“双碳”目标下新能源电力系统的关键技术分析

吴文龙 戚思源 朱 慧 周 艳

（国网江苏省电力有限公司盐城市大丰区供电分公司）

0 引言

在当前电子信息技术不断应用发展的背景下，市场对电能的需求不断增加。为实现更加稳定的电能供应，同时也要保证电力系统整体的安全运行，需要耗费大量的能源。以新能源代替传统的发电方式，有利于减少一次能源的消耗，符合可持续发展的目标。对“双碳”目标下的新能源电力系统关键技术进行分析，有利于保障新能源电力系统的运行安全，在提升电力系统的运行质量和效果方面具有积极的意义。

1 新能源电力系统电压稳定技术

1.1 电压稳定分析方法对比

1.1.1 传统电压稳定分析方法

在以往电力系统的运行中，主要应用静态电压稳定分析、动态电压稳定分析以及非线性动力学分析法来实现对电压稳定的分析。以动态电压稳定分析方法为例，其中比较有代表性的是小干扰分析法。该方法强调通过电力系统的微分代数方程来构建电力系统的状态矩阵，进而实现对系统电压稳定状态的分析：

式中，x代表系统状态变量；y代表系统代数变量；p代表系统控制变量。

对在平衡点的方程进行线性化处理，再将其中的代数变量消去，可以得到系统标准状态下的方程：

式中，J代表系数矩阵。

尽管从理论角度来看，该方法能够依据线性化处理微分方程来实现对电力系统的状态分析，但由于系统本身涉及到的元件数量较多，不同元件对系统稳定性的影响也不同，再加上以这种方法建模也存在一定难度，因而仍需要不断进行研究和优化。

1.1.2 新能源电压稳定分析方法

在新能源并网后，主要通过对新能源电力系统简化处理的方式构建等效的电力系统简化模型，实现新能源并网对电压稳定性影响的分析。当前常见的风机等效模型见表1，基于不同的分析需要，可以构建不同的等效模型［1］。

表1 常见风机类型及等效模型

光伏发电系统则以光伏列阵、直流电容、逆变器及其控制模块为主，如图1所示，对光伏发电等效模型进行构建。

图1 光伏发电系统结构

基于这一结构，考虑光伏发电系统主要有功率控制和逆变器控制两种控制模式，构建等效模型主要从逆变器控制方式入手，在电流控制方面以PI节点转化为PQ节点为等效模型；在恒功率因数控制方面，以PQ节点等效模型为主；在恒电压控制方面，以PV节点为等效模型。

1.2 新能源电力系统电压稳定技术应用

1.2.1 大扰动电压稳定

在新能源电力系统中应用电压稳定技术，首先可以解决大扰动电压稳定的问题。某电力系统应用WSCC3机9节点系统，将新能源接入节点3设定为PQ节点，将电力系统原有的常规发电机替换为新能源机组。在架设某节点时发生三相短路故障，故障持续时间为0.2s的情况下，首先基于节点系统列出系统完成的节点导纳矩阵，然后并入负荷等效阻抗和发电机同步电抗进行计算，基于发电机分群理论，将节点导纳矩阵中的无关节点及时消除，仅保留发电机节点，则可以通过计算得到收缩到发电机节点的导纳矩阵见表2。

表2 节点系统收缩到发电机节点的导纳矩阵

将该导纳矩阵中常规机组节点2的部分消去后，可以得到：

式中，Y′WW代表消去常规机组节点后等效网络模型的节点导纳矩阵；G′WW代表风电机组节点架设的电导矩阵；B′WW代表风电机组节点架设的电纳矩阵。

在替换常规机组的新能源机组功率超过103MW时，系统如果发生大扰动故障，系统的功角仍能够保持稳定的状态，但电压难以恢复平衡状态，因而会逐渐失去稳定。

1.2.2 小扰动电压稳定

针对小扰动电压稳定的情况，仍以WSCC3机9节点系统为例，以P-V曲线分析方法考虑小扰动情况对电压稳定状态的影响。将电力系统中的某一常规发电机替换为新能源机组，将该机组位置的节点设定为PQ节点，小扰动负荷变化为1%，应用同样的方法对新能源机组的最大替换功率进行计算，可以得到替换功率的最大值为212MW。在设定保持传统机组、替换为风电和替换为光伏三种情况的前提下，通过仿真实验来进一步分析小干扰下的电压稳定情况，研究表明传统电力系统静态电压的稳定极限点要超过新能源电力系统，而在新能源不断注入的情况下，系统的有功裕度呈现出逐渐减小的发展趋势［2］。

在“双碳”目标的影响下，以新能源来代替传统发电机组，能够在节约煤炭资源的同时，节省用于驱动发电机组的电能功率，进而达到控制和减轻碳排放的目的。

2 新能源电力系统数字化与智能化技术

2.1 数字化技术

数字化技术也是新能源电力系统中应用的主要技术之一，借助数字化技术，电网企业可以通过构建一体化网络平台的方式，为平衡电力行业电力供需关系提供更为便利的途径和方式，有利于优化能源的配置，在保障电力供应稳定性的同时，也能够为加强区域间的能源合作奠定良好的基础［3］。具体而言，在新能源电力系统中应用数字化技术，能够基于全域物联网的建设，借助各类传感器以及数据采集设备，采集电力行业运行发展涉及到的各类原始数据，进而对数据进行多角度的综合分析，将分析的结果用于指导企业的生产经营和优化企业的生产流程，如图2所示。

图2 电力大数据应用分类

在此基础上，基于电力企业实际的应用场景来深入挖掘收集数据的价值，结合用户用电和缴费情况，借助大数据构建用户画像，为用户提供个性化服务。同时，将大数据技术与电力信息和市场发展结合起来，实现对电力系统设备运行故障的及时诊断和综合评价，有效保障电力系统以及企业整体的运行安全。

在“双碳”目标的影响下，从深入了解客户的用电量特点角度出发，提高对电力市场发展情况的预测精度，以此来推动电力企业业务模式的改进，有利于保障电力供应的稳定性。以推动电力系统数字化转型的方式，在降低用户用电成本，提升用户电网服务满意度的同时，也有利于借助数据实现用电需求的分析，进而制定更节约环保的业务运行模式和程序。

以某电网企业为例，在引入新能源电力系统后，基于大数据技术的应用，该企业2020年的电网线损率为5.59%，比2019年下降了0.21%；2020年万元产值综合能耗0.129吨标准煤／万元，比2019年万元产值综合能耗下降了3.7%，可再生能源发电利用率2020年达到99.8%，比2019年提高0.3%。基于此，可以发现该企业在能源节约和生态环境保护工作方面取得了显著的效果，是符合 “双碳”目标要求的，能够推动新能源电力系统和企业自身的有效发展。

2.2 智能化技术

智能化技术在新能源电力系统中的应用，主要能够满足对电力系统运行情况进行管理和监测的需要。在“双碳”目标的影响下，以构建新能源电力智能化系统为主要目的，主要围绕电网实时数据采集和共享平台、数据集成和数据挖掘应用平台、业务集成应用平台来实现对系统软件架构的设计开发。

具体而言，以满足电力系统运行安全和效率为主要目标，将智能化系统分为决策支持层、实时监管层和专业应用系统实时监测层三个部分。其中，决策支持层主要借助智能分析、计算方法和决策信息模型来为电力系统的运行提供决策指导；实时监管层主要基于传感器等设备来实现对电力系统设备运行状态的监管和控制；专业应用系统实时监测层则基于电网物理系统，以专业应用来实现数据的整合与应用集成，主要负责对专业系统进行实时监测［4］。

该系统中体现的智能化技术，主要包括软件总线技术、业务集成平台以及智能化工作流引擎平台。系统软件总线结构如图3所示，该技术能够满足统一接口标准和统一权限控制的要求，也具有数据存取和控制的功能，能够将系统权限管理、报表管理、信息综合查询等功能集成到总线系统当中，使相关的软件应用开发人员能够将精力集中到设计和业务开发的模块，在提升软件系统开发效率的同时，降低系统投入后期的维护量。

图3 软件总线图

业务集成平台作为一个基础应用平台，能够基于独立的MRC技术来保证平台整体运行的安全性和稳定性。在该平台的运行中，各项具体的业务功能主要以构件的形式存在，在平台与服务器之间无明显关系时，可以直接由平台来对构件的生命周期进行统一管理，能够实现对各类业务构件运行状态的实时监测。

智能化工作流引擎平台的构建，主要依赖于工作流引擎技术，在业务功能模块以及业务引擎两个主要的模块中，不仅可以满足系统的业务开展需求，同时也能够提供丰富的外部接口，满足流程建模、流程部署、流程的运行控制等功能。这一工作流引擎能够从业务管理的角度出发，帮助企业构建更符合其自身特点和需求的业务流程管理系统，推动电力企业管理线路朝着更加规范化和标准化的方向发展。在平台运行中，其能够依据对用户需求进行调研分析的结果，对风光储能相关的业务流程进行梳理，以流程重组和再造的方式，构建基于平台业务内容的逻辑模型，能够为企业信息资源的有效整合提供更为便利的方式。除此之外，基于新能源特色的数据集成和共享平台的建立，也能够体现出智能化技术的应用优势，借助数据库实现对各类异构数据的有效整合，搭建系统应用数据中心，推动企业信息管理朝着一体化的方向发展。

3 结束语

综上所述，新能源电力系统已经成为当前电力行业发展的主要方向和趋势之一。在双碳目标的要求和影响下，电力行业企业应结合自身的发展情况，积极发挥各类先进技术的作用，以更高质量的技术开发，保障和提升新能源电力系统的运行效果。为推动电力企业的转型发展，在技术转型和优化升级的过程中，也应充分发挥电力系统关键技术的作用，注重提升电力市场以及碳市场各个环节的效率，从而更好地推动社会的发展。