陳啟卷，劉宛瑩，呂怡靜，柳無(wú)雙，鄭 陽(yáng)

(武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072)

隨著通信技術(shù)跨領(lǐng)域的發(fā)展與第四次工業(yè)革命的發(fā)起，以化石能源集中式利用為特征的傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展模式正在逐步發(fā)生變革，世界進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代——能源互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。能源互聯(lián)網(wǎng)是一種全新的智能能源體系，利用互聯(lián)網(wǎng)思維及技術(shù)，融合“遠(yuǎn)距離、大容量”能量傳輸技術(shù)和新型可再生能源，可實(shí)現(xiàn)提高清潔能源電網(wǎng)滲透率、靈活多源協(xié)調(diào)互補(bǔ)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)源交互等發(fā)展目標(biāo)，并提出未來(lái)能源系統(tǒng)將在清潔低碳、安全可靠、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉矛盾中平衡的發(fā)展方向[1]。

能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的本質(zhì)便是利用互聯(lián)網(wǎng)思維改善電網(wǎng)輔助服務(wù)能力，為電網(wǎng)賦能，改善間歇性能源電網(wǎng)滲透率增高帶來(lái)的問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛對(duì)接入間歇性能源后復(fù)雜的電網(wǎng)特性[2]、電力系統(tǒng)靈活規(guī)劃、調(diào)度、控制方法[3]、分布式能源消納技術(shù)[4]、多能互補(bǔ)技術(shù)[5]等開展了有益的探索研究。

本文從水電與新能源協(xié)同運(yùn)行的角度尋找了多能源協(xié)調(diào)發(fā)展方向及關(guān)鍵技術(shù)，以促進(jìn)傳統(tǒng)電網(wǎng)轉(zhuǎn)型能源互聯(lián)網(wǎng)。綜述了能源互聯(lián)網(wǎng)形態(tài)下多元融合高彈性電網(wǎng)的相關(guān)概念、基本特征和重要技術(shù)應(yīng)用，并強(qiáng)調(diào)了水電與新能源在此趨勢(shì)下的發(fā)展方向及研究重點(diǎn)；著重分析了水電在能源互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)承擔(dān)的角色和需發(fā)揮的作用，并提出水電與虛擬電廠技術(shù)、網(wǎng)源協(xié)調(diào)調(diào)度技術(shù)、控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合的思路。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)形態(tài)下多元融合高彈性電網(wǎng)

1.1 能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷史及概念

面對(duì)日益嚴(yán)重的能源問題和環(huán)境問題，開發(fā)利用可再生能源已成為世界各國(guó)保障能源安全、應(yīng)對(duì)氣候變化、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的共同選擇。但是由于部分可再生能源發(fā)電如太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等具有間歇性、波動(dòng)性及不確定性，其大規(guī)模接入電網(wǎng)將對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生沖擊，因此促使傳統(tǒng)的能源網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型為能源互聯(lián)網(wǎng)至關(guān)重要[1]。

1970年，Richard Buckminster Fuller在World Game simulation大會(huì)上提出形成全球能源網(wǎng)絡(luò)為世界發(fā)展的首要任務(wù)之一，并引出了能源互聯(lián)網(wǎng)的概念。1986年，Peter Meisen正式開啟了全球能源網(wǎng)絡(luò)建設(shè)計(jì)劃(GENI)，開展了分布式新能源并網(wǎng)的相關(guān)研究。2003年，美國(guó)及加拿大發(fā)生大停電事故，該事故警醒各國(guó)學(xué)者應(yīng)開展更多新能源并網(wǎng)的實(shí)踐性探索，首次明確了能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)為一個(gè)智能、安全穩(wěn)定、可自愈、且實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)控制的能源網(wǎng)絡(luò)。2011年，Jeremy Refkin在《第三次工業(yè)革命》一書中指出能源互聯(lián)網(wǎng)是第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志，首次構(gòu)建了能源互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)體系，闡述了能源互聯(lián)網(wǎng)的基本特征，引發(fā)了能源互聯(lián)網(wǎng)在全球的研究熱潮[6]。經(jīng)各國(guó)學(xué)者研究實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，能源互聯(lián)網(wǎng)為實(shí)現(xiàn)多能并融、供需協(xié)作、物理信息融合的電網(wǎng)提供了全新的思路。

國(guó)內(nèi)能源互聯(lián)網(wǎng)研究起步較晚，但近年來(lái)發(fā)展迅速。2014年，國(guó)家電網(wǎng)公司董事長(zhǎng)劉振亞提出能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)質(zhì)就是“特高壓電網(wǎng)+智能電網(wǎng)+清潔能源”，是清潔能源大規(guī)模開發(fā)、大范圍配置、高效利用的重要平臺(tái)。2015年3月，在聯(lián)合國(guó)發(fā)展峰會(huì)上，國(guó)家主席習(xí)近平宣布將能源互聯(lián)網(wǎng)由戰(zhàn)略構(gòu)想上升為國(guó)家倡議。2016年3月，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局和工業(yè)和信息化部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出了未來(lái)10年中國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展藍(lán)圖，進(jìn)一步奠定了未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展模式。2017年，國(guó)家能源局公布了首批55個(gè)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源(能源互聯(lián)網(wǎng))示范項(xiàng)目，能源互聯(lián)網(wǎng)在國(guó)內(nèi)由概念走向?qū)嵺`。2019年，清華大學(xué)等單位主辦以“泛在能源、智慧互聯(lián)”為主題的“2019國(guó)家能源互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)”，能源領(lǐng)域的諸多專家在會(huì)上討論了能源互聯(lián)網(wǎng)在我國(guó)的推進(jìn)態(tài)勢(shì)，展望了我國(guó)日后能源結(jié)構(gòu)的變革趨勢(shì)和轉(zhuǎn)型前景。隨著能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型速度加快，構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)已成為我國(guó)能源體系發(fā)展的重要方向[7]。

1.2 能源互聯(lián)網(wǎng)特性

能源互聯(lián)網(wǎng)是在現(xiàn)有電網(wǎng)基礎(chǔ)上融合大量分布式可再生能源發(fā)電裝置和分布式儲(chǔ)能裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)能量和信息雙向流動(dòng)的電力對(duì)等的互聯(lián)共享網(wǎng)絡(luò)。具備可再生、儲(chǔ)能設(shè)備增多、移動(dòng)能源攀升、分布式、互聯(lián)性、開放性、智能化等多種特征[1]，如圖1所示。

圖1 能源互聯(lián)網(wǎng)的基本特征圖

1)可再生。水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽艿瓤稍偕茉磳⒊蔀槟茉椿ヂ?lián)網(wǎng)的重要能源市場(chǎng)。

2)儲(chǔ)能設(shè)備增多。電化學(xué)能、物理勢(shì)能、電磁能、相變能等儲(chǔ)能技術(shù)將進(jìn)一步廣泛應(yīng)用于能源互聯(lián)網(wǎng)中，以平抑間歇性能源產(chǎn)生的功率波動(dòng)[3]。

3)移動(dòng)能源攀升。以電動(dòng)汽車、氫燃料汽車為代表的移動(dòng)能源成為新的電能、化學(xué)能的存儲(chǔ)及消耗對(duì)象，成為不同區(qū)域間能源交互的新途徑[1]。

4)分布式。由于可再生能源的分散特性，以及當(dāng)前技術(shù)條件不夠成熟和市場(chǎng)體制不夠健全的現(xiàn)狀，因地制宜地利用可再生能源，推動(dòng)可再生能源的分布式開發(fā)，成為當(dāng)下利用開發(fā)可再生能源的重要發(fā)展方向。

5)互聯(lián)性。能源互聯(lián)網(wǎng)將存在大量微網(wǎng)、虛擬電廠等可控的分布式單元，這些分布式單元需要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，以平衡能量的供給與需求。發(fā)展可再生能源并網(wǎng)技術(shù)更關(guān)注微網(wǎng)之間的信息、能量交互技術(shù)，它是實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的重要前提。

6)開放性。能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該是一個(gè)對(duì)等、扁平和能量雙向流動(dòng)的能源共享網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電裝置、儲(chǔ)能裝置和負(fù)載“即插即用”。

7)智能化。能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)完成數(shù)字化、智能化改革，引入人工智能，代替人腦做海量數(shù)據(jù)優(yōu)化、分析、判斷、決策，及時(shí)、有效、準(zhǔn)確地對(duì)能源的供需曲線進(jìn)行判斷和管控。

1.3 間歇性能源并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

間歇性能源具有不確定性及可變性，并網(wǎng)后將對(duì)電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性造成影響。首先，由于間歇性能源主要通過電子設(shè)備而非傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)，電網(wǎng)的機(jī)械慣性下降。而電網(wǎng)的機(jī)械慣性對(duì)于擾動(dòng)發(fā)生的初始數(shù)秒的動(dòng)態(tài)響應(yīng)至關(guān)重要，慣性降低將導(dǎo)致電網(wǎng)頻率變化速度增加，系統(tǒng)頻率過快地到達(dá)低谷值或峰值，進(jìn)而影響后續(xù)調(diào)頻及整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其次，目前電力系統(tǒng)的調(diào)度規(guī)則、控制規(guī)則早在建造之初就根據(jù)經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性設(shè)定完成，隨著電網(wǎng)大環(huán)境的轉(zhuǎn)型、可再生能源滲透率的升高，既定電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)則將不再適用。在可再生能源乃至間歇性能源高滲透率的能源互聯(lián)網(wǎng)中，需通過新能源出力預(yù)測(cè)、網(wǎng)源協(xié)調(diào)控制和調(diào)度等手段協(xié)助電網(wǎng)保持可靠[8]。

1.4 多元融合的高彈性電網(wǎng)

傳統(tǒng)電網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型將面臨管理難度增大、提效手段匱乏、平衡能力降低、市場(chǎng)化難度增大的困境。針對(duì)上述問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)界對(duì)增加電網(wǎng)的韌性、靈活性等進(jìn)行了相關(guān)研究，提出了多元融合高彈性電網(wǎng)的概念。

1973年，加拿大生態(tài)學(xué)家C.S.Holling將韌性概念引入生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域，即衡量系統(tǒng)在超出規(guī)劃預(yù)期的極端風(fēng)險(xiǎn)事件和故障下自適應(yīng)地減少故障損失、并在擾動(dòng)后盡快恢復(fù)正常的能力，之后此概念被擴(kuò)展至工程領(lǐng)域。在電網(wǎng)中，系統(tǒng)的韌性控制措施可分為事前的預(yù)防控制、事中校正控制及事后的恢復(fù)控制[9]。

文獻(xiàn)[9]總結(jié)出靈活性為衡量電力系統(tǒng)對(duì)節(jié)點(diǎn)功率注入不確定性的接納能力。文獻(xiàn)[10]提出了電力系統(tǒng)靈活性的五大特征：方向性、多時(shí)空特性、狀態(tài)相依性、雙休轉(zhuǎn)化性和概率特性。文獻(xiàn)[11]提出虛擬電廠可為電網(wǎng)提供靈活性空間，文獻(xiàn)[12]提出多能互補(bǔ)技術(shù)能為電網(wǎng)提供綜合靈活性，在二次調(diào)頻中應(yīng)用了基于sooty terns optimization algorithm (STOA) 優(yōu)化算法的模型預(yù)測(cè)控制方法。

文獻(xiàn)[9]首次結(jié)合韌性與靈活性的定義，提出了更為廣義的高彈性電網(wǎng)的內(nèi)涵，以及對(duì)抗外部干擾，維持原狀態(tài)的能力，其認(rèn)為高彈性是系統(tǒng)面對(duì)外部變化表現(xiàn)出來(lái)的各要素自組織、自趨優(yōu)、自適應(yīng)的能力，以經(jīng)濟(jì)的方式使電力系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)，進(jìn)而獲得最優(yōu)效率。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)建設(shè)多元融合高彈性電網(wǎng)的相關(guān)研究熱點(diǎn)主要包括提高電網(wǎng)清潔能源承載能力、提升電網(wǎng)分布式能源消納能力、電網(wǎng)極端事件應(yīng)對(duì)及自愈方法、設(shè)備的安全穩(wěn)定高效運(yùn)行技術(shù)、虛擬電廠技術(shù)、多能互補(bǔ)技術(shù)、網(wǎng)源協(xié)調(diào)控制和調(diào)度等。

2 水電在能源互聯(lián)網(wǎng)中的角色

2.1 水電資源的優(yōu)勢(shì)

提高可再生能源在電網(wǎng)中的滲透率為能源互聯(lián)網(wǎng)的研究目標(biāo)之一?？稍偕茉纯砂凑针S機(jī)性分為兩類，間歇性能源及非間歇性能源。間歇性能源包括風(fēng)電、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、海洋能等，出力與氣候因素關(guān)聯(lián)較大，具有控制技術(shù)尚在發(fā)展中、出力難以預(yù)測(cè)的特性。上述能源除風(fēng)電可為電網(wǎng)提供少量慣性外，其余均通過電子元件連接電網(wǎng)。因此，若提高間歇性能源的滲透率將降低電網(wǎng)慣性，進(jìn)而對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性及可靠性帶來(lái)挑戰(zhàn)。非間歇性能源主要指調(diào)控技術(shù)成熟的水電能源，水電具有效率高、靈活性好、作用大、發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)、可為電網(wǎng)提供慣性的特點(diǎn)，在調(diào)峰調(diào)頻性能上具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，且水電站的水庫(kù)庫(kù)容可以靈活調(diào)節(jié)，具有快速啟?；蛘{(diào)整發(fā)電出力的能力[13]。且目前水電總裝機(jī)容量大，是全球可再生能源的主力軍，如何充分利用水電與間歇性能源聯(lián)合運(yùn)營(yíng)成為了各國(guó)學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一，下文分別對(duì)常規(guī)水電技術(shù)及抽水蓄能技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行討論。

2.2 常規(guī)水電與多能互補(bǔ)

常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組用落差和聚集的發(fā)電流量進(jìn)行發(fā)電，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作靈活、自動(dòng)化管理程度高的優(yōu)點(diǎn)，一般只需1 min左右1臺(tái)完全自動(dòng)運(yùn)行的水電機(jī)組便可從停機(jī)狀態(tài)完成開機(jī)流程至發(fā)出額定負(fù)荷，調(diào)節(jié)速度較火電快，具有可靠且快速的一次調(diào)頻、電壓控制、旋轉(zhuǎn)備用、黑啟動(dòng)能力，長(zhǎng)期以來(lái)在電力系統(tǒng)中承擔(dān)了重要的調(diào)節(jié)責(zé)任。發(fā)揮水電的優(yōu)勢(shì)促進(jìn)可再生能源并網(wǎng)后的平穩(wěn)高效發(fā)電，對(duì)能源消納具有重大意義。

水電盡可能多地承擔(dān)峰荷，將有利于增加水電對(duì)電網(wǎng)的調(diào)節(jié)作用，即水電要擔(dān)當(dāng)起調(diào)控風(fēng)能、太陽(yáng)能等間歇性能源的重任，這將最終有利于可再生能源電力入網(wǎng)比例的最大化和電網(wǎng)系統(tǒng)的平穩(wěn)、安全運(yùn)行。文獻(xiàn)[14]研究了挪威水電作為歐洲能源系統(tǒng)的“綠色電池”，指出現(xiàn)有的水電資源和互聯(lián)能力可以為歐洲能源系統(tǒng)提供靈活性。文獻(xiàn)[15]驗(yàn)證了贊比西河梯級(jí)水電站的靈活性可以彌補(bǔ)南非風(fēng)力發(fā)電的不確定性。文獻(xiàn)[16]開發(fā)了一套水風(fēng)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)模型，為了驗(yàn)證系統(tǒng)的互補(bǔ)性，即水電對(duì)風(fēng)電變化的追趕能力，基于Matlab運(yùn)行互補(bǔ)模型研究了水電對(duì)風(fēng)力波動(dòng)的抑制作用，結(jié)果表明水電對(duì)風(fēng)力發(fā)電的變化有快速反應(yīng)的能力，即能迅速、及時(shí)地應(yīng)對(duì)風(fēng)能的波動(dòng)。文獻(xiàn)[17]提出了搭建一種考慮輸電要求和串聯(lián)水電綜合特性的大型水風(fēng)光混合發(fā)電系統(tǒng)模型的方法，形成了基于互補(bǔ)保證率(CGR)和累積時(shí)間比(CTP)的最優(yōu)容量決策方法，并利用龍羊峽電站驗(yàn)證了可行性，結(jié)果表明水電裝機(jī)容量和庫(kù)容在風(fēng)-光發(fā)電互補(bǔ)中起主導(dǎo)作用，徑流調(diào)節(jié)也可提高水電與風(fēng)能-太陽(yáng)能的互補(bǔ)性。

2.3 抽水蓄能與多能互補(bǔ)

抽水蓄能可實(shí)現(xiàn)電能與勢(shì)能的互相轉(zhuǎn)化，可利用電力負(fù)荷低谷時(shí)的電能將水從下水庫(kù)抽至上水庫(kù)轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，在電力負(fù)荷高峰期再放水至下水庫(kù)發(fā)電，對(duì)優(yōu)化電網(wǎng)資源配置意義重大，具有能量密度高、儲(chǔ)能容量大的特點(diǎn)，可利用巨大的調(diào)節(jié)庫(kù)容，較好補(bǔ)充風(fēng)力、光伏等新能源發(fā)電的波動(dòng)性和間接性，是能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展不可或缺的重要儲(chǔ)能技術(shù)。諸多研究表明，抽水蓄能與新能源協(xié)調(diào)運(yùn)行能有效彌補(bǔ)能源波動(dòng)，提升電能質(zhì)量。文獻(xiàn)[18]結(jié)合輔助服務(wù)市場(chǎng)的物理特征分析和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，以秒為時(shí)間尺度對(duì)變速抽水蓄能機(jī)組在平抑風(fēng)電出力波動(dòng)性能進(jìn)行了評(píng)估，認(rèn)為變速抽水蓄能機(jī)組不僅可以有效增加電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)也能兼顧經(jīng)濟(jì)性。周清平等分析論證了抽水蓄能電站在構(gòu)建貴州多能互補(bǔ)電力系統(tǒng)中改善火電運(yùn)行工況、減小煤耗、提高風(fēng)電及水電消納能力的作用和效益[19]。文獻(xiàn)[20]針對(duì)住宅單元設(shè)計(jì)了一種將雨水發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)光伏電池系統(tǒng)相結(jié)合的聯(lián)合系統(tǒng)，對(duì)比分析了光伏系統(tǒng)、光伏-水電系統(tǒng)、光伏-抽蓄系統(tǒng)的能源成本、過剩功率、抽水功率等參數(shù)，表明光伏-抽蓄系統(tǒng)具有水電系統(tǒng)的最佳利用能力，且儲(chǔ)水容量越多，系統(tǒng)的過剩功率越小，能源成本也隨著安裝組件尺寸的減小而減小。文獻(xiàn)[21]在研究利比亞布拉克市社區(qū)電氣化的水風(fēng)光混合電力系統(tǒng)時(shí)得出，抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)地彌補(bǔ)風(fēng)光混合動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生的能源短缺，提供約15%的能源需求。最近出臺(tái)的抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2021-2035)迎來(lái)了其大發(fā)展機(jī)遇。

3 分布式能源與虛擬電廠技術(shù)

3.1 虛擬電廠概念

虛擬電廠可定義為整合各種分布式能源，集監(jiān)測(cè)、運(yùn)行、控制、保護(hù)以及經(jīng)濟(jì)性為一體的一個(gè)電力協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)，較主動(dòng)配電網(wǎng)及微網(wǎng)而言，虛擬電廠打破了物理概念上的發(fā)電廠之間、發(fā)電側(cè)和用電側(cè)之間的界限，充分利用能源互聯(lián)、智能傳感器、大數(shù)據(jù)、智能決策等先進(jìn)技術(shù)手段，通過能量管理系統(tǒng)將上述部分有機(jī)結(jié)合，可進(jìn)一步提高新能源滲透率，為傳統(tǒng)電力系統(tǒng)邁進(jìn)能源互聯(lián)網(wǎng)的重要步驟[22]。

3.2 虛擬電廠研究方向

虛擬電廠是一種通過先進(jìn)信息通信技術(shù)和軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、可控負(fù)荷、電動(dòng)汽車等的聚合和協(xié)調(diào)優(yōu)化，以作為一個(gè)特殊電廠參與電力市場(chǎng)和電網(wǎng)運(yùn)行的電源協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)。虛擬電廠的本質(zhì)是分布式能源、能源儲(chǔ)存系統(tǒng)及可控負(fù)荷的集群，并通過通訊技術(shù)控制三者之間的能量流通，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)可將虛擬電廠主要分為經(jīng)營(yíng)性虛擬電廠和功能性虛擬電廠兩類，經(jīng)營(yíng)性虛擬電廠直接由中央集成控制系統(tǒng)中的邏輯算法控制，功能性虛擬電廠需考慮發(fā)電量和成本對(duì)各分布式電源的出力進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 虛擬電廠的基本結(jié)構(gòu)圖

目前對(duì)于虛擬電廠的研究主要包括系統(tǒng)的模型架構(gòu)、系統(tǒng)整體控制及系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性問題三個(gè)方向。在模型構(gòu)架方面，文獻(xiàn)[23]提出了虛擬電廠的模型架構(gòu)可根據(jù)不同的分布式電源構(gòu)建，文獻(xiàn)[24]通過考慮常規(guī)水、火電機(jī)組對(duì)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償而構(gòu)架了虛擬電廠系統(tǒng)，并通過仿真對(duì)該系統(tǒng)可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。在系統(tǒng)整體控制方面，文獻(xiàn)[25]提出對(duì)可控負(fù)荷及電動(dòng)汽車的控制算法，并對(duì)該系統(tǒng)的負(fù)荷頻率控制進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[26]引入虛擬電廠技術(shù)分析了虛擬電廠內(nèi)部發(fā)電資源優(yōu)化調(diào)度算法，基于傳統(tǒng)調(diào)度方法提出三種改進(jìn)的調(diào)度算法并進(jìn)行了對(duì)比。在經(jīng)濟(jì)性方面，文獻(xiàn)[27]通過在分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)度管理上引入虛擬電廠的概念，對(duì)虛擬電廠的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了研究。

3.3 水電與虛擬電廠

水電在虛擬電廠中是唯一可控的分布式能源，抽水蓄能電站也為經(jīng)濟(jì)性較好的能源儲(chǔ)存系統(tǒng)，對(duì)虛擬電廠的研究具有重要意義[28]。

小水電是我國(guó)分布最廣泛、蘊(yùn)藏量最大、開發(fā)成本最低的潔凈分布式可再生能源，單臺(tái)機(jī)組對(duì)電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性的影響不明顯，過去一直未得到足夠的重視，相關(guān)研究較少。然而，當(dāng)電氣距離較近的眾多中小容量機(jī)組總的容量較大時(shí)，它們對(duì)電網(wǎng)阻尼的綜合作用應(yīng)該是不能忽視的。南方電網(wǎng)就曾發(fā)生過小水電機(jī)群局部振蕩引發(fā)大區(qū)電網(wǎng)功率振蕩的現(xiàn)象。群集的中小水電機(jī)群可能對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性造成重要影響。虛擬電廠技術(shù)可根據(jù)中小水電機(jī)群的群集效應(yīng)對(duì)其等效建模，并進(jìn)行有效控制及調(diào)度，提出了解決能源互聯(lián)網(wǎng)部分不確定性的波動(dòng)問題。

抽水蓄能電廠為虛擬電廠容量較大，經(jīng)濟(jì)性較高的能源儲(chǔ)存方式之一，為電網(wǎng)大規(guī)模停電事故提供了應(yīng)急方案，即給出了虛擬電廠中各儲(chǔ)能設(shè)備能互相協(xié)調(diào)有效頂替持續(xù)系統(tǒng)幾分鐘至數(shù)小時(shí)的高水平電力容量上的可能性。

4 間歇性能源并網(wǎng)背景下的網(wǎng)源協(xié)調(diào)調(diào)度及控制策略

4.1 間歇性能源出力不確定性分析

間歇性能源發(fā)電量預(yù)測(cè)是確保能源互聯(lián)網(wǎng)資源充足的必要條件，將直接影響其旋轉(zhuǎn)備用容量配置、各時(shí)間尺度的調(diào)度及控制計(jì)劃，以便確保電力供應(yīng)滿足負(fù)荷需求。如圖3所示，間歇性能源出力預(yù)測(cè)分為超短期預(yù)測(cè)、短期預(yù)測(cè)、中期預(yù)測(cè)和長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。超短期預(yù)測(cè)的時(shí)間范圍小于1 h，對(duì)電力系統(tǒng)的出力平滑、實(shí)時(shí)調(diào)度、網(wǎng)源協(xié)調(diào)控制以及最優(yōu)容量計(jì)算具有重大意義。日間預(yù)報(bào)屬于短期預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)時(shí)間范圍為1～6 h，主要供電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商用于負(fù)荷跟蹤活動(dòng)和區(qū)域控制。中期預(yù)測(cè)通常為1～3 d，可用于電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商或電廠的廠內(nèi)負(fù)荷分配和日前市場(chǎng)預(yù)測(cè)。長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的范圍為1個(gè)月至1年，通常被電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商用于資源和容量規(guī)劃的目的[29-30]。

圖3 基于時(shí)間尺度的預(yù)測(cè)分類和相應(yīng)的電力規(guī)劃運(yùn)行圖

應(yīng)對(duì)間歇性能源出力的隨機(jī)性和不確定性，需要采取合理的預(yù)測(cè)方法。如風(fēng)電，代表性的方法有假設(shè)風(fēng)電服從某一種分布的解析法、采用隨機(jī)模糊變量描述風(fēng)電功率、模擬風(fēng)電場(chǎng)景的方法和魯棒優(yōu)化方法。如光電，有直接預(yù)測(cè)法、間接預(yù)測(cè)法等對(duì)發(fā)電功率進(jìn)行預(yù)測(cè)，有回歸模型法、指數(shù)平滑法、灰色預(yù)測(cè)法等對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行科學(xué)判定[19]。

4.2 網(wǎng)源協(xié)調(diào)調(diào)度與控制

電力系統(tǒng)調(diào)度是指以系統(tǒng)運(yùn)行成本最優(yōu)或系統(tǒng)發(fā)電能耗最小為目標(biāo)，綜合考慮系統(tǒng)電網(wǎng)負(fù)荷平衡、機(jī)組運(yùn)行出力、爬坡及備用等約束條件，優(yōu)化各電站在調(diào)度期內(nèi)的運(yùn)行方式。能源互聯(lián)網(wǎng)中高滲透率的可再生能源將帶來(lái)的出力波動(dòng)及電網(wǎng)的負(fù)荷波動(dòng)、元件故障率等不確定因素會(huì)給該優(yōu)化過程加大難度。這些不確定因素共同構(gòu)成了電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)源，具有影響電網(wǎng)潮流分布、電壓穩(wěn)定的可能性。近幾年，學(xué)者們開始廣泛研究多能互補(bǔ)的調(diào)度方法，文獻(xiàn)[31]采用嵌套優(yōu)化法求解兼顧發(fā)電量和出力波動(dòng)的雙目標(biāo)水光互補(bǔ)調(diào)度模型。文獻(xiàn)[32]提出了一種增強(qiáng)的多目標(biāo)蜂群優(yōu)化算法用于解決水熱風(fēng)互補(bǔ)調(diào)度系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化問題。

PID控制是目前電網(wǎng)中應(yīng)用最廣泛的控制方法，其控制過程透明且可操作性高。然而，隨著可再生能源滲透率的增加，PID的局限性也逐步呈現(xiàn)出來(lái)：①PID不能通過設(shè)定系統(tǒng)的控制目標(biāo)，難以實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)要求的經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性平衡的發(fā)展目標(biāo)；②PID不能處理約束；③PID魯棒性不足，難以在能源互聯(lián)網(wǎng)不斷變化的工況中保持良好的控制表現(xiàn)。上述局限性表明，面對(duì)可再生能源的高滲透率，PID難以滿足其性能要求。為了彌補(bǔ)上述局限性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了模糊控制、模型預(yù)測(cè)控制、人工智能控制、基于觀測(cè)器的控制等多種控制理論，并認(rèn)為魯棒性較強(qiáng)的控制器能有效提高電網(wǎng)的韌性[33]。

5 結(jié) 語(yǔ)

能源是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵，當(dāng)今世界能源需求的80%仍由化石燃料(石油、天然氣和煤炭)供應(yīng)。而且世界上仍然有約15%的人口生活在缺電的狀態(tài)，因此可再生能源的開發(fā)利用尤為重要[34]。近些年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)軟件和應(yīng)用程序的發(fā)展，能源互聯(lián)網(wǎng)成為第四次工業(yè)革命的研究熱點(diǎn)，各國(guó)開始利用互聯(lián)網(wǎng)思維、能量傳輸技術(shù)及新能源發(fā)電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)提高清潔能源電網(wǎng)滲透率、靈活多源協(xié)調(diào)互補(bǔ)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)源交互。此外，隨著研究的深入，多能互補(bǔ)系統(tǒng)、虛擬電廠會(huì)越來(lái)越展現(xiàn)出其優(yōu)越性，水電和新能源如何在新型的電力系統(tǒng)中發(fā)展也將成為以后的研究熱點(diǎn)。