新型電力系統(tǒng)負(fù)荷變化趨勢(shì)及影響探討

雙碳目標(biāo)下，新型電力系統(tǒng)的負(fù)荷結(jié)構(gòu)更加多元、用戶雙向互動(dòng)更加深入、負(fù)荷特性更加復(fù)雜，這勢(shì)必對(duì)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)運(yùn)行分析和控制手段提出更高的要求。本文從新型電力系統(tǒng)負(fù)荷變化的趨勢(shì)出發(fā)，簡(jiǎn)單探討新型電力系統(tǒng)負(fù)荷變化對(duì)電力系統(tǒng)分析、運(yùn)行和控制的影響。

新型電力系統(tǒng)負(fù)荷變化趨勢(shì)

負(fù)荷結(jié)構(gòu)更加多元化。在雙碳目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，新型電力系統(tǒng)的負(fù)荷結(jié)構(gòu)將更加多元化，“以電代油”“以電代煤”的電能替代發(fā)展戰(zhàn)略將陸續(xù)落實(shí)。以新能源汽車、電采暖為代表的電力產(chǎn)品將逐漸搶占傳統(tǒng)高排放產(chǎn)品的市場(chǎng)。根據(jù)中汽協(xié)最新統(tǒng)計(jì)顯示，截至2021年5月底，我國(guó)新能源汽車保有量達(dá)到580萬(wàn)輛，預(yù)計(jì)未來(lái)5年新能源汽車產(chǎn)銷增速將保持在40%以上。另一方面，中央財(cái)政對(duì)“煤改氣”“煤改電”等清潔取暖改造政策的扶持力度持續(xù)加大，打破了傳統(tǒng)“以熱定電”的規(guī)則，促進(jìn)了新能源的消納，也使熱負(fù)荷參與需求側(cè)響應(yīng)成為了可能。這些電能替代產(chǎn)品的強(qiáng)勢(shì)發(fā)展勢(shì)必影響未來(lái)電力系統(tǒng)負(fù)荷曲線。

用戶雙向互動(dòng)更加深入。目前，我國(guó)能源消費(fèi)側(cè)的用能效率和電能占比較低，用戶與能源系統(tǒng)之間的互動(dòng)不足。新型電力系統(tǒng)更加依賴出力隨機(jī)性較強(qiáng)的清潔能源，發(fā)電側(cè)靈活調(diào)節(jié)能力降低，需要大力發(fā)展儲(chǔ)能建設(shè)，并深入挖掘用戶側(cè)調(diào)節(jié)潛力。隨著電動(dòng)汽車等新型負(fù)荷的不斷涌現(xiàn)、用戶側(cè)分布式儲(chǔ)能的推廣應(yīng)用、電力市場(chǎng)現(xiàn)貨交易機(jī)制的不斷完善，提升電網(wǎng)供需互動(dòng)水平是實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)的客觀要求和必要基礎(chǔ)。靈活深入的供需互動(dòng)將改變新型電力系統(tǒng)的負(fù)荷形態(tài)：分布式儲(chǔ)能的接入使用戶從消費(fèi)者(consumer)轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)消者(prosumer)，負(fù)荷不再是單一流向分布，而是參與電網(wǎng)側(cè)的雙向能量互動(dòng)。

負(fù)荷特性更加復(fù)雜。高度電力電子化是新型電力系統(tǒng)的典型特征之一，不僅體現(xiàn)在發(fā)電側(cè)電源動(dòng)態(tài)特性的變化，還呈現(xiàn)出越來(lái)越復(fù)雜的電力電子化負(fù)荷特性。為滿足用戶對(duì)可靠性、便捷性、效能等方面的更高要求，用戶側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的交互將越來(lái)越多，用戶接口處也越來(lái)越依賴輔助控制性能更高的電力電子設(shè)備，如電動(dòng)汽車充電站、軌道交通牽引系統(tǒng)、寫字樓變頻制冷系統(tǒng)等。同樣，為適應(yīng)新型電力系統(tǒng)“源-網(wǎng)-荷”設(shè)備快速更新和即插即用的需求，未來(lái)配電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也更傾向于采用以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)的綜合解決方案，如直流配電網(wǎng)、微電網(wǎng)、云儲(chǔ)能等。這些變化勢(shì)必造成負(fù)荷側(cè)逐漸走向高度電力電子化，使城市配電網(wǎng)的負(fù)荷特性更加復(fù)雜。

新型電力系統(tǒng)負(fù)荷變化影響探討

負(fù)荷建模復(fù)雜。負(fù)荷模型是分析電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的基礎(chǔ)工具之一，對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定、小擾動(dòng)穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定等都有不同程度的影響。新型電力系統(tǒng)負(fù)荷的負(fù)荷特性更加復(fù)雜，與傳統(tǒng)負(fù)荷存在較大差異，造成現(xiàn)有負(fù)荷模型的描述能力下降。主要表現(xiàn)在：1)電動(dòng)汽車等柔性負(fù)荷的接入帶來(lái)了更大的負(fù)荷波動(dòng)性、時(shí)變性和隨機(jī)性，增大了負(fù)荷模型參數(shù)的選擇難度；2)配網(wǎng)側(cè)用戶負(fù)荷具有時(shí)空分布零散、單體調(diào)節(jié)容量較小等固有特性，不利于大規(guī)模負(fù)荷的動(dòng)態(tài)聚合；3)傳統(tǒng)負(fù)荷模型缺乏考慮電力電子負(fù)荷的非線性特性，影響了電力系統(tǒng)電壓、頻率穩(wěn)定分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，在新型電力系統(tǒng)負(fù)荷變化的趨勢(shì)下，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)負(fù)荷建模方法亟待改進(jìn)和優(yōu)化。

負(fù)荷預(yù)測(cè)困難。在電力市場(chǎng)環(huán)境下，負(fù)荷預(yù)測(cè)是編排發(fā)電計(jì)劃、交易計(jì)劃、調(diào)度計(jì)劃的基礎(chǔ)，在電力系統(tǒng)中占據(jù)重要地位。隨著未來(lái)電動(dòng)汽車等新型負(fù)荷的大力推廣和多元用戶互動(dòng)的不斷深入，負(fù)荷的隨機(jī)性、不確定性增加，負(fù)荷預(yù)測(cè)難度增大。不同的負(fù)荷種類需要更加具有針對(duì)性和細(xì)化的負(fù)荷預(yù)測(cè)方法。用戶用電行為更加復(fù)雜，在環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等方面形成多維度的耦合關(guān)系，難以獲得精確的用戶側(cè)用電負(fù)荷特性和分布規(guī)律。因此，在新型電力系統(tǒng)負(fù)荷背景下，未來(lái)負(fù)荷預(yù)測(cè)工作可將模型驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法相結(jié)合，發(fā)揮大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新技術(shù)之間的相互助力作用。

超高次諧波注入。與常規(guī)負(fù)荷不同，電力電子負(fù)荷具有非線性阻抗特性，容易引起交流電網(wǎng)正弦波的畸變，影響用戶側(cè)的電能質(zhì)量甚至電網(wǎng)側(cè)的穩(wěn)定運(yùn)行。半導(dǎo)體技術(shù)是電力電子化的關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，隨著接入電網(wǎng)的半導(dǎo)體器件開關(guān)頻率的提高，變換器注入電網(wǎng)的諧波向著高頻化方向延伸，超高次諧波引起的電能質(zhì)量問(wèn)題將越來(lái)越多。超高次諧波頻譜跨度寬、起因多樣、傳播交互作用復(fù)雜，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，正迅速衍生成為新型電能質(zhì)量問(wèn)題，需引起更廣泛重視，深入研究其產(chǎn)生機(jī)理、傳播規(guī)律、測(cè)量方法和標(biāo)準(zhǔn)。

寬頻振蕩問(wèn)題。隨著電力系統(tǒng)電力電子化程度的提升，電力電子設(shè)備引起的電磁振蕩問(wèn)題逐漸凸顯。配網(wǎng)中負(fù)荷的電力電子化使電力系統(tǒng)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(gòu)化電力電子設(shè)備引起的多時(shí)間尺度相互作用所引起，始于小信號(hào)負(fù)阻尼失穩(wěn)，在較寬頻率范圍(幾赫茲至數(shù)千赫茲)內(nèi)的發(fā)散性持續(xù)振蕩。目前，學(xué)界對(duì)寬頻振蕩問(wèn)題尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，在新型電力系統(tǒng)背景下，寬頻振蕩將表現(xiàn)出形態(tài)多樣、時(shí)變異構(gòu)和廣域傳播等新特征，如何對(duì)其進(jìn)行科學(xué)量化和有效治理，是未來(lái)電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析亟需探索的課題。

配網(wǎng)保護(hù)挑戰(zhàn)。新型電力系統(tǒng)的負(fù)荷側(cè)將呈現(xiàn)規(guī)模化的“電網(wǎng)-用戶”供需互動(dòng)，不但在用戶側(cè)實(shí)現(xiàn)用能效益zui大化，也為電網(wǎng)側(cè)提供更加靈活的調(diào)配資源空間。但是，大規(guī)模的雙向能量互動(dòng)將改變配電網(wǎng)的形態(tài)，由微電網(wǎng)、直流配電網(wǎng)等組成的柔性配電網(wǎng)將為配網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)帶來(lái)新的問(wèn)題，主要表現(xiàn)在：1)配電網(wǎng)負(fù)荷側(cè)的潮流雙向流動(dòng)影響繼電保護(hù)裝置的靈敏性；2)傳統(tǒng)集中式保護(hù)架構(gòu)不利于柔性配電網(wǎng)點(diǎn)多、面廣的供需互動(dòng)資源擴(kuò)展；3)復(fù)雜的潮流環(huán)境將使配電自動(dòng)化系統(tǒng)更加依賴于通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。因此，在新型電力系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)資源靈活互動(dòng)的背景下，配網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)將面臨多重挑戰(zhàn)。

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