电气工程

大规模互联电网低频振荡分析与控制方法综述

宋墩文，杨学涛，丁巧林，等

摘要：目的：为适应能源资源逆向分布需求，我国业已形成规模庞大、结构复杂、运行方式多变的交直流混联大电网。电力系统动态过程可能出现多种类型振荡，系统互联、小干扰稳定性较弱引发的低频振荡问题是危及电网安全运行、限制电网发电能力、阻碍大型机组按设计满负荷并网发电以及制约电网传输能力的关键因素之一。低频振荡问题最早于20世纪60年代提出，经过约半个世纪发展，相关学者在发生机制、分析方法和控制措施等方面进行了较为广泛的研究，对低频振荡问题的认识获得了很大进步。同时，由于问题的复杂性，目前在我国实际电网中，低频振荡事件仍时有发生。因此有必要对以往研究成果进行系统梳理和总结，并根据实际电网低频振荡新特点，采用新的控制技术手段，对相应防控技术开展进一步研究。方法：按照低频振荡机理研究、分析方法、抑制措施和结论展望4个层面展开。首先梳理了工程和学术界提到的低频振荡机理解释，考虑到相关机理出现频次、发展程度，依次对负阻尼振荡、强迫振荡、参数谐振、非线性振荡核心概念进行了阐述，对其概念由来、发生背景、发展现状进行了系统说明。其次，从计算原理、信息源分类、适应场景等不同角度出发，对低频振荡分析方法进行归纳总结，主要包括已经被广泛应用于实际工程的特征值分析法、改进Prony方法以及代表当前发展趋势的在线辨识算法，尤其是明确了各种方法的使用目标。再次，按照控制对象和控制原理，对能够抑制低频振荡的控制措施进行了分类总结，包括优化电网结构类措施、附加控制类措施、运行方式调整类措施及协调控制措施。最后，面向电网安全运行实际应用，提出了有待进一步探索和解决的 7个研究方向，为后续研究提供了系列思路。结果：低频振荡防控对于保障电力系统安全稳定运行具有重要的基础性意义，对低频振荡领域的阶段成果进行了全方位总结和分类。针对低频振荡每一个具体研究层面，根据物理本质或出发角度，通过逐层深入的“树状”体系进行阐述，并对重点热点问题开展了不同程度分析。低频振荡机理层面，梳理阐述了包括负阻尼振荡、强迫振荡、参数谐振及非线性振荡4种机理；分析方法层面，总结了2类特征值分析法、4类改进目标的Prony方法、6类在线辨识方法；控制措施层面，包括2类优化电网结构措施、3类附加控制措施、调度运行方式调整措施及协调综合控制措施。文章系统展现了低频振荡研究现状框架，指出了现有成果存在的问题，结合电网发展，为低频振荡进一步分析和研究指示了方向。结论：低频振荡专题研究目的在于实现振荡有效抑制。需要吸取多种分析方法优势，在线辨识振荡类型，实现低频振荡协调控制总目标。基于综合分析内容，提出低频振荡领域需要探索和解决的7个问题，包括强迫振荡源搜索捕捉方法及传播规律、谐振类型低频振荡机理分析、不同机理低频振荡特性深入比较、在线辨识算法优势有机结合、基于WAMS的多机理低频振荡实时跟踪及防控支持系统研发、基于WAMS的低频振荡传播路径跟踪、新型控制器研发、WAMS通信时滞解决方案研究等主要研究方向。

来源出版物：电网技术, 2011, 35(10): 22-28

入选年份：2016

大规模风电参与系统频率调整的技术展望

刘巨，姚伟，文劲宇，等

摘要：目的：电力系统运行是一个发电与负荷实时平衡的过程。当系统发生频率变化时，常规同步发电机因为其转速和系统频率之间的耦合关系，快速改变其有功出力来保障系统频率恢复到正常允许范围。然而利用变频器控制的风电机组通常与系统频率完全解耦，不具备响应系统频率变化的能力。为了保障大规模风电并网后的系统频率稳定性，各国风电并网导则均要求风电场需要具有参与系统频率调整的能力。为了补偿风电随机性带来的系统备用电源不足，消除风电机组弱频率响应能力产生的系统频率稳定问题。从风电参与调频的控制策略以及风电参与调频的能力评估两个方面进行了综述、分析和展望。方法：风电参与系统频率调整的问题主要由两方面组成，第一个是风电如何参与系统频率调整，第二个是风电参与系统频率调整的能力如何。对于第一个问题，风电机组参与系统频率调整的方法包括模拟惯量控制、下垂控制、转子转速控制、桨距角控制以及协调控制。风电场参与系统频率调整则主要解决功率协调分配、转速协调恢复以及风电场与新型电力元件间的配合等几个技术要点。对于第二个问题，利用统计分析的方法对比风电机组、风电场群与等容量常规同步发电机组的快速调频能量大小，以等容量常规同步发电机的调频能力为基准，评估风电场参与系统频率调整的能力。结果：（1）风电机组采用模拟惯量控制、下垂控制以及转速控制可以为系统提供短暂的频率支撑，为常规调频机组的动作提供响应时间，但是其对频率支撑的时间非常有限。（2）风电机组在减载运行情况下，采用转速控制、桨距角控制以及协调控制方式能够长时间参与系统频率调整。（3）风电场参与系统频率调整时需要在场内机组间协调好功率分配以及转速恢复，避免风电场内部机组被保护装置强制切除或引起系统频率二次跌落。（4）风电场在全年大约40%时间里能够提供的调频容量比等容量同步发电机多；另外的大约40%时间内风电场能够提供调频容量，但是比同步发电机能提供的调频容量小；其余20%的时间里，风电场根本不具备任何有效的调频能力。结论：（1）虽然模拟惯量控制、下垂控制、转子转速控制、桨距角控制以及协调控制可以有效协助风电机组参与系统频率调整，但现阶段风电场层面以及系统层面调频控制策略的研究才刚刚起步，寻找风电参与系统频率调整的完整解决方案仍亟待解决。（2）储能作为一种快速功率响应元件，其为风电场参与系统频率调整提供了一条解决思路，也将成为未来解决大规模风电并网问题的热点技术。（3）如何在满足安全稳定约束条件下优化协调风电场与常规发电机组之间的调频能力，充分发挥风电自身调频能力也将是未来研究的一个热点。

来源出版物：电网技术, 2014, 38(3): 638-646

入选年份：2016

自动需求响应的理论与实践综述

高赐威，梁甜甜，李扬

摘要：目的：自动需求响应不依赖任何人工操作，通过接受外部信号触发用户侧需求响应程序，从而提高需求响应的时效性、可靠性、灵活性和成本效益。目前美国劳伦斯伯克利国家实验室的需求响应研究中心已开发出支持自动需求响应的通信架构，并开展了一系列相关研究和试点工程。但国内需求响应的自动化远未实现，在自动需求响应的学术研究、工业实践等方面也都极为初步。针对此问题，对自动需求响应的技术支撑、相关标准和政策支持进行了研究阐述。方法：首先分析了需求响应在电力系统运行中的作用和价值，主要体现在实现电能在负荷侧的优化配置以及提供辅助服务。其次，阐述了传统需求响应的发展进程及实效性不强、灵活性不强、响应可靠性无保障等应用缺陷。在此基础上，引出自动需求响应的必要性，从供电侧与用户侧的自动化信息传输系统、用户侧的设备能量管理控制系统、实时采集用户侧用电数据的遥测技术3方面突出了自动需求响应的自动化和实时化，并具体展现了自动需求响应参与系统运行全过程。负荷管理控制设备、参与电力市场、自动需求响应出现的问题是自动需求响应项目的主要研究内容，在此基础上阐述了美国、欧洲等主要发达国家以及中国的自动需求响应实践案例，并分析了国内实施自动需求响应存在的障碍，指出了我国开展自动需求响应的潜力和发展方向。结果：（1）自动需求响应将需求响应的主要功能从优化电能配置拓展到向系统提供实时辅助服务，真正将需求响应纳入实时调度范畴，充分利用负荷的实时可调节潜力，直接作用于系统的运行。（2）主要发达国家均开展了自动需求响应的研究，形成了一系列的标准和通用通信模型。（3）我国对自动需求响应的研究还非常初步，相关实践案例也是基于国际合作的示范项目。（4）智能电网中的高级量测体系（advanced metering infrastructure，AMI）是自动需求响应参与系统运行的技术支撑，自动需求响应的发展需要智能电网新技术的支撑、政策协调以及相关技术标准的支持。结论：（1）自动需求响应是智能电网的核心技术功能之一，也是当前国际智能电网研究的热点领域之一。（2）自动需求响应不依赖于任何的人工操作，可大大提高需求响应的时效性、可靠性、灵活性和成本效益。（3）大量的试点和示范工程表明自动需求响应具有实践的可操作性，为相关新兴行业的发展提供了有效技术支持。（4）为促进自动需求响应在国内的发展，需要挖掘负荷的实时可调能力，加快设施建设、相关研究和用电侧市场化进程，推进辅助服务的合理定价和相关标准的制定进程。

来源出版物：电网技术, 2014, (2): 352-359

入选年份：2016

微网多目标经济调度优化

陈洁，杨秀，朱兰，等

摘要：目的：为了减少气体污染物的排放，微网节能减排发电调度成为一种必然趋势。对于一个包含风、光、储、微型燃气轮机、燃料电池以及热电负荷的热电联产型微网，考虑同时调度微源的有功和无功出力，能够以尽量小的经济成本达到较好的环境保护效果，实现节能环保发电调度。方法：目前，微网多目标经济调度优化研究所采用的网架较简单，一般只考虑系统的有功平衡，较少考虑无功的影响，也并未考虑同时优化调度微源的有功和无功出力；另一方面，相应的约束条件过于简化，对微网联络线交换功率、旋转备用、储能元件充放电等指标与约束条件很少考虑。考虑微源同时提供有功和无功出力并计及制热收益的热电联产型微网系统多目标经济调度模型，在研究模糊优化理论的基础上，运用改进遗传算法优化考虑实时电价的并网运行方式下各微源的有功、无功出力和多目标优化的满意度。结果：对热电联产型微网进行研究，提出考虑微源同时提供有功和无功出力并计及制热收益的微网系统多目标经济调度模型，以一个包含风、光、储、微型燃气轮机、燃料电池以及热电负荷的具体微网为例，在研究模糊优化理论的基础上，采用最大模糊满意度法将多目标经济调度问题转化成非线性单目标优化问题，并运用改进遗传算法优化考虑实时电价的并网运行方式下各微源的有功、无功出力和多目标优化的满意度，对比分析单目标与多目标系统优化值。结论：提出了贴合实际的微网多目标经济调度模型，并将该方法以一热电联产型微网为例进行了验证。（1）多目标模型比单目标模型更能确切反映微网的实际运行状态，能够以尽量小的运行成本实现较好的环境效益，验证了所提模型和算法的有效性；（2）兼顾了微网拥有者和用户的利益以及社会效益，不仅提高了供电质量，而且兼顾了环保和可再生能源的利用，实现了分布式电源的经济调度与合理利用；（3）在综合考虑经济性和环保性等多目标时，综合性能好的机组（如蓄电池）有明显的优势；（4）微源本身提供无功出力配合外网向微网提供的无功出力来满足系统无功需求，减少了安装无功补偿装置的额外投资，确保外网无需向微网提供过大的无功支撑且保证外网与微网间传输的功率具有较高的功率因数，较好地符合供电公司对接入微网的要求。

来源出版物：中国电机工程学报, 2013, 33(19): 57-66

入选年份：2016

1000 kV同塔双回线路感应电压和电流的计算分析

李宝聚，周浩

摘要：目的：特高压交流输电是指1000 kV及以上电压等级的交流输电，具有输送容量大、距离远、损耗低、占地省等显著优势，是一种资源节约型和环境友好型的先进输电技术。同塔双回线路在特高压输电中得到越来越多的应用。当同塔双回线路一回线运行、另一回停运时，由于回路之间存在静电和电磁耦合，将在停运线路上产生感应电压、电流。对于1000 kV电压等级的同塔双回线路，感应电压会达到几十千伏甚至近百千伏。此外，运行输电线路也会在地线上通过静电耦合和电磁感应产生较大的感应电压、电流。计算分析运行回路在停电检修回路及地线上的感应电压、电流，对于1000 kV同塔双回线路的检修和维护十分重要，关系到停电线路检修安全措施的制定、线路接地刀闸等设备参数的确定。对淮南—皖南—浙北—沪西1000 kV交流特高压同塔双回输电工程中的淮南—皖南段输电线路进行感应电压、电流方面的仿真分析研究。在线路稳态运行且没有遭遇任何类型过电压的运行条件下，用EMTP软件仿真计算了一回线路停运检修时运行回路对检修回路和架空地线的感应电压与电流，并就输电线路长度、输送功率大小、换位与否、高抗补偿等影响因素进行分析。可为特高压同塔双回线路检修及带电作业等方面的工作提供参照依据。方法：同塔双回输电线路在一回运行、一回检修时，检修回路及地线中会产生感应电压、电流。使用EMTP仿真计算了1000 kV交流特高压同塔双回输电线路一回线路停运检修时，运行回路对检修回路和地线的感应电压、电流，并对输电线路和地线上的感应电压、电流的影响因素进行了分析。结果：当一回线路停运检修、一回线路运行时，淮皖线首末接地时的感应电流最高可达136.89 A，单端接地时感应电压最高为11.52 kV，单端接地时感应电流最高可达27.56 A，两端都不接地时感应电压最高为95.88 kV。地线上的感应电压最高可达363.03 V，感应电流最高为83.40 A。检修时应参考上述参数采取适当的防护措施。结论：静电耦合电流、电磁感应电压随线路长度的增加而显著增加，且基本成正比例关系。静电耦合电压、电磁感应电流随线路长度的增加变化不大。电磁感应电流、电磁感应电压随线路传输功率的增加而增加；而静电耦合电流、静电耦合电压受运行线路传输功率的影响不大。换位能够在一定程度上改善线路上的感应电压、电流，并且换位次数越多，改善效果越好。同塔双回线路带有高压电抗器时，静电耦合电压显著增加。高压电抗器对静电耦合电流影响很小，对电磁感应电压、电流影响也很小。绝缘地线感应电压随着绝缘地线段的长度、线路输送功率的增加而增加，且基本成正比例关系。土壤电阻率对绝缘地线上的感应电压影响不大。随着系统输送功率的增长，接地线感应电流随之增长。土壤电阻率对地线感应电流影响不大。可为特高压同塔双回线路检修及带电作业等方面的工作提供参照依据。

来源出版物：电网技术, 2011, 35(3): 14-19

入选年份：2016

最小二乘支持向量机在光伏功率预测中的应用

朱永强，田军

摘要：目的：太阳能作为绿色、环保的清洁能源，其大量利用可有效缓解环境污染和能源短缺的压力。但由于光照的昼夜周期性，光伏输出功率具有波动性、随机性和间歇性，其大量并网可能影响电能质量和电力系统安全运行。因此，准确地预测光伏输出功率对光伏的发展至关重要。此前，对功率预测的研究主要集中在负荷预测和风电功率预测，对光伏阵列发电预测技术的研究不多。光伏功率预测是以数值天气预报数据或/和实测数据为基础，结合光伏电站地理坐标及具体地域特点的参数化方案，建立预测模型及算法，实现对未来一定时间段内光伏电站输出功率的预测。太阳辐射强度、阵列的转换效率、安装角度、大气压、温度、湿度以及风速等都会对光伏阵列的输出特性产生影响，因此，在光伏阵列发电预测中，合理地加入部分影响因素对预测精度的提升有积极作用。基于光伏阵列的发电量、地表太阳能辐射量和气温序列，分别按统一建模和时间序列建模两种方案，采用最小二乘支持向量机对输出功率进行预测，并对训练好的模型在不同日类型下进行了测试和评估。方法：首先对历史发电量、地表太阳辐射量、温度数据进行归一化处理；然后按照与预测日同季节、同日类型的方式选择训练样本；根据样本，以最小函数拟合精度的平方项作为最小二乘支持向量机的优化目标，建立目标函数；引入拉格朗日乘子，运用最小二乘法进行求解；将下一时间段的地表太阳辐射量和温度预测值代入线性回归函数，对发电量进行预测；再引入自给时间，即系统在没有任何外来电源的情况下，只依靠储能补偿实际光伏功率与预测功率之间差额的持续时间，计算储能安装容量。结果：为了分析基于最小二乘支持向量机的光伏功率预测方法的优势，进行实例分析时，在两类建模方案下，对比LS-SVM、BP神经网络和线性回归方法下的预测结果。在统一建模方案下，LS-SVM的平均相对误差和最大绝对误差均最小，但与其他方法相差不大；在时间序列建模方案下，LS-SVM的平均相对误差明显小于其他方法。因此，按时间序列建模要优于统一建模。根据预测结果和电池储能计算公式，通过设置不同直流母线标称电压，设计出了不同的电池储能系统。结论：（1）建立了基于最小二乘支持向量机的光伏功率预测模型，分析了地表太阳辐射量、气温、季节以及日类型等因素对光伏阵列发电的影响，分析了统一建模和按时间序列建模的光伏功率预测结果，表明后者比前者预测精度更高，但后者计算量更大。折中的办法是储能和预测模型配合解决并网光伏随机波动问题。（2）研究结果表明，应用LS-SVM方法比BP神经网络法有更高的预测精度和鲁棒性，其原因可能是采用梯度下降法优化权值的 BP网络不能得到全局解，而求解线性约束的2次规划问题的LS-SVM解是全局最优的。（3）引入磷酸铁锂储能电池对预测与实际功率之差进行补偿，减小了天气及季节变化对模型预测准确度的影响，同时能够显著降低储能成本，有效解决光伏发电的随机化问题。（4）地表太阳辐射量预测的准确性跟预测周期密不可分，光伏功率预测的准确性亦然。针对电力系统的不同要求，预测周期不同，对应的光伏功率预测方法也不同。

来源出版物：电网技术, 2011, 35(7): 54-59

入选年份：2016