新能源高比例发展对电力系统的影响分析与应对措施

摘要：分析了新能源资源及新能源场站的设备特性，论述了新能源高比例发展对电力系统安全稳定运行带来的挑战。针对新能源资源及设备特性，从数值模拟与功率预测、并网安全稳定机理与智能控制、优化调度方面进行了研究，结果表明，电力系统的可靠供电、高效消纳、安全运行问题得到了有效解决，基本实现了新能源的可预测、可控制与可调度。

关键词：新能源;电力系统;功率预测;可靠供电

0 引言

随着国家发展规划和一系列优惠鼓励政策的不断实施，强化风电、光伏发电项目建设，同时保障电力送出和消纳机制，提高市场竞争力，推动风电、光伏发电项目进入了高质量发展的新阶段[1]。截至2019年底，我国风电、光伏发电装机容量分别为210 GW和204 GW[2]，约占我国电源总容量的20.63%，新能源已成为我国第二大电源。以风电、光伏为代表的新能源持续快速发展，在全国范围内形成高比例的新能源电力系统，新能源发电容量在电力系统中所占比例不断增加，其对电力系统安全、可靠、稳定运行方面的影响越来越显著。

1 新能源资源和设备特性

新能源资源较丰富，普遍具备可再生特性，可供人类永续利用，但新能源资源受地理环境和气象条件影响较大[3]，具有随机性、波动性和不可控性;以风电、光伏为代表的新能源资源不能够运输与储存，更不能突破资源上下限进行调节;风能和太阳能的能量密度低，风能密度为200～700 W/m2、太阳能的辐照强度为170～260 W/m2[4]，风力发电机在风速为3～22 m/s时才可正常发电，即年利用小时数低，且呈现功率大、电量小的特点，随机波动性强，空间分布差异大。

新能源场站设备总体数量较多，不同型号和类型的新能源发电单元故障穿越特性和宽频带动态特性等差异巨大，如双馈风电机组和直驱风电机组的高低电压穿越特性有很大的不同。与常规电源相比，新能源发电机组并网特性较差，若其大规模接入电网，会导致电力系统调频能力下降，无功电压控制难度大。新能源电源高比例并网会使电力系统的安全稳定性受到威胁。

2 新能源高比例接入对电力系统的影响

2.1    新能源限电与电力不足共存

在新能源占电源比例持续不断增长的情况下，由于新能源并网对传统电网的影响较大，电力系统将会同时面临弃风/弃光和电力供应不足等问题。如2020年8月中旬，持续高温导致加州电力需求剧增，8月14日晚，由于光伏发电出力为零，风电出力受天气影响明显下降，加州新能源发电仅有3 257 MW，引发电力短缺，40万用户断电，持续断电时间约1 h。

2.2    新能源发电送端暂态过电压问题

新能源发电地理位置比较偏远，分布广泛，集中式基地送端网架建设相对薄弱，基地换相失败、直流闭锁、交流系统N-1等故障都可能造成严重的暂态过电压问题，引发新能源发电大面积脱网事故。如祁韶、青豫、张雄等特高压交直流工程送端，都存在新能源暂态过电压导致特高压送出能力受限的问题。祁韶直流送端大扰动仿真结果如图1所示。由图1可知，在直流送端出现大扰动后，经过高电压穿越技术的改造，直流送端的有功、无功和电压都得到了改善，并趋于平稳。

2.3    新能源发电送端的振荡问题

随着新能源大规模并网以及其他大容量电力电子装置的广泛应用，在我国西部、北部地区新能源高度集中地接入电网，送端振荡稳定性问题逐渐成为巨大的潜在风险。新能源场站的风电机群使用了非线性的电力电子变流器，其内部的控制环节也较为复杂，这种多变流器-电网间相互作用引发的新型次同步振荡，对系统形成次同步谐波源，谐波能量注入系统，可引起电压、电流大幅波动，引起变流器等电力设备过压、过流保护动作，也可引起变压器振动、电容器损坏等。当周边有常规机组时，还可能引起机组轴系扭振，严重威胁现代电网的设备安全、系统稳定和用电质量。2015—2017年，新疆哈密风电基地频繁发生次/超同步振荡问题，因振荡切除风电100余次，最大单次切除容量达50万kW，振荡电流波形和振荡分量如图2、图3所示。

2.4    新能源发电大规模接入受端电网的稳定性问题

新能源发电大规模接入电网，电网调频难度大，由于风电机组出力随风力大小变化，可控性差，因此目前电网调频任务由传统电厂来承担。新能源并网过程对电网造成冲击是因为新能源发电机组容量小，常采用异步发电机组，无独立的励磁装置，大规模同时并网会造成电网电压大幅度下降。随机性强的新能源发电大规模接入对电网的电能质量影响较大，主要是风力发电机本身的电力电子装置和串并补偿电容器等造成的频率、电压、谐波和谐振问题。

3 新能源大规模接入对电网影响的应对措施

基于新能源发电资源和发电设备的特性，改善新能源发电的随机性、波动性和不可控性等特性，提高新能源并網性能，保障新能源发电和电网的安全性，促进新能源消纳，可从新能源资源数值模拟与功率预测、并网安全稳定性策略、智能优化调度等方面进行研究，实现新能源可靠发电与安全并网。

3.1    数值模拟与功率预测

由于以风光为主的新能源发电具有随机性，为更好地预测发电出力，需要提升天气过程模拟与预测能力的数值分析，找出误差产生过程和原因，制订气象预测模型研究;提升基于人工智能技术的不同天气过程下的风电功率预测方法，需要有典型天气识别过程、人工智能建模方法、功率预测模型和自适应切换系统。硬件方面需在数值模拟中增加气象卫星接收装置，完善数值天气预报系统，增加数值天气预报机房，即使用面向不同天气过程的新能源功率预测的方法。对多年历史资源进行数值模拟，对未来资源变化趋势进行分析，建立新能源波动过程与功率预测的关联关系，结合新能源的地理及环境气候特点，使用基于波动过程聚类与辨识、交互检验与融合的预测方法，预测新能源功率。

3.2    并网安全稳定性策略

建立新能源发电单元仿真模型、场站详细仿真模型及参数库，系统仿真还原大规模风电脱网事故，模拟风电并网对电能质量的波及关系，明确新能源发电并网稳定边界条件和技术要求以及高/低压穿越、电网适应性等并网试验，并网性大幅度提高。另外，加强新能源场站主动支撑控制系统，能够实现场站对系统电压、频率的快速响应，新能源场站对系统频率、电压的支撑能力显著增强。此外还要对保护装置进行各种优化，根据电网结构、风电场的容量及SVC调节的特点设计无功补偿装置，进行动态无功补偿，对于低电压或高电压应具备快速的穿越或切除能力，保证电网的稳定性。

3.3    离线在线分析，实现新能源的可调度性

目前新能源资源在特定的时间段内弃风、弃光现象严重，为使资源优化使用，新能源和火力发电优化合理配置，实现新能源的可调度性，对新能源发电进行离线、在线分析，用概率来协调新能源发电并网所带来的各种不确定的问题，监控和分析接入电网的运行风险，在线跟踪电网运行状态的变化过程，合理安排和优化电网运行方式。建立新能源生产模拟系统，可以对新能源的消纳、运行进行评估。在新能源发电多时可通过省间互济、自备电厂交易等实现新能源消纳“双升双降”目标。

4 结语

新能源高比例发展对电力系统的电压、电网振荡等造成了影响，给电力系统的可靠供电、高效消纳、安全运行带来了挑战。基于对新能源资源和设备特性的认知，通过数值模拟与功率预测、并网安全稳定性策略、智能优化调度等，基本实现了新能源的可预测、可控制与可调度。

[参考文獻]

[1] 国家能源局综合司.国家能源局综合司关于征求《关于加快推进风电、光伏发电平价上网有关工作的通知》意见的函[J].太阳能，2018（9）：5-6.

[2] 夏云峰.2019年全球新增风电装机超60 GW[J].风能，2020（4）：36-41.

[3] 王云省.如何开展风电企业经济活动分析[J].金融经济，2018（10）：171-172.

[4] 文佳龙.地区大气环境状况及其对太阳能高效利用的影响研究[D].呼和浩特：内蒙古工业大学，2014.

收稿日期：2020-12-03

作者简介：范偲偲（1989—），女，河南人，助理实验师，研究方向：电力系统分析及电能质量分析与控制。