电力电子化综合能源电力系统运行控制

韩旺 王瑞旺 吴和喜

摘要：在多能互补综合能源电力系统中，分布式能源是核心，基于此在特定的区域内实施能源供应。该能源系统整合了多种能源形式，包括热、冷、燃气、电能和水务都可以一体化运行。综合能源电力系统的一个重要优势在于，将多种能源协同并予以优化，实现优势互补，使得再生能源充分利用，提高能源的利用率，避免产生浪费问题。通过对能源逐级合理利用，以提高能源综合利用水平。综合能源电力系统本身是非线性系统，其变量非常多，体现出复杂的特征，有很强的随机性，与传统的规划问题相比较，其能源规划更加复杂。

关键词：电力电子化;综合能源;电力系统

引言

面对能源危机和环境问题的挑战，为促进节能减排，早日实现“碳达峰”和“碳中和”的双碳目标，现代电力系统迫切地需要创新与变革。近年来，新型电力电子变换装备在新能源发电、柔性交直流输配电、分布式电源与储能等领域取得了广泛的应用，使得传统能源电力系统的灵活性、可控性逐步增强，多种能源系统耦合性和互动性显著提升。另一方面，电力电子化的综合能源电力系统也出现了建模困难、控制复杂度增大等诸多亟待解决的关键问题。

1综合能源电力系统结构

配置综合能源电力系统的时候，需要对系统部件所属类型以及规格明确，要充分认识到系统配置对联供系统节能经济性具有重要的影响。在构建综合能源电力系统的时候，对于单个设备的效率要充分考虑，将运行策略制定出来，明确用户的冷热电需求，同时还要保证经济效益与环境效益维持平衡状态[2]。在系统配置之前需要对综合能源电力系统的负荷作出预测并详细分析。在预测冷热电负荷的时候，要将各种历史数据为依据，主要为社会、经济、电力负荷以及气象等等，明确电力负荷与有关因素之间所存在的内在关联性，从科学的角度预测未来的负荷。在进行综合能源电力系统规划的过程中，负荷预测发挥基础性的作用，其是否准确对系统配置具有直接的影响。根据负荷预测结果配置综合能源电力系统。综合能源电力系统直接向用户供应能源，随着用户的负荷需求发生变化，就会出现用户负荷的热电比与系统热电比以及用户负荷的冷电比与系统冷电比不能保持一致的问题。为了满足用户的负荷需求，需要采用四种系统配置方法：第一种配置方法是补电子系统集成方法;第二种配置方法是补热子系统集成方法;第三种配置方法是电-热转换集成方法;第四种配置方法是蓄能集成方法。如果热电比非常小或者用户的电负荷已经超过原动机功率的时候，可以应用并网补充电能的方法，也可以用可再生能源对电能进行补充。当综合能源电力系统的供热容量不足的时候，就要应用补热子系统进行热量供应。当用户热电比以及冷电比都超过系统输出比的时候，可以应用电-热转换的方法将原来的热需求向电需求转换。如果用户需求有峰谷差存在，就需要向综合能源电力系统中引入蓄能手段，由于不同步导致的供应和需求不平衡的问题就能够得到缓解，如果存在不同于设计工况的问题，此时系统的调节能力就会有所提高。

2电网规划方面

以储能与输电线路扩建总成本最小为目标，对储能的功率、选址及输电网同时进行优化规划，相比于传统的单一储能规划具有更优的技术经济性;西安交通大学王建学等以最优潮流模型为基础，从单时段和多时段两方面分别计算输电线路在系统安全约束下的最大输电能力，并基于此提出能够有效表征输电线路资源利用水平的改进利用率计算方法;国网济南供电公司李瑜等提出了一种火电机组灵活性改造与输电网规划多阶段联合决策方法，通过将火电机组灵活性改造纳入输电网规划优化决策，统筹优化系统灵活性及传输能力以促进大规模风电并网消纳;中国电力科学研究院唐晓骏等考虑柔性直流接入城市电网后可能带来的短路电流超标风险，针对现有的短路电流计算方法对柔性直流远端故障场景计算结果偏保守问题，提出一种考虑柔性直流接入影响的更为准确的电网短路电流简化计算方法。

3积极应对大规模新能源并网的挑战

构建以新能源为主体的新型电力系统是电力行业落实“双碳”目标的具体部署，储能是支撑新型电力系统建设的核心技术;同时，大规模新能源并网面临挑战：系统调峰能力存在缺额，不足以支撑高比例新能源消纳;跨区直流运行方式灵活性欠缺，新能源跨区消纳难度大;新能源装机容量增加，新能源电量占比不断提高，新能源利用率逐渐下降;新能源电量渗透率与利用率间相互制约，以新能源利用率为目标的消纳模式亟待向兼顾新能源利用率与发电量占比转变;电力系统转动惯量持续减小，频率调节能力下降，电网存在频率越限甚至稳定破坏风险;新能源调压能力不足，大规模新能源并网地区电压控制困难;高比例受电地区动态无功支撑能力不足，系统电压调节能力持续下降，系统安全面临电压失稳风险。

4综合能源电力系统的运行策略

其一，以热定电。用户的热需求得到满足，将发出的电向用户提供，当电量过剩的时候可以上网售卖，电量不够充足的时候可以通过电网补充。其二，以电定热。用户的电需求得到满足，释放的热量向用户提供，使其热需求得到满足。在热量不足的情况下，可以使用锅炉补充燃烧，如果热量过剩，可以使用蓄热罐储存。其三，持续运行系统在预定的时间内可以保持持续运行状态，即便能源需求有所变化也不需要考虑。如果系统生产的能源可以满足的用户需求，有剩余可以上网售電，否则就要通过电网补充。

结束语

在多电平功率变换方面，哈尔滨工业大学纪延超教授团队及天津大学贾宏杰教授、肖迁博士团队针对模块化多电平换流器（MMC）传统控制方法功率跟踪精度差、动态响应速度慢等问题，提出一种基于反馈线性化的直接功率控制方法;内蒙古工业大学杨炳元教授团队分析了基于MMC的交直流混联电网场景下短路故障特征，并提出一种无需换流站间通信的交直流故障穿越协调控制方案。

参考文献

[1]卓振宇，张宁，谢小荣，李浩志，康重庆.高比例可再生能源电力系统关键技术及发展挑战[J].电力系统自动化，2019，45（09）：171-191.

[2]李宇泽，齐峰，朱英伟，王鹏，侯健生，文福拴.多能互补综合能源电力系统的建设模式初探[J].电力科学与技术学报，2019，34（01）：3-10.

[3]鞠平，沈赋，吴峰.综合能源电力系统的在线分布互联建模研究[J].电力自动化设备，2018，37（06）：11-14.