原文發(fā)表在《電力工程技術(shù)》2017年第36卷第5期，歡迎品讀

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秦曉輝，張彥濤， 葛磊蛟，等. 多態(tài)用能與電網(wǎng)間安全穩(wěn)定的協(xié)調(diào)控制框架設(shè)計(jì)[J]. 電力工程技術(shù)，2017, 36(5): 51-57.

QIN Xiaohui, ZHANG Yantao, GE Leijiao, al, et. A Framework Design of Coordinated Control for Multi-energy's Utilization and Grid's Security and Stability[J]. Electric Power Engineering Technology, 2017, 36(5): 51-57.

多態(tài)用能與電網(wǎng)間安全穩(wěn)定的協(xié)調(diào)控制框架設(shè)計(jì)

秦曉輝，張彥濤， 葛磊蛟，等

1. 研究背景

近年來(lái)隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，新能源發(fā)電、電動(dòng)汽車、微電網(wǎng)、冷熱電三聯(lián)供、大型電熱鍋爐、地源熱泵等大規(guī)模接入電力系統(tǒng)，使電力系統(tǒng)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨╇姺?wù)為中心，兼顧冷／熱／電多種能源的能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。尤其是高比例新能源的接入，也使電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨電壓、頻率等諸多問(wèn)題。能源互聯(lián)網(wǎng)集成了水／電／氣／熱等多種能源的綜合利用，多種能源的交換和轉(zhuǎn)化利用，尤其是能源互聯(lián)網(wǎng)多態(tài)用能，這些能源之間的實(shí)時(shí)互動(dòng)，以及多態(tài)用能與電網(wǎng)間的能源、信息等互聯(lián)互通，將面臨各自不同種類能源運(yùn)行和控制、不同時(shí)間常數(shù)、不同尺度的集中控制和穩(wěn)定控制，是一個(gè)超越方程的優(yōu)化問(wèn)題，有必要從網(wǎng)－荷互動(dòng)的角度設(shè)計(jì)能源互聯(lián)網(wǎng)多態(tài)用能與電網(wǎng)間的安全穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制框架，滿足高滲透率新能源的就地消納，確保能源互聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)安全運(yùn)行。

2. 多態(tài)用能與電網(wǎng)間的安全穩(wěn)定控制目標(biāo)

多態(tài)用能與電網(wǎng)間的安全穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制其實(shí)質(zhì)是為了在電網(wǎng)安全穩(wěn)定的前提條件下充分利用好強(qiáng)隨機(jī)性、間歇性的可再生能源發(fā)電，整體上可分為系統(tǒng)的正常態(tài)和局部故障態(tài)兩種情況，但依據(jù)不同的出發(fā)點(diǎn)具有不同的控制目標(biāo)，也可分為從用戶用能角度出發(fā)的多態(tài)用能安全穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制目標(biāo)、從電網(wǎng)安全角度的電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制目標(biāo)和從整體協(xié)調(diào)控制角度的多態(tài)用能與電網(wǎng)間的安全穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制目標(biāo)等三部分，且每一個(gè)部分內(nèi)容均分為正常態(tài)和局部故障態(tài)兩個(gè)方面，如圖1所示。由于多態(tài)用能的核心目標(biāo)是整體的協(xié)調(diào)控制，為此重點(diǎn)闡述整體協(xié)調(diào)控制目標(biāo)。

圖1 多態(tài)用能與電網(wǎng)間的安全穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制目標(biāo)

正常態(tài)是指電力系統(tǒng)處于安全裕度運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，多態(tài)用能與電網(wǎng)間的安全穩(wěn)定控制目標(biāo)主要是為了在保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的安全裕度條件下，盡可能為用戶提供高品質(zhì)的供電服務(wù)，主要控制目標(biāo)包括整體用能經(jīng)濟(jì)性最佳、用戶舒適度最好和整體能源損耗最小為主。

（1）整體用能經(jīng)濟(jì)性最佳。在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下充分考慮影響用電系統(tǒng)與能源系統(tǒng)互動(dòng)的因素，根據(jù)科學(xué)性、全面性和客觀性的原則分析系統(tǒng)運(yùn)行效益，達(dá)成整體用能的經(jīng)濟(jì)性最佳。

（2）用戶舒適度最好。一般而言，用戶舒適度是一個(gè)與人生活質(zhì)量相關(guān)的主觀指標(biāo)，是氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、風(fēng)速等4個(gè)氣象要素對(duì)人體感覺(jué)影響的綜合體現(xiàn)，常用該4項(xiàng)要素構(gòu)建一個(gè)非線性方程，如下式所示。

（3）整體能源損耗最小整體能源損耗最小是指區(qū)域范圍內(nèi)所有的用戶能源損耗總和最小，是整體用戶用能及電網(wǎng)的損耗之和，主要包括電網(wǎng)的能源損耗、用戶的能源損耗和用戶接入可再生能源后所產(chǎn)生的損耗等三方面，如下式所示。

（4）電網(wǎng)滿足N-2安全準(zhǔn)則

能源互聯(lián)網(wǎng)以電能供應(yīng)為中心，局部故障態(tài)時(shí)優(yōu)先保證電網(wǎng)的安全是其首要控制目標(biāo)，為此要求電網(wǎng)具有N-2安全準(zhǔn)則。N-2安全準(zhǔn)則是指正常運(yùn)行方式下系統(tǒng)中任意2個(gè)元件（如線路、發(fā)電機(jī)、變壓器等） 無(wú)故障或因故障斷開(kāi)后，系統(tǒng)應(yīng)能保證穩(wěn)定運(yùn)行和正常供電，其他元件不過(guò)負(fù)荷，電壓和頻率均在允許范圍內(nèi)。其主要包含兩層含義：保證電網(wǎng)的穩(wěn)定；保證用戶得到符合質(zhì)量要求的連續(xù)供電。

（5）隔離故障點(diǎn)后最大恢復(fù)用戶用能需求

當(dāng)局部故障發(fā)生后，系統(tǒng)快速、精準(zhǔn)切除了區(qū)域內(nèi)分區(qū)分片的故障用戶用能需求，快速進(jìn)行故障原因分析，精準(zhǔn)確定故障點(diǎn)；在電力供應(yīng)方面，通過(guò)負(fù)荷轉(zhuǎn)供、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)等技術(shù)手段，協(xié)調(diào)調(diào)度可再生能源發(fā)電出力，盡可能多恢復(fù)區(qū)域內(nèi)沒(méi)有故障的用戶供電需求；在能源供應(yīng)方面，基于供熱、供冷等能源供應(yīng)響應(yīng)時(shí)間周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，進(jìn)行冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的模式切換、冰蓄冷／水蓄冷機(jī)組的協(xié)調(diào)控制，滿足用戶的熱／冷用能需求。

（6）恢復(fù)后系統(tǒng)的能源損耗盡可能小系統(tǒng)局部發(fā)生故障后，將故障用戶精準(zhǔn)、快速隔離后，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)為確保系統(tǒng)穩(wěn)定，考慮可再生能源的強(qiáng)隨機(jī)性、間歇性，一般不進(jìn)行可再生能源的協(xié)調(diào)調(diào)度管理，因此系統(tǒng)恢復(fù)后的損耗主要包括電網(wǎng)側(cè)的網(wǎng)損和用戶側(cè)的損耗兩方面；系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，以能源損耗盡可能最小為目標(biāo)。

3. 多態(tài)用能與電網(wǎng)間安全穩(wěn)定的協(xié)調(diào)控制框架

（1）精準(zhǔn)切負(fù)荷技術(shù)

精準(zhǔn)負(fù)荷暫態(tài)控制是為保證多態(tài)用能與電網(wǎng)間的安全穩(wěn)定運(yùn)行而進(jìn)行精準(zhǔn)切負(fù)荷控制的第一步，綜合利用電網(wǎng)的故障信息、運(yùn)行方式和關(guān)鍵斷面潮流等數(shù)據(jù)，結(jié)合故障時(shí)負(fù)荷的實(shí)時(shí)狀態(tài)，通過(guò)廣域范圍內(nèi)的多個(gè)／多組負(fù)荷開(kāi)關(guān)快速動(dòng)作，按一定的控制原則、設(shè)定的控制目標(biāo)和策略快速采取切負(fù)荷措施，從而達(dá)成系統(tǒng)的穩(wěn)定。精準(zhǔn)負(fù)荷暫態(tài)控制的關(guān)鍵是正常運(yùn)行時(shí)大規(guī)模、廣域范圍內(nèi)負(fù)荷的精準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)視與分類排序，以及系統(tǒng)局部故障情況下毫秒級(jí)準(zhǔn)確決策與海量負(fù)荷的準(zhǔn)確措施執(zhí)行。精準(zhǔn)負(fù)荷的暫態(tài)控制在控制時(shí)間上要求與現(xiàn)有的集中負(fù)荷暫態(tài)控制相同，均需在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)負(fù)荷的控制，以滿足對(duì)電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定的要求。其協(xié)調(diào)控制的方法主要采用分層分區(qū)控制方法，分別由控制主站、子站和執(zhí)行站來(lái)執(zhí)行組成相應(yīng)協(xié)調(diào)指令；其中，控制主站負(fù)責(zé)系統(tǒng)整體策略的判斷和指令下發(fā)；控制子站負(fù)責(zé)本區(qū)域的負(fù)荷信息匯集與上傳，并接收主站命令分配下發(fā)至下屬執(zhí)行站；控制執(zhí)行站負(fù)責(zé)負(fù)荷信息的采集與上送，接收子站命令并執(zhí)行切負(fù)荷控制。

圖2 能源互聯(lián)網(wǎng)多態(tài)用能與電網(wǎng)間的安全穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制框架

（2）精準(zhǔn)負(fù)荷穩(wěn)態(tài)控制

精準(zhǔn)負(fù)荷穩(wěn)態(tài)控制是系統(tǒng)進(jìn)行切負(fù)荷動(dòng)作完成后，為盡可能多消納可再生能源，并保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行而進(jìn)行的優(yōu)化協(xié)調(diào)控制，由特高壓電網(wǎng)故障感知、電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)整優(yōu)化策略在線生成以及省調(diào)、地調(diào)和營(yíng)銷的自動(dòng)協(xié)調(diào)控制等三方面組成。

（3）多能協(xié)調(diào)互動(dòng)技術(shù)

多能協(xié)調(diào)互動(dòng)技術(shù)是以負(fù)荷側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的PCC接入點(diǎn)交換功率為設(shè)定目標(biāo)，調(diào)動(dòng)用戶側(cè)的電動(dòng)汽車、分布式電源、微電網(wǎng)、電熱鍋爐、規(guī)模化儲(chǔ)能和虛擬同步機(jī)等，結(jié)合不同能源間的不同時(shí)間、不同響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)等特性，達(dá)成滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的目標(biāo)，完成可再生能源發(fā)電的消納，主要有以下幾個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)。在構(gòu)建的系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，充分考慮各類分布式能源、儲(chǔ)能和負(fù)荷之間的相應(yīng)速度和響應(yīng)特性差異，結(jié)合各單元設(shè)備運(yùn)行特性數(shù)學(xué)模型和改進(jìn)型的運(yùn)行模型量化分析集成多態(tài)用能系統(tǒng)在多個(gè)時(shí)空尺度上的運(yùn)行特性和相互作用與影響。通過(guò)分析分散和聚合形式下元件運(yùn)行規(guī)律，定量計(jì)算能源互聯(lián)網(wǎng)中能量實(shí)時(shí)可調(diào)裕度和周期可調(diào)度范圍。

4. 結(jié)束語(yǔ)

能源互聯(lián)網(wǎng)的推廣應(yīng)用，用戶側(cè)的冷／熱／電等多種能源需求，以及多種能源協(xié)調(diào)互動(dòng)和可再生能源的高效利用是一個(gè)趨勢(shì)，但是多態(tài)用能與電網(wǎng)間的安全穩(wěn)定是這些問(wèn)題的首要和重點(diǎn)核心之一，本文從源-荷互動(dòng)的角度，構(gòu)建了一種多態(tài)用能與電網(wǎng)間安全穩(wěn)定的協(xié)調(diào)控制框架，重點(diǎn)從精準(zhǔn)切負(fù)荷和多能協(xié)調(diào)互動(dòng)技術(shù)兩方面，提出了多態(tài)用能的安全穩(wěn)定控制技術(shù)路線，以期為高滲透率新能源的高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供借鑒。