大规模可再生能源发电友好并网与运行调控技术研究综述.pdf

第41卷第2期2024年3月新疆大学学报（自然科学版中英文）Journal of Xinjiang University(Natural Science Edition in Chinese and English)Vol.41,No.2Mar.,2024大规模可再生能源发电友好并网与运行调控技术研究综述王维庆，李笑竹，褚龙浩(新疆大学 电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830017)摘要：“双碳”目标下大规模可再生能源系统的友好并网与稳定运行问题被广泛关注，但受精确的发电不确定性建模技术与科学的并网调控策略制约 为解决这一问题，从可再生能源发电预测与不确定性建模、可再生能源系统并网运营模式、可再生能源系统并网控制方法三个方面进行梳理和总结，讨论了不同时间尺度下发电不确定性预测技术、针对多场景运行需求的不确定性建模技术；从可再生能源-储能系统、可再生能源集群-独立储能系统、多能源互补系统三个角度分析总结了目前并网运营模式；在此基础上，分析总结了跟网型与构网型两种并网控制策略 最后展望了高比例可再生能源系统在未来电网形态演变中的发展方向，以期为新型电力系统中可再生能源与电网协同发展的研究和技术应用提供借鉴关键词：可再生能源；友好并网；不确定性；运营模式；运行调控DOI：10.13568/ki.651094.651316.2024.01.15.0001中图分类号：TM73文献标识码：A文章编号：2096-7675(2024)02-0129-016引文格式：王维庆，李笑竹，褚龙浩 大规模可再生能源发电友好并网与运行调控技术研究综述J 新疆大学学报(自然科学版中英文)，2024，41(2)：129-144+156英文引文格式：WANG Weiqing，LI Xiaozhu，CHU Longhao A review of research on friendly grid connection andoperation control technology for large scale renewable energy generationJ Journal of Xinjiang University(NaturalScience Edition in Chinese and English)，2024，41(2)：129-144+156A Review of Research on Friendly Grid Connection and OperationControl Technology for Large Scale Renewable Energy GenerationWANG Weiqing,LI Xiaozhu,CHU Longhao(School of Electrical Engineering,Xinjiang University,Urumqi Xinjiang 830017,China)Abstract：The field of grid-connected renewable energy systems has attracted wide attention,scientific andaccurate generation uncertainty modeling technology and control strategy limit its grid-connected stability,andits inexperienced operation mode impedes its sustainable development.To this end,this paper summarizes andanalyzes the uncertainty prediction and modeling analysis of renewable energy power generation,the grid-connectedoperation mode analysis of renewable energy systems,and the grid-connected control method analysis of renewableenergy systems,and discusses the uncertainty prediction technology of power generation under different timescales and the uncertainty modeling technology for multi-scenario operation demand.From the perspectives ofrenewable energy-energy storage systems,renewable energy clusters-independent storage systems,and multi-energycomplementary systems,this study comprehensively analyzes and summarizes the current operational models ofrenewable energy grid integration;Building upon this foundation,the study analyzes and summarizes network-type and structure-type operational control strategies.Furthermore,it envisions the development direction ofhigh-proportion renewable energy systems in the future evolution of the power grid,aiming to provide insights forthe research and technological applications of the coordinated development of renewable energy and the grid innovel power systems.Key words：renewable energy;grid-connected;uncertainty;operation mode;operation regulation收稿日期：2024-01-15基金项目：国家自然科学基金“配置储能的新能源场站并网调控关键技术研究”（52267005），“新能源场站群集中式共享储能规划运行方法与激励机制设计”（52307108）作者简介：王维庆（1959），男，教授，博士生导师，主要从事大型风力发电机组关键部件研制、整机智能控制及检测、继电保护和并网送出技术的研究，E-mail：130新疆大学学报（自然科学版中英文）2024年0引 言在“双碳”目标的引领下，可再生能源产业飞速发展，传统电力系统逐渐向新型电力系统转变，可再生能源逐步由增量补充转换为增量主体 但随着可再生能源发电规模的不断飞速发展，电网保供与其消纳等问题日益凸显 近年来，上述问题虽有了一定程度的改善，但面临我国多年位居世界第一的可再生能源装机规模/发电量与发展风、光大基地的重要举措使得电力系统继续接纳可再生能源的比例依然十分受限的问题，不能满足能源革命在保障能源安全、提高能源效率和促进可再生能源消纳等方面的要求1为此我们从可再生能源发电预测与不确定性建模分析、可再生能源系统并网运营模式分析、可再生能源系统并网控制方法分析阐述了大规模可再生能源系统并网运行调控关键技术的研究现状与面临的挑战；基于国家政策与能源互联网发展趋势，从三个角度总结了可再生能源-储能系统、可再生能源集群-独立储能系统、多能源互补系统的运营机制；结合现有研究分析总结了可再生能源系统跟网型与构网型运行控制策略；讨论了大规模可再生能源系统在未来新型电力系统动态演变中的发展方向1可再生能源发电预测与不确定性建模分析在以大规模风、光发电等可再生能源为主体的新型电力系统中，电源侧出力随机性和波动性的特征愈发明显 如何准确预测可再生能源出力并科学刻画系统的发电不确定性对电力系统的安全稳定至关重要 鉴于此，我们从预测出力与刻画发电不确定性两个维度对现有研究现状进行总结1.1可再生能源发电预测1.1.1中长期预测可再生能源发电的中长期预测为电网规划提供参考依据，并用于确定火电等大型传统机组的停机检修与运行计划等 长期预测数据呈单调变化、具有无周期性特征，通常利用序列法进行预测2 文献3考虑风资源的区域特征，利用长短期记忆法进行中长期风电趋势预测 文献4利用具有大数据样本特性的历史数据刻画风电出力的长期波动性；文献5在历史数据的持续功率曲线基础上构建包括风电、光伏电站群的等值输出功率模型 文献6利用改进的在线序列极限学习机在小数据样本特征下对光伏的中长期输出功率进行预测，使其具有学习速度快、泛化能力强的优点 文献7利用数据特征间的先验关系，提出一种基于图卷积神经网络（GCN）、风速差分拟合（DF）、粒子群优化算法（PSO）的中长期风功率预测模型上述研究虽有效提高了预测精度，为电网规划调度提供一定的理论指导 然而在工程实际中，对于新建可再生能源装机的规划往往由于缺乏历史数据使得对于发电功率的中长期预测无法直接套用短期预测的方法 文献8为解决常规时序法在长序列预测场景下表现较差的问题，基于Informer网络的多头注意力机制实现了序列长期依赖特征的挖掘、通过CNN模块及GRU模块分别实现了长时间序列的融合 文献9利用反演法得到拟规划的风电场输出功率的概率密度曲线，为在历史数据缺失下的中长期预测提供了新思路1.1.2短期及超短期预测短期及超短期预测用于安排日内系统中火电等传统机组的开停机计划与系统多类型能源的发电计划，用于日前/实时经济调度，预测数据具有明显的周期性特征，受气象信息影响明显，通常有物理预测法与统计预测法两种类型物理预测法10原理简单，无需大量的历史数据，但在建模过程中需要详细的位置、高度信息，风光发电组件特性参数及安装信息 例如：文献11基于物理分析法，通过模拟太阳辐照强度的传递和光伏组件发电的物理过程实现功率超短期预测；文献12计及天气预报的数据质量对于预测结果的影响，提出一种基于预报数据实测数据融合的风速误差修正方法；文献13明确指出可再生能源发电的特殊地理环境（地形地貌复杂、地形加速效应）以及某些特定物理现象（如尾流效应、地转风、湍流强度等）通常难以被精确描述 因此，基于物理方法的短期及超短期预测针对性强、普适性较差，不适用于极端情况14统计预测法是利用历史数据进行分析，通过挖掘历史数据的周期性规律进行预测 该方法的准确度取决于历史数据的选取以及模型对功率与影响因素间映射关系的科学性15 目前常用方法有持续预测法16与智能学习技术17 例如：文献18利用支持向量回归（Support Vector Regression,SVR）的功率预测方法，在具有小样本数据特征的学习中具有良好表现；但该方法中的间隔带为人工设定的经验值 在不同的预测场景下各类型预第2期王维庆，等：大规模可再生能源发电友好并网与运行调控技术研究综述131测模型的适应性不同，很难利用单一模型进行有效探究 部分学者以集成学习来获得较单一模型更好的预测效果19 但组合优化的预测模型虽能提高精度，但却以训练效率为代价，且也易陷入局部最优或过拟合的状态综合上述分析，将不同时间尺度可再生能源发电功率预测的作用、数据特点、主要方法与目前存在的问题进行总结，如表1所示表 1不同时间尺度可再生能源发电功率预测的对比时间尺度作用数据特点主要方法存在问题中长期用于提供电网规划呈单调变化、序列法（线性预测模型、1）历史数据缺失；无法直接套用的基础数据，具有无周期性自回归滑动平均预测现有短期功率波动的分析方法确定年度检修特征模型、马尔可夫链、2）常规时序法在长序列预测计划、运行方式等灰色理论模型）场景下表现较差短期/超短期用于安排日开停机呈明显周期性物理预测法1）精度依赖模型和参数的选择计划与发电计划，特征，受气象信息2）针对性较强、普适性较差，日前/实时经济调度影响显著不适用于极端情况统计预测法1）普适性较差2）易陷入局部最优或过拟合的状态1.2可再生能源发电不确定性建模方法现有研究可再生能源发电不确定性建模方法主要归纳为：备用整定法、随机优化法、机会约束规划法与鲁棒优化法1.2.1备用整定法备用整定法通常利用N-1准则与负荷百分比准则进行整定，一般计算方式如式（1）：Ri=13CiNPi=1Ci+CmaxiNPi=1Cmaxi+LmaxiNPi=1Lmaxi(1)其中：Ri表示区域i的备用容量，Ci、Cmaxi、Lmaxi分别表示区域i的总装机容量、次年最大单机容量与最大电力需求预测值N表示所考虑区域电网的个数基于此，文献20为了实现多个运行场景下发电运行、备用成本最小的目标，提出了一种基于可靠性指标的运行备用容量协调优化模型；文献21计及区外受电功率按照区域备用容量应大于网内最大单机容量与峰值负荷加合的2%进行配置 上述方法在应对简单的负荷波动和机组故障时具有较好效果，但在具有复杂形态演化、源网荷多重不确定性为特点的高比例可再生能源并网的背景下较难得到可靠结果 为解决上述问题，文献22利用电网风险承受模型中耦合失负荷概率作为系统日前运行备用容量预留依据；文献23基于历史运行数据，利用峰值负荷、新能源装机容量与预测净负荷表征系统备用容量，得出由新能源预测偏差带来的备用容量经验公式 上述方法保守度较高且经验系数难以确定，使得备用压力增大，不利于资源合理配置与新能源消纳为应对新能源发电带来的功率不确定性，备用整定法可通过两种思路进行改进，一种是基于历史数据进行离散与聚类以此生成多类型簇来描述功率的不确定性，上述方法从本质上来看是多离散场景的随机优化方法，详细见1.2.2节分析；另一种思路是对具有随机性的新能源出力功率进行概率特性分析，从而得到多重随机变量耦合下的系统不确定变量概率密度函数，在此基础上允许系统运行约束在一定小概率值下被违背，这本质是一种机会约束规划，具体见1.2.3节分析1.2.2随机优化法随机优化依据不确定变量（可再生能源实际与预测功率误差）从服从的概率分布中生成随机场景并进行抽取，进而将连续的概率分布离散化为多个场景集合的形式，在此基础上对每个离散的场景分别求解确定性优化问题，并以最小化各场景下成本的加权平均值为决策目标，以定量分析在不确定场景下的高比例可再生能源系统运行过程 一般形式表述如式（2）：minx(f(x)EF(x,)(2)132新疆大学学报（自然科学版中英文）2024年其中：F(x,)为优化问题的目标函数，x为决策变量，参数是一个随机变量，其变化范围为随机优化法利用运行场景集来制定系统运行策略，因此场景集的生成与构建对所得优化运行方案影响显著蒙特卡洛法24、拉丁超立方抽样法25、自回归滑动平均模型26被广泛用于可再生能源发电运行场景的生成 文献27采用随机优化处理风、光发电不确定性，提出考虑风、光相关性和分布随机特性的VPP热电联合优化调度模型；文献28利用藤Copula模型分析了风、光荷间的相关性，并基于蒙特卡洛算法，在预测场景和抽样场景共同作用下建立混合交直流主动配电网的随机规划优化调度模型 由于场景数量很大，K-medoids聚类29、场景削减技术30被用来减少场景数目，并利用Benders分解等加速求解方法 目前研究中各种场景缩减方法虽然降低了随机优化法的计算量，但由于不能遍历所有类型场景，使得该方法在可能出现的极端情况下的决策结果仍存在一定风险 结果受削减后的场景个数制约、多场景描述不确定性的计算复杂，计算速度与求解精度之间始终难以均衡1.2.3机会约束规划法机会约束规划针对随机优化中可能存在不能遍历与涵盖所有类型场景的问题，考虑在该情况下违背约束条件的情况，将约束条件设置为在某一置信水平下成立 根据次描述，机会约束规划的一般形式如式（3）：minxf(x)s.t.P(g(x,)0)1(3)其中：P(.)代表随机变量的概率分布，(0,1)是给定的置信水平 文献31在场景概率与随机规划理论的基础上，利用随机机会约束规划建立电动汽车与分布式光伏的协同优化运行模型；文献32将风电出力的不确定性模糊化，利用可信度作为约束，建立了基于模糊机会约束规划的优化调度模型 文献33考虑电动汽车车主驾驶模式的不确定性，利用点估计的概率方法来研究电动车充电桩的规划问题；点估计法基于大数定理分析不确定量的概率分布特征，电力系统中被广泛的应用于概率潮流计算34、寿命预测35等方面但机会约束规划需事先明确不确定变量服从的概率分布，在假设随机变量服从正态分布等较简单的情形外，机会约束在数学上一般具有非凸、非线性特性，难以有效求解 利用智能算法36又会出现无法平衡全局解与局部最优解，从而陷入局部最优解，无法在有限时间内得到确定解，也无法证明解的收敛性与准确性；若采用抽样平均逼近法求解，则其模型与随机优化较相似，同样面临求解速度和求解精度之间的矛盾1.2.4鲁棒优化法鲁棒优化通过设定不确定变量的随机性波动范围，寻找极端最恶劣情景下的决策方案 一般形式如式（4）：min supf(x,):Us.t.g(x,)K,Ux(4)其中：U为参数向量，xX是决策变量，是决策变量x的抽象集合 文献37利用鲁棒不确定模型建立风电出力的不确定性合集，进而构建多区域间的发电机组与联络线的鲁棒优化调度模型，虽然可以得到可靠结果，但需采集大量场景，从而影响了优化调度模型的计算效率 文献38-39考虑了发、用电功率的不确定性，采用预先设定好的不确定合集描述不确定性，研究在最恶劣工况时最经济的运行方案，但当不确定合集构建过大时，调度计划变得过于保守，反之当不确定合集较小时，计划又会变得不可靠分布鲁棒优化结合随机优化与鲁棒优化的优点，包含不确定变量概率分布参数向量的统计信息，克服了鲁棒优化对不确定合集中因参数变量估计不精确导致的随机性，是准确描述不确定性的绝佳技术手段 一般形式如式（5）：(min supPEPf(x,)f(x,):Us.t.infPProb P g(x,)K1(5)其中：为风险参数 文献40构建基于Wasserstein距离的加氢站氢气需求分布鲁棒模型，用于解决移动氢能系统制-储-运氢协同优化问题，但Wasserstein距离选取主观性大还会加大模型在转换过程中的求解难度；文献41采用基于生成对抗网络的分布鲁棒优化，实现在新能源出力最劣概率分布下的储能容量规划，但决策结果很大程第2期王维庆，等：大规模可再生能源发电友好并网与运行调控技术研究综述133度上受聚类场景数量、聚类算法迭代次数、初始概率分布的影响42；文献43将KL散度作为筛选极端风电出力场景的控制条件，并以此构建风电出力的模糊集，但是该方法包含更多的概率分布形式，使得优化问题求解耗时较长 文献44创新提出利用贝叶斯模型构造发电功率的不确定合集，弥补分布鲁棒中概率分布模糊集构建较为主观且仅针对单一时间断面下不确定量表征的缺陷，但该方法需要大量的历史数据进行拟合，在样本缺失的情况下无法得到准确模糊集综合上述分析，将不同可再生能源发电不确定性建模方法的适用性与优缺点归纳总结，如表2所示表 2不同可再生能源发电不确定性建模方法对比建模方法适用范围优点缺点备用整定法基于N-1准则与负荷百分比计算简单，方法通用具有复杂形态演化、多重准则进行备用整定不确定性为特点的系统，较难得到可靠结果随机优化法依据概率分布抽取场景，可定量分析在不确定结果受场景个数制约、将概率分布离散化，场景下的电力系统多场景描述不确定性计算对每个场景分别求解运行过程复杂，场景数量与求解确定性优化问题精度之间始终难以均衡机会约束规划法所作决策在不利的情况下具有明确的物理意义，在数学上一般为非凸，难以可能不满足约束条件，允许容易为电力系统有效求解；面临场景数量约束在以一定概率被违背调度人员所接受和求解精度之间的矛盾鲁棒优化法通过设定不确定变量的波动模型具有较强的鲁棒无法量化系统鲁棒性，范围，寻找最恶劣情景下的性，不需要不确定从而直观平衡系统决策方案参数的分布模型经济性与保守性分布鲁棒Wasserstein距离Wasserstein球半径选取包含不确定变量主观性大，对决策结果概率分布参数有重要影响KL散度克服了鲁棒优化对不确定向量的统计信息，分布概率为离散形式，在主合集中因参数变量估计克服了鲁棒优化优化问题中需尽可能包含所不精确导致的随机性对不确定合集中有场景，导致求解耗时较长多离散场景因参数变量估计决策结果很大程度上受聚类不精确导致的随机性场景数量、聚类算法迭代次数、初始概率分布的影响2可再生能源系统并网运营模式分析单独利用可再生能源并网发电具有随机性强、间断性大、效率低、并网难等问题，将多种可再生能源及其它能源网综合利用的混合发电系统能够平抑可再生能源发电波动性，提高其友好并网能力 根据其资源所属关系，可将高比例可再生能源参与的混合发电系统分为可再生能源-储能系统、可再生能源集群-独立储能系统、多能源互补系统2.1可再生能源-储能系统储能是实现我国“双碳”目标、促进我国向清洁能源结构转型的重要基础装备，是平滑新能源出力波动性与随机性、为电网提供灵活调峰容量与调频里程图 1可再生能源-储能系统的运行框架的主要技术手段之一 目前全国大部分地区要求可再生能源强配储能，包括山东、甘肃、陕西、青海、湖北等多个省份发布了强制配储比例，明确储能容量占可再生能源装机容量的比例不低于5%30%45 图1为可再生能源-储能系统的运行框架134新疆大学学报（自然科学版中英文）2024年图1中配套储能在电网侧与场站侧都有着极高的应用价值 在电网侧，高比例可再生能源系统转动惯量大幅度降低，关键运行指标的支撑和调节能力逐步下降，系统安全稳定运行面临巨大挑战46 文献47提出一种风储系统与等容量同步发电机等惯量响应能力的协调运行策略，旨在使得电网惯量响应能力和调频能力不变；文献48利用储能维持系统惯性大小以及一次调频能力，以达到新能源替换传统机组接入后系统中的惯性大小和一次调频能力保持不变 在场站侧，一般应用于风力/光伏储能和自动发电控制调频电站，主要任务是改善新能源技术的消纳问题，提升电能质量，参与电力市场辅助服务，跟踪场站预测功率，平抑场站并网电量波动性等 文献49-50分别利用截断正态分布法与计算跟踪计划允许误差带法对储能补偿新能源功率预测误差场景开展配套储能运行研究 文献51以满足电力供需为目标，确定风、光储联合发电系统的整体并网功率，借助蒙特卡洛仿真计算得到风、光储各机组的组合策略但目前对于综合考虑经济性和提升系统灵活性、可再生能源利用率等需求的储能功能定位及配置原则尚不清晰，存在配套储能利用率低、缺乏成本疏导渠道等发展瓶颈 因此，兼顾经济性与多场景应用需求的新能源场站储能配置方案是亟需进一步研究的关键问题 文献52提出了储能双层优化配置模型，上层以储能综合投资成本最小为目标优化储能容量，下层以系统总运行成本最小为目标，实现系统运行的经济优化，在建模过程中兼顾了储能的投资成本与系统的安全保供 文献53将锂电池与液流电池的优势相结合，根据实际需求所设的技术指标，结合储能平均使用成本最小化的目标函数，得到了功率型、容量型的储能综合配置 文献54建立了计及储能“低储高发”服务、电价补贴、再回收利用价值、投资成本、运维成本的全方位多维度的全寿命周期储能成本效益模型 上述研究，虽从电网侧联合火电、风电、光伏等多种能源参与调峰、调频，从新能源场站侧协同新能源发电计划出发配置集中式储能的容量，但未充分发挥储能资源的时空互补特性，多数仅针对单一应用场景应对单一需求的储能配置研究 对于多应用场景的储能配置原则无法清晰界定，并且模型构建时对于经济性的考虑偏多，较少对系统需求的鲁棒性进行考虑综合上述分析，可再生能源场站配套储能是平滑新能源出力波动性与随机性、为电网提供灵活调峰容量与调频里程的重要技术手段 但也存在明显问题，其中配套储能利用率低是当前最为突出的核心问题，此外同质化配储要求缺乏科学依据，单一新能源场站分散的配置方式也难以充分发挥储能的作用与投资中的规模化效应 因此，亟需探索优化储能资源配置的新方法与新模式2.2可再生能源集群-独立储能系统为解决目前大规模新能源消纳困难、系统调节能力不足、储能盈利模式单一、利用率较低等问题，国家出台了 关于加快推动新型储能发展的指导意见 “十四五”新型储能发展实施方案 等政策，明确提出探索共享储能新模式，各省区市也逐步增加了独立储能发展要求 图2为可再生能源集群-独立储能系统的运行框架图 2可再生能源集群-独立储能系统的运行框架图2所示独立储能一般安装在大规模可再生能源发电汇集处，通常为单体容量较大的储能系统 独立储能通过储能运营商进行集中管控和分配，利用多场站与电网调节需求的时空互补特性，通过分时空复用向多个储能使用者提供多种调节需求55，以提高储能利用率56、降低储能资源投资与运行的经济性 储能运营商根据独立储能使用者需求的利益等级，充分考虑各需求间的时空互补特性，设置最优储能使用优先级 储能运营商根据使用优先级向各储能使用者提供电量或容量服务，以最大限度满足多类型调节需求或最大化独立储能利润基于图2的运行框架，文献57提出基于误差分配原则的发电侧独立储能共享运行模式，为其规模化应用提供了参考 文献58提出新能源场站和独立储能运营商组的合作共享运行方案，解决场站配套储能投资意愿低的基础问题 文献59基于现货市场环境提出一种独立储能以租赁或共享的形式为风电、光伏电站提供平衡服务并第2期王维庆，等：大规模可再生能源发电友好并网与运行调控技术研究综述135参与能量-调频市场的运行策略 文献60基于区块链技术建立储能共享运营模型，以提高储能利用率，增加储能运营商的收益现有研究中，独立储能多为第三方出于盈利为目的投资建设的利益驱动型储能，因此，兼顾储能使用者、储能所有者多方利益诉求的运营机制、公平高效的储能共享运营定价策略成为制约独立储能模式规模化可持续发展的关键问题 文献61利用分时电价，借鉴用户用电电价与时间的关系，将共享储能电价在2200至0600设置为谷时电价0.307元/千瓦时，在0600至2200设置为峰时电价0.617元/千瓦时 文献62依据历史用户用电情况，制定储能充放电策略，决定共享储能的分时电价以平衡用户与储能的利益 上述定价方式虽保证了共享储能的合理收益，但未有效利用价格与储能利益的激励关系，抑制了独立储能规模化参与市场交易的主动性与发展潜力 文献63设计共享储能的拍卖定价机制，容量与价格均由用户与拍卖商间的Stackelberg博弈决定，但拍卖存在过度竞争、竞价者间不正当的合作与非真实信息披露三方面机制缺陷 文献64基于改进的Vickey法捕获共享储能参与方的互动，并利用非合作博弈确定共享储能容量比例与交易价格，但该方法侧重于信息完全的理想模式，未结合现实情况研究信息不完全时各参与者的策略行为，也未探讨个体利益与整体利益间的交互影响规律综合上述分析，可再生能源集群-独立储能系统通过实现储能资源的分时空复用，提高资源利用率、充分发挥储能作用；又能鼓励各类能源企业建立独立储能电站，利用规模效益降低投资成本、实现多方共赢 但共享模式涉及众多异质性主体，各主体间利益交互错综复杂，使得储能资源与能量需求匹配存在滞碍 该模式也面临储能运营商收益无法保障、差异性需求下多方效益难以均衡等发展瓶颈2.3多能源互补系统随着电网形态的不断演变，能源互联网技术的不断发展，多能源耦合是未来能源-电力系统发展的必然趋势 各能源系统相互链接，保持各自系统安全稳定运行的同时，提高协作的灵活性，为电力系统消纳高比例可再生能源提供新的思路 图3为多能源互补系统的运行框架图 3多能源互补系统的运行框架图3中多能源互补系统涉及集中式与分布式共同管理、多种能量之间协同转换，是供给侧与需求侧相互配合的新型能量生态体系65 文献66提出将电网内部功率波动转移至具有较大惯性的热网，并证明所提方法具有较好的削峰填谷效果；文献67对电-气耦合系统进行评价，结果证明该系统可以提高可再生能源的灵活性，文献68提出合理利用弃风的电-气综合能源系统实现互联系统之间的能源双向耦合与传递，文献69利用电转气（P2G）实现电力系统与天然气系统双向能量流动，是促进风电消纳平滑功率需求的有效途径 多能源互补系统就能量差异特性来看，不同能量惯性差异较大，对此文献70提出包含需求响应资源、系统调度目标和源荷预测精度在时间尺度上的差异，设计多时间尺度运行方案；文献71为减小发电不确定性对系统的影响同时提升可再生能源发电系统的功率平抑能力，提出考虑多能互补的多时间尺度优化调度策略随着高效能量转换设备的普及与电网形态的不断转变，多个能源系统交互耦合不再是单独运行，传统能源市场割裂运行的模式不能很好地发挥资源调配能力 因此，公平高效的能源共享交易新模式与新机制亟需研究文献72研究了不受限制竞争与受交易价格和规模限制的Stackelberg竞争两种市场条件下多产消者在能量共享时的竞争关系，基于非合作博弈提出多能源在多参与主体间的交易模式；文献73提出双边交易价格的新策略，该策略能够减少交易中双方达成可交易价格的谈判次数，获得比传统双边交易更高的市场效率；文献74提出分布式储能双层合作共享策略，通过两次利益再分配应对目前分布式储能成本高、利用率低的挑战，解决用户数量增加带来的隐私保护问题与模型求解中面临的维数灾难问题 但当前研究大多只考虑信息完全公开的理想136新疆大学学报（自然科学版中英文）2024年情况，实际中参与者存在为低价或优先获取能量服务而存在的非真实信息披露（谎报真实意愿）和信息不完整（隐私保护）的情况综上所述，多能源互补系统可灵活调动多方资源，极具发展潜力，但各能源系统隶属于不同管理方，且多能源交易的相关市场模式、定价机制尚不成熟，涉及多能源参与市场下的有效组织形式还有待进一步研究综合上述分析，将可再生能源-储能系统、可再生能源集群-独立储能系统、多能源互补系统的适用场景，以及优点与发展瓶颈进行对比总结，如表3所示表 3可再生能源系统并网运营模式对比类型适用范围优点发展瓶颈可再生能自行配置储能，具有平滑新能源出力波动性与随1）配套储能利用率低源-储能较大发电规模的可机性，为电网提供灵活调峰容2）同质化配储要求缺乏科学依据系统再生能源场站量与调频里程3）单一新能源场站分散的配置方式难以充分发挥储能的作用与投资的规模化效应可再生大规模可再生能源独立储能通过储能运营商进行1）储能资源与能量需求匹配存在滞碍能源集群-发电汇集处，通常为集中管控和分配，向多个储能2）储能运营商收益无法保障独立储单体容量较大的储使用者提供多种调节需求3）差异性需求下多方效益难以均衡能系统能系统多能源用户侧多能互补/能源系统相互链接，保持各1）多能源交易的相关市场互补系综合利用的多个自系统安全稳定运行的同模式、定价机制尚不成熟统微网或园区系统时，提高协作灵活性2）多能源参与市场下的有效组织形式尚不明确3可再生能源系统并网控制方法分析风、光等大规模可再生能源发电接入使得整个电网形态发生演变，出现不同于传统电网的可再生能源并网变换器的稳定运行新问题与新挑战 工程中可大致分为跟网型与构网型控制75，其中跟网型控制采用锁相环检测并网点的电压相角，以此为参考值进行电流控制以实现输出功率的调节；构网型控制则模拟了同步电机的外特性，可生成相角参考值，构建类似同步电机的输出电压，从而发挥参与电网电压与频率的调节作用3.1同步跟网型并网变换器控制策略跟网型并网变换器控制系统通常由功率外环、电流内环和锁相环组成，具有对并网功率调节快速、稳定性强、鲁棒性高等优点75 此外，功率外环、电流内环和锁相环间的控制环路可相互解耦，可独立进行控制参数的整定与解耦 文献76为实现快速提取电网电压的基波正负序分量，提出一种基于复数滤波器矩阵解耦的锁相策略 文献77提出一种风电并网锁相环控制策略，利用一阶线性自抗扰控制器，以解决受可再生能源出力波动影响引发的跟网型变流器的振荡问题 文献78针对负序电流严重影响并网逆变器输出电能品质的问题，提出一种基于虚拟矢量的无锁相环控制策略但随着可再生能源渗透率的不断升高，可再生能源机组不断挤压传统机组空间，使得具有稳定支撑能力的传统机组占比不断降低，电网呈现“弱电网”特性79，锁相环同步跟网型并网变换器与电网之间的多时间尺度动态交互会导致可再生能源发电注入电网的电流发生谐振，严重时甚至脱网 为解决上述问题，学者们从阻抗分析法80与线性状态空间分析法阐述了锁相环引起的负阻效应对系统稳定性的机制 例如：文献81-83基于阻抗分析法研究了不同频次谐波线性化方法与不同截断次数下的MIMO与SISO模型，以直观分析并网变换器与电网交互引起的谐波振荡问题文献84考虑直流侧二次谐波影响，将无穷维导纳矩阵截断降维至77进行分析；文献85则删除奇次谐波项进一步给出33维导纳矩阵进行简化 在此基础上，文献86-88通过增加电压前馈滤波器、导纳补偿项、相角补偿项等方式改善变换器阻尼的低频特性，增加弱电网系统的鲁棒性与抗扰动能力 上述方法中补偿项的确定较为主观，精确的补偿相位、相角等依然难以获得；文献89-90比较了不同积分器（OSG）结构对弱电网稳定性的影响，但此类自适应的算法或结构层出不穷，现有研究未能归纳总结不同方法间的本质差别，也未对其策略协同针对的工程特性进行深入分析综合上述分析，在高比例可再生能源接入的弱电网情形下，跟网型并网变换器与电网之间存在多时间尺度第2期王维庆，等：大规模可再生能源发电友好并网与运行调控技术研究综述137动态耦合效应，系统面临失稳风险，加之故障情况下并网需要多重控制策略间的切换，稳定性问题凸显3.2构网型并网变换器控制策略构网型并网技术具有电压支撑和主动惯性支持特性，可代替同步电机实现电网支撑，维持电力系统频率稳定91，电池储能系统主要采用下垂控制92和虚拟惯性控制93两种构网型控制技术参与电网调频94传统下垂控制受输电线路的阻抗影响，在多灵活性调节资源并存下功率的精确分配常常难以实现92，为解决上述问题，文献95在下垂控制模型的基础上，引入了虚拟频率的概念，利用计算不同灵活性调节资源的虚拟频率来确定下垂控制系数，从而提高功率分配的精确程度 文献96为了兼顾并网点频率与电压的稳定性，提高并网点频率和电压的恢复能力，提出了一种将下垂控制与虚拟阻抗控制相结合的控制策略 为使虚拟惯性控制更好模拟同步发电机惯性特性，文献97提出了一种根据频率偏差和频率变化量的符号，自适应调节控制参数的方法，使其更好地抑制频率变化 文献98引入了自调节惯量的指标计算方法，提高了可再生能源系统对电网频率的支撑能力 但是，单一的控制策略均存在不足，例如：文献99对储能系统参与调频的互联两区电力系统进行仿真，结果表明虚拟惯性控制可有效抑制频率偏差变化率，但单一的方法对频率恢复效果不佳 文献100模拟了低惯性网络中大型发电机的频率损失事件，并对比几种控制策略在频率损失中的恢复情况 对比结果表明：采用下垂控制有助于减小稳态频率偏差，在提高频率稳定性方面具有优势 文献101使用灵敏度分析的方法，证明了虚拟惯性控制在抑制频率偏差变化率方面更具优势，下垂控制在减小稳态频率偏差方面也具优势 在此基础上，文献102将下垂控制和虚拟惯性控制优势互补，进而从频率与电压两方面提高并网点稳定性，提出了一种针对储能电源参与电网一次调频的综合控制模式 但该方法也存在一个比较严重的弊端，就是在两种控制策略切换时容易出现储能从最小到最大输出功率的跃变，降低了储能使用寿命 为了解决该问题，部分学者引入模糊控制方法，对两种控制参与比重进行自适应调节，从而避免因控制模式切换造成的电池出力跃变现有研究针对控制技术在单一类型储能方面的研究较多，但未详细研究不同类型储能能量密度、功率密度、充放电效率和循环寿命等具体储能特性对控