电气工程

风电场动静态无功补偿协调控制策略

陈惠粉，乔颖，闵勇，等

摘要：目的：大型风电场的无功补偿手段丰富，普遍配有电容/电抗等可投切的静态离散型无功设备，并引入双馈/直驱型风力机组、SVC/StatCOM 等具有连续调节能力的动态无功补偿设备。与之形成鲜明对比，风电场在运行中过分依赖某一种设备，无功补偿设备间的缺乏协调性；控制方法优化仅针对单一时间断面，指令缺乏预见性和长效性，导致控制偏差大、设备动作次数多，这些缺陷都无法满足风电场对电压控制安全性与经济性等多目标要求。从风电的多时间尺度波动特性出发，综合协调多种动/静态无功补偿设备的调节特性是保证控制策略始终具有较好效果的关键。方法：论文引入预测，建立风电场“计划＋在线＋紧急”多层动静态电压协调控制模型，即利用大容量静态调节设备对风电场的无功电压进行大幅调节；再利用动态调节设备补偿小幅波动和在暂态过程中提供电压支撑。通过不同时间尺度的风电场经济性与安全性的优化，实现各类无功补偿的协调控制。风电场自动电压控制（automatic voltage control，AVC）系统与电网调度滚动交互，上传功率预测信息和自身无功电压可行域信息，并接受控制目标。风电场AVC 每隔6 h 进行综合考虑经济性与安全性的优化计算，得到未来6 h 电容器组与有载调压变压器分接头的控制计划。离散设备进行大幅补偿后，利用动态无功补偿装置实时跟踪电网调度的控制目标。考虑到若同时控制SVC/STATCOM 和双馈风电机组，易引起反复调节，应将两者的控制时间尺度拉开。实际运行中预测误差、电网运行方式改变及控制目标的改变也会造成的新的无功补偿量，也将由动态无功补偿设备承担。在电网发生紧急情况时，SVC/STATCOM 等尽可能采取本地无功控制，提高对电网的电压支援能力，降低风机脱网事故风险。结果：以某风电场为例，论文对比了已有策略与论文提出的策略效果。该风电场的总无功配置为[-5,29]Mvar，算例中无功需求最大值不超过25 Mvar，但调节需求频繁波动。原有控制策略在无功源充足的情况下，并未达到既定控制目标。电容器共投切18 次。由于电容受到投切次数和时间间隔限制不能补偿风速快速波动引起的调节需求，使风电场电压控制未能跟踪目标值，影响了控制效果。多次出现了较大的电压控制偏差，实际无功出力与目标的总偏差累计为85.87 Mvar×h。论文策略达到了很好的控制效果。电容投切次数为5 次。本文策略提前计划电容器投切时序，实际运行中对投切时间动态微调，减少了投切次数。动静态无功源配合，跟随风速快速波动调节，也弥补了预测误差带来的计划偏差。电压和无功控制的偏差都可以忽略。即使出现与电网自动电压控制系统通信中断，按本文策略，风电场仍可以保持电压合格，且波动较小。结论：引入预测，论文根据不同无功调节设备特点建立了风电场侧的多时间尺度电压控制模型，提出了动静态无功补偿协调的控制策略。既有效地减少离散设备的动作次数，提高控制精度与经济性；有避免不必要的延时，提高安全性；在通信中断的情况下，依然能初步保证风电场电压质量。

来源出版物：电网技术, 2013, 37(1): 248-254

入选年份：2017

智能配电网大数据应用技术与前景分析

赵腾，张焰，张东霞

摘要：目的：在智能电网时代，反映配电网运行及发展进程的细粒度大数据的收集已成为可能，将这些数据进行实时有效处理有助于新见解的揭示，其分析结果可能带来大量创新应用并提升决策进程。对于大数据及其在智能配电网中的应用，目前国内外尚缺少系统深入的研究成果和清晰的理论框架与实际应用指导。针对该问题，本文在分析智能配电网大数据现状和特征以及梳理数据关系网的基础上，提出了智能配电网大数据的理论框架和应用路线图。方法：首先分析了智能配电网大数据的分类与特征，并对智能配电网大数据的关系网和价值链进行了梳理，提出了包含领域普适知识挖掘、过程挖掘和数据可视化的大数据解析技术，在此基础上构建了大数据应用的“飞机型”理论框架，该框架以数据科学和大数据平台为两翼，以大数据挖掘、关系网与价值链、数据驱动的决策等大数据的实际分析与产出环节为主干。从用电预测与协同调度、网架发展趋势分析与优化规划，以及智能用电与网络降损等角度分析了大数据在智能配电网中的应用前景，进而提出了大数据在智能配电网中的应用路线图。结果：（1）根据数据来源的不同，可将智能配电网大数据分为电力企业量测数据、电力企业运营数据以及电力企业外部数据3 类。（2）智能配电网大数据的一次特征包括来源广泛、关系复杂、粒度精细、结构多样、生成快速，二次特征包括体量巨大、信息丰富以及处理困难。（3）大数据解析包含对数据的分析与解读，是发现大数据中隐藏的模式、未知的相互关系以及其他有用信息，并将大数据分析结果还原为具体行业问题的过程。（4）根据大数据作用程度的不同，可以将数据驱动的决策方法分为3 类，包括基于大数据分析的决策、数据驱动的无模型决策、以数据驱动为主而以模型为辅的决策。结论：（1）数据的共性和网络的整体特征隐藏在数据网络中，而大数据往往是以复杂关联的数据网络这样一种独特形式存在的，因此要理解大数据的作用就要对大数据后面的网络进行深入分析。（2）对智能配电网大数据进行系统性管理并视其中每个数据集为一个子系统，则在各个子系统相互交流的过程中，有可能产生超出由原各子系统数据简单相加得到的某些新的信息，即包含数据交流与融合的数据系统与数据集合相比有了质的提升和新的飞跃。（3）智能配电网大数据不仅指数据本身，更涵盖相应的理论与技术体系，它与大数据处理技术以及数据科学等互不统属，而是体现于“飞机型”理论框架的各模块之中。（4）数据可视化既是一种数据分析工具，又是一种结果展示方法，能够最为直观地体现智能配电网大数据的应用方式与应用价值。（5）未来的智能配电网将是数据流、能量流以及业务流的共同承载者，同时也会是电力企业为用户提供服务并开展双向交流的可视化窗口。

来源出版物：电网技术, 2014, 38(12): 3305-3312

入选年份：2017

基于全寿命周期成本的配电网蓄电池 储能系统的优化配置

向育鹏，卫志农，孙国强，等

摘要：目的：本文以配电网中蓄电池储能系统全寿命周期内总的净收益最大为目标，研究配电网中蓄电池的配置和各时段充/放电值的优化，综合考虑了储能套利收入、政府电价补贴收入、减少电能转运费、延缓电网升级以及全寿命周期成本。建立蓄电池储能系统配置的混合优化模型，提出一种基于差分进化和预测-校正内点法的混合算法进行求解。最后，算例测试比较了钠硫电池、全钒液流电池、多硫化物/溴液流电池、铅酸电池和锂离子电池五种蓄电池的配置和净收益，并分析了经济效益的影响指标，为蓄电池的配置规划提供建议，验证了本文所建模型和求解算法的可行性。方法：首先建立配电网BESS 的经济效益模型，该模型考虑储能套利收入、政府电价补贴收入、减少电能转运费、延缓电网升级和储能电池的全寿命周期成本。针对兼有离散变量的混合优化问题，提出一种基于差分进化法（DE）和预测-校正内点法（PCIPM）的混合算法，研究BESS 的优化配置和各时段充/放电操作策略。算例测试验证了本文算法的有效性，并对钠硫电池（NAS），全钒液流电池（VRB），多硫化物/溴液流电池（PSB），铅酸电池（VRLA）和锂离子电池（Li-ion）五种化学蓄电池的经济性和影响指标进行了比较分析。结果：由于不同BESS 的成本和效率差异，全寿命周期内不同介质的电池经济性不同。目前BESS 中VRLA 推广较为顺利，主要优势在于技术成熟度较高，不过VRLA 面临着循环寿命短的缺陷。Li-ion 效率高，不过其单位投资成本高昂，相比之下NAS的性价比更高。和其他BESS 相比，PSB 和VRB 的经济优势突出，其发展方向一直是高功率、高容量，适合应用于电力系统。不同介质的BESS 的寿命不同，就目前的制造成本来说，配电网中储能配置的经济性很低。在总的净收益方面虽然VRLA 最低，不过其年投资回报率并非最低，这是目前VRLA 仍然广泛使用的原因之一。Li-ion 寿命特性相对VRLA 好很多，但高昂的成本导致其投资回报率很低，制约其推广应用。在储能全寿命周期内，当前储能投资的回报率仍然较低。这一方面是因为当前储能设备造价昂贵，储能的初始投资大；另一方面是因为BESS 的能量转换效率不是很高，大规模BESS的安装利用还有待储能技术的进步。提高储能装置性能也是增加收益的有效途径。不同的渗透率下各种BESS在全寿命周期内总的净收益大小关系并非一成不变。在储能渗透率较低时，PSB 的经济性反而最低，此时其能量转换效率低的缺陷成了主导因素；随着储能渗透率的提高，VRLA 的净收益变为最低，主要是其使用寿命较短；储能的渗透率较高时，PSB 的经济优势逐渐突出，此时储能的单位投资成本占主要因素。BESS 的经济效益与其单位投资成本、蓄电池寿命、能量转换效率以及渗透率密切相关。结论：本文建立了一种配电网中蓄电池储能系统的优化配置模型，考虑了储能全寿命周期内“低储高发”套利，政府电价补贴收入，减少电能转运费，延缓电网设备升级，以及全寿命周期成本。针对兼有连续变量和离散变量的混合优化问题，提出一种基于DE 和PCIPM 的混合算法进行有效求解。通过算例分析可以看出：1）本文结合了DE 算法调节参数少、搜索能力强、适用于混合变量优化和PCIPM 鲁棒性好、计算速度快的优点，所提出的混合算法数值稳定性好，寻优能力强。2）储能系统的配置是一个在较长时间框架下决策的问题，本文基于技术发展相对成熟、具有商业化应用前景的考虑，选择NAS、VRB、PSB、VRLA 和Li-ion 5 种BESS 比较分析其经济性。在现有技术和投资成本的情况下，得到如下结论：由于环境和循环寿命制约，在新型城市配电网中不推荐使用VRLA；Li-ion 技术不断成熟，但是成本仍然较高，相比之下NAS 可以作为Li-ion 的替代品；与其他BESS 比，PSB 虽然电能转换效率较低，但其单位造价的优势明显，目前在配网应用中性价比最高，对于大规模储能系统的应用，建议优先选择PSB 或VRB；BESS 的造价和能量转换效率和渗透率是影响经济性的关键因素。3）目前储能的单位造价仍然偏高，BESS 的年投资回报率很低，能量转换效率一般只有70%～80%，甚至更低，有待进一步提高。BESS的大规模应用还要依赖储能技术的进步，市场商业模式的完善和政策的大力支持。

来源出版物：电网技术, 2015, 39(1): 264-270

入选年份：2017

能源互联网“源-网-荷-储”协调优化运营模式 及关键技术

曾鸣，杨雍琦，刘敦楠，等

摘要：目的：杰里米·里夫金在其著作《第三次工业革 命》中提出了能源互联网的未来发展蓝图，刻画出一种以可再生能源为主要能量单元，利用互联网技术实现能量流与信息流实时流动，多种能源供应、传输网络及能源技术、信息技术高度耦合的新型能源利用体系。构建能源互联网不仅需要依靠能源技术自身的创新，同时强调能源技术与其他领域先进技术的相互融合，也需要能源体制乃至能源生产消费模式的变革，总的来说，能源互联网是对人类社会生活方式的一次根本性革命。电力作为关键的二次能源，必将成为能源互联网建设、运营的核心和纽带，因此本文将在分析研究能源互联网基本概念与体系架构的基础上，将电力系统的“源-网-荷-储”协调优化理论进一步扩大化，提出能源互联网广义“源-网-荷-储”协调优化运营模式并分析其关键技术与实践基础，提出相应的实施建议。方法：首先综合我国当前能源开发利用现状，指出我国能源革命的首要任务是节能减排及提高可再生能源开发利用效率，而能源互联网并不是简单的智能电网的升级版或者电力系统及其他能源系统的升级版，而应当强调各个能源体系之间的相互协调，以此为基础给出能源互联网的基本概念及其主要特征；其次，分析智能电网在能源互联网体系中的定位和作用，提出智能电网体系环境下的传统“源-网-荷-储”运营模式，设计包含横向多源互补、纵向“源-网-荷-储”协调的能源互联网广义“源-网-荷-储”协调优化运营模式基本架构和运营流程；概括包含广域能源优化配置规划技术、多能流互补控制技术、多能源计量监测及信息交互技术、智能云端大数据分析处理技术在内的“源-网-荷-储”协调优化运营技术框架；最后总结能源互联网的国内外实践基础，分析能源互联网关键技术的实践应用情况。结果：根据构建能源互联网的首要任务和基本要求，给出能源互联网的基本概念，提出包括开放、互联、对等、分享的能源互联网主要特征。依据传统智能电网在能源互联网中的定位、智能电网框架下的“源-网-荷-储”模式，提出在能源互联网背景下，“源-网-荷-储”协调优化的深层次含义及基本架构：“源”包括石油、电力、天然气等多种能源资源；“网”包括电网、石油管网、供热网等多种资源网络；“荷”不仅包括电力负荷，还有用户的多种能源需求；而“储”则主要指能源资源的多种仓储设施及储备方法。同时设计了包含基础条件分析、系统规划、系统运行、全过程评价在内的能源互联网“源-网-荷-储”运营模式。提出了支撑上述运营模式的关键支持技术，总结了能源互联网的国内外实践基础，概述了支撑技术在国内外实践工程中的具体应用。结论：能源互联网的建设旨在推动我国能源行业的产业技术升级和结构调整，通过对能源供需结构的根本性变革，解决我国目前所面临的能源与发展问题，是实现我国经济社会跨越式发展，提升我国综合国力的重要手段。作为二次能源的核心，电力具有连接能源供应侧与需求侧的重要桥梁作用，而将电力系统的“源-网-荷-储”运营模式进一步扩大到能源互联网领域内，形成更为广泛的能源互联网协调优化模式，是构建坚强能源供应体系、实现我国能源革命目标的关键途径。现有的国内外相关工程实践也充分证明了这一点。

来源出版物：电网技术, 2016, 1(1): 114-124

入选年份：2017

能源互联网体系架构及关键技术

严太山，程浩忠，曾平良，等

摘要：目的：传统化石能源的逐渐枯竭以及能源消费引起的环境问题日益严重，缓解能源危机和减少大气污染已成为能源可持续发展中迫切需要解决的问题，因而以集中式利用高碳化能源为特点的传统能源利用模式将难以持续。随着可再生能源发电技术以及互联网信息技术的快速发展，提出构建以深入融合可再生能源与互联网信息技术为特征的能源互联网将是实现能源清洁替代和可持续发展的关键所在。发展能源互联网将从根本上改变对传统能源利用模式的依赖，推动传统产业向以可再生能源和信息网络为基础的新兴产业转变。相比于智能电网，能源互联网更加强调多种能源形式间的综合互补利用，是一个以电能为主体形式、以智能电网为主要载体的能源生态系统。本文从能源互联网的内涵及特征出发，以电网为枢纽，对能源互联网体系中电气化交通网与电网协调规划、天然气网与电网协调规划、热-电联合系统的研究现状进行分析。另外，从可再生能源发电技术、智能输电网技术、储能技术、互联网信息技术、系统规划分析技术5 个方面，分析需解决的关键技术领域，为后续开展能源互联网的相关研究提供参考。方法：（1）电气化交通网-电网协调规划研究：随着未来电动汽车的普及率大幅提高，交通网络将逐步走向电气化；此外，汽车到电网（vehicle to grid，V2G）技术将电动汽车和电网智能地结合起来，被视为解决电网效率低和大规模可再生能源接入电网引起间歇性、波动性问题的有效措施。因此，这两方面都将促使电气化交通网与电网的联系愈加紧密。然而，由于电动汽车充电的随机性、无序性，可能会带来电能质量恶化、增加电网运行优化控制难度等影响，如何实现交通网和电网的协调规划是构建能源互联网中的重要研究课题。目前关于充电设施规划的大多数研究中忽视了交通流量和交通路网规划等重要影响因素，未来能源互联网中的充电设施规划不仅要考虑与电网规划相协调，而且还应与地区总体规划和交通路网规划相协调。（2）天然气网-电网协调规划研究：相比于煤炭等传统化石能源，天然气在环境效益方面具有明显优势，加上化石能源日益匮乏，未来燃气发电所占比重将会显著提升，天然气网与电网规划之间的联系将日益紧密。在能源互联网中，燃气发电作为清洁能源发电，是实现能源互联和高效利用的重要环节，研究考虑融合天然气网和电网的协调规划具有重大价值。目前，国内外关于天然气网与电网协调规划研究较少，并且在实际中天然气网与电网也一般由不同实体负责。此外，在电力市场环境下，网络协调规划还面临电源建设不确定性、负荷增长不确定性等因素，因而考虑计及各类不确定性因素下的天然气网-电网协调规划将是后续研究的热点与难点。（3）热-电联合系统：在能源互联网中，热能是终端能源消费的重要部分。随着以电代煤、以电代油的能源消费新模式的开发利用，电能转化为热能的比例将逐步提升。电能易传输而大量存储较难，在远距离输送和大范围优化配置上具有优势；热能存储相对简单而传输较难，存储上具有明显优势。电网与热网的物理特性互补，使热-电联合系统的调节能力和灵活性增强。而对于电网、热网这种传统供能系统，目前处于各自规划、独立运行状态，系统之间缺乏协调，不利于从总能源供应层面实现能源清洁与高效供应。目前大多数研究仅侧重于电网或热网的其中一面，未从全局角度充分利用电网、热网互补特性。关键技术：（1）可再生能源发电技术清洁替代和电能替代表明“以清洁能源为主导、以电为中心”的能源格局将是能源消费与变革的必然。以清洁能源为主导的可再生能源发电技术的突破是构建能源互联网的动力之源，可再生能源发电技术主要包括有集中式与分布式风电、太阳能发电技术，运行控制技术，能量转换技术等。（2）智能输电网技术在以智能电网为主要载体的能源互联网中，可再生能源将成为发电主体，而智能输电网技术是实现大规模可再生能源发电外送和能源资源大范围优化配置的关键技术手段，该技术主要是围绕电网输电各环节，重点在先进输电材料与设备，输电能力以及输电经济性、灵活性、安全性、环境友好等方面进行研究。（3）储能技术大容量、规模化储能技术是实现能源利用形式多样化、提高能源利用效率中的关键环节，在能源互联网中开发利用多种储能技术对整个系统的稳定性具有重要作用。大规模可再生能源接入电网所带来的非线性随机波动特性，将会影响整个系统的安全性、经济性、灵活性。据此，需要在能源网络中配置大容量储能系统来平滑可再生能源发电的间歇性和波动性，而且在能源互联网背景下对储能系统的储能材料、储能元件寿命、存储效率以及能量密度等方面要求也更高。（4）互联网信息技术在能源互联网中，互联网信息技术负责能源信息的识别、采集、分析、传送、管理等方面，是实现多种能源合理调配的关键。能源互联网是信息与能源系统融合的多种能源互联网络，具有通信设备繁多（包括发电设备、各种智能负载等）、通信信息内容复杂、信息数据处理量大等特点。为适应能源互联网的发展，迫切需要在互联网信息技术领域取得创新和突破。（5）系统规划分析技术能源互联网是互联网信息技术和可再生能源相结合的产物，发展能源互联网涉及电力与能源、材料科学、信息通信等多个学科技术领域交叉。与传统的自顶向下的电力系统相比，能源互联网具有更广泛的开放性和更大的系统复杂性。开展能源互联网系统规划分析技术研究，用系统的思想去顶层谋划、用系统规划分析技术去研究，对构建双向互动、自治高效的能源互联网体系具有重大价值。结论：能源互联网为大规模清洁能源开发利用与共享、优化能源结构等方面提供了科学的技术方案。本文从能源互联网的特征以及国内外关于能源互联网的研究现状出发，指出电网规划有必要与充电设施规划、天然气网规划等协调进行，并且发展电网和电气化交通网的协调规划理论、研究计及各类不确定性因素的天然气网和电网的协调规划、研究热-电联合调控机制及协调优化调度策略等方面将是能源互联网建设中的重点突破方向。能源互联网涉及领域众多，发展能源互联网应从可再生能源发电技术、智能输电网技术、储能技术、互联网信息技术、系统规划分析技术方面进行突破，从而为未来能源互联网的发展提供技术支撑。

来源出版物：电网技术, 2016, 1(1): 105-113

入选年份：2017