新能源电力系统中的随机过程

来源：中国科学杂志社

澳门大学校长宋永华院士受邀以第一作者在Science China Technological Sciences发表研究论文："Stochastic processes in renewable power systems: From frequency domain to time domain"，欢迎阅读！

随着社会经济的高速发展，风电、光伏等新能源发电在电力系统中的重要性日益增加。与传统的火电、水电机组的出力特性不同，风电和光伏发电的出力具有较强的随机性，而随机性对于电力系统的稳态及动态运行控制造成了重大挑战。因此，有必要分析可再生能源的随机性对于新能源电力系统的影响，并设计适当的控制器来降低其负面影响。

图1  传统电力系统和新能源电力系统

新能源出力的随机性较为复杂，且在时序上有较强的相关性。如何将新能源出力的概率分布特性纳入电力系统的动态特性分析中，是一个具有挑战性的问题。这个挑战来源于新能源出力的随机性和电力系统的动态特性在数学描述上的不统一性。在经典的研究方法中，通常把新能源出力的随机性建模为随机变量，以便和电力系统的模型相统一。但这种方法难以精确地描述难以在计算代价和计算效果之间取得良好的平衡。

由于新能源出力的随机性具有较强的时序相关性，理论上更合理的做法是将其视作随机过程。尽管近年来，基于随机过程的方法得到了一定程度的研究，但由于理论门槛较高，研究工作的系统性较低。其主要原因在于基于随机变量的方法通过一些简化手段，可以相对自然地将新能源出力的随机性纳入优化模型中，但新能源出力的随机过程特性与新能源电力系统模型的结合则更为困难。

针对这一问题，该文作者所带领的团队在过去十年中，对基于随机过程的方法进行了系统化的研究，并在其频域方法和时域方法上取得了一定的成果。该文针对实现随机过程的频域方法与时域方法的基本思想与应用方式进行了综述，并针对于未来的研究方向进行了展望。

频域方法描述了随机性的不同频率分量的特征，并研究它们对新能源电力系统的影响。基于频域方法，作者给出了 “时频变换”、功率谱方法等一系列方法，将新能源出力的随机性变换到频域，在频域分析特征后，再利用频域特征计算时域的相关指标。该类方法具有较强的物理意义，同时可以更高效地对新能源电力系统的运行状态进行评估。

图2  频域方法在电力系统调频问题中的应用

时域方法将新能源不确定性和电力系统动力学建模为随机微分方程，并通过随机分析的相关工具对其进行统一分析。与频域方法不同，时域方法可以更好地考虑新能源电力系统中的约束和初始状态对电力系统的影响。基于时域随机微分方程的研究通常难以避免在大状态空间下的指数爆炸问题。针对该类问题，该文作者进一步提出了级数展开等方法，可较为方便地实现含随机性电力系统的快速有效分析和优化控制。

图3  级数展开方法在自动发电控制系统时域分析中的应用效果

文章信息：

Song Y H, Chen X S, Lin J, et al. Stochastic processes in renewable power systems: From frequency domain to time domain. Sci China Tech Sci, 2019, 62(12), https://doi.org/10.1007/s11431-019-9658-0