新能源接入背景下的电力工程技术优化研究

引言

全球能源转型时期，风力发电、光伏发电等新能源发电技术迅速发展，其在电力系统中的占比逐年递增，而新能源发电具有间歇、波动、不确定的特点，大规模并网给传统的电力系统规划、运行、控制带来影响，在电力系统中需要新能源发电有高比例的渗透，保证供电可靠、稳定、电能质量。为此，电力工程技术要改良升级，包含新能源并网设备，智能电网架构，系统运作策略等诸多方面，本文从新能源接入给电力系统带来的影响入手，剖析技术改良方向，给出相应的运作控制策略，从而推动新能源高效吸收，保障电力系统安全稳定运作。

1 新能源接入对电力系统的影响研究

1.1 新能源发电特性与并网挑战

新能源发电依靠自然条件，风电和光伏的出力被天气左右得很厉害，有很强的间歇性和波动性，这就让新能源发电很难像传统火电，水电那样稳定地发出功率，增加了电网调度的难度。新能源发电设备如逆变器、变流器具有电力电子化特点，其惯性低，对电网的频率、电压支撑能力弱，高比例新能源接入会降低系统惯性，影响动态稳定性，新能源并网还会带来谐波、电压闪变等电能质量问题，给电网安全运行带来挑战。

1.2 电力系统稳定性与电能质量分析

新能源大规模接入之后，电力系统的动态特性发生改变，传统的电网架构以同步发电机为主，现在需要进行调整，系统的频率稳定性，电压稳定性以及功角稳定性都可能受到波及，新能源高渗透区域的电网暂态稳定问题就更为显著。电能质量问题也不可小觑，新能源发电设备的快启停和功率波动会引发电压偏差，谐波污染，三相不平衡等现象，而且，分布式新能源接入配电网之后，也许会改变配电网的潮流走向，加大线路损耗和电压波动，进而影响供电品质。

2.电力工程技术优化方向

2.1 新能源并网核心设备与技术优化

要提高新能源并网的可靠度和稳定性，关键电力电子装置（像逆变器、变流器）得加以改良，用虚拟同步机（VSG）技术模仿同步发电机的惯性特性，可以加强新能源电站给电网给予的支持。VSC-HVDC 这种柔性直流输电技术在新能源远距离输送方面有优势，可以解决交流电网稳定问题，而且并网保护装置智能化升级能提升故障检测与隔离能力，减轻新能源波动给电网带来的冲击。

2.2 智能电网与主动配网技术进展

智能电网利用先进的信息通信技术（ICT）与自动化控制技术，对新能源发电实施精准预测并加以优化调度，依靠大数据及人工智能的负荷预测技术能够提升新能源消纳水平，降低弃风弃光现象的发生概率。主动配电网（ADN）借助灵活的网络重构与分布式能源管理，提升电网对新能源的适应性，微电网技术的普及使局部区域可做到新能源自平衡，减少对大电网的依存，改善供电可靠性。

3 电力系统运行与控制的优化策略研究

3.1 多源协同调度与优化运行研究

新能源高比例接入的电力系统里，传统电源和新能源协同调度很关键，创建起多时间尺度的优化调度模型，统筹安排火电，水电，储能以及新能源的出力，如此一来就可提升系统的经济性和稳定性。需求响应技术应用能进一步改善负荷曲线，与新能源发电特性相匹配，降低峰谷差，跨区域电力交易及互联电网协同运行也有利于新能源的广域消纳，提高整体能源利用效率。

3.2 储能技术在新能源消纳中的应用研究

储能技术是平抑新能源波动、提升电网灵活度的关键技术，电池储能、抽水蓄能、飞轮储能等不同的储能技术可以适应不同的场景需求，具备快速的功率调节能力。在新能源电站侧配置储能系统，可以实现能量的时移，解决弃风弃光问题，在电网侧，储能可以作为调频、调压的快速响应资源，提高系统的动态稳定性，随着储能成本的降低，储能在未来电力系统中的应用会更加广泛。

3.3 电力系统韧性提升与故障应对策略研究

新能源接入使电力系统变的更复杂，极端天气或者设备故障可能造成连锁反应，要提高系统韧性就要从规划，运行和恢复这三个方面来考虑。在规划阶段，要改善电网结构，加强关键节点的冗余，在运行阶段，用自适应保护控制和广域监测技术，迅速识别并隔离故障，在恢复阶段，依靠黑启动技术和微电网支持，加快恢复供电速度，减小停电带来的损失。

4 新能源电力系统未来发展趋势

4.1 新型电力市场机制与新能源消纳策略

新能源渗透率上升之后，传统电力市场的运作模式已无法适应它的波动性和不确定性，以后的电力市场要采用更灵活的定价体系，比如实时电价，节点电价等等，这样才能体现出新能源发电的时空分布特征，而且，辅助服务市场的完善也十分重要，通过调频，备用容量之类的交易，促使火电，储能等灵活性资源加入调节，从而加强新能源的接纳水平。电力市场和碳市场协同发展也会是趋势，碳定价会促使高排放机组慢慢退出，给新能源发电留出更大市场空间，跨省跨区电力交易优化能推动新能源广域消纳，降低区域间的不平衡，提升整体能源利用效率。

4.2 氢储能与多能互补系统的发展状况

氢能是长时储能和清洁能源载体，未来高比例可再生能源系统中具有潜力，电解水制氢技术可将富余新能源电力转化为氢气储存，在用电高峰或新能源出力不足时利用燃料电池或燃气轮机发电，实现能量的跨季节调节。风光氢储一体这样的多能互补系统会成为以后能源系统的关键形式，通过电-氢-热等多种能源耦合来提升能源利用效率，加强系统灵活性，氢能还可以应用到交通，工业这些领域，促使能源消费结构朝着低碳方向改变，从而助力碳中和目标达成。

4.3 超高比例可再生能源系统稳定性挑战

新能源发电占比达到 80% 甚至更多的时候，电力系统的稳定状况就会碰上从未有过的难题，同步发电机大量缩减会致使系统缺少必要的惯性，频率调节能力变差，要依靠虚拟同步机，储能之类的新型技术给予动态支援。电压控制和功角稳定问题也十分突出，新能源发电的电力电子接口设备缺少传统同步机的电压调节能力，要采用先进的柔性输电技术（STATCOM、SVG）和自适应控制策略，而且，极端天气事件也许造成新能源发电大规模脱网，要提升电网韧性规划，创建“ 源-网-荷-储” 协同防御体系，保证超高比例可再生能源系统安全运转。

结语

新能源高比例接入成为未来电力系统发展的必然趋势，这同时带来许多技术上的难题，本文从新能源发电特性，新能源并网设备改进，智能电网技术以及系统运行策略这几方面展开研究，给出诸如多源协同调度，储能技术应用，增强系统韧性等优化方案。将来，电力电子技术，人工智能以及储能技术不断发展的时候，电力系统会更好地适应新能源的大面积接入，做到安全，高效，低碳地运行，可以继续深入研究新型电力市场机制，氢储能技术和超高比例可再生能源系统的稳定情况，从而推进能源转型的进程。

参考文献

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