“双碳”目标下的新型电力系统规划与运行专题
随着能源绿色低碳转型加速推进，新型电力系统建设不断取得突破。2023年，全国全社会用电量达到9.22万亿kWh，同比增长6.7%，非化石能源发电装机首次超过火电装机规模，占总装机容量的比重首次超过50%。据中电联预测，到2024年底，中国新能源发电累计装机规模将达到13亿kW左右，占总装机容量比例上升至约40%。随着电力系统的结构和形态不断演化，电力系统运行机理和平衡机制面临新的挑战，许多专家学者在新型电力系统规划与运行领域开展了卓有成效的研究工作，涌现出众多优秀学术成果，为应对新型电力系统带来的挑战提供了有益的思路和方法。
《全球能源互联网》编辑部密切关注电力技术创新和学术前沿，邀请我们担任特约主编，共同策划本专题，与读者一起探讨新型电力系统规划与运行领域的理论研究与工程应用最新进展。本专题受到了广大专家学者的广泛关注，共收到40余篇来稿，经过严格的同行评议，遴选出10篇论文，主要聚焦3个方面。新型电力系统规划与建模方面，全球能源互联网发展合作组织燕志宇等考虑电站振动区等各项约束对水电系统进行建模，耦合水电系统与新能源、联络线等相关运行约束形成水风光协同规划模型，采用混合整数线性规划进行求解，并以乌江流域某水风光互补系统为例，验证了所提模型的有效性；天津大学王丹等提出了一种考虑互联协同的分布式能源站低碳多目标选址规划模型，讨论了负荷不确定性对分布式能源站选址规划的影响，并在某城市实际算例中进行了验证；华北电力大学孙英云等通过气象距离将历史数据中典型气象模式相似的源荷聚合成定义的典型源荷耦合模式，采用生成对抗网络生成典型风光场景，并与典型源荷耦合模式进行匹配，根据匹配的对应关系得到典型源荷耦合场景，以实际数据为例验证了所提出时序场景生成方法的有效性；国网长沙供电公司彭清文等考虑电动汽车充电负荷与常规负荷的时空相关性选取负荷典型日，构建了可开放容量评估鲁棒随机优化模型，采用KKT条件将其转化成单层模型求解，可获得较传统方法更准确合理的配电网可开放容量。新型电力系统优化运行方面，南瑞集团黄杰等提出了一种基于实测数据因果推断的燃煤机组低碳经济运行评估决策方法，通过先验知识刻画各变量间的因果关系图，构建广义倾向得分匹配模型评估供电量对供电碳排放强度、供电标煤耗的影响函数，实现对燃煤机组低碳运行的辅助决策；华北电力大学徐衍会等基于图卷积神经网络，提出一种考虑潮流条件下的变压器短路电流计算方法，通过引入变压器各侧母线和区域拓扑，训练得到变压器短路电流计算模型，采用注意力机制使模型对不同运行条件下电网潮流动态更为敏感且短路电流计算误差较小；深圳供电局有限公司李云等分析了英国总调在频率管理方面遇到的风险和产生机理，以及应对风险的方案和实践经验，提出了对中国新型电力系统建设中频率管理的启示，包括重点关注频率管理体系的完善、系统惯量需求的研究和频率支撑技术的研发及应用。新型电力系统安全稳定分析与控制方面，清华大学张宁等针对集中-分布式控制架构下基于离散频率采样的传统附加频率控制，提出事件触发与时间触发结合的温控负荷集群综合惯性控制策略，并通过仿真算例验证了所提控制策略的有效性；温州大学李翔宇等设计了一种变论域混合FFOPID控制器以提升孤岛模式下微电网频率控制的稳定性，以不同的自适应权重配比对FOPID控制器及FFOPID控制器进行了整合和优化，克服了2种控制器各自的局限性；南瑞集团过亮等提出了面向直流汇流应用的输入并联输出串联 （IPOS） 多模块谐振变换器的改进下垂控制均衡方法，各模块间无需加入通信就可实现各模块的输出电压和功率的完全均衡，改进了传统下垂控制电压与参考值不符的问题，进一步提升了系统的动态响应性能。
感谢各位作者对本专题的大力支持，感谢各位审稿专家提出的专业意见，以及《全球能源互联网》编辑部为专题顺利出版作出的努力，希望本专题能为能源电力领域广大专家学者的研究工作带来新的启发和思考。
2024年4月28日
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“双碳”目标下的新型电力系统规划与运行
2024,7(3): 241-242 ,DOI:10.19705/j.cnki.issn2096-5125.2024.03.001
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考虑水电机组振动区的水风光协同规划模型
2024,7(3): 243-255 ,DOI:10.19705/j.cnki.issn2096-5125.2024.03.002
随着风电、光伏的大规模并网，电力系统面临灵活调节能力不足的挑战。水电运行灵活，通过与风光协同规划、互补运行，能有效平抑新能源出力波动，保障并网消纳。水风光协同规划的关键之一在于对水电灵活调节能力进行准确建模，其中振动区约束不容忽略。为此，提出了考虑水电振动区的水风光协同规划模型。该模型首先利用组合数学技术将水电机组振动区合成为电站振动区；然后，综合考虑振动区约束及梯级水力联系、水力发电方程等各项约束，实现对水电系统的准确建模；最后，耦合水电系统与新能源、联络线等相关运行约束形成水风光协同规划模型，并采用混合整数线性规划进行求解。以乌江流域某水风光互补系统为例，验证所提模型的有效性。
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考虑互联协同的分布式能源站低碳多目标选址规划研究
2024,7(3): 256-270 ,DOI:10.19705/j.cnki.issn2096-5125.2024.03.003
“双碳”目标和能源转型的大背景下，区域综合能源系统内部耦合关系不断丰富，对于碳排放的管理不断严格，考虑互联协同的分布式能源站低碳规划问题亟待解决。为此，首先讨论了互联协同分布式能源站空间性能参数矩阵；然后计及负荷-能源站的管线建设以及环境成本、能源站-能源站的互联管线长度、各个分布式能源站规划容量等关键因素，提出了一种考虑互联协同的分布式能源站低碳多目标选址规划模型；最后，讨论了负荷不确定性对分布式能源站选址规划的影响，并且基于基准负荷确定性场景，在某城市实际算例中验证并讨论了考虑低碳需求前后各个分布式能源站的选址结果对比。
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基于典型源荷耦合模式的中长期时序场景生成
2024,7(3): 271-282 ,DOI:10.19705/j.cnki.issn2096-5125.2024.03.004
高比例可再生能源电力系统中源荷功率在气象的影响下耦合程度增加。基于生成式模型的场景生成方法是分析源荷功率不确定性问题的成熟工具，然而实际应用中常受源荷数据匹配样本少的问题限制，直接生成的中长期源荷耦合时序场景质量较差。提出一种基于典型源荷耦合模式的中长期时序场景生成方法。首先，定义了源荷各自的气象模式概念。然后，通过气象距离将历史数据中典型气象模式相似的源荷聚合成定义的典型源荷耦合模式。接着，采用生成对抗网络生成典型风光场景，并将生成场景与典型源荷耦合模式进行匹配。最后，根据匹配的对应关系得到典型源荷耦合场景。以日本地区为例的仿真结果表明，所提方法能够提高场景在气象方面的可解释性，同时减小了源荷数据匹配样本少对中长期源荷耦合场景生成的影响。
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考虑电动汽车充电与常规负荷时空相关性的配电网可开放容量评估
2024,7(3): 283-291 ,DOI:10.19705/j.cnki.issn2096-5125.2024.03.005
传统配电网可开放容量评估未充分考虑电动汽车充电负荷与常规负荷的时空相关性，导致评估过于保守，难以指导配电网实际规划。为此，提出了一种考虑电动汽车（EV） 充电负荷与常规负荷时空相关性的配电网可开放容量评估方法。首先通过考虑EV充电负荷与常规负荷的时空相关性选取负荷典型日；接着构建可开放容量评估鲁棒随机优化模型，并采用KKT条件将其转化成单层模型；最后，在改进IEEE 33节点系统上仿真，验证了所提方法的优点。结果表明，相较于传统方法，所提方法基于对负荷相关性的量化，可获得更准确合理的配电网可开放容量。研究结果可为配电网规划提供科学依据。
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基于实测数据因果推断的燃煤机组低碳经济运行评估决策
2024,7(3): 292-302 ,DOI:10.19705/j.cnki.issn2096-5125.2024.03.006
作为首批参与全国碳市场的控排行业，火电企业需要依据市场规则完成履约，其供电碳排放强度与供电量共同影响火电企业在碳市场中的履约需求。随着新型电力系统建设深化，燃煤机组将承担越来越多系统调节责任，供电碳排放强度将更多地受到其运行工况的影响。针对火电企业现状，提出一种基于实测数据因果推断的燃煤机组低碳经济运行评估决策方法，通过先验知识刻画各变量间的因果关系图，构建广义倾向得分匹配模型评估供电量对供电碳排放强度、供电标煤耗的影响函数，实现对燃煤机组低碳运行的辅助决策。燃煤机组碳排放实测数据的算例分析结果验证了方法的可行性和有效性，为燃煤机组低碳经济运行评估决策提供了一种高效便捷的新思路。
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基于图神经网络的变压器短路电流计算方法
2024,7(3): 303-311 ,DOI:10.19705/j.cnki.issn2096-5125.2024.03.007
近年来，随着电力系统复杂程度日益提高，变压器运行安全已成为影响电力系统稳定运行的关键因素。目前流经变压器短路电流计算多基于电网拓扑结构及变压器等效阻抗等数据，此类方法的灵活性和实时性较低，未考虑系统实际运行方式，难以满足电力系统实时运行的要求。为此，基于图卷积神经网络，提出一种考虑潮流条件下的变压器短路电流计算方法，通过引入变压器各侧母线和区域拓扑，训练得到变压器短路电流计算模型。引入注意力机制，使模型对不同运行条件下的电网潮流动态更为敏感。经过某区域实际电网算例验证，该方法计算得到的短路电流相较于参考值误差较小，且计算误差分布集中，可基本满足实际运行中对于短路电流计算的要求。
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英国新型电力系统频率管理及对中国电网建设的启示
2024,7(3): 312-324 ,DOI:10.19705/j.cnki.issn2096-5125.2024.03.008
英国是世界上新能源发电接入率最高的国家之一，新型电力系统的特点在英国已经较为明显。英国总调在频率管理方面的成果和经验对中国新型电力系统建设有很高的借鉴价值。首先研究分析了英国总调在新型电力系统建设中，在频率管理方面遇到的风险及其产生机理。然后研究分析了英国总调应对风险的方案和实践经验。最后，研究分析了英国总调在频率管理方面的方案和实践经验对中国新型电力系统建设中频率管理的启示。参照英国的频率管理体系和辅助服务市场建设路径，中国应当重点关注频率管理体系的完善、系统惯量需求的研究和频率支撑技术的研发及应用。此外，应提前布局相关标准，避免分布式电源大面积脱网的风险。
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基于时间触发机制的温控负荷集群综合惯性控制研究
2024,7(3): 325-335 ,DOI:10.19705/j.cnki.issn2096-5125.2024.03.009
面对新型电力系统的低惯量趋势，规模庞大而位置分散的温控负荷在参与电力系统频率响应的同时，能够为电网提供虚拟惯量和一次调频支撑将是提升电网频率安全的新思路。为此，以集中-分布式调控框架下的温控负荷集群为研究对象，首先在详细分解控制层调控中心、协调层聚合商、响应层温控负荷终端三者在辅助调频过程中的采样、计算、控制、执行一系列实时任务的基础上，设计了事件触发与时间触发相结合的温控负荷集群终端异步响应机制，实现温控负荷集群功率遵从综合惯性控制律的效果。随后，对所提综合惯性控制下温控负荷集群参与调频的电力系统进行频率响应建模，并进一步利用改进劳斯近似实现系统降阶，从而获得系统频率响应关键特征的时域解析表达式。最后，通过仿真算例验证了所提基于时间触发机制的温控负荷集群综合惯性控制的有效性，并分析了采用改进劳斯近似对系统模型降阶的可行性。
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孤岛微电网系统的混合控制策略及动态滤波技术研究
2024,7(3): 336-347 ,DOI:10.19705/j.cnki.issn2096-5125.2024.03.010
应用于孤岛型微电网以实现频率控制功能的传统控制器多为分数阶PID（fractional order PID，FOPID）控制器及模糊分数阶PID（fuzzy fractional order PID，FFOPID） 控制器，二者的控制性能均存在局限性。针对这一问题，设计了一种变论域混合FFOPID控制器，用于提高孤岛微电网的频率控制性能。通过对比FOPID、FFOPID以及变论域混合FFOPID3种控制器作用时的不同效果，证明了变论域混合FFOPID控制器相比其他控制器对于孤岛微电网的频率控制有着更好的控制性能。同时考虑了反馈信号受到测量噪声干扰时对控制器的控制性能产生影响进而使得孤岛微电网频率波动增大的情况，并针对此问题使用了动态数据校正（dynamic data reconciliation，DDR）滤波技术。通过对比时域仿真中FOPID、FFOPID以及变论域混合FFOPID控制器各自作用时孤岛微电网频率偏差的输出结果，验证了DDR滤波技术对孤岛微电网的频率控制的显著效果。
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基于改进下垂控制的多模块谐振变换器均衡控制策略研究
2024,7(3): 348-355 ,DOI:10.19705/j.cnki.issn2096-5125.2024.03.011
当前，光伏、海上风电等新能源场站的直流汇流应用得到越来越多的关注，在新能源发电低压输入中高压汇流输出的场合，为了提升直流输电电压并进一步减小器件应力，多采用输入并联输出串联（IPOS）结构。虽然这种模块化串并联结构有着许多优势，但由于模块间器件参数误差，导致各模块存在电压电流不均衡的问题，影响整个功率变换系统的稳定运行。为此提出了面向直流汇流应用的IPOS多模块谐振变换器的改进下垂控制均衡方法，各模块间无需加入通信就实现各模块的输出电压和功率的完全均衡，改进了传统下垂控制电压与参考值不符的问题，并进一步提升了系统的动态响应性能。基于该控制方式，搭建了三路模块化IPOS谐振变换器原理样机，通过实验验证了所提改进下垂控制方法对IPOS系统的均衡效果。
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