“雙碳”目標下新能源電力系統的關鍵技術分析

吳文龍 戚思源 朱 慧 周 艷

（國網江蘇省電力有限公司鹽城市大豐區供電分公司）

0 引言

在當前電子信息技術不斷應用發展的背景下，市場對電能的需求不斷增加。為實現更加穩定的電能供應，同時也要保證電力系統整體的安全運行，需要耗費大量的能源。以新能源代替傳統的發電方式，有利于減少一次能源的消耗，符合可持續發展的目標。對“雙碳”目標下的新能源電力系統關鍵技術進行分析，有利于保障新能源電力系統的運行安全，在提升電力系統的運行質量和效果方面具有積極的意義。

1 新能源電力系統電壓穩定技術

1.1 電壓穩定分析方法對比

1.1.1 傳統電壓穩定分析方法

在以往電力系統的運行中，主要應用靜態電壓穩定分析、動態電壓穩定分析以及非線性動力學分析法來實現對電壓穩定的分析。以動態電壓穩定分析方法為例，其中比較有代表性的是小干擾分析法。該方法強調通過電力系統的微分代數方程來構建電力系統的狀態矩陣，進而實現對系統電壓穩定狀態的分析：

式中，x代表系統狀態變量；y代表系統代數變量；p代表系統控制變量。

對在平衡點的方程進行線性化處理，再將其中的代數變量消去，可以得到系統標準狀態下的方程：

式中，J代表系數矩陣。

盡管從理論角度來看，該方法能夠依據線性化處理微分方程來實現對電力系統的狀態分析，但由于系統本身涉及到的元件數量較多，不同元件對系統穩定性的影響也不同，再加上以這種方法建模也存在一定難度，因而仍需要不斷進行研究和優化。

1.1.2 新能源電壓穩定分析方法

在新能源并網后，主要通過對新能源電力系統簡化處理的方式構建等效的電力系統簡化模型，實現新能源并網對電壓穩定性影響的分析。當前常見的風機等效模型見表1，基于不同的分析需要，可以構建不同的等效模型［1］。

表1 常見風機類型及等效模型

光伏發電系統則以光伏列陣、直流電容、逆變器及其控制模塊為主，如圖1所示，對光伏發電等效模型進行構建。

圖1 光伏發電系統結構

基于這一結構，考慮光伏發電系統主要有功率控制和逆變器控制兩種控制模式，構建等效模型主要從逆變器控制方式入手，在電流控制方面以PI節點轉化為PQ節點為等效模型；在恒功率因數控制方面，以PQ節點等效模型為主；在恒電壓控制方面，以PV節點為等效模型。

1.2 新能源電力系統電壓穩定技術應用

1.2.1 大擾動電壓穩定

在新能源電力系統中應用電壓穩定技術，首先可以解決大擾動電壓穩定的問題。某電力系統應用WSCC3機9節點系統，將新能源接入節點3設定為PQ節點，將電力系統原有的常規發電機替換為新能源機組。在架設某節點時發生三相短路故障，故障持續時間為0.2s的情況下，首先基于節點系統列出系統完成的節點導納矩陣，然后并入負荷等效阻抗和發電機同步電抗進行計算，基于發電機分群理論，將節點導納矩陣中的無關節點及時消除，僅保留發電機節點，則可以通過計算得到收縮到發電機節點的導納矩陣見表2。

表2 節點系統收縮到發電機節點的導納矩陣

將該導納矩陣中常規機組節點2的部分消去后，可以得到：

式中，Y′WW代表消去常規機組節點后等效網絡模型的節點導納矩陣；G′WW代表風電機組節點架設的電導矩陣；B′WW代表風電機組節點架設的電納矩陣。

在替換常規機組的新能源機組功率超過103MW時，系統如果發生大擾動故障，系統的功角仍能夠保持穩定的狀態，但電壓難以恢復平衡狀態，因而會逐漸失去穩定。

1.2.2 小擾動電壓穩定

針對小擾動電壓穩定的情況，仍以WSCC3機9節點系統為例，以P-V曲線分析方法考慮小擾動情況對電壓穩定狀態的影響。將電力系統中的某一常規發電機替換為新能源機組，將該機組位置的節點設定為PQ節點，小擾動負荷變化為1%，應用同樣的方法對新能源機組的最大替換功率進行計算，可以得到替換功率的最大值為212MW。在設定保持傳統機組、替換為風電和替換為光伏三種情況的前提下，通過仿真實驗來進一步分析小干擾下的電壓穩定情況，研究表明傳統電力系統靜態電壓的穩定極限點要超過新能源電力系統，而在新能源不斷注入的情況下，系統的有功裕度呈現出逐漸減小的發展趨勢［2］。

在“雙碳”目標的影響下，以新能源來代替傳統發電機組，能夠在節約煤炭資源的同時，節省用于驅動發電機組的電能功率，進而達到控制和減輕碳排放的目的。

2 新能源電力系統數字化與智能化技術

2.1 數字化技術

數字化技術也是新能源電力系統中應用的主要技術之一，借助數字化技術，電網企業可以通過構建一體化網絡平臺的方式，為平衡電力行業電力供需關系提供更為便利的途徑和方式，有利于優化能源的配置，在保障電力供應穩定性的同時，也能夠為加強區域間的能源合作奠定良好的基礎［3］。具體而言，在新能源電力系統中應用數字化技術，能夠基于全域物聯網的建設，借助各類傳感器以及數據采集設備，采集電力行業運行發展涉及到的各類原始數據，進而對數據進行多角度的綜合分析，將分析的結果用于指導企業的生產經營和優化企業的生產流程，如圖2所示。

圖2 電力大數據應用分類

在此基礎上，基于電力企業實際的應用場景來深入挖掘收集數據的價值，結合用戶用電和繳費情況，借助大數據構建用戶畫像，為用戶提供個性化服務。同時，將大數據技術與電力信息和市場發展結合起來，實現對電力系統設備運行故障的及時診斷和綜合評價，有效保障電力系統以及企業整體的運行安全。

在“雙碳”目標的影響下，從深入了解客戶的用電量特點角度出發，提高對電力市場發展情況的預測精度，以此來推動電力企業業務模式的改進，有利于保障電力供應的穩定性。以推動電力系統數字化轉型的方式，在降低用戶用電成本，提升用戶電網服務滿意度的同時，也有利于借助數據實現用電需求的分析，進而制定更節約環保的業務運行模式和程序。

以某電網企業為例，在引入新能源電力系統后，基于大數據技術的應用，該企業2020年的電網線損率為5.59%，比2019年下降了0.21%；2020年萬元產值綜合能耗0.129噸標準煤／萬元，比2019年萬元產值綜合能耗下降了3.7%，可再生能源發電利用率2020年達到99.8%，比2019年提高0.3%?；诖?，可以發現該企業在能源節約和生態環境保護工作方面取得了顯著的效果，是符合 “雙碳”目標要求的，能夠推動新能源電力系統和企業自身的有效發展。

2.2 智能化技術

智能化技術在新能源電力系統中的應用，主要能夠滿足對電力系統運行情況進行管理和監測的需要。在“雙碳”目標的影響下，以構建新能源電力智能化系統為主要目的，主要圍繞電網實時數據采集和共享平臺、數據集成和數據挖掘應用平臺、業務集成應用平臺來實現對系統軟件架構的設計開發。

具體而言，以滿足電力系統運行安全和效率為主要目標，將智能化系統分為決策支持層、實時監管層和專業應用系統實時監測層三個部分。其中，決策支持層主要借助智能分析、計算方法和決策信息模型來為電力系統的運行提供決策指導；實時監管層主要基于傳感器等設備來實現對電力系統設備運行狀態的監管和控制；專業應用系統實時監測層則基于電網物理系統，以專業應用來實現數據的整合與應用集成，主要負責對專業系統進行實時監測［4］。

該系統中體現的智能化技術，主要包括軟件總線技術、業務集成平臺以及智能化工作流引擎平臺。系統軟件總線結構如圖3所示，該技術能夠滿足統一接口標準和統一權限控制的要求，也具有數據存取和控制的功能，能夠將系統權限管理、報表管理、信息綜合查詢等功能集成到總線系統當中，使相關的軟件應用開發人員能夠將精力集中到設計和業務開發的模塊，在提升軟件系統開發效率的同時，降低系統投入后期的維護量。

圖3 軟件總線圖

業務集成平臺作為一個基礎應用平臺，能夠基于獨立的MRC技術來保證平臺整體運行的安全性和穩定性。在該平臺的運行中，各項具體的業務功能主要以構件的形式存在，在平臺與服務器之間無明顯關系時，可以直接由平臺來對構件的生命周期進行統一管理，能夠實現對各類業務構件運行狀態的實時監測。

智能化工作流引擎平臺的構建，主要依賴于工作流引擎技術，在業務功能模塊以及業務引擎兩個主要的模塊中，不僅可以滿足系統的業務開展需求，同時也能夠提供豐富的外部接口，滿足流程建模、流程部署、流程的運行控制等功能。這一工作流引擎能夠從業務管理的角度出發，幫助企業構建更符合其自身特點和需求的業務流程管理系統，推動電力企業管理線路朝著更加規范化和標準化的方向發展。在平臺運行中，其能夠依據對用戶需求進行調研分析的結果，對風光儲能相關的業務流程進行梳理，以流程重組和再造的方式，構建基于平臺業務內容的邏輯模型，能夠為企業信息資源的有效整合提供更為便利的方式。除此之外，基于新能源特色的數據集成和共享平臺的建立，也能夠體現出智能化技術的應用優勢，借助數據庫實現對各類異構數據的有效整合，搭建系統應用數據中心，推動企業信息管理朝著一體化的方向發展。

3 結束語

綜上所述，新能源電力系統已經成為當前電力行業發展的主要方向和趨勢之一。在雙碳目標的要求和影響下，電力行業企業應結合自身的發展情況，積極發揮各類先進技術的作用，以更高質量的技術開發，保障和提升新能源電力系統的運行效果。為推動電力企業的轉型發展，在技術轉型和優化升級的過程中，也應充分發揮電力系統關鍵技術的作用，注重提升電力市場以及碳市場各個環節的效率，從而更好地推動社會的發展。