新能源發電并網對電力系統穩定性的影響與調控策略研究

孫桂卿，王其靜，武凱

（1.山東思迪普電氣有限公司濟南高新分公司 ，山東 濟南 250000；2.恒誠信國際工程咨詢有限公司山東分公司，山東 濟南 250000；3.山東海諾德電力科技有限公司，山東 濟南 250000）

0 引 言

為應對氣候變化，并降低對傳統能源的依賴，新能源發電備受關注。然而，隨著新能源電站的逐步建設，新能源發電并網對電力系統的穩定性提出新的挑戰。電力系統在新能源大規模并網時可能面臨電壓不穩、頻率波動等問題，因此需要對其影響機理進行深入研究，并制定相應的調控策略。

1 新能源發電并網的影響機理

1.1 電壓穩定性的影響

影響電壓穩定性的因素包括電力系統中的潮流分布、傳輸線路的阻抗、新能源發電單元的輸出功率。在新能源發電大規模并網的情況下，由于電網輸出功率具有波動性，可能會改變系統潮流分布，從而導致節點電壓產生波動[1]。這一變化可以通過電壓穩定性指標的動態變化來衡量，計算公式為

式中：Ui為節點i的電壓；Uj為節點j的電壓；Bi為節點i的恢復系數；Yi,j為節點i和節點j之間的導納；Ci為節點i的電容；Pi為節點i的有功功率；PGi為節點i的新能源發電功率。式（1）表示電壓隨時間的變化率與系統節點的電容、導納、潮流分布以及新能源發電功率之間的復雜關系。因此，電壓穩定性的影響機理需要綜合考慮這些參數，以制定有效的調控策略，保障電力系統的穩定運行。

1.2 頻率穩定性的影響

新能源發電并網對電力系統頻率穩定性的影響涉及系統慣性的變化，用方程表示為

式中：M為系統的總慣性常數；?為系統的角速度；Pm為機械輸入功率；Pe為電力系統的有功出力。

在新能源發電并網時，由于可再生能源發電的波動性，系統的有功出力Pe可能出現瞬時變化，進而引起系統頻率的波動。這種波動會對電力系統頻率的穩定性產生影響，因此可通過角速度的變化來觀察。頻率穩定性的影響機理需要考慮新能源發電對系統有功出力的瞬時影響，以有效調控系統頻率，確保電力系統的穩定運行。

1.3 暫態穩定性的影響

新能源發電并網會影響電力系統的暫態穩定性，主要體現在系統的暫態過程中。在暫態穩定性分析中，需要考慮系統的動態響應，涉及轉子的運動方程為

式中：M為系統的總慣性常數；δ為轉子相對于系統參考點的轉角。

新能源的不確定性和波動性可能導致系統的有功出力Pe在短時間內發生劇烈變化，進而引發系統暫態穩定性問題。這種影響可能表現為系統發生擾動后短時間內的頻繁振蕩或失穩[2]。因此，為確保電力系統在新能源大規模并網的情況下維持良好的暫態穩定性，需要采取相應的調控策略，合理控制有功出力，以維持系統的穩定運行。

2 調控策略

2.1 電力系統調度優化

電力系統調度優化是在新能源發電并網背景下應對穩定性問題的關鍵環節。調度優化旨在利用智能化的方法合理配置發電機組的出力，以平衡電力系統運行的經濟性和穩定性。其優化目標包括降低電網損耗、提高發電效率、確保電力質量以及更靈活地應對新能源的波動性。

在調度優化中，可以采用數學建模和優化算法對系統各元件進行建模，包括傳統發電機組、新能源發電裝置、負荷需求等，并深入分析電網拓撲結構。同時，充分考慮新能源的特點，如風電和光伏發電的波動性。通過智能算法實時調整發電機組的出力，以最大限度地適應新能源波動性帶來的電力系統不確定性[3]。

優化調度策略的設計需要充分考慮系統的實際情況，包括新能源發電容量、負荷需求、電網輸電能力等因素。通過合理的調度，電力系統可以更好地應對新能源的不確定性，提高系統的健壯性和穩定性。因此，電力系統調度優化是實現新能源發電并網與電力系統穩定性兼顧的重要手段。

2.2 儲能設備的應用

儲能設備的應用是一項有效的調控策略，旨在緩解新能源發電并網對電力系統穩定性的影響。通過引入儲能技術，系統能夠更靈活地應對新能源波動和電力負荷的變化，主要采用的儲能設備包括電池儲能系統、超級電容器及抽水蓄能等。

在電力系統中，儲能設備可用于平滑新能源發電的波動，如風電和光伏發電的間歇性。當新能源發電量超過電力需求時，儲能設備儲存多余的電能；當電力需求超過新能源發電時，儲能設備則釋放儲存的電能，以滿足系統負荷需求。這種儲能-釋能的過程可以有效緩解頻率和電壓波動問題，提高電力系統的穩定性。

儲能設備的應用還可以提高電力系統的調峰能力和應急響應速度。在電力負荷高峰期間，儲能設備可以釋放儲存的電能，以滿足用戶的用電需求，減輕電網壓力。同時，儲能設備具備較快的響應速度，能夠在電力系統出現緊急情況時提供快速的調節支持，保障電力系統的安全穩定運行。

儲能設備的應用是一項關鍵的調控策略，能夠降低新能源的波動，提高電力系統的靈活性，從而有效提升電力系統的穩定性和可靠性。

2.3 智能調度與協同控制

智能調度與協同控制策略是一種先進的管理辦法，旨在有效解決新能源發電并網引起的電力系統穩定性問題。該策略通過實時協同控制儲能設備的運行狀態、智能調度儲能設備的充放電行為，以最大限度地提高電力系統的穩定性。智能調度與協同控制系統流程如圖1 所示。

圖1 智能調度與協同控制系統流程

首先，系統實時監測電力系統的頻率、電壓及暫態穩定性等指標，以獲取系統性能的實時數據。同時，將這些數據傳輸到智能調度與協同控制系統，為后續的決策提供依據。

其次，協同控制系統根據實時數據評估系統性能，并制定相應的控制策略，如調整儲能設備運行狀態、智能調度充放電行為，以優化系統性能。智能調度系統在該過程中起著關鍵作用，其主要任務是根據電力負荷和新能源發電功率之間的差異，合理規劃儲能設備的充放電策略，以實現電力系統的能量平衡[4]。這種智能調度方案不僅能夠降低電力系統對傳統發電調度的依賴，還能更靈活地應對新能源的波動性和不確定性。

最后，系統通過協同控制與智能調度實現對電力系統的實時響應和調整，使系統在面對新能源發電并網時能夠迅速適應不同的工作條件，維持電力系統的穩定性。

通過采用智能調度與協同控制策略，電力系統能夠更為靈活、智能地管理新能源發電的波動性，提高系統的可靠性和穩定性，為實際應用提供可行且有效的解決方案。

3 案例分析

3.1 某地區新能源發電并網的實際情況

某地區引入新能源發電并網系統，以促進清潔能源的可持續利用，降低對傳統能源的依賴。該地區充分利用風能和太陽能資源，建設大規模的風電場和光伏電站，以實現大規模的新能源發電[5]。然而，在實際情況中，隨著新能源發電逐步并入電力系統，一些挑戰和影響也逐漸浮現出來。

一方面，由于風能和太陽能具有不確定性和波動性，電力系統會頻繁經歷功率的劇烈波動，挑戰電網的頻率穩定性。這種波動性會對電力系統的正常運行產生負面影響，在高比例新能源發電的情況下更為顯著。另一方面，影響電壓穩定性。由于新能源發電系統的接入，電壓水平可能出現較大波動，對電力設備和用戶設備的穩定運行提出更高要求。

因此，需要根據實際情況，制定一系列的調控策略。對電力系統進行調度優化，合理規劃新能源發電和傳統能源的配比，以降低系統頻率的波動。其中，儲能設備的應用尤為關鍵。通過對儲能設備的智能調度，可以實現對系統功率波動的緩沖和調整。同時，引入智能調度與協同控制系統，以實時監測和調整電力系統的運行狀態，確保其在新能源發電并網的情況下保持穩定。

3.2 調控策略在實際系統中的應用效果

調控策略在實際系統中的應用效果如表1 所示，以觀察新能源發電占比的變化對系統穩定性的影響。

表1 調控策略在實際系統中的應用效果

由表1 可知，在早上08:00 和中午12:00，新能源發電占比分別為30%和25%，系統頻率穩定性評分分別為95 和94，電壓穩定性評分分別為96 和93，暫態穩定性評分分別為94 和92。而在上午10:00 和下午2:00，新能源發電占比分別增至40%和35%，系統頻率穩定性評分均有所下降，分別92 和91，電壓穩定性評分也有所下降，分別為95 和94，但暫態穩定性評分分別為90 和88，也有一定程度的波動。

綜上所述，調控策略在實際系統中能夠有效調節系統頻率和電壓穩定性，但在新能源發電占比較高的時段，尤其是在系統暫態過程中可能面臨一些挑戰。因此，需要進行更進一步的研究和優化，以提高系統對高比例新能源的適應性和穩定性。

4 結 論

文章研究內容為新能源發電并網的電力系統穩定性問題提供深入的理論分析和實證研究，也為未來電力系統的可靠運行和新能源的大規模應用提供重要的參考和指導。相信這些調控策略的提出和實際效果的驗證將對電力系統的可持續發展和新能源的有效利用產生積極影響。