新能源电力系统与传统电力系统整合方法

王照阳

（南京华盾电力信息安全测评有限公司，南京 211106）

以化石燃料为基础的传统电力能源，长期以来作为现代社会的一种重要的能源服务于社会发展。但长时间对化石能源大规模开采使用，使得化石能源逐渐枯竭，同时也带来了大气污染、噪音、水资源污染等一系列环境问题。为了实现人类可持续发展，在未来就必须减少对化石能源的依靠，而代替的使用风能、太阳能等再生清洁能源。此类能源资源丰富，每年可开采量完全可以满足人类社会的能源需求。在未来只有构建清洁能源为主、化石能源为辅的能源体系，设计传统电站与新能源电站多元互补的新能源电力系统，人类社会才能走绿色可持续发展道路。而在此过程中，如何实现新旧电网的融合，是一个必须解决的问题。

1 新能源电力系统发展现状

新能源电力系统利用的能源形式主要包括太阳能、地热能、海洋能和风能等一系列能源，这些能源具有储量大、可再生、分布范围广等特征。我国新能源的研究起步较晚，相关技术、配套管理、规划设计和市场机制还有待进一步的研究。能源电力系统现在仍处于资金投入的阶段，随着相关技术和研究的发展，其相对于传统电力的价格优势、环境综合盈利优势将逐步体现出来[1]。

现阶段我国新能源电力系统的发展与世界先进水平还有一定差距。技术上面临国际上的技术垄断和封锁，我国将大量资金投入与新能源相关技术研究和设备开发上，导致新能源发电成本高，收益率较低。但随着近年来的发展，我国相关的技术和设备已经逐渐摆脱对西方国家的依赖，自主水平化水平不断提高。在制度设计方面，我国新能源的政策制度还不够完善，缺乏顶层设计和相关制度规划，市场化水平和市场参与度不高，新能源发电价格机制还不够完善。同时，行业内也缺少统一的行业标准与设计规划，导致各类型能源系统不能很好融合和协调工作，这种情况阻碍了新能源电力系统的发展[2]。

2 新能源电力系统的能源类型

2.1 太阳能

太阳能是非常重要的一种清洁能源，没有地域的限制，储量巨大。现在太阳能利用的方法主要包括了热转化和电转化2种类型。热转化是指将太阳光通过聚合的方式，直接将太阳能转化成热能，如太阳能热水器、太阳灶等。电转化是指将太阳光通过半导体的光伏效应原理产生电能，这方式可以用来改善偏远农村的电力供应，降低环境压力[3]。由于政府的重视和推动，我国光伏产业发展速度较快。

2.2 风能

风能是由空气流动所产生的动能，本质是太阳能的一种转化形式。地球表面由于太阳的辐射而不均匀受热，而导致了大气层中的压力分布不均匀，因而产生了空气的流动。风能分布范围广，储量大，但是能量密度低、不稳定，开发利用受地理限制非常严重。在一些发达国家风能发电量已经达到了全社会发电总量的一半。我国风力发电虽然起步较晚，但是发展比较迅速，目前已经超越美国风电产能，成为世界上最大的风能发电国。

2.3 生物质能

生物质能是指太阳能以化学能形式储存在各种有机物中的能量形式，目前较为科学环保的利用技术包括沼气燃料电池技术、生物质发电技术和生物质制氢技术等。近年来我国生物质产业发展政策不断完善，相关技术进一步提高，越来越多的企业参与到行业发展中来。目前新能源发电系统发展的重点是沼气发电及生物质发电等产业项目。

2.4 核能

核能是人类最具有希望的未来能源之一。核电站只需要消耗很少的核燃料，就可产生大量的电能。在我国核电领域已经形成了一系列法律法规、规章标准及其他规范性文件，涉及核电站建设、运行、退役到安全事故处理的诸多方面，在技术和管理上已经实现了与世界先进水平接轨。

3 能源互联网应用于电力系统的必要性

新能源将在未来代替传统能源，成为人类社会赖以生存和发展的基础。新能源具有地理上分散，生产不连续，随机波动和不可控的特点，已存在的传统电网布局和统一化管理方式难以适应新能源大规模利用的要求。在传统电网模式下，新能源分步式发电并网难以解决电网电能质量管理、故障检测和故障隔离方面所存在的问题，难以实现新能源的最大化利用。

而能源互联网综合利用电力电子技术和先进的智能信息技术，将各种新能源、电力网络、天然气网络和石油网络等能量网络互联起来，实现不同能量网络、供给方和需求方和用户与用户之间能量双向流动，以及信息沟通与共享。能源互联网模式能有效实现传统电网与新能源电网的兼容，并且能源互联网可以有效整合产业链上下游形成供需互动及交易，能源互联网还能支持匹配供需信息整合分散需求，使每一个家庭都能成为能源的消费者和提供者。当前社会用电显示出越来越明显的随机性特点，这使得电力企业用电系统的供电与社会用电之间产生不对应的情况，极不利于电力系统的安全稳定运行。显然，能源互联网的模式能更有效地控制电力系统和保障电网运行安全。

4 能源互联网背景下电力系统整合方法

4.1 系统供需协调规划

能源互联网可以借助信息采集功能，全面掌握供需双方的信息，包括电网中发电机组工作状态、发电量任务安排和用户预测用电量等信息。结合生产信息和需求信息及电网内部各系统的地理位置，协调传统电网与新能源电网之间供电调配，并结合各区域之间的差异性，具体化不同电力系统的规划方案和供电计划。利用能源互联网技术，实现分散式和集中式能源模块的之间的供需互动，进而实现全局统筹，使得整个电网效益的最大化。

4.2 模块化和交互性

新能源电力系统和传统电力系统在发电方式与运营管理上存在一些不同，因此2个系统要在互联网背景下独立制定内部运营模式和发电计划，使系统内部成为一个整体，创造更适合于能源互联网的运营模式和生产制度。同时要在能源互联网中保持交互性，保证能源模块之间可以进行协同合作，根据全局需求进行技术性适配和运营方案适配。

4.3 建立多元能量交互模块

在能源互联网的控制层面，要实现多元交互能量模块。因为新能源电力系统在结合传统电力系统之后所形成的新系统将更加复杂，系统管理层面上要结合先进电力电子技术、大数据技术和网络技术等融合技术，建立中间接口型交互模块，使得不同能源类型系统之间可以进行信息的交互、能量的双向流动，保证各个子系统相对完整和独立的同时，使得整个系统能作为一个整体进行有效运行。

4.4 规划设计问题

各类新能源的快速发展对传统电力行业造成了很大冲击和影响，并对我国电力系统设计规划能力提出了更高的要求。我国电力系统设计规划水平还略显不足，主要体现在能源与网络规划不协调、多类型能源规划不协调、分布式能源规划不协调和供需设计规划不协调等。系统规划阶段的不合理性将直接影响到整个电力系统的安全性及未来可发展性。而互联网能源技术可以突破子系统的空间限制，保证行业基本要素信息的可采集性和可利用性，在设计规划的初期，可以对各种规划方案进行虚拟运行，从而得出较优的规划设计。

4.5 综合能源系统的源端构建

利用一定的技术方法，将电网系统和燃气系统相联接，实现将弃光和弃风转化为可存储的氢能和天然气，实现富裕能源的规模转化和储存。从而搭建起能源综合利用平台和高效分配和储存系统。在此类系统的构建过程中，实现将弃光、弃风等能源充分地转化利用，并同时保证电力的高质量、平稳的输送和经济上的可行性。

4.6 综合能源系统的受端构建

因为源端系统复杂程度的影响，受端系统的设计必须要充分考虑能源输送模式的复杂性和多样性，使得供受系统整体上协调、配合和优化，从而实现社会用能效率最优、促进可再生能源规模化利用。因此，在供受系统端设计时，就应考虑到供电、供气和供热实现方法的可行性与稳定性，2个系统之间的匹配性关系，让能源可以得到充分的利用并使得整个系统处于安全状态和可控状态。

5 新能源与传统电力并网稳定性分析

随着传统电力系统和新能源电力系统不断融合发展，复合系统的不稳定问题呈现出许多新形态，并且具有持续时间长、影响程度大和原理复杂等特征。研究影响复合型电网稳定性背后的原理，对于电力系统转型和进一步发展具有重要意义。

5.1 新能源电力系统的框架和新特征

随着因特网的不断发展，传统电力行业也不断地吸取互联网的理念和方法，形成了新的能源产业链和消费模式，其框架示意图如图1所示。新的能源系统展现了不同于传统电力系统的新特征。在物理融合方面主要表现为智能电网为主，多种其他形式能源网络并存的形态。在信息融合方面，以互联网为主，整个系统中信息透明、平等和对等。

5.2 新能源电力系统稳定性评估方法

新型能源电力系统出现不稳定性的机理，现在还没有形成统一的认识，因此形成了不同的稳定性评价方法和对应解决方法。目前最常用的方法是从稳定性等价、标称行和鲁棒性3个方面对提出方法有效性进行评估，对设备失稳机理进行研究时，主要包括确定稳定判据集合、模型有效性评价和保留。

确定稳定判断集合首先要对系统中各个设备的关键物理部件特性进行采集，并建立设备的数学模型，之后将不同的部件作为主导因素并消去其他无关变量，进而形成对应判据。通过这种方法可以找到影响系统稳定性最关键的因素。接下来可以通过对稳定性判据的适应性分析，导出有效的稳定性方法和稳定分类。

5.3 以双馈机组为例的稳定判据和机理导出

研究双馈机组并网的稳定性，主要需要研究锁相环和内环2类稳定判据，从而研究机侧变流器主导的同步振荡现象对电网稳定性的影响。锁相环主导的判据主要是相位稳定判据，而内环主导判据主要包括修正序阻抗判据。

以下是其特征方程

式（1）中：Lθ，DFIG为相位开环传递函数。式（2）中：L+/-为正/负序阻抗判据。

之后通过设计锁相环参与度振荡和线路串补电容振荡2种模式，验证模型的实验数据，进一步导出稳定性相关结论：双馈机组的相位等效阻尼不足，与系统失去同步，其主导输出变量为电流相位。

6 能源互联网背景下电力系统协同优化运营模式

在能源互联网技术应用到电力系统之后，行业的电能生产、企业管理模式、市场运行模式和消费响应方式等基本要素都会发生本质变化，能源体系将形成传统电力系统与新能源系统相结合的局面。2类电力系统将各自实现内部自平衡和优化，而2个系统之间将表现出交互性、互补性和协调性。其中的广域网技术是比较关键的技术，能够完成区域内人口数量、能源分布情况、节能情况和能耗情况等数据的收集与管理，为系统的改进及相关的决策提供可靠的、智能化的依据，从而实现区域内要素的合理规划。另外利用系统运行中产生的数据，可以建立起仿真模拟的数学模型，可以预见性地获得系统运行的最优方案。新型的能源电力系统运营方式将广泛利用广域能源资源协调技术和能源供需协调优化等能源互联网相关技术，其关系如图2所示。

在建设能源互联网过程中，重要的一部分工作是如何将新能源这种分散型的电力系统整合到能源互联网的框架中来，并解决新能源发电的随机性与不稳定性所带来的问题，使得整个电力系统安全可靠并降低运行成本。能源互联网中分散型电力系统结构如图3所示。

能源互联网中的分散式管理方案，其核心内容可以概括为2点，即生产要素配置去中心化和生产管理模型的扁平化，充分体现了互联网的开放、平等、协助及分享精神。分散式能源互联网与传统电力系统有着很大的区别。传统电力系统不支持多种能源的接入和互相转化，难以适应大量分布式发电以及发电、用电、用能高效一体化系统发展趋势，用户难以参与到整个能源系统的生产调配当中来。

将传统电力系统向新一代能源互联网转化，可以为电力行业和电力市场带来很大的改变。一是可以大大提高各类能源的利用率，实现优势互补；二是利用互联网思维及相关方法，可以在能源系统中实现类似互联网的功能和特性，为能源生产、传输及消费提供全新的方法模式；三是可以带来新的业态和商业模式，为行业发展和消费发展注入新的动能和活力。能源互联网能够实现市场要素的有效配置，极大推进我国能源市场和电力体制的改革与进步。

7 结束语

在未来新能源使用比例将会越来越大，探索新能源电力系统与传统电力系统的融合方式具有非常重要的意义。能源互联网概念提出和相关的技术应用，为电力系统整合提供了一种有效的解决方案。本文对新能源发展和新能源电力系统的特征进行了简要介绍，并且基于能源互联网技术对电力系统融合方法和运营模式进行了讨论。希望本文可以为相关领域的研究提供参考。