新能源高比例發展對電力系統的影響分析與應對措施

摘要：分析了新能源資源及新能源場站的設備特性，論述了新能源高比例發展對電力系統安全穩定運行帶來的挑戰。針對新能源資源及設備特性，從數值模擬與功率預測、并網安全穩定機理與智能控制、優化調度方面進行了研究，結果表明，電力系統的可靠供電、高效消納、安全運行問題得到了有效解決，基本實現了新能源的可預測、可控制與可調度。

關鍵詞：新能源;電力系統;功率預測;可靠供電

0 引言

隨著國家發展規劃和一系列優惠鼓勵政策的不斷實施，強化風電、光伏發電項目建設，同時保障電力送出和消納機制，提高市場競爭力，推動風電、光伏發電項目進入了高質量發展的新階段[1]。截至2019年底，我國風電、光伏發電裝機容量分別為210 GW和204 GW[2]，約占我國電源總容量的20.63%，新能源已成為我國第二大電源。以風電、光伏為代表的新能源持續快速發展，在全國范圍內形成高比例的新能源電力系統，新能源發電容量在電力系統中所占比例不斷增加，其對電力系統安全、可靠、穩定運行方面的影響越來越顯著。

1 新能源資源和設備特性

新能源資源較豐富，普遍具備可再生特性，可供人類永續利用，但新能源資源受地理環境和氣象條件影響較大[3]，具有隨機性、波動性和不可控性;以風電、光伏為代表的新能源資源不能夠運輸與儲存，更不能突破資源上下限進行調節;風能和太陽能的能量密度低，風能密度為200～700 W/m2、太陽能的輻照強度為170～260 W/m2[4]，風力發電機在風速為3～22 m/s時才可正常發電，即年利用小時數低，且呈現功率大、電量小的特點，隨機波動性強，空間分布差異大。

新能源場站設備總體數量較多，不同型號和類型的新能源發電單元故障穿越特性和寬頻帶動態特性等差異巨大，如雙饋風電機組和直驅風電機組的高低電壓穿越特性有很大的不同。與常規電源相比，新能源發電機組并網特性較差，若其大規模接入電網，會導致電力系統調頻能力下降，無功電壓控制難度大。新能源電源高比例并網會使電力系統的安全穩定性受到威脅。

2 新能源高比例接入對電力系統的影響

2.1? ? 新能源限電與電力不足共存

在新能源占電源比例持續不斷增長的情況下，由于新能源并網對傳統電網的影響較大，電力系統將會同時面臨棄風/棄光和電力供應不足等問題。如2020年8月中旬，持續高溫導致加州電力需求劇增，8月14日晚，由于光伏發電出力為零，風電出力受天氣影響明顯下降，加州新能源發電僅有3 257 MW，引發電力短缺，40萬用戶斷電，持續斷電時間約1 h。

2.2? ? 新能源發電送端暫態過電壓問題

新能源發電地理位置比較偏遠，分布廣泛，集中式基地送端網架建設相對薄弱，基地換相失敗、直流閉鎖、交流系統N-1等故障都可能造成嚴重的暫態過電壓問題，引發新能源發電大面積脫網事故。如祁韶、青豫、張雄等特高壓交直流工程送端，都存在新能源暫態過電壓導致特高壓送出能力受限的問題。祁韶直流送端大擾動仿真結果如圖1所示。由圖1可知，在直流送端出現大擾動后，經過高電壓穿越技術的改造，直流送端的有功、無功和電壓都得到了改善，并趨于平穩。

2.3? ? 新能源發電送端的振蕩問題

隨著新能源大規模并網以及其他大容量電力電子裝置的廣泛應用，在我國西部、北部地區新能源高度集中地接入電網，送端振蕩穩定性問題逐漸成為巨大的潛在風險。新能源場站的風電機群使用了非線性的電力電子變流器，其內部的控制環節也較為復雜，這種多變流器-電網間相互作用引發的新型次同步振蕩，對系統形成次同步諧波源，諧波能量注入系統，可引起電壓、電流大幅波動，引起變流器等電力設備過壓、過流保護動作，也可引起變壓器振動、電容器損壞等。當周邊有常規機組時，還可能引起機組軸系扭振，嚴重威脅現代電網的設備安全、系統穩定和用電質量。2015—2017年，新疆哈密風電基地頻繁發生次/超同步振蕩問題，因振蕩切除風電100余次，最大單次切除容量達50萬kW，振蕩電流波形和振蕩分量如圖2、圖3所示。

2.4? ? 新能源發電大規模接入受端電網的穩定性問題

新能源發電大規模接入電網，電網調頻難度大，由于風電機組出力隨風力大小變化，可控性差，因此目前電網調頻任務由傳統電廠來承擔。新能源并網過程對電網造成沖擊是因為新能源發電機組容量小，常采用異步發電機組，無獨立的勵磁裝置，大規模同時并網會造成電網電壓大幅度下降。隨機性強的新能源發電大規模接入對電網的電能質量影響較大，主要是風力發電機本身的電力電子裝置和串并補償電容器等造成的頻率、電壓、諧波和諧振問題。

3 新能源大規模接入對電網影響的應對措施

基于新能源發電資源和發電設備的特性，改善新能源發電的隨機性、波動性和不可控性等特性，提高新能源并網性能，保障新能源發電和電網的安全性，促進新能源消納，可從新能源資源數值模擬與功率預測、并網安全穩定性策略、智能優化調度等方面進行研究，實現新能源可靠發電與安全并網。

3.1? ? 數值模擬與功率預測

由于以風光為主的新能源發電具有隨機性，為更好地預測發電出力，需要提升天氣過程模擬與預測能力的數值分析，找出誤差產生過程和原因，制訂氣象預測模型研究;提升基于人工智能技術的不同天氣過程下的風電功率預測方法，需要有典型天氣識別過程、人工智能建模方法、功率預測模型和自適應切換系統。硬件方面需在數值模擬中增加氣象衛星接收裝置，完善數值天氣預報系統，增加數值天氣預報機房，即使用面向不同天氣過程的新能源功率預測的方法。對多年歷史資源進行數值模擬，對未來資源變化趨勢進行分析，建立新能源波動過程與功率預測的關聯關系，結合新能源的地理及環境氣候特點，使用基于波動過程聚類與辨識、交互檢驗與融合的預測方法，預測新能源功率。

3.2? ? 并網安全穩定性策略

建立新能源發電單元仿真模型、場站詳細仿真模型及參數庫，系統仿真還原大規模風電脫網事故，模擬風電并網對電能質量的波及關系，明確新能源發電并網穩定邊界條件和技術要求以及高/低壓穿越、電網適應性等并網試驗，并網性大幅度提高。另外，加強新能源場站主動支撐控制系統，能夠實現場站對系統電壓、頻率的快速響應，新能源場站對系統頻率、電壓的支撐能力顯著增強。此外還要對保護裝置進行各種優化，根據電網結構、風電場的容量及SVC調節的特點設計無功補償裝置，進行動態無功補償，對于低電壓或高電壓應具備快速的穿越或切除能力，保證電網的穩定性。

3.3? ? 離線在線分析，實現新能源的可調度性

目前新能源資源在特定的時間段內棄風、棄光現象嚴重，為使資源優化使用，新能源和火力發電優化合理配置，實現新能源的可調度性，對新能源發電進行離線、在線分析，用概率來協調新能源發電并網所帶來的各種不確定的問題，監控和分析接入電網的運行風險，在線跟蹤電網運行狀態的變化過程，合理安排和優化電網運行方式。建立新能源生產模擬系統，可以對新能源的消納、運行進行評估。在新能源發電多時可通過省間互濟、自備電廠交易等實現新能源消納“雙升雙降”目標。

4 結語

新能源高比例發展對電力系統的電壓、電網振蕩等造成了影響，給電力系統的可靠供電、高效消納、安全運行帶來了挑戰。基于對新能源資源和設備特性的認知，通過數值模擬與功率預測、并網安全穩定性策略、智能優化調度等，基本實現了新能源的可預測、可控制與可調度。

[參考文獻]

[1] 國家能源局綜合司.國家能源局綜合司關于征求《關于加快推進風電、光伏發電平價上網有關工作的通知》意見的函[J].太陽能，2018（9）：5-6.

[2] 夏云峰.2019年全球新增風電裝機超60 GW[J].風能，2020（4）：36-41.

[3] 王云省.如何開展風電企業經濟活動分析[J].金融經濟，2018（10）：171-172.

[4] 文佳龍.地區大氣環境狀況及其對太陽能高效利用的影響研究[D].呼和浩特：內蒙古工業大學，2014.

收稿日期：2020-12-03

作者簡介：范偲偲（1989—），女，河南人，助理實驗師，研究方向：電力系統分析及電能質量分析與控制。