电气工程

新能源消纳关键因素分析及解决措施研究

舒印彪，张智刚，郭剑波，等

摘要：目的：近年来，我国新能源快速发展，消纳问题成为各方关注焦点。新能源消纳一直是世界性难题，由于我国的资源禀赋特点、电力系统条件和市场机制等问题，新能源消纳面临更大挑战。本文旨在分析影响新能源消纳的关键因素，进而系统地分析我国产生弃风、弃光问题的根源，并提出促进新能源消纳的措施与方法。方法：文章在总结近5年我国新能源装机和消纳现状的基础上，对新能源消纳问题进行数学建模和机理分析，进而指出了影响我国新能源弃风、弃光问题的关键因素，包括电源调节性能（最大技术出力、最小技术出力）、电网互联互通水平（联络线外送能力）、负荷规模及峰谷差等。在理论分析基础上，以我国重点省份和葡萄牙电网为案例，通过新能源理论电量与消纳空间电量分析，对比新能源消纳条件和关键因素的作用。进一步，针对我国目前存在的新能源弃风、弃光问题，提出“十三五”期间从灵活调节电源建设、火电机组改造、电网互联互通以及电能替代等多方面采取措施，通过对上述措施效果的时序生产模拟，结果表明所提出的措施能够有效缓解消纳矛盾，促进新能源更好发展。结果：在2020年用电负荷水平下，基于当前东北、西北电网火电机组调峰能力和外送能力，不采取相关措施的情况下，我国新能源消纳问题十分突出。在本文分析提出的影响新能源消纳关键因素的基础上，通过有针对性的采取一系列措施，我国弃风、弃光问题能够得到有效缓解。1）火电机组调峰能力整体增加20%，东北电网提高新能源消纳12.1 TWh，西北提高14.9 TWh；东北电网建设抽水蓄能电站4.1 GW，可提高新能源消纳3.4 TWh。2）建设跨区外送通道，东北电网提高新能源消纳7.3 TWh，西北提高新能源消纳29.4 TWh。3）电动汽车参与负荷调节，东北提高新能源消纳5 TWh，西北提高4.0 TWh；通过电能替代，东北电网提高新能源消纳9.5 TWh，西北提高7.0 TWh；引入需求侧响应机制，东北电网提高新能源消纳4.4 TWh，西北提高3.3 TWh。4）综合采用上述多项措施，东北电网可实现弃风、弃光率为1.7%；西北电网可实现弃风、弃光率为8.6%。结论：我国新能源以集中式开发为主，主要布局在西部北部地区，本地市场消纳空间有限，灵活调峰电源、火电调峰能力均严重不足，电网跨区输送能力不够，市场机制尚不完善，是造成当前新能源消纳矛盾的主要原因。要破解新能源发展难题，需要从电源、电网、用户、市场等多个环节入手，多措并举、综合施策。在电源侧加强调峰能力建设，提高抽蓄、燃机等灵活调节电源比例，推动火电机组调峰能力改造，提高供热机组调峰深度。在电网侧加快跨区跨省通道建设，扩大新能源配置范围，统筹发挥大电网配置及平衡能力。在用户侧推进电能替代，加快微电网、储能、“互联网+”智慧能源等技术攻关，用市场办法引导用户参与调峰调频、主动响应新能源出力变化。在体制机制方面，完善火电调峰补偿机制，加快构建全国统一电力市场，建立有利于打破省间壁垒、促进清洁能源跨区跨省消纳的电价机制和新能源配额制度。

来源出版物：中国电机工程学报, 2017, 37(1)： 1-8

入选年份：2017

虚拟同步机技术在电力系统中的应用与挑战

吕志鹏，盛万兴，刘海涛，等

摘要：目的：虚拟同步机技术为解决电力系统电力电子化程度不断提高进程中惯量缺乏、阻尼下降和电网安全稳定裕度减小等问题提供了新的思路。为进一步促进虚拟同步机技术的应用，加快技术标准制定，推动清洁能源参与电力系统调频、调压技术规范的出台，本文论述了近年来国内外的研究成果，在虚拟同步机技术分类、功能、控制方法等方面介绍了虚拟同步机相关概念，从光伏虚拟同步发电机、风电虚拟同步发电机、储能虚拟同步机和负荷虚拟同步机4个方面，结合实际工程介绍了其主要的应用方式，并介绍了参数设计和稳定性相关研究进展。方法：首先介绍了虚拟同步机技术的相关概念。虚拟同步机技术通常是指电力电子变流器的控制环节采用同步电机的机电暂态方程，使采用该技术的装置并网运行，具有同步机组并网运行的惯性、阻尼特性、有功调频、无功调压特性等运行外特性的技术。根据应用场景的不同，虚拟同步机分为清洁能源虚拟同步机与负荷虚拟同步机。清洁能源虚拟同步机包括风机虚拟同步发电机、光伏虚拟同步发电机和储能虚拟同步机。在功能方面，国家电网公司已编制了相关的企业标准对虚拟同步机技术的功能进行了一定的要求。以虚拟同步发电机为例，建议其应具有自主有功调频控制、自主无功调压控制、虚拟惯性控制、阻尼控制等功能。其次，按照应用场景的不同，从光伏虚拟同步发电机技术、风电虚拟同步发电机技术、储能虚拟同步机技术以及负荷虚拟同步电动机技术四个方面介绍了虚拟同步机技术的应用。然后，介绍了虚拟同步机的参数设计和稳定性分析。虚拟同步机有4个重要特征参数，分别为有功调频系数、无功调压系数、转动惯量和阻尼系数。经分析与研究，虚拟同步机惯量和阻尼参数的选取同时受到储能或等效储能环节以及控制器参数的影响。在稳定性方面，由于机械与电磁方程上的相似性，虚拟同步机在模拟传统同步发电机惯量与阻尼特性的同时，也会引入传统同步发电机的功率振荡问题。现已有研究表明，可通过建立工频小信号模型，给出基于系统截止频率和相角裕度的虚拟同步机参数设计方案，从而在一定程度上避免功率振荡问题。最后，分析了虚拟同步机技术目前存在的一些问题，如电压控制问题，储能和预留容量经济性问题等。结果：虚拟同步机技术目前已有了一定的研究与应用基础，在国家电网公司风光储输示范基地，已建成虚拟同步机示范工程，其调节能力达到547.5 MW；国网天津市电力公司也计划在中新生态城智能营业厅内引进虚拟同步机技术。但目前仍存在一些问题需要解决：如电压控制能力不如常规同步机组。结论：虽然虚拟同步机技术当前还存有一些问题，但在传统机组仍占主导地位的电力系统中，清洁能源并网在很长时间内仍需追踪“同步”电网，所以虚拟同步机技术仍有较大应用和提升空间，特别是伴随电力系统的电力电子化程度不断提高，虚拟同步机技术为解决惯量缺乏、阻尼下降和电网安全稳定裕度减小等问题提供了新的思路。建议进一步开展虚拟同步机相关产品化工作，开展并网稳定性分析关键技术研究，探索“源-网-荷”灵活互动与自主交互模式，建立支撑电力系统稳定运行的虚拟同步机完整技术体系。

来源出版物：中国电机工程学报, 2017, 37(2)： 349-359

入选年份：2017