新型电力系统源网荷储协调控制技术研究

新型电力系统源网荷储协调控制技术研究

摘要

随着能源转型的加速，构建新型电力系统成为实现“双碳”目标的关键。源网荷储协调控制技术作为新型电力系统的核心支撑，对于提升系统灵活性、稳定性和可靠性至关重要。本文深入剖析了新型电力系统中源网荷储协调控制的研究背景与意义，详细阐述了源、网、荷、储各环节的特性及控制策略，分析了源网荷储协调控制面临的挑战，最后对未来发展趋势进行了展望。研究表明，源网荷储协调控制技术的发展将推动新型电力系统的高效运行，助力能源绿色低碳转型。

关键词

新型电力系统；源网荷储；协调控制；能源转型

一、引言

随着全球对气候变化的关注和可持续发展理念的深入，能源领域正经历着深刻变革。在我国，“双碳”目标的提出对能源体系转型提出了紧迫要求。新型电力系统以确保能源电力安全为基本前提，以满足经济社会发展的电力需求为首要目标，以高比例新能源供给消纳体系建设为主线任务，其核心特征是高比例可再生能源接入以及源网荷储互动。在新型电力系统中，传统电力系统中电源主导的供需平衡模式被打破，大量分布式电源、储能装置和可控负荷接入，使得系统的运行特性和控制要求发生了根本性变化。源网荷储协调控制技术通过对电源、电网、负荷和储能等各环节的协同优化控制，能够有效提升电力系统对可再生能源的消纳能力，增强系统的灵活性和稳定性，保障电力可靠供应。因此，深入研究源网荷储协调控制技术对于新型电力系统的构建和能源绿色低碳转型具有重要的现实意义。

二、新型电力系统源网荷储特性分析

2.1 电源特性

2.1.1 传统电源

传统电源主要包括火电、水电等。火电具有出力稳定、调节灵活的特点，能够根据电网负荷需求快速调整发电功率，在电力系统中承担基荷和调峰任务。然而，火电以化石能源为燃料，碳排放量大，且受能源资源分布限制。水电具有清洁、高效的优点，但其出力受来水情况影响较大，具有明显的季节性和周期性。大型水电工程建设周期长、投资大，且对生态环境有一定影响。

2.1.2 新能源电源

新能源电源如风电、太阳能发电等具有间歇性、波动性和随机性的特点。风力发电受风速、风向变化影响，发电功率波动较大；太阳能发电依赖于光照强度和时间，白天发电、夜间停止，且阴雨天发电能力受限。新能源电源的大规模接入给电力系统的功率平衡和频率稳定带来了巨大挑战。

2.2 电网特性

新型电力系统中，电网不仅要承担电力传输和分配的任务，还要适应高比例新能源接入的需求，具备更强的灵活性和智能性。随着特高压输电技术的发展，电网的跨区域输电能力不断提升，能够实现能源资源的优化配置。但新能源电源的分散接入使得电网潮流分布更加复杂，对电网的电压控制、短路电流水平和继电保护等提出了新的要求。此外，分布式电源的接入可能导致电网出现双向潮流，增加了电网运行控制的难度。

2.3 负荷特性

随着经济社会的发展，电力负荷结构发生了显著变化。工业负荷仍然是电力消耗的主要部分，但占比逐渐下降；商业负荷和居民负荷增长迅速，其用电行为更加多样化和个性化。同时，电动汽车、分布式储能等新型负荷不断涌现，这些负荷的充放电特性对电网的影响较大。例如，电动汽车大规模集中充电可能导致电网负荷高峰时段的电力供应紧张，而分布式储能的充放电控制不当则可能影响电网的稳定性。

2.4 储能特性

储能装置在新型电力系统中具有重要作用，能够实现电能的存储和释放，调节电力供需平衡。常见的储能技术包括电池储能、抽水蓄能、压缩空气储能等。电池储能具有响应速度快、安装灵活等优点，可用于平抑新能源发电波动、参与电网调峰调频等。抽水蓄能技术成熟、储能容量大，但建设受地理条件限制。压缩空气储能具有储能成本低、寿命长等优势，但技术仍有待进一步完善。

三、源网荷储协调控制策略

3.1 源侧控制策略

3.1.1 传统电源优化调度

对于火电，通过优化机组组合和经济调度，合理安排机组的启停和发电功率，在满足电网负荷需求的前提下，降低火电的能耗和污染物排放。对于水电，结合来水预测和电网运行需求，制定科学的水库调度计划，充分发挥水电的调节能力。

3.1.2 新能源电源控制

采用最大功率跟踪控制技术，使新能源发电设备在不同的光照和风速条件下始终保持最大功率输出。同时，通过引入储能系统或与其他电源联合运行，平抑新能源发电的功率波动。例如，风储联合系统中，根据风电功率预测和实时功率波动情况，控制储能装置的充放电，确保输出功率的稳定性。

3.2 网侧控制策略

3.2.1 电网柔性输电技术应用

利用柔性交流输电系统（FACTS）和高压直流输电（HVDC）技术，增强电网的输电能力和调节灵活性。FACTS装置如静止无功补偿器（SVC）、静止同步补偿器（STATCOM）等，能够快速调节电网的无功功率，稳定电压；HVDC可实现大容量、远距离输电，并且在联络不同频率电网、提高系统稳定性等方面具有独特优势。

3.2.2 智能电网调度与控制

基于广域测量系统（WAMS）、能量管理系统（EMS）等技术，实现电网的实时监测、分析和智能调度。通过对电网运行状态的精确感知，优化电网潮流分布，提高电网的运行效率和安全性。同时，利用分布式能源管理系统（DERMS）对分布式电源和储能进行统一协调控制，实现分布式能源与电网的友好互动。

3.3 荷侧控制策略

3.3.1 需求响应

通过价格信号或激励机制，引导用户调整用电行为，实现电力负荷的削峰填谷。例如，实施峰谷电价、实时电价等电价政策，鼓励用户在低谷时段用电；开展需求响应项目，对参与负荷调控的用户给予经济补偿。

3.3.2 负荷聚合商管理

负荷聚合商作为用户与电网之间的桥梁，整合分散的用户负荷资源，参与电网的运行调节。负荷聚合商通过对用户用电数据的分析和挖掘，精准预测负荷变化，采用智能控制技术对用户负荷进行集中管理和优化调度，提高负荷资源的利用效率。

3.4 储侧控制策略

3.4.1 储能系统充放电控制

根据电网的运行状态和需求，制定合理的储能系统充放电策略。在新能源发电过剩时，储能系统充电储存电能；在电网负荷高峰或新能源发电不足时，储能系统放电补充电力。同时，考虑储能系统的寿命和安全性，优化充放电控制算法，避免过充过放。

3.4.2 储能参与电网辅助服务

储能系统可参与电网的调频、调峰、备用等辅助服务。在调频方面，根据电网频率偏差，快速调节储能的充放电功率，平抑频率波动；在调峰方面，通过在负荷高峰时放电、低谷时充电，缓解电网的调峰压力；在备用方面，储能系统作为备用电源，提高电网的供电可靠性。

四、源网荷储协调控制面临的挑战

4.1 多时间尺度协调问题

源网荷储各环节的响应速度和调节时间尺度存在差异。例如，新能源发电的功率波动在秒级甚至毫秒级，而火电的调节时间则在分钟级；负荷的变化具有随机性，且响应时间也各不相同；储能系统的充放电时间也有一定限制。如何在不同时间尺度上实现各环节的协调控制，确保电力系统在各种工况下的稳定运行，是面临的一个重要挑战。

4.2 通信与信息交互问题

源网荷储协调控制依赖于准确、实时的通信与信息交互。然而，新型电力系统中设备数量众多、分布广泛，通信网络的可靠性和传输速率难以满足需求。同时，不同设备和系统之间的数据格式、通信协议不统一，信息共享和交互存在障碍，影响了协调控制的效果。

4.3 不确定性问题

新能源发电的间歇性、负荷需求的不确定性以及储能系统性能的不确定性等，给源网荷储协调控制带来了很大困难。准确预测新能源发电功率和负荷需求是实现协调控制的关键，但目前的预测技术仍存在一定误差，难以完全满足实际运行需求。此外，储能系统的寿命、充放电效率等性能参数也会随着使用时间和环境条件的变化而发生改变，增加了控制的复杂性。

4.4 市场机制不完善

源网荷储协调控制需要合理的市场机制作为支撑，以激励各市场主体积极参与。目前，我国电力市场仍处于发展阶段，市场机制不够完善，价格信号不能准确反映电力的供需关系和系统调节价值。例如，储能参与电网辅助服务的市场定价机制尚未形成，需求响应的补偿标准不够合理，影响了储能和用户参与协调控制的积极性。

五、源网荷储协调控制技术发展趋势

5.1 多能流协同优化

随着能源互联网的发展，电力系统将与天然气、热力等其他能源系统深度融合。未来源网荷储协调控制将朝着多能流协同优化方向发展，综合考虑电力、天然气、热力等多种能源的生产、传输、消费和存储，实现能源的跨系统优化配置和互补利用，提高能源利用效率和综合效益。

5.2 基于大数据与人工智能的控制技术

大数据和人工智能技术将在源网荷储协调控制中发挥重要作用。通过对海量的电力数据、气象数据、用户行为数据等进行分析和挖掘，能够更准确地预测新能源发电功率和负荷需求，为协调控制提供决策支持。同时，利用人工智能算法如深度学习、强化学习等，实现源网荷储各环节的智能控制和自主优化，提高协调控制的效率和精度。

5.3 分布式协同控制

分布式电源、储能和负荷的广泛接入使得电力系统呈现出分布式的特点。未来源网荷储协调控制将采用分布式协同控制架构，各分布式单元在本地控制器的作用下自主运行，同时通过通信网络进行信息交互和协同优化。这种控制方式能够提高系统的灵活性和可靠性，降低集中控制的通信和计算负担。

5.4 市场机制创新

为适应源网荷储协调控制的需求，电力市场机制将不断创新。完善电力现货市场、辅助服务市场等市场体系，建立合理的价格形成机制和市场交易规则，充分发挥市场在资源配置中的决定性作用。同时，探索将储能、需求响应等纳入市场交易的有效方式，激发市场主体参与源网荷储协调控制的积极性。

六、结论

源网荷储协调控制技术是新型电力系统建设的关键支撑，对于实现能源绿色低碳转型、保障电力可靠供应具有重要意义。通过对源网荷储各环节特性的分析，制定合理的协调控制策略，能够有效提升电力系统对可再生能源的消纳能力，增强系统的灵活性和稳定性。然而，目前源网荷储协调控制仍面临多时间尺度协调、通信与信息交互、不确定性和市场机制不完善等挑战。未来，随着多能流协同优化、大数据与人工智能技术、分布式协同控制和市场机制创新等技术和理念的发展，源网荷储协调控制技术将不断完善，推动新型电力系统向更加高效、智能、可靠的方向发展。

国网临汾供电公司汾能电力科技试验有限公司 杜树伟