面向大规模可再生能源集成的电网功率平衡与控制策略

李卉祥

（国网黑龙江省电力有限公司电力调度控制中心，黑龙江 哈尔滨 150000）

0 引 言

随着全球气候变化的严峻形势，人们对可持续发展的关注度不断提高，尤其是在能源领域，大规模可再生能源的开发与利用已经成为全球普遍关注的问题。然而，与传统能源相比，可再生能源具有明显的不稳定性和不可预测性，给电网的稳定运行带来了巨大的挑战。尤其是在大规模可再生能源接入电网的背景下，如何保持电网的功率平衡，如何进行有效的电网控制，这些问题都需要得到解决。

1 大规模可再生能源集成对电网功率平衡的影响

大规模可再生能源如风能和太阳能的集成对电网功率平衡产生了显著影响。这些能源的产出具有明显的间歇性和不确定性，受到风速、云层覆盖、日照时间等不可预测因素的影响。这种不稳定性直接威胁电网的供需平衡，可能导致电网过载或供电不足，引发电网频率的波动，甚至可能导致电网不稳定，引发大面积停电。随着可再生能源的比例持续提升，电网对于调度可控的传统能源电厂的依赖度正在减少，进一步增加电网功率平衡的复杂性。同时，尽管可再生能源的产出具有一定的预测性，但预测的准确性依赖于预测方法、历史数据的质量和数量以及天气预测的准确性等多种因素，这些都对电网功率平衡构成新的挑战[1]。

2 电网功率平衡与控制策略研究

2.1 电网功率平衡控制的基本原理

电网功率平衡控制是电网安全稳定运行的关键。它的基本原理是保持电网内的功率供需平衡，即在任何时刻，电网的总发电功率（包括传统能源和可再生能源）等于总负载功率加上系统损耗和网损，具体公式为

式中：∑Pf为电网中所有发电源的总发电量；∑Py为电网中所有负荷的总用电量；∑Ps为电网的系统损耗。

如果这个平衡被打破，即供电和负载之间存在差异，那么电网的频率就会偏离其标称值。例如，如果供电超过负载即∑Pf大于 ∑Py与∑Ps的和，电网的频率将上升；反之，如果供电低于负载即∑Pf小于∑Py与∑Ps的和，电网的频率将下降。这就需要电网的调度中心采取控制策略，如增加或减少发电机组的出力，启动或停止储能设备，或者改变部分可调节负荷的消耗，以恢复功率的平衡和电网的正常频率[2]。

基于这个原理，电网的功率平衡控制策略需要处理2 个主要任务：一是实时监控电网的功率状态和频率；二是根据实际情况调整电网内的功率分配，保持电网的稳定运行。

2.2 面向大规模可再生能源集成的电网功率平衡控制策略

2.2.1 预测控制

预测控制是面向大规模可再生能源集成的电网功率平衡控制的关键策略之一。该策略的实施依赖于对未来的可再生能源产出如风电、光电等，进行准确的预测。例如，根据风速预测风电功率。风力预测数据如表1 所示，可以看到预测风速和实际风速的差异较小，从而使得预测风电功率和实际风电功率保持相近。

表1 风力预测数据

预测控制的优点是可以提前预知风电功率或其他可再生能源功率的变化，有利于系统运行人员及时调整电网运行参数，保持电网的功率平衡。例如：当预测到风电功率将增加时，可以提前降低其他发电机组的出力，为增加的风电功率腾出空间；当预测到风电功率将减少时，可以提前增加其他发电机组的出力，补偿减少的风电功率。

在实际操作中，预测控制不仅需要预测未来的风速或太阳辐射强度，还需要考虑电网的运行状态、负荷需求、储能设备的充放电状态等因素，使预测控制策略的变得实施更为复杂。

2.2.2 灵活调度

在实现大规模可再生能源集成的电网功率平衡控制策略时，灵活调度扮演了重要角色。灵活调度不仅需要根据预测可再生能源出力、实时可再生能源出力以及负荷需求来调整常规发电机组和可再生能源发电机组的出力，还需要调度储能设备的充放电，以保持电网功率的平衡。

灵活调度的过程主要包括以下步骤：首先，收集并分析可再生能源的实时出力数据、预测出力数据和电网的负荷需求数据；其次，根据收集的数据，建立电网功率平衡的数学模型，该模型需要考虑各种设备（常规发电机组、可再生能源发电机组、储能设备等）的运行约束和效率，还需要考虑电网的安全和稳定运行要求[3]；再次，使用优化算法来求解模型，得到各种设备的最优出力设定和储能设备的最优充放电策略；最后，根据得到的最优策略，实时调整各种设备的运行状态，以保持电网的功率平衡。

2.2.3 储能利用

储能系统是电网在应对大规模可再生能源波动和实现功率平衡中的关键设备。它可以在可再生能源出力丰富时储存多余的电能，在可再生能源出力不足或电网负荷增大时释放储存的电能，从而有助于平滑可再生能源的输出波动，保持电网功率平衡。

储能系统的运行主要包括2 个过程：充电和放电。在充电过程中，储能系统将来自电网的电能转换为其他形式如化学能、热能、势能等并存储起来。在放电过程中，储能系统将储存的能量再转换为电能并供给电网。

在实现电网功率平衡的过程中，需要根据电网的实时状态和未来的预测状态调度储能系统的充放电。预测可再生能源出力将超过电网负荷时，储能系统需要提前开始充电；预测到可再生能源出力将不能满足电网负荷时，储能系统需要提前开始放电。

2.2.4 需求侧管理

需求侧管理是一种电网功率平衡策略，通过实时调整和影响电力消费端的需求实现电网供需平衡。在大规模可再生能源集成的背景下，需求侧管理包括以下几点：一是负荷调度，优化运行模式和时间，使负荷需求适应电网供电能力；二是实行动态电价，利用价格杠杆影响用户行为，减轻电网高峰负荷；三是调度分布式能源资源，在可再生能源出力不足或电网负荷增大时，为电网提供稳定支撑；四是需求响应，通过签订需求响应合同，在电网功率不平衡时，要求用户按照约定调整电力使用以保持电网稳定。实现有效的需求侧管理需要先进的负荷预测能力、灵活的价格机制、精确的通信和控制技术以及完善的市场机制和政策支持。

3 面向大规模可再生能源集成的电网功率平衡控制策略的应用

3.1 可再生能源预测与调度策略

在大规模可再生能源集成电网中，可再生能源预测与调度策略是保持电网功率平衡的关键环节。

一方面，对于可再生能源预测，由于可再生能源（风能、太阳能等）具有显著的随机性和不确定性，预测其出力成为了一项重要任务。一般，需要采用先进的预测技术和算法，如人工神经网络、深度学习等，结合历史天气数据、实时监测数据等，对可再生能源出力进行短期和超短期预测。预测结果不仅可以提供给系统运营商用于电力系统的日前调度和实时调度，还可以提供给市场参与者用于电力市场的交易决策。

另一方面，可再生能源的协调调度策略主要是根据预测结果，制定合理的发电计划，以保证电网的安全稳定运行，如图1 所示。调度策略需要考虑各种不确定因素，如可再生能源的实际出力、电网的运行状态、负荷的变化等。在实际操作中，需要通过实时的市场机制，如实时市场、辅助服务市场等，引导和激励可再生能源参与电网的平衡运行[4]。

图1 可再生能源的协调调度

3.2 储能系统的利用策略

在对大规模可再生能源并网的情况下，储能系统的作用显得尤为重要。一方面，储能系统可以缓解可再生能源出力波动带来的影响，提升电网的稳定性和安全性。另一方面，储能系统可以通过参与电力市场，实现经济效益的最大化。因此，需要研究并设计有效的储能系统利用策略。这些策略应考虑储能设备的充放电约束、电网的运行状态以及市场价格等因素。

3.3 需求侧管理策略

在大规模可再生能源并网的情况下，需求侧管理也是实现电网功率平衡的重要手段。需求侧管理主要是通过调整负荷的用电行为，适应可再生能源的出力变化。例如，可以通过价格激励、合同管理等方式，引导负荷在可再生能源出力较多时增加用电，而在可再生能源出力较少时减少用电[5]。此外，可以通过开发和利用需求响应资源，如可调度的负荷，参与到电力市场中，为电网提供辅助服务，如频率调节、备用等。

4 结 论

随着可再生能源的大规模并网，电网功率平衡问题越来越突出。文章阐述了面向大规模可再生能源集成的电网功率平衡与控制策略，包括基于预测控制、灵活调度、储能利用以及需求侧管理等控制策略。这些策略对于提升电网对大规模可再生能源并网的适应能力，保持电网稳定运行具有积极效果。当前的研究已经取得了一些进展，但面向大规模可再生能源集成的电网功率平衡控制仍然面临许多挑战，如何更准确地预测可再生能源的输出、如何设计更优化的电力市场机制来促进需求侧参与以及如何提升储能设备的经济效益等，都需要进一步的研究。