新型电力系统负荷变化趋势及影响探讨

                       

在双碳目标的驱动下,新型电力系统的负荷结构将更加多元化,“以电代油”、“以电代煤”的电能替代发展战略将陆续落实。以新能源汽车、电采暖为代表的电力产品将逐渐抢占传统高排放产品的市场。

(一)新型电力系统负荷变化趋势

1、负荷结构更加多元化

在双碳目标的驱动下,新型电力系统的负荷结构将更加多元化,“以电代油”、“以电代煤”的电能替代发展战略将陆续落实。以新能源汽车、电采暖为代表的电力产品将逐渐抢占传统高排放产品的市场。根据中汽协最新统计显示,截至2021年5月底,我国新能源汽车保有量达到580万量,预计未来5年新能源汽车产销增速将保持在40%以上。另一方面,中央财政对“煤改气”、“煤改电”等清洁取暖改造政策的扶持力度持续加大,打破了传统“以热定电”的规则,促进了新能源的消纳,也使热负荷参与需求侧响应成为了可能。这些电能替代产品的的强势发展势必影响未来电力系统负荷曲线。

2、用户双向互动更加深入

目前,我国能源消费侧的用能效率和电能占比较低,用户与能源系统之间的互动不足。新型电力系统更加依赖出力随机性较强的清洁能源,发电侧灵活调节能力降低,需要大力发展储能建设,并深入挖掘用户侧调节潜力。随着电动汽车等新型负荷的不断涌现、用户侧分布式储能的推广应用、电力市场现货交易机制的不断完善,提升电网供需互动水平是实现新型电力系统高效运转的客观要求和必要基础。灵活深入的供需互动将改变新型电力系统的负荷形态:分布式储能的接入使用户从消费者(consumer)转变为产消者(prosumer),负荷不再是单一流向分布,而是参与电网侧的双向能量互动。

3、负荷特性更加复杂

高度电力电子化是新型电力系统的典型特征之一,不仅体现在发电侧电源动态特性的变化,还呈现出越来越复杂的电力电子化负荷特性。为满足用户对可靠性、便捷性、效能等方面的更高要求,用户侧与电网侧的交互将越来越多,用户接口处也越来越依赖辅助控制性能更高的电力电子设备,如电动汽车充电站、轨道交通牵引系统、写字楼变频制冷系统等。同样,为适应新型电力系统“源-网-荷”设备快速更新和即插即用的需求,未来配电网基础设施建设也更倾向于采用以电力电子技术为基础的综合解决方案,如直流配电网、微电网、云储能等。这些变化势必造成负荷侧逐渐走向高度电力电子化,使城市配电网的负荷特性更加复杂。

(二)新型电力系统负荷变化影响探讨

1、负荷建模复杂

负荷模型是分析电力系统动态行为的基础工具之一,对暂态稳定、小扰动稳定和电压稳定等都有不同程度的影响。新型电力系统负荷的负荷特性更加复杂,与传统负荷存在较大差异,造成现有负荷模型的描述能力下降。主要表现在:1)电动汽车等柔性负荷的接入带来了更大的负荷波动性、时变性和随机性,增大了负荷模型参数的选择难度;2)配网侧用户负荷具有时空分布零散、单体调节容量较小等固有特性,不利于大规模负荷的动态聚合;3)传统负荷模型缺乏考虑电力电子负荷的非线性特性,影响了电力系统电压、频率稳定分析结果的准确性。因此,在新型电力系统负荷变化的趋势下,传统电力系统负荷建模方法亟待改进和优化。

2、负荷预测困难

在电力市场环境下,负荷预测是编排发电计划、交易计划、调度计划的基础,在电力系统中占据重要地位。随着未来电动汽车等新型负荷的大力推广和多元用户互动的不断深入,负荷的随机性、不确定性增加,负荷预测难度增大。不同的负荷种类需要更加具有针对性和细化的负荷预测方法。用户用电行为更加复杂,在环境、社会、经济等方面形成多维度的耦合关系,难以获得精确的用户侧用电负荷特性和分布规律。因此,在新型电力系统负荷背景下,未来负荷预测工作可将模型驱动和数据驱动的方法相结合,发挥大数据、云计算、人工智能等新技术之间的相互助力作用。

3、超高次谐波注入

与常规负荷不同,电力电子负荷具有非线性阻抗特性,容易引起交流电网正弦波的畸变,影响用户侧的电能质量甚至电网侧的稳定运行。半导体技术是电力电子化的关键技术与实现基础,随着接入电网的半导体器件开关频率的提高,变换器注入电网的谐波向着高频化方向延伸,超高次谐波引起的电能质量问题将越来越多。超高次谐波频谱跨度宽、起因多样、传播交互作用复杂,随着半导体技术的发展,正迅速衍生成为新型电能质量问题,需引起更广泛重视,深入研究其产生机理、传播规律、测量方法和标准。

4、宽频振荡问题

随着电力系统电力电子化程度的提升,电力电子设备引起的电磁振荡问题逐渐凸显。配网中负荷的电力电子化使电力系统振荡频率范围变大,具有显著的“宽频”特征。“宽频振荡”是指由大量异构化电力电子设备引起的多时间尺度相互作用引起,始于小信号负阻尼失稳,在较宽频率范围(几Hz至数千Hz)内发散性持续振荡。目前,学界对宽频振荡问题尚未形成统一的认识,在新型电力系统背景下,宽频振荡将表现出形态多样、时变异构和广域传播等新特征,如何对其进行科学量化和有效治理,是未来电力系统稳定分析亟需探索的课题。

5、配网保护挑战

新型电力系统的负荷侧将呈现规模化的“电网-用户”供需互动,不但在用户侧实现用能效益最大化,也为电网侧提供更加灵活的调配资源空间。但是,大规模的双向能量互动将改变配电网的形态,由微电网、直流配电网等组成的柔性配电网将为配网保护系统带来新的问题,主要表现在:1)配电网负荷侧的潮流双向流动影响继电保护装置的灵敏性;2)传统集中式保护架构不利于柔性配电网点多、面广的供需互动资源扩展;3)复杂的潮流环境将使配电自动化系统更加依赖于通信网络的可靠性。因此,在新型电力系统负荷侧资源灵活互动的背景下,配网保护系统将面临多重挑战。

作者:安宇 深圳供电局

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