把握“源網(wǎng)荷”復(fù)雜互動(dòng)特

21、性,在此基礎(chǔ)上開展互動(dòng)行為建模研究。1特性分析。研究不同地域單一可再生能源的相關(guān)性、廣域互補(bǔ)性,以及多元可再生能源間的互補(bǔ)特性和平滑效應(yīng),研究多元可再生能源間相關(guān)性和互補(bǔ)性的量化分析方法,建立表征大電網(wǎng)單一可再生能源相關(guān)性和多元可再生能源互補(bǔ)性的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)研究,實(shí)現(xiàn)對(duì)大電網(wǎng)多元可再生能源的廣域互補(bǔ)特性的量化分析,掌握廣域源荷互補(bǔ)特性以及柔性負(fù)荷與大電網(wǎng)的互動(dòng)機(jī)理,揭示各種可再生能源及源荷間的時(shí)空互動(dòng)規(guī)律,闡明各種互動(dòng)特性的交互影響機(jī)理。2互動(dòng)建模研究。要充分表征源荷雙側(cè)擾動(dòng),其核心就是互動(dòng)建模。在“源網(wǎng)荷”互動(dòng)行為中,各參與互動(dòng)的主體對(duì)互動(dòng)的響應(yīng)在時(shí)間尺度上各不相同,有快過(guò)程和慢過(guò)程,存在

22、快慢主體間跟隨的問(wèn)題。不同互動(dòng)主體之間在空間尺度上也不盡相同,例如對(duì)于大規(guī)模可再生能源廣域互補(bǔ)在空間尺度上遠(yuǎn)大于微網(wǎng)內(nèi)部?jī)?chǔ)能裝置與可再生能源之間的互補(bǔ),間歇性電源與抽水蓄能間的互補(bǔ)在時(shí)間尺度上快于電源和負(fù)荷間的互動(dòng)。因此,需要提出抽象表征互動(dòng)行為的模式、內(nèi)容和效果的方法。考慮到建模的復(fù)雜性,需要研究適用于不同類型互動(dòng)行為的建模方法,如混雜建模方法20、隨機(jī)概率建模方法21和自適應(yīng)分層建模方法等。特性分析和建模方法研究將成為后續(xù)分析和控制的基礎(chǔ)。3.3互動(dòng)能力辨識(shí)技術(shù)由于可再生能源和負(fù)荷的隨機(jī)性,互動(dòng)的范圍和響應(yīng)時(shí)間等都存在不確定性。如何界定源網(wǎng)、源荷、網(wǎng)荷間互動(dòng)的構(gòu)成形式,調(diào)節(jié)容量和調(diào)節(jié)特性,

23、找出電網(wǎng)運(yùn)行控制可利用的互動(dòng)行為特性和控制能力,掌握系統(tǒng)互動(dòng)對(duì)電網(wǎng)安全性和可靠性的影響,確定電網(wǎng)對(duì)廣域系統(tǒng)互動(dòng)的承受能力和運(yùn)行極限,是亟待解決的問(wèn)題。1互動(dòng)綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)研究。傳統(tǒng)電網(wǎng)安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系缺乏對(duì)可再生能源間歇性和大量柔性負(fù)荷接入的隨機(jī)性的量化表征能力。需要針對(duì)“源網(wǎng)荷”互動(dòng)環(huán)境下電網(wǎng)運(yùn)行的新特征,研究“源網(wǎng)荷”互動(dòng)能力的表征指標(biāo)和量化分析方法,研究新的體現(xiàn)互動(dòng)環(huán)境特點(diǎn)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。2多時(shí)空尺度源荷互動(dòng)能力辨識(shí)研究。分析掌握不同空間尺度及時(shí)間尺度上各類互動(dòng)能力的構(gòu)成、互動(dòng)調(diào)節(jié)范圍、響應(yīng)時(shí)間等特性,確定互動(dòng)運(yùn)行的可控容量和調(diào)節(jié)范圍,為電網(wǎng)互動(dòng)運(yùn)行和柔性控制策略

24、的確定奠定基礎(chǔ)。3電網(wǎng)互動(dòng)能力極限研究。傳統(tǒng)的電網(wǎng)運(yùn)行極限分析方法不能計(jì)及互動(dòng)運(yùn)行的影響,難以量化分 2012,36(21析電網(wǎng)對(duì)互動(dòng)運(yùn)行的承受能力。需要研究互動(dòng)環(huán)境下“源網(wǎng)荷”不確定性對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行極限的影響和分析方法,建立電網(wǎng)互動(dòng)運(yùn)行承受度、風(fēng)險(xiǎn)度指標(biāo),掌握互動(dòng)能力優(yōu)化布局的理論和方法。3.4柔性互動(dòng)安全運(yùn)行分析為充分考慮“源網(wǎng)荷”互動(dòng)引起的不確定因素及電力系統(tǒng)運(yùn)行特性的變化,需要進(jìn)一步發(fā)展多時(shí)間尺度的精細(xì)化負(fù)荷預(yù)測(cè)、間歇性能源容量可信度計(jì)算、考慮互動(dòng)因素的電力電量平衡計(jì)算、電力系統(tǒng)充裕度分析、電力系統(tǒng)脆弱性分析、電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等電網(wǎng)分析方法,重點(diǎn)關(guān)注電源隨機(jī)性、電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化和負(fù)荷響

25、應(yīng)單獨(dú)及綜合作用下的電網(wǎng)靜態(tài)安全特性,分析局部電網(wǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低后的安全穩(wěn)定特性,考慮計(jì)及隨機(jī)性電源和負(fù)荷水平置信區(qū)間的電網(wǎng)安全域概率分析方法22。1考慮“源網(wǎng)荷”柔性互動(dòng)的靜態(tài)安全特性及方法研究?！霸淳W(wǎng)荷”柔性互動(dòng)環(huán)境下,電網(wǎng)潮流分布呈現(xiàn)新的特征,電網(wǎng)靜態(tài)安全特性也隨之發(fā)生變化。電網(wǎng)靜態(tài)安全特性與“源網(wǎng)荷”互動(dòng)水平及互動(dòng)模式密切相關(guān),靜態(tài)安全分析方法應(yīng)由單個(gè)確定方式的分析轉(zhuǎn)換為考慮“源網(wǎng)荷”互動(dòng)的連續(xù)性分析。2局部電網(wǎng)低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量情況下的安全穩(wěn)定特性研究。局部電網(wǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低可能導(dǎo)致大電網(wǎng)失穩(wěn)模式變化,這種變化與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量電源接入方式及接入地點(diǎn)有關(guān)。對(duì)于局部電網(wǎng)而言,電網(wǎng)在故障導(dǎo)致功率

26、不平衡的情況下,低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可能會(huì)導(dǎo)致頻率、電壓大幅波動(dòng)。需要研究“源網(wǎng)荷”互動(dòng)環(huán)境下系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低后,所帶來(lái)的與電網(wǎng)安全穩(wěn)定相關(guān)的一些獨(dú)特問(wèn)題。3計(jì)及源荷變化置信區(qū)間的電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法研究。電源和負(fù)荷波動(dòng)性增強(qiáng),加劇了電網(wǎng)運(yùn)行的不確定性。在這種情況下,電網(wǎng)安全運(yùn)行域變化更為復(fù)雜,這對(duì)通過(guò)確定性分析方法進(jìn)行的離線安全分析提出了挑戰(zhàn)。需要研究應(yīng)用基于發(fā)電能力、負(fù)荷水平變化置信區(qū)間的電網(wǎng)安全域的分析方法和概率分析方法,研究適合互動(dòng)運(yùn)行特點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)分析及評(píng)估方法。3.5柔性互動(dòng)運(yùn)行協(xié)調(diào)控制策略和技術(shù)“源網(wǎng)荷”互動(dòng)運(yùn)行模式在帶來(lái)電能利用靈活性提升和用電互動(dòng)選擇空間增加的同時(shí),也對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行、供電質(zhì)

27、量和供電可靠性提出了一系列挑戰(zhàn)。互動(dòng)主體數(shù)量的快速上升、間歇能源的運(yùn)行不確定性和分布式可控負(fù)荷的靈活響應(yīng)特性也增加了電網(wǎng)運(yùn)行的復(fù)雜程度。需要研究“源網(wǎng)荷”柔性互動(dòng)控制策略和技術(shù),尤其是海量分布式優(yōu)化控制與集中優(yōu)化控制之間的交互協(xié)調(diào)框架,充分發(fā)揮海量分布式優(yōu)化控制的自組織、自適應(yīng)能力和集中優(yōu)化控制的全局協(xié)調(diào)能力,全面實(shí)現(xiàn)“源網(wǎng)荷”的有序互動(dòng)。1互動(dòng)環(huán)境下聯(lián)絡(luò)線功率平衡控制技術(shù)研究。傳統(tǒng)的省網(wǎng)有功功率就地平衡模式在一定程度上不利于可再生能源的大規(guī)模消納和“源網(wǎng)荷”間的協(xié)調(diào)互動(dòng),需要研究考慮電源和負(fù)荷置信度的聯(lián)絡(luò)線傳輸功率控制準(zhǔn)則和功率控制新模式。2海量分布自治與集中控制的協(xié)調(diào)優(yōu)化技術(shù)研究。在“源網(wǎng)

28、荷”柔性互動(dòng)的環(huán)境中,除了集中式的常規(guī)大電源和直控大負(fù)荷外,還有海量分布式的電源和可控負(fù)荷。需要研究海量分布式優(yōu)化控制與集中優(yōu)化控制間的交互協(xié)調(diào)框架,由集中優(yōu)化控制為海量節(jié)點(diǎn)自組織優(yōu)化控制提供可接納的控制參數(shù)和目標(biāo),充分發(fā)揮海量分布式優(yōu)化控制的自組織、自適應(yīng)能力和集中優(yōu)化控制的全局協(xié)調(diào)能力,全面實(shí)現(xiàn)“源網(wǎng)荷”有序互動(dòng)。3基于隨機(jī)優(yōu)化的協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究?！霸淳W(wǎng)荷”互動(dòng)改變了系統(tǒng)的能量平衡模式,系統(tǒng)隨時(shí)處于動(dòng)態(tài)平衡中,系統(tǒng)優(yōu)化必須從靜態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)。需要研究考慮多種約束條件、基于隨機(jī)優(yōu)化的協(xié)調(diào)控制模型和算法。4結(jié)語(yǔ)如何有效利用電源、電網(wǎng)和負(fù)荷間的互動(dòng)以提高電力系統(tǒng)的功率動(dòng)態(tài)平衡能力,實(shí)現(xiàn)大電網(wǎng)資源優(yōu)

29、化配置和能源利用效率的提升,是未來(lái)電網(wǎng)運(yùn)行控制面臨的重大挑戰(zhàn)。本文提出的“源網(wǎng)荷”互動(dòng)是智能電網(wǎng)發(fā)展的主要特征之一,將對(duì)電力系統(tǒng)功率平衡模式帶來(lái)革命性變化。通過(guò)支持和引導(dǎo)電源、電網(wǎng)、負(fù)荷三者良性互動(dòng),能夠提高可再生能源的主動(dòng)消納能力,增強(qiáng)電力系統(tǒng)可控性和可靠性,從而促進(jìn)電力系統(tǒng)綜合能效的提升。感謝東南大學(xué)高山、顧偉、陳中老師,河海大學(xué)陳星鶯、胡鶴軒老師和浙江大學(xué)吳浩老師在部分研究方向上與筆者的探討與思考。參考文獻(xiàn)1姚建國(guó),賴業(yè)寧.智能電網(wǎng)的本質(zhì)動(dòng)因和技術(shù)需求J.電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2010,34(2:1-4.Y A OJ i a n g u o,L A IY e n i n g.T h ee s

30、s e n t i a lc a u s ea n dt e c h n i c a l r e q u i r e m e n t so ft h es m a r tg r i dJ.A u t o m a t i o no fE l e c t r i c P o w e rS y s t e m s,2010,34(2:1-4.2C A L L AWA YDS,H I S K E N SIA.A c h i e v i n gc o n t r o l l a b i l i t yo f·專家論壇·姚建國(guó),等智能電網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷”互動(dòng)運(yùn)行控制概念及研究框架（ ） ， （ ） ： ， ， ， ， ， ， ， 張伯明 ， 吳文傳 ， 鄭太一 ， 等 消納大規(guī)模風(fēng)電的多 時(shí) 間 尺 度 協(xié) 調(diào) （ ） ： 電力系統(tǒng)自動(dòng)化 ， 的有功調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì) ， ， ， ， ， ， （ ） ： 鄒見效 ， 李丹 ， 鄭剛 ， 等 基于機(jī)組狀態(tài)分類的風(fēng)電 場(chǎng) 有 功 功 率 控 （ ） ： 電力系統(tǒng)自動(dòng)化 ， 制策略 ， ， ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： 撖奧洋 ， 鄧星 ， 文明浩 ， 等 高滲透率下大電網(wǎng)應(yīng)對(duì) 微 網(wǎng) 接 入 的 策 （ ） ： 略 電力系統(tǒng)自動(dòng)化 ， ， ， ， ，