新型電力系統負荷變化趨勢及影響探討
2021-12-31
雙碳目標下，新型電力系統的負荷結構更加多元、用戶雙向互動更加深入、負荷特性更加復雜，這勢必對傳統電力系統運行分析和控制手段提出更高的要求。本文從新型電力系統負荷變化的趨勢出發，簡單探討新型電力系統負荷變化對電力系統分析、運行和控制的影響。
新型電力系統負荷變化趨勢
負荷結構更加多元化。在雙碳目標的驅動下，新型電力系統的負荷結構將更加多元化，“以電代油”“以電代煤”的電能替代發展戰略將陸續落實。以新能源汽車、電采暖為代表的電力產品將逐漸搶占傳統高排放產品的市場。根據中汽協新統計顯示，截至2021年5月底，我國新能源汽車保有量達到580萬輛，預計未來5年新能源汽車產銷增速將保持在40%以上。另一方面，財政對“煤改氣”“煤改電”等清潔取暖改造政策的扶持力度持續加大，打破了傳統“以熱定電”的規則，促進了新能源的消納，也使熱負荷參與需求側響應成為了可能。這些電能替代產品的強勢發展勢必影響未來電力系統負荷曲線。
用戶雙向互動更加深入。目前，我國能源消費側的用能效率和電能占比較低，用戶與能源系統之間的互動不足。新型電力系統更加依賴出力隨機性較強的清潔能源，發電側靈活調節能力降低，需要大力發展儲能建設，并深入挖掘用戶側調節潛力。隨著電動汽車等新型負荷的不斷涌現、用戶側分布式儲能的推廣應用、電力市場現貨交易機制的不斷完善，提升電網供需互動水平是實現新型電力系統運轉的客觀要求和必要基礎。靈活深入的供需互動將改變新型電力系統的負荷形態：分布式儲能的接入使用戶從消費者(consumer)轉變為產消者(prosumer)，負荷不再是單流向分布，而是參與電網側的雙向能量互動。
負荷特性更加復雜。高度電力電子化是新型電力系統的典型特征之一，不僅體現在發電側電源動態特性的變化，還呈現出越來越復雜的電力電子化負荷特性。為滿足用戶對可靠性、便捷性、效能等方面的更高要求，用戶側與電網側的交互將越來越多，用戶接口處也越來越依賴輔助控制性能更高的電力電子設備，如電動汽車充電站、軌道交通牽引系統、寫字樓變頻制冷系統等。同樣，為適應新型電力系統“源-網-荷”設備快速更新和即插即用的需求，未來配電網基礎設施建設也更傾向于采用以電力電子技術為基礎的綜合解決方案，如直流配電網、微電網、云儲能等。這些變化勢必造成負荷側逐漸走向高度電力電子化，使城市配電網的負荷特性更加復雜。
新型電力系統負荷變化影響探討
負荷建模復雜。負荷模型是分析電力系統動態行為的基礎工具之一，對暫態穩定、小擾動穩定和電壓穩定等都有不同程度的影響。新型電力系統負荷的負荷特性更加復雜，與傳統負荷存在較大差異，造成現有負荷模型的描述能力下降。主要表現在：1)電動汽車等柔性負荷的接入帶來了更大的負荷波動性、時變性和隨機性，加大了負荷模型參數的選擇難度;2)配網側用戶負荷具有時空分布零散、單體調節容量較小等固有特性，不利于大規模負荷的動態聚合;3)傳統負荷模型缺乏考慮電力電子負荷的非線性特性，影響了電力系統電壓、頻率穩定分析結果的準確性。因此，在新型電力系統負荷變化的趨勢下，傳統電力系統負荷建模方法亟待改進和優化。
負荷預測困難。在電力市場環境下，負荷預測是編排發電計劃、交易計劃、調度計劃的基礎，在電力系統中占據重要地位。隨著未來電動汽車等新型負荷的大力推廣和多元用戶互動的不斷深入，負荷的隨機性、不確定性增加，負荷預測難度加大。不同的負荷種類需要更加具有針對性和細化的負荷預測方法。用戶用電行為更加復雜，在環境、社會、經濟等方面形成多維度的耦合關系，難以獲得準確的用戶側用電負荷特性和分布規律。因此，在新型電力系統負荷背景下，未來負荷預測工作可將模型驅動和數據驅動的方法相結合，發揮大數據、云計算、人工智能等新技術之間的相互助力作用。
CHAO高次諧波注入。與常規負荷不同，電力電子負荷具有非線性阻抗特性，容易引起交流電網正弦波的畸變，影響用戶側的電能質量甚至電網側的穩定運行。半導體技術是電力電子化的關鍵技術與實現基礎，隨著接入電網的半導體器件開關頻率的提高，變換器注入電網的諧波向著高頻化方向延伸，CHAO高次諧波引起的電能質量問題將越來越多。CHAO高次諧波頻譜跨度寬、起因多樣、傳播交互作用復雜，隨著半導體技術的發展，正迅速衍生成為新型電能質量問題，需引起更廣泛重視，深入研究其產生機理、傳播規律、測量方法和標準。
寬頻振蕩問題。隨著電力系統電力電子化程度的提升，電力電子設備引起的電磁振蕩問題逐漸凸顯。配網中負荷的電力電子化使電力系統振蕩頻率范圍變大，具有顯著的“寬頻”特征。“寬頻振蕩”是指由大量異構化電力電子設備引起的多時間尺度相互作用所引起，始于小信號負阻尼失穩，在較寬頻率范圍(幾赫茲至數千赫茲)內的發散性持續振蕩。目前，學界對寬頻振蕩問題尚未形成統一的認識，在新型電力系統背景下，寬頻振蕩將表現出形態多樣、時變異構和廣域傳播等新特征，如何對其進行科學量化和有效治理，是未來電力系統穩定分析亟需探索的課題。
配網保護挑戰。新型電力系統的負荷側將呈現規?；?ldquo;電網-用戶”供需互動，不但在用戶側實現用能效益更大化，也為電網側提供更加靈活的調配資源空間。但是，大規模的雙向能量互動將改變配電網的形態，由微電網、直流配電網等組成的柔性配電網將為配網保護系統帶來新的問題，主要表現在：1)配電網負荷側的潮流雙向流動影響繼電保護裝置的靈敏性;2)傳統集中式保護架構不利于柔性配電網點多、面廣的供需互動資源擴展;3)復雜的潮流環境將使配電自動化系統更加依賴于通信網絡的可靠性。因此，在新型電力系統負荷側資源靈活互動的背景下，配網保護系統將面臨多重挑戰。
(作者為深圳供電局電科院系統研究所技術專家)
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