云南新型電力系統運行控制體系的構想

鄭外生，陳亦平，周保榮

(1.中國南方電網有限責任公司，廣州 510663；2.中國南方電網電力調度控制中心，廣州 510663；3. 南方電網科學研究院，廣州 510663)

0 引言

建設以新能源為主體的新型電力系統已成為世界各地電力系統的必然發展趨勢，許多國家和地區陸續提出了構建100%可再生能源電力系統的設想[1 - 2]。從資源稟賦上看，我國西北地區將逐步由火電為主、風光為輔轉換為風光為主、火電為輔[3]，而西南地區則具備構建水風光協調運行的新型電力系統的優勢。

云南省是全國重要的綠色電力基地和西電東送基地。2016年云南電網異步聯網運行，有效解決了云南電力外送交直流并聯運行、長距離輸電斷面“強直弱交”帶來的安全穩定問題[4 - 6]，打開了云南外送輸電規模的空間，構建了適應大規模清潔能源基地直流外送的運行控制體系，支撐了30 GW省內負荷、40 GW外送電力的安全運行，外送電量占比超40%，年送電量突破140 TWh。

2021年云南全省電源總裝機容量超過100 GW，其中水電裝機74 GW、新能源裝機13 GW，清潔能源裝機占比達86%，發電量占比接近90%[7 - 9]。隨著云南電力供應出現“電力電量雙缺”情況，“十四五”期間新能源將跨越式增長，預計2025年裝機將達到50 GW，發電量占比超過20%。

作為世界上技術最先進、特性最復雜、電力最綠色的異步送端大電網之一，云南電網將呈現水電為主的傳統電力系統與風光為主的新型電力系統進行季節性轉換態勢。豐水期高比例水電、大規模直流外送，當水電大發乃至失去調節能力時，外送通道長期高負荷甚至反調峰運行配合消納[10]。枯水期隨著風電大發和外送降低，新能源滲透率顯著提高，風電發電量已超火電成為云南第二大電源，水電則承擔著穩定支撐并為整個南方區域提供靈活性調節資源的作用。盡管新能源年度發電量占比尚不突出，云南電網在構建新型電力系統過程中仍具有顯著的特點和優勢。云南電網圍繞新能源高滲透下安全穩定運行和異步互聯系統靈活調節的調度運行控制體系將具備顯著的引領示范作用。

本文首先對比分析了國際上典型區域的新型電力系統建設情況和面臨的挑戰；在此基礎上，對云南2025年新能源高滲透率運行場景進行模擬和分析；給出云南電網構建新能源高滲透率下電網調度運行控制體系的意見和建議。

1 國內外典型新能源高滲透運行場景

通常用新能源滲透率來衡量系統中的新能源發電水平，可以分為電量滲透率(發電量占比)和電力滲透率(瞬時有功功率出力占比)[11 - 14]。

電量滲透率(renewable energy sources for electricity penetration，RES-E)為不同時間尺度下可再生能源發電量在總發電量中的占比。

電力滲透率可以用系統非同步電源滲透率(system non-synchronous penetration, SNSP)來表征。SNSP的計算公式為：

(1)

式中：Pns(t)為新能源發電功率；Pd(t)為負荷需求；Pip(t)和Pep(t)分別為直流輸電通道的饋入功率和送出功率，其中同步網內部直流不納入計算。

受新能源波動性和低利用小時數影響，新能源電力高滲透率場景將遠早于電量高滲透率場景出現。國內外典型新能源高滲透場景如表1所示。

表1 不同地區電網的新能源滲透率Tab.1 RES Penetration Levels in the power grids in different areas

電力系統對新能源的消納能力與資源稟賦、電網結構、電源構成和氣候條件等密切相關，不同地區的新型電力系統建設將面臨不同問題和發展路徑。依托大型交流互聯電網的支撐能力，丹麥、葡萄牙和南澳大利亞已出現過SNSP超過100%的場景。在獨立同步電網中，受系統頻率、電壓等穩定問題的制約，SNSP水平普遍低于大型同步電網，目前愛爾蘭島、得克薩斯系統均出現了SNSP超過65%的情況[15]。

1.1 澳大利亞國家電力市場NEM

NEM 電網是世界上最狹長的交流互聯電網之一，從昆士蘭一直延伸到南澳大利亞，跨越海峽到塔斯馬尼亞，全長約5 000 km，呈樹狀拓撲結構。

截至2021年10月澳大利亞NEM(國家電力市場)的總裝機容量60 GW，風能和太陽能裝機容量已達 22 GW，負荷需求范圍為16～35 GW，峰值負荷35 GW，新能源瞬時滲透率略低于50%，其中南澳州電網瞬時滲透率最高可達142%。NEM電網的樹狀拓撲限制了輸電系統強度，直接制約了SNSP的進一步提升。NEM要求輸電網指定點保持最低的短路電流水平以及各區域最低同步發電機并網要求。

根據澳大利亞能源市場運營機構AEMO針對NEM電網的可再生能源整合研究(renewable integration study, RIS)報告[16 - 17]，到2025年，NEM新能源瞬時滲透率最高可達75%以上，如果未采取RIS推薦的預防措施，則將進一步限制風電、光伏的發電能力。

1.2 美國得克薩斯州電力可靠性委員會ERCOT

ERCOT為美國得州90%的電力負荷提供服務，其峰值負荷達75 GW，通過1.2 GW的HVDC輸電線路與其他電網建立弱聯系[18]。ERCOT的風機裝機容量約為25 GW，光伏容量約為3.6 GW，風電滲透率最高達66%。根據ERCOT 2016年的長期穩定評估報告[19]，2031年ERCOT區域電網可再生能源發電容量將達到40 GW。

西部狹長Panhandle區域的風電集群受穩定性限制出現了嚴重的送電阻塞[19]，ERCOT對此引入系統強度指標，采用同步調相機等動態設備來提升地區電網動態穩定性。

1.3 愛爾蘭EirGrid及北愛爾蘭SONI

愛爾蘭2021—2030年國家能源氣候計劃制定了2030年實現70%可再生能源發電占比的目標，這促使EirGrid和SONI研究新能源高滲透率運行場景下全島電網的技術挑戰和應對措施[20]。截至2020年底，全島負荷峰值達6.5 GW，風電裝機容量超5.5 GW，風電長時出力峰值達4.23 GW，2020年的電量滲透率可達40%。愛爾蘭通過兩條0.5 GW HVDC輸電線路與英國建立聯系，由于HVDC輸電容量占15%的愛爾蘭峰值負荷，直流閉鎖等故障將對愛爾蘭電網產生極大影響。為了保障電網安全，愛爾蘭制定了最小同步機開機方式要求并將全島的SNSP作為一項重要監控指標。愛爾蘭正在逐步將SNSP指標提高，如圖1所示。2021年2月，愛爾蘭成功完成了連續運行12 d的70% SNSP試驗，如圖2所示，證明了高SNSP運行的可行性，愛爾蘭還計劃在2030年將SNSP提高至95%以上以實現70% RES-E目標。

圖1 愛爾蘭電網2015—2021年SNSP提升過程Fig.1 Raising process of Irish SNSP from 2015 to 2021

圖2 愛爾蘭2021年2月70% SNSP試驗Fig.2 70% SNSP trial of Irish in Feb. 2021

根據澳大利亞、得克薩斯州和愛爾蘭全島的新能源高滲透率運行經驗和研究報告，表2總結了NEM、ERCOT和EirGrid & SONI 3個區域影響電網SNSP的關鍵制約因素，并從頻率控制、電壓控制和其他要求三方面進行對比[16]。

表2 新能源高滲透率運行的關鍵制約因素對比Tab.2 Comparison of key constrains of high SNSP

1.4 西北電網情況

西北地區煤炭、可再生資源豐富，電源規模持續快速增長，未來隨著多個特高壓直流投運，西北直流外送總規模接近億千瓦級別，并逐步形成三大直流群：新疆與西北聯網通道直流群、東部直流群、青海直流群，使得西北電網成為直流、新能源、負荷“三個億級”規模的電網。

西北電網2021年新能源裝機占比已超過40%，年度電量滲透率超過20%，火電裝機占比仍有48%，目前正在推進“荷隨源動”的新型平衡體系，以支撐更高的新能源滲透水平。未來“高占比新能源”、“特高壓直流大送端”特點更加突出。在新能源功率大發期間，一旦大功率直流故障，直流功率大幅變化會對電網造成嚴重沖擊，電網暫態低電壓、過電壓交替出現，導致直流近區新能源進入低電壓穿越，引發對電網的二次沖擊；電網暫態過電壓可能會導致新能源大規模脫網，引發系統頻率、電壓等發生連鎖反應。

2 云南2025年新能源高滲透場景分析

2.1 云南新能源與水電的季節性互補特性

風光水季節性互補是云南電源結構最顯著的特征。文獻[21]對云南分類電源的出力特性進行統計分析表明：1)水電年出力呈現豐期多、枯期少的特點，三江干流水電總體利用小時數約4 400 h，發電量豐枯比為67:33左右；2)風電年出力呈現豐期小、枯期大的特點，全年發電小時數在2 600 h左右，發電豐枯比為33:67左右；3)光伏年平均出力呈現出豐期出力小、枯期出力大的特點，全年發電小時數在1 300 h左右，發電豐枯比為46:54 左右。2021年云南分類電源發電特性如圖3所示，隨著風光裝機的快速增長，該特性將更加明顯。

圖3 云南分類電源發電量年特性Fig.3 Annual electricity production characteristics of different types of generations in Yunnan

2.2 云南新能源的枯水期高滲透特性

云南電網是典型的水電外送系統，豐水期和枯水期外送水平差別明顯。枯水期外送減少、省內負荷偏低疊加新能源出力高，導致新能源發電滲透率顯著提高[22 - 23]。

以2021年云南負荷、外送能力、新能源出力作為基準，2025年省內負荷按照年增長率8.5%測算，考慮到當前新能源裝機規模已基本可體現風光電源的集群和互補效應，為簡化分析，2025年新能源出力按照規劃裝機容量增長等幅放大[24]。預計2025年新能源電量年滲透率將由目前的10%提升至20%以上，枯水期月滲透率將由目前的20%提升至40%以上，如圖4所示。

圖4 云南2025年新能源月電量滲透率Fig.4 Monthly electricity generation penetration of new energy in Yunnan, 2025

2025年1月至3月期間云南網SNSP將常態化運行在60%以上，如圖5所示。目前按照參考故障下的臨界頻率變化率約束，云南電網控制SNSP在40%水平[25]，迫切需要研究適應未來高SNSP場景的運行控制技術。

圖5 云南2025年枯水期SNSP特性Fig.5 SNSP characteristic during dry season in Yunnan, 2025

2.3 異步互聯系統靈活性調節需求

云南外送電力占比高，清潔能源發電運行特性季節性變化大，實時出力存在間歇性及反調峰特性，直流聯絡線在為云南提供穩定支撐和跨區域互濟方面發揮著重要的作用。

2021年云南典型調峰特性曲線如圖6所示，典型日2為水電大發，外送通道長期高負荷甚至反調峰運行，中東部電網的靈活性資源有效支撐了云南清潔能源消納。典型日1為云南則發揮水電優良的調節作用，為整個南方區域提供靈活性資源。

圖6 云南2021年典型調峰特性Fig.6 Typical characteristics of peak regulation in Yunnan during 2021

基于各區域的電源、負荷互補特性，優化網省兩級調度機構發輸電計劃，實現從日前到日內的多時間尺度協調，能夠顯著降低各省調峰調頻壓力。

3 新能源高滲透情況下運行控制體系

由上述分析可以發現，未來云南電網將成為全國新能源滲透率最高的獨立省級同步電網之一，圍繞新能源滲透率可承載水平和系統靈活性調節需求，在運行控制領域需要重點推進以下工作。

3.1 關鍵監控指標體系

當前新能源機組基本采用跟網型并網模式，安全穩定運行依賴于同步機提供的慣量和電壓支撐。傳統同步機大都存在功率低限或無法長時間低功率運行，在新能源高滲透情況下，系統運行是受同步機最低開機方式約束的電力電量平衡過程。鑒于運行方式的強不確定性，需要重點監控的指標包括：SNSP、系統慣量、短路比、最低同步機開機方式等。

1)系統慣量是目前最為關注的監控指標之一。臨界慣量要求通常由臨界頻率變化率(RoCoF)確定。其計算公式為：

(2)

式中：fN為額定頻率；ΔPl為參考故障下系統擾動功率；Esys為系統動能。

英國“8·9”大停電前，英國電網配電網規程要求的RoCoF的極限值為0.125 Hz/s，目前正逐步提高至1 Hz/s，對應臨界慣量要求為135 GW。愛爾蘭通過建設快速頻率響應體系，將系統RoCoF約束由0.5 Hz/s提高到1 Hz/s，對應臨界慣量要求為20 GW[26]。

云南目前臨界頻率變化率按照0.5 Hz/s控制。根據當前云南開機方式，枯水期系統慣量在100～200 GW的水平，最低開機容量約為50 GW；豐水期系統慣量大部分在200～300 GW的水平。由于要抵御的擾動功率水平較高，云南網慣量水平偏低，部分時段接近臨界慣量要求，主要依靠直流FLC提供快速功率支援來解決。后續需要深入研究新能源、可調節負荷的系統支撐能力建設。

2)系統強度是電力系統在指定位置保持電壓波形的能力，評價系統強度的主要指標是短路比(short circuit ratio, SCR)。澳大利亞AMEO針對弱交流系統中新能源并網問題開展了系統強度研究，指出若某區域電網的SCR低于3，則認為該區域的系統強度較低；若SCR低于2，則該區域可能出現新能源并網的穩定性問題[16]。進行短路比在線監視，可以輔助調度員及時進行預防性調控。

3.2 頻率穩定協調控制

云南電網異步聯網后，頻率穩定已取代暫態功角穩定成為主導的穩定問題，穩定特性上從少數機組的功角機電暫態失穩轉變為全部機組頻率慢動態失穩。對于特高壓直流閉鎖，頻率的慢動態可以允許在信息驅動的穩控切機、直流功率提升等措施基礎上，疊加基于響應驅動的多輪次、分散式高頻切機措施。同時，新能源一次調頻的響應時間在300～500 ms，可以有效彌補水電機組一次調頻存在的3～5 s響應滯后問題，如圖7所示，通過合理設置新能源調頻參數，實現以調代切，能夠顯著地改善直流閉鎖后的高頻過程，降低高頻切機風險。由于新能源機組向上、向下調頻能力存在不對稱性，對于電廠甩負荷導致的低頻風險，可以利用可調節負荷的快速頻率響應能力給予補充。

圖7 直流2 500 MW閉鎖后風電調頻對云南頻率的影響Fig.7 Influence of frequency regulation of wind power on Yunnan’s frequency after 2 500 MW HVDC block

除了傳統的大干擾頻率穩定性問題，云南異步運行以來，高比例水電系統中存在的頻率超低頻振蕩問題備受關注。通過長期跟蹤分析，目前已形成有效的解決方案，云南電網頻率質量逐年提高。但在未來新能源高滲透場景下，該問題可能出現新的表現形式。云南的實際運行經驗表明，傳統的AGC控制參數按照豐枯典型方式整定并進行季節性調整，在部分特殊時段已難以適應。愛爾蘭作為風電和燃機為主的電力系統，近年來頻率振蕩問題也日益突出[26 - 27]。目前正在推進頻率特性的實時評估和控制器參數自適應校驗工作，后續將圍繞大幅度運行方式變化以及多時間尺度的頻率調控手段交互影響下，電網頻率振蕩模式的機理、遷移規律和抑制措施開展進一步的研究。

3.3 網省地多時間尺度有功協調控制

為了在更大空間范圍實現資源優化配置，需要結合南網實際，研究多級調度機構，多類型調控資源在多時間尺度上的逐級協調配合機制，降低新能源不確定性的影響，支撐全系統的新能源消納。

在多調度機構協調方面，從網級角度，需要發揮直流聯絡線在提供安全穩定支撐和跨省區靈活性資源互濟方面的作用，實現異步互聯系統柔性運行。從省調角度，要重點解決新能源功率預測和省內多類型資源互補問題。從地調角度，側重解決“小、散、多”的風、光、小水電通過嵌套斷面逐級并網送出難題。

對于多時間尺度配合，在日前計劃編制環節，以全網清潔能源消納為目標，以直流送電約束為前提，統一協調各省區發輸電計劃，挖掘省間協同調峰能力。在日內滾動優化環節，基于風光、負荷超短期功率預測，實現主力水電廠計劃以及直流聯絡線功率的實時滾動調整，目前網省一體發電自駕駛功能已投入試運行。在實時控制環節，從愛爾蘭70%SNSP試驗過程可以發現其新能源AGC可以實現非常高的控制精度，目前南方區域新能源控制尚處于起步階段，后續還需深入考慮新能源承載力約束，擴展儲能及負荷側調控資源。

3.4 新能源主動支撐能力

云南異步系統運行方式季節性轉換，主網和地區弱點網穩定性問題交織。僅僅依靠新能源機組滿足國行標基本要求已經不適用異步電網全網和局部電網的安全穩定要求。

以文山電網為例，永富直流近區交流線路N-1情況下短路比SCR在1.2～2.88范圍內，屬于典型的弱電網，而未來文山地區風電占總裝機占比將超50%。大規模風電、大規模電解鋁負荷與直流輸電的多電力電子化設備相互耦合，使得弱電網特性更加復雜。需要充分挖掘強電網、弱電網不同場景下新能源機組的并網能力，制定符合電網變化特性的一系列并網指標與要求，針對性地開展并網能力提升改造及現場測試驗證。還可以有針對性選擇特定場景試點應用構網型變流器，解決局部孤網運行和黑啟動等難題。

4 結論

通過對云南電網2025年枯水期新能源高滲透率運行場景進行模擬分析表明，云南電網將季節性率先面對高比例新能源接入帶來的強不確定性和高度電力電子化帶來的穩定機理變化的挑戰。

結合國際經驗和南方電網實際，本文從關鍵監控指標、頻率協調控制、有功協調調度和新能源主動支撐能力4個方面提出開展新能源高滲透率運行控制體系的建設思路。為解決可能出現的大量理論和工程難題，建議借鑒愛爾蘭經驗，開展不同滲透下系統特性試驗，用3～5年時間逐步積累運行經驗。云南電網圍繞新能源高滲透下安全穩定運行和異步互聯系統靈活調節的運行控制體系在新型電力系統建設過程中將具備顯著的引領示范作用。