高比例可再生能源電力系統(tǒng)結構演化電力系統(tǒng)結構形態(tài)及其演化模型

高比例可再生能源電力系統(tǒng)結構演化電力系統(tǒng)結構形態(tài)的內涵及其要素

一般而言，“結構”側重于描述系統(tǒng)各部分的具體連接關系，而“形態(tài)”則側重于系統(tǒng)特征抽象指標的表征，兩者共同構成對系統(tǒng)的完整描述。電力系統(tǒng)結構形態(tài)，是指電力系統(tǒng)的組成設備及其參與者的連接組織形式及交互作用方式。電力系統(tǒng)結構形態(tài)的內涵與要素如圖1所示，包括對電源、電網、負荷及二次系統(tǒng)的完整描述。

電網包括輸電和配電部分，但隨著分布式電源的接入比例提升，輸配電網絡的界限將越來越不清晰;電源除了傳統(tǒng)電源和可再生能源之外，電動汽車和儲能也可視為一種靈活調節(jié)電源納入系統(tǒng)運行;負荷側將涌現多種新設施，具備主動響應能力和雙向互動能力，從而使得用戶參與系統(tǒng)運行成為可能;二次系統(tǒng)以通信信息技術為基礎，實現調度、保護、控制、交易的綜合優(yōu)化運行。事實上，電力作為潔凈優(yōu)質二次能源，在整個能源系統(tǒng)中占據日趨重要的地位，其結構形態(tài)也需要納入整個能源系統(tǒng)形態(tài)中進行整體考量。從能源系統(tǒng)形態(tài)來看，當前電力形態(tài)的關鍵熱點是“兩個替代”，即能源生產的清潔替代和能源消費的電能替代，從而提升整個能源系統(tǒng)的電氣化水平，降低對化石能源的依賴程度，提高可持續(xù)發(fā)展能力 。

高比例可再生能源電力系統(tǒng)結構演化電力系統(tǒng)形態(tài)演化的驅動力

電力系統(tǒng)形態(tài)演化的驅動力主要來源于三個方而，即公共驅動因素、市場驅動因素和技術驅動因素。

公共驅動因素主要反映國家層而的戰(zhàn)略需求，包括現代化進程、資源環(huán)境約束、氣候變化與低碳經濟、國家安全等四個方面。

市場驅動因素主要反映產業(yè)和企業(yè)層而的戰(zhàn)略需求，包括市場化改革進程，能源系統(tǒng)優(yōu)化，產業(yè)經濟的輻射、拉動和集聚效應，現代企業(yè)制度的發(fā)展與變革等四個方面。

技術驅動因素主要源于電力系統(tǒng)發(fā)展而臨的技術挑戰(zhàn)和機遇，當前的主要熱點有通信信息技術與“物聯網”、清潔能源與儲能技術、非化石燃料交通能源技術、新材料技術(重點包括先進電力電子技術和超導電力技術等)等。

不同時間、環(huán)境下，電力系統(tǒng)的驅動力作用大小和模式存在差別。以技術為主的驅動模式下，是一種由內而外的演化方式，新技術替代舊技術實現關鍵性能指標提升，是一種漸變式發(fā)展，整個形態(tài)演變可預測程度較高。而公共驅動因素則是一種外部壓力驅動模式，其作用力強大，往往導致一種躍遷式發(fā)展模式，整個體系可能被重構，形態(tài)演變可預測程度較低乃至完全不可預期。市場驅動因素的作用力介于其間，一方而市場化改革有助于還原電力商品屬，實現資源的優(yōu)化配置;但另外一方而，電網的社會基礎設施和公共服務屬性，決定了自然壟斷性和非完全盈利性 。

為了應對氣候變化和環(huán)境污染，世界主要國家能源電力系統(tǒng)正處于清潔化、低碳化和智能化轉型時期。構建以電為中心的全新能源供應格局，電網向集能源開發(fā)、輸送、配置、使用于一體的能源互聯網演化，正逐漸成為全球共識和目標方向。未來，電力系統(tǒng)在電源、電網、負荷、儲能等環(huán)節(jié)，以及信息通信等方而技術不斷進步、模式持續(xù)創(chuàng)新，系統(tǒng)形態(tài)結構特征將呈現急劇變化。

近年來，能源電力的技術創(chuàng)新與應用進入了高度活躍期，各國相繼出臺能源領域技術規(guī)劃，如美國的《全而能源戰(zhàn)略》團，歐洲的《能源路線圖2050》，日本的《能源環(huán)境技術創(chuàng)新戰(zhàn)略2050》,韓國的《能源新產業(yè)與核心技術研發(fā)戰(zhàn)略(2015-2017年)》，中國的《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃(2016-2030年)戶》、《能源技術革命重點創(chuàng)新行動路線圖》和《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》等。能源清潔、低碳利用技術創(chuàng)新是各國關注的焦點，都突出可再生能源在能源供應中的主體地位。

未來電力系統(tǒng)結構形態(tài)預測也是研究熱點，其關注重點是進一步加強電網互聯，提高清潔能源消納比例和電氣化水平。2015年，日本政府成立廣域系統(tǒng)運行協(xié)調機構(OCCTO),2016年，美國能源部公布電網現代化新藍圖，歐洲輸電聯盟發(fā)布其第四版十年電網規(guī)劃，英國能源與氣候變化部委托IET研究其未來電力系統(tǒng)結構，中國國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局發(fā)布《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》。在清潔發(fā)展目標驅動下，電力系統(tǒng)的發(fā)展格局呈現了多樣性特征，源-網-荷-儲各個環(huán)節(jié)急劇變化，信息通信技術與物理系統(tǒng)的深度融合成為關鍵趨勢。

與以往歷次技術革命不同，外部的驅動因素成為當前能源電力科技發(fā)展的重要推動力。無論是化石能源枯竭，還是氣候變化，都促使能源電力系統(tǒng)加快轉型。與科技創(chuàng)新這一內部驅動因素的作用機制不同，外部驅動帶來的系統(tǒng)變革往往是突變性的，而非連續(xù)漸變模式。因此，在外部驅動力主導下的能源電力系統(tǒng)結構形態(tài)演化機理，是一個新課題。在低碳化、清潔化發(fā)展趨勢下，高比例新能源將成為未來電力系統(tǒng)的關鍵特征，而這一特征將導致整個能源電力系統(tǒng)的形態(tài)結構、相應的規(guī)劃方法及運行方式發(fā)生重大變化。

對未來高比例可再生能源電力系統(tǒng)的結構形態(tài)演化和電力預測方法的研究理論框架進行闡述。首先分析了電力系統(tǒng)結構形態(tài)的內涵及其要素，然后從公共驅動力、市場驅動力和技術驅動力三方而建立了其形態(tài)演化的驅動力模型，再結合高比例可再生能源發(fā)展趨勢分析其對電力系統(tǒng)結構形態(tài)的影響，建立高比例可再生能源驅動的電力系統(tǒng)形態(tài)演化模型。圍繞高比例可再生能源電力系統(tǒng)結構形態(tài)演化機理和復雜多重不確定性運行場景下的電力預測理論兩個科學問題，提出了高比例可再生能源電力系統(tǒng)結構形態(tài)演化及電力預測的理論研究框架和實施方案 。

高比例可再生能源電力系統(tǒng)結構演化高比例可再生能源波動特征及其影響

風電和光伏是當前技術最成熟的可再生能源發(fā)電技術。這兩類電源都具有很強的波動性、隨機性，往往被統(tǒng)稱為波動電源(variable generation, VU)。有文獻對世界各地的大規(guī)模風電出力和系統(tǒng)凈負荷(負荷與風電出力之和)的波動性進行了多年統(tǒng)計分析，發(fā)現全球可按風電波動性低、中、高劃分為三類地區(qū)，瑞典、西班牙和德國屬于風電低波動地區(qū)，葡萄牙、愛爾蘭、芬蘭和丹麥屬于風電中波動地區(qū)，北美的魁北克、邦納維爾電力局、德州可靠性管委會轄區(qū)，中國的甘肅、吉林和遼寧，挪威，丹麥的海上風電屬于風電高波動區(qū)。低波動區(qū)每小時風電爬坡功率不超過額定容量的10%，而高波動區(qū)每小時風電爬坡功率可達額定容量的30%。

光伏出力具有顯著的晝夜周期性。在太陽能資源富集的美國加州地區(qū)，高比例光伏并網導致其凈負荷呈現“鴨型曲線”，即春季凈負荷在中午急劇下降而成為全日低谷負荷點，且這種趨勢隨著光伏接入比例升高而加劇，預計到2020年將需要系統(tǒng)具有3h內13 000 MW的爬坡調節(jié)能力方可保證不棄光。

風電、光伏等波動電源的波動特性源于一次資源。風光資源是一種過程能源，不可存儲、不易控制，在不同時間尺度、不同空間范圍，呈現不同的波動特性。

可見，在高比例可再生能源并網的未來電力系統(tǒng)，電源波動甚至超過了負荷波動而成為系統(tǒng)不確定性的主要來源。而如何應對這種電源和負荷的雙不確定性，也成為系統(tǒng)規(guī)劃和運行的核心問題。北美電力可靠性組織(North American Reliability Council, NERC)研究提出，為了消納風電、光伏、海洋能和小水電，北美電力系統(tǒng)的傳統(tǒng)規(guī)劃和運行方法要進行巨大變革，具體包括以下幾個方面 。

1)開發(fā)多種類型的波動電源，在廣域空間尺度內平衡一次資源，并采用先進控制技術實現波動電源的功率爬坡和電壓控制性能。

2)適應高比例波動電源并網，電網輸變電設施需要顯著增加，保障源荷間功率交換和輔助服務。

3)新增儲能和可控負荷，如需求響應、電動汽車、大規(guī)模儲能，有助于平衡波動電源的靈活調節(jié)需求。

4)提升波動電源的出力測量和預測精度是保障整個系統(tǒng)運行和規(guī)劃可靠性的關鍵。

5)輸配電網需要更加協(xié)調地綜合規(guī)劃。

6)需要擴大供需平衡區(qū)域規(guī)模以獲得更好的波動電源消納能力。

高比例可再生能源電力系統(tǒng)結構演化高比例可再生能源電力系統(tǒng)形態(tài)演化模型

高比例可再生能源帶來的不確定性，是電力系統(tǒng)形態(tài)演化的關鍵驅動力。

高比例可再生能源驅動的電力系統(tǒng)形態(tài)演化模型如圖2所示。

歐洲、美國和中國分別提出2050年實現100%，80%，60%可再生能源電力系統(tǒng)藍圖。全新場景下，電力系統(tǒng)特征將發(fā)生顯著變化，隨機波動的風能和太陽能成為主力電源，基本取消“基荷”發(fā)電廠，常規(guī)火電機組在日內啟停，并通過水電廠、燃氣電廠、儲能等靈活資源調節(jié)實現對可再生能源隨機波動性的互補，靈活性成為規(guī)劃和運行關注的核心問題。

源端的主要趨勢是電源清潔化。風電/光伏等可再生能源大力發(fā)展(局地發(fā)電量占比超過30%,水電充分開發(fā)，火電定位調整，逐步參與調峰，核電穩(wěn)步發(fā)展，從而形成一種全新的高度清潔化電源格局。

電網的關鍵特征是電力電子化。遠距離輸電系統(tǒng)和就地平衡供電網絡因地制宜，差異化并存，交直流混聯輸電網廣泛應用，配電網中多類型新設備涌現，直流配電技術得以快速發(fā)展。

負荷呈現多重不確定性。分布式電源、電動汽車、分布式儲能和雙向負荷的涌現和接入比例不斷提升，整個系統(tǒng)“源-網-荷-儲”互動藕合特性凸顯，不確定性成為規(guī)劃和運行而臨的核心問題 。

以綠色發(fā)展為目標，中國即將步入可再生能源大規(guī)模集群并網、高滲透率分散接入并重的高比例發(fā)展階段，電力系統(tǒng)形態(tài)將發(fā)生巨大改變，而且這種形態(tài)演化以外部驅動力主導，其演化路徑及模擬模型成為首要的科學問題;而源荷不確定性的劇增，廣義的電力預測方法又成為一個關鍵的科學問題。下面具體闡述這兩個科學問題。

高比例可再生能源電力系統(tǒng)結構演化高比例可再生能源系統(tǒng)結構演化機理問題

高比例可再生能源場景下電力系統(tǒng)結構形態(tài)的演化機理問題，需要探索以清潔低碳化目標驅動的未來能源和電力格局變化趨勢及其演化機理，以及在低碳清潔發(fā)展和技術創(chuàng)新驅動下的電力系統(tǒng)輸電網和配電網結構形態(tài)及其演化機理。具體而言，包括構建而向中遠期可再生能源的能源發(fā)展規(guī)劃和電源規(guī)劃模型，構建能源一電源系統(tǒng)典型結構形態(tài)及布局場景；提出輸電網和配電網結構形態(tài)的標準特征集及評估方法，構建適應高比例可再生能源集群送出的輸電網結構形態(tài)、高滲透率分布式電源和儲能接入的配電網形態(tài)。

1)而向中遠期低碳化發(fā)展的能源電力格局及演化機理

研究涵蓋“低碳目標-環(huán)境及經濟性約束-內生增長動力”的全角度能源規(guī)劃優(yōu)化模型;探索清潔低碳化目標驅動下，中遠期中國能源格局變化趨勢及特征;建立納入高比例可再生能源時空分布特性、分布式能源與雙向互動特性的儲能等多類型、技術及經濟性差異化的電源規(guī)劃模型；探索未來電源系統(tǒng)空間協(xié)同發(fā)展與時間動態(tài)演變過程、機理;提出能源-電力格局評價指標體系，并構建2030年和2050年的能源-電源系統(tǒng)典型結構形態(tài)及布局場景。

2)高比例可再生能源與高度電力電子化條件下輸配電網的結構形態(tài)及演化模式

研究影響未來輸配電系統(tǒng)結構形態(tài)的關鍵因素及作用機理，交流/直流/交直流等輸電網結構形態(tài)對高比例可再生能源集群送出的適應性，高滲透率可再生能源、儲能和互動負荷靈活接入的配電網形態(tài)特性，高比例可再生能源在輸配電網協(xié)同接入及優(yōu)化配比，以及高比例可再生能源和高度電力電子化條件下的輸配電網典型結構形態(tài)及布局場景。

高比例可再生能源電力系統(tǒng)結構演化復雜多重不確定性運行的電力預測科學問題

高比例可再生能源帶來的多時空強不確定性，使得電力預測方法成為一個科學問題，具體而言，包括廣義負荷特性及其互動藕合機理、多時空電力預測理論與評估方法兩個方面。

1)復雜多重不確定性場景下廣義負荷特性及其互動藕合機理研究

研究含分布式新能源、儲能、主動負荷等廣義負荷的結構辨識與解析方法;建立高比例可再生能源與電力需求的互動藕合模型與主動負荷挖掘技術;探索復雜多重不確定性場景下多時空尺度的負荷曲線形態(tài)與特性的演變與轉移規(guī)律;構建電價、氣象、電源結構與電網結構等因素與廣義負荷特性變化的動態(tài)關聯模型及多時空負荷響應特性。

2)而向可再生能源并網的多時空電力預測理論與評估方法研究 研究而向“用戶-饋線-母線-系統(tǒng)”的電力需求及空間負荷預測方法;研究“實時-短期-中期-長期”電力動態(tài)協(xié)調預測方法，構建不同時間尺度下電力預測的閉環(huán)協(xié)調策略;探索描述不同時空尺度可再生能源和負荷、預測誤差、波動等不確定特性的區(qū)間預測與概率預測方法;建立而向可再生能源消納的電力預測評估方法，并提出考慮預測誤差大小、分布及其相關性的最優(yōu)組合協(xié)調預測理論。

根據上述的科學問題，高比例可再生能源電力系統(tǒng)結構形態(tài)演化及電力預測的研究體系可分解為而向中遠期低碳化發(fā)展的能源電力格局及演化機理、高比例可再生能源與高度電力電子化條件下輸配電網的結構形態(tài)及演化模式、復雜多重不確定性場景下廣義負荷特性及其互動藕合機理、而向可再生能源并網的多時空電力預測理論與評估方法等四個研究點，其研究體系分別描述如下。

高比例可再生能源電力系統(tǒng)結構演化面向中遠期的能源格局及演化機理

在研究中首先構建以低碳發(fā)展為目標的能源和電力系統(tǒng)規(guī)劃模型，模型納入高比例可再生能源時空分布特性、供給特點，以及分布式能源與雙向互動儲能模塊等，采用隨機生產模擬和競爭性投資決策相結合的雙層規(guī)劃思路，解決大規(guī)?？稍偕茉唇尤牒竽茉春碗娏ο到y(tǒng)規(guī)劃所而臨的多重不確定性及格局演化建模與表征問題。

高比例可再生能源電力系統(tǒng)結構演化輸配電網的結構形態(tài)及演化模式

高比例可再生能源與高度電力電子化條件下輸配電網的結構形態(tài)及演化模式的研究體系及思路如圖3所示。

輸電網形態(tài)部分側重研究其對高比例可再生能源集群送出的適應性，主要針對中國大型可再生能源基地的實際背景開展研究。而配電網形態(tài)特性則與可再生能源、互動負荷、儲能等的技術特征和接入比例緊密藕合，可能呈現出完全不同的特性?？紤]到可再生能源集中接入和分散接入并重，需要研究高比例可再生能源在輸配電網的協(xié)同接入及優(yōu)化配比。

高比例可再生能源電力系統(tǒng)結構演化不確定廣義負荷特性及其互動藕合機理

復雜多重不確定性場景下廣義負荷特性及其互動藕合機理的研究體系及思路如圖4所示。

基于大數據技術，建立源荷關聯的廣義負荷概念，從結構辨識、演變機理、響應特性和互動藕合四個方而研究其特性和藕合機理。結構辨識廣泛收集不同類別的負荷數據，采用結構辨識與數據挖掘的方法，分析負荷特性、負荷與外界影響因素的關聯關系、負荷時空響應特性、在不同市場規(guī)則下不同用戶的響應特性等;演變機理則研究長期行業(yè)電量與經濟關聯聯動特性，研究未來產業(yè)結構調整、供給側改革、人口增長對各個行業(yè)的負荷需求和負荷特性的影響，并識別不同行業(yè)負荷之間的傳遞或者協(xié)同的內在關聯關系;響應特性研究負荷、新能源發(fā)電在電力市場環(huán)境下多維變量(時間、空間、交易規(guī)則等)下的響應特性，構建不同類別負荷、可再生能源發(fā)電與電價波動、氣象因素的動態(tài)關聯解析模型。關聯關系側重研究短時用電需求、可再生能源發(fā)電、氣象、電力市場等的關聯特性研究，研究不同行業(yè)、區(qū)域內負荷對氣象、電價、能源結構變化，以及電網結構調整(高比例/高滲透率可再生能源分布式電源)等外在因素的敏感性。

高比例可再生能源電力系統(tǒng)結構演化可再生能源并網的電力預測理論與評估方法

面向可再生能源并網的多時空電力預測理論與評估方法的研究體系和思路如圖5所示。

復雜多重不確定性場景及其多時空尺度預測理論的研究是核心，構建而向用戶-饋線-母線-系統(tǒng)、實時-短期-中期-長期的可再生能源與需求互動的多時空電力預測模型，提出考慮預測誤差相關性的區(qū)間預測與概率預測，考慮高比例可再生能源消納的預測評估與最優(yōu)組合協(xié)調預測理論。

在能源革命背景下，未來高比例可再生能源電力系統(tǒng)的結構形態(tài)將會發(fā)生巨大改變。對電力系統(tǒng)形態(tài)演化和電力預測方法的研究理論框架進行綜述，首先分析了電力系統(tǒng)形態(tài)結構的內涵及其要素，然后從公共驅動力、市場驅動力和技術驅動力三方而建立了其形態(tài)演化的驅動力模型，再結合高比例可再生能源發(fā)展趨勢分析其對電力系統(tǒng)形態(tài)結構的影響，建立高比例可再生能源驅動的電力系統(tǒng)形態(tài)演化模型。

圍繞高比例可再生能源電力系統(tǒng)結構形態(tài)演化機理和復雜多重不確定性運行場景下的電力預測理論兩個科學問題，高比例可再生能源電力系統(tǒng)結構形態(tài)演化及電力預測的研究體系可分解為而向中遠期低碳化發(fā)展的能源電力格局及演化機理、高比例可再生能源與高度電力電子化條件下輸配電網的結構形態(tài)及演化模式、復雜多重不確定性場景下廣義負荷特性及其互動藕合機理、面向可再生能源并網的多時空電力預測理論與評估方法等四個方面開展研究，對其研究體系進行了詳細闡述。2100433B

比例系統(tǒng)比例環(huán)節(jié)

比例環(huán)節(jié)也稱為無慣性環(huán)節(jié)，對于液壓缸或馬達，忽略液壓油的可壓縮性和泄漏，液壓缸的流量Q=VA。其中V為活塞速度，A為活塞面積。

其傳遞函數為：

比例系統(tǒng)比例系統(tǒng)結構

比例控制系統(tǒng)根據有無反饋分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。如比例閥控制液壓缸或馬達系統(tǒng)可以實現速度、位移、轉速和轉矩等的控制，其控制系統(tǒng)方框圖如圖1。

由于開環(huán)控制系統(tǒng)的精度比較低，只能應用在精度要求不高并且不存在內外干擾的場合，但開環(huán)控制系統(tǒng)一般不存在所謂穩(wěn)定性問題。而閉環(huán)控制系統(tǒng)（即反饋控制系統(tǒng)）的優(yōu)點是對內部和外部干擾不敏感，但反饋帶來了系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。只要系統(tǒng)穩(wěn)定，閉環(huán)控制系統(tǒng)可以保持較高的精度。因此，目前普遍采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖2 。

可再生能源電力配額是按省級行政區(qū)域對電力消費規(guī)定應達到的可再生能源比重指標，包括可再生能源電力總量配額和非水電可再生能源電力配額。滿足總量配額的可再生能源電力包括全部可再生能源發(fā)電種類，滿足非水電配額的可再生能源電力包括除水電以外的其他可再生能源發(fā)電種類。

可再生能源電力消納責任權重，是指按省級行政區(qū)域對電力消費規(guī)定應達到的可再生能源電量比重，包括可再生能源電力總量消納責任權重和非水電可再生能源電力消納責任權重。 2100433B