新能源接入的新型电力系统优化控制方法及关键技术研究

新能源接入的新型电力系统优化控制方法及关键技术研究

张良君

中国水利水电第七工程局有限公司 四川成都 610000

摘要：新能源接入的新型电力系统优化控制对于保障电网安全的意义重大，在本次研究中，本文将以新能源为研究对象，在建立模型之后，通过模型分析方法对新型电力系统优化控制效果进行判断，并阐述了模块化运算、集群划分方法等内容，并根据实际算例对该优化方案的可行性做出评估，最后介绍了几种常见的控制方案，对于如何减少能源大规模接入对电网的影响提出了相应的工艺方案，希望为保障电力系统平稳运行奠定基础。

关键词：新能源接入；电力系统；集群电压

前言：在当前我国电网建设中，新能源接入是其中无法忽视的关键性问题，随着各地区新能源项目建设的开展，风电、光电等在当前能源体系中的占比不断增加，显著减少了电力生产中二氧化碳等物质的排放，对于实现社会可持续发展的意义重大。但是面对当前新能源接入的相关要求，传统的电力系统优化控制方法已经不再适用，这就要求工作人员能对电力系统控制技术进行改进，这也是本文研究的目标。

1.新能源接入的模型构建

1.1集群性性能指标分析

在新型电力系统优化控制过程中，为保障每个集群内的电压得到有效控制，所以本文基于新能源接入系统配置的要求，本文将综合考虑不同节点间电气距离与集群电压调节能力的影响，最终形成完成的评价体系。同时在传统的计算方案中，因为常规算法无法在节点k处无功变化做出响应，不同节点之间电气距离的影响不容忽视。所以在本次运算中，将会从电压控制稳定性入手，基于无功功率－电压灵敏度矩形来定义电气距离，其中的运算过程如公式（1）所示。

公式（1）

在公式（1）中， 表示电气的输送距离； 代表节点i处电压值对j节点注入有功功率的灵敏度情况。

在数据计算过程中，新能源接入后对新型电力系统的影响是无法忽视的，期间可通过无功功率补偿期间与PV单元来增强整个新型电力系统的故障控制能力，最终将目标地区的电压维持在相对稳定水平，此时以新型电力系统集群为例，理想状态下新系统的电压调节能力可以按照公式（2）进行运算^[1]。

公式（2）

在公式（2）中， 代表集群的电压控制水平，表示为电压控制的最终结果，理想状态下 的变化幅度应维持在较低水平，这样才能保证电力系统运行稳定性。 代表新能源装置的无功补偿能力； 是指新能源单元的功率缩减下的电压调节参数。

1.2模块化运算

在模块化运算过程中，将Q用于定义整个新型电力系统的网格质量，最终判断最优化的目标函数，此时的Q与 之间存在相关性，其中的关系如公式（3）所示。

公式（3）

在公式（3）中，Q代表集群性能指数，该数据的上限为1，最终计算结果越大，则证明集群划分质量越高，新型电力系统中各个节点之间的连接越紧密；A为权重矩阵，此时 代表在新能源接入之后，节点i与节点j之间存在着相互影响关系； 代表节点i的电网权重值；m为节点总权重； 代表了节点j的电网权重值； 是指电网中的节点i与节点j处于一个集群中。

为了能够判断新能源接入后的电力系统控制效果，根据模块化的电气指标完成运算，根据计算结果有助于正确分配无功补偿器件与每个可控的新能源单元等，最终完成了电力系统的优化控制。

1.3集群划分方法

在本次研究中可借助禁忌搜索算法来完成集群划分后，划分后的数据可以使Q无限接近于1。根据相关学者的研究可知，在新型电力系统中假设新能源接入的集群划分方案可以用G来表示，而G的位数与配电网分支数之间存在相关性，根据G集群中的元素变化情况能够判断其中的关联分区结果，反之亦然^[2]。所以在集群划分中，可以假定每个新能源接入线路/装置均为一个节点，通过维持集群中节点之间的连通性，最终有效约束集群中的限制条件，保证电力系统完整性。

2.优化方案分析

在新型电力系统优化控制中，维持电压的稳定性对于保障系统安全的意义重大，所以在新能源接入的情况下，应充分考虑到其他因素对电网稳定性的影响。本文将以典型的新能源接入节点为配电网拓扑架构，本文将对配电网结构优化方案进行改进。

2.1设定目标函数

从数据运算来看，为了能够实现新型电力系统优化控制效果，在目标函数计算中将结合新能源接入与电网功率损耗最小值为控制方案，其中的数据计算如公式（4）所示。

公式（4）

在公式（4）中，C为功率最小损耗值； 是新能源接入后的发电收益情况（包括政府在此项目中所提供的能源补贴）； 代表新能源系统的发电损失； 为电力系统的有功功率价格； 为电力系统中的有功损耗水平。

2.2节点电压约束

在计算节点电压约束条件中，可以按照公式（5）来判断其中的数据关系情况。

公式（5）

在公式（5）中， 代表节点电压允许的最大偏差值；

代表变电站出口电压参数； 为j节点的电压值。

2.2集群电压优化控制方案分析

现阶段实现电力系统优化控制的方法分为很多种，从不同控制方法的应用效果来看，分群自治优化与群间分布优化方法的基础是网络分离技术，在该技术中可以借助分解协调来判断网络分离方案的可行性。在控制方案中，采用上游集群控制方法时，边界节点可以直接被复制在下游集群中，这种处理方法的优点就是实现电网系统中的虚拟平衡，并且在群间线路的上传输功率属于上游边界节点的虚拟负荷功率，因此在上述处理工艺中网络分离的数据处理过程如图1所示。

图1 网络分离流程图

在图1介绍的数据计算流程中，相邻集群的边界节点电压等式的约束，并且集群间线路集合、上下游集群边界节点的电压值以及上下游集群边界节点的虚拟负荷功率以及无功功率都是重要影响因素。

同时为避免造成群内调压资源出现过量投入现象，在本次研究中将根据电力系统集群接入情况，其中电压优化控制可借助交替更换的方法，根据虚拟平衡节点的电压迭代节点电压的最优解^[3]。

3.算例结果研究

3.1基本信息阐述

为判断本文的研究方案的合理性，本文以某新型电力系统为研究对象，对新能源接入情况进行判断。在案例项目中新能源接入机组的总安装容量达到了2.22MVA，将其均匀分布在新电力系统的18个节点上，其中包括12个节点输入功率可控制，剩余为静态无功补偿装置。

3.2集群划分结果分析

本次研究中将结合禁忌搜索的方法来寻找到模块化指数最大的路线分群方案，并借助约束条件对集群内的数据做出判断。在经过本次运算后，计算出电力集群中的节点最小数量仅为4个，在新能源接入之后，新型电力系统受到潮流变化的影响不容忽视。

同时在本次研究中，为了能够更深入地评估新型电力系统的质量性能，本文将定义多个负荷场景，并计算出性能指标Q。按照上述结果的运算方法，最终计算显示，在负荷功率为－700kW～1000kW的范围内，Q的计算结果的取值范围从0.712-0.837之内，整个系统的数据波动不明显。

3.3集群电压的优化结果分析

在判断电压稳定性，在本次研究中将结合某一特定的时刻的极端电压为研究对象进行数据分析，统计每个节点的电压统计结果来看，电力系统中的反向有功功率达到了1.2MW；新能源接入系统现状来看，新能源电力系统的输出功率达到了总安装量的75%左右，达到了预期效果。

而在无控制条件下，整个线路上的节点电压检测结果发现了过电压问题，再对系统做集群自治优化控制，并在综合考虑虚拟平衡节点电压的数据参数，统计节点电压分布。最终计算结果显示，系统中的地过电压问题得到明显改善，群内过电压问题得到有效改善。取得了预期效果。

4.减少新能源大规模接入对电网影响的对策

4.1做好数据模拟与功率预测

因为光能与风能本身具有随机性，自然气候的变化可能会对电能生产效果产生影响，所以为了能够降低对电网的影响，则需要提升不同气候条件下的电网预测与评估能力，不仅要寻找出引发误差的原因，提升预测结果的精准度，在条件允许的情况下可以构建数据计算模型。同时为了能够提升检测结果的精准性，工作人员也可以借助人工智能技术来对未来输电系统的运行状况进行判断，例如通过人工智能技术对典型的气候过程进行判断等^[4]。或者可以借助人工智能建模技术等，在数据模型中增设有硬件设备，如在处理装置中增加有关气象卫星接收装置等，根据气候温度变化情况做好数据预测，并根据气候特征判断对发电系统运行的影响等。或者利用大数据技术来构建历史模拟数据，判断不同气候条件下的发电量情况，形成新能源供给波动与效率之间的关系。同时在数据处理过程中，能够从项目所在地的地理特征以及环境特点来判断可能出现的发电量变化情况。在数据处理中可以采用基于波动过程进行辨识，提升预测结果的精准度。

4.2并网安全稳定策略

为了实现新能源发电单元运行稳定性，则可以通过发电仿真单元以及场站仿真模型与参数库等方法对发电过程进行现场模拟分析，此时借助系统仿真还原方法，坚持通过仿真系统检测结果来还原可能出现的电力系统拖网事故情况，根据现场模拟结果来模拟出电网的运行过程，根据分析结果来判断并网边界要求开展电网适应性等并网试验等，根据试验结果提升并网的稳定性。同时在当前并网结构的基础上，可在新能源场站的基础上增设支撑控制系统，该系统的功能是快速响应新型电力系统的电压以及频率等数据，坚持通过系统快速响应的方法，维持电力系统稳定性，能够顺应可能出现的频率或者电压参数异常变化情况。

4.3离线状态的在线分析，保证能源调度的灵活性

现阶段我国新能源接入已经具有一段时间的发展历史，但是在系统运行中依然存在严重的弃光以及弃风现象，造成了能源浪费。所以为了能够避免此类问题发生、达到优化资源使用的目标，应坚持新能源与火力发电优化配置的设定方案，这种设定方案的优点就是要实现新能源的可调度性。在系统应用中，通过新能源发电的在线与离线分析结果，借助概率运算方法来分析系统运行过程中可能出现的不确定性问题。通过分析、监控电网运行过程中可能出现的运行风险问题，通过实时跟踪电网运行状态之后，根据实时电网数据，形成最优化的电网运行参数表，避免电力系统出现严重的电压波动问题。

结束语：在新能源接入背景下，新型电力系统优化控制对于保障电网稳定运行的意义重大。结合本文的研究结果可以发现，根据新能源接入的要求，相关人员应深入了解集群电压参数等指标对电网稳定性的基础上，寻找到多种有助于减少电压波动的措施，这样才能进一步提升系统运行稳定性，将其作为保障电力系统平稳运行的关键点，这样才能提升电力系统的质量，保证电网正常运行。

参考文献：

[1]姜念.电网规划中的新能源接入影响分析[J].科技视界,2021(21):55-56.

[2]龚浩岳,周勤勇,郭强,等.高比例新能源接入场景电力系统频率分析模型改进与应用[J].电网技术,2021,45(12):4603-4612.

[3]胡宏彬,丛雨,曹斌,等.新能源接入地区电网联合仿真平台构建研究[J].内蒙古电力技术,2021,39(01):6-9.

[4]王博,杨德友,蔡国伟.高比例新能源接入下电力系统惯量相关问题研究综述[J].电网技术,2020,44(08):2998-3007.