高比例新能源渗透组网的系统稳定性研究

吴波

摘 要：【目的】目前新型电力系统建设过程中存在多起重大电网事故，新型电力系统发展过程中所面临的稳定性问题尤为突出。通过分析新型电力系统的暂态特性，为提高新型电力系统稳定性提供建议。【方法】以某新能源富集区作为研究对象，通过对传统电网与新型电力系统的供电方式进行分析，研究其电网暂态稳定性的特性差异，探讨储能电站在新型电力系统中所起到的作用。【结果】系统分析结果表明，新能源装机占比越高，系统暂态稳定性越差；当新能源占比超过50%時，系统无法稳定运行，储能电站介入后，可以在很大程度上解决系统的暂态稳定性问题。【结论】储能电站是解决新型电力系统稳定性问题的一个可行方案且具有重大意义。

关键词：新能源；系统稳定性；新型电力系统

中图分类号：TM341；TM712   文献标志码：A    文章编号：1003-5168（2024）05-0004-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.05.001

Research on System Stability of High Proportion New Energy

Penetration Network

WU Bo（Fujian Yongfu Electric Power Design Co.， Ltd.，Fuzhou 350001，China）

Abstract： [Purposes] Currently， there are multiple major power grid accidents in the construction process of the new power system， and the stability issues faced by the development of the new power system are particularly prominent. By analyzing the transient characteristics of the new power system， suggestions are provided for improving the stability of the new power system. [Methods] Taking a new energy enrichment area as the research object， this paper analyzes the traditional power grid power supply mode and the new power system power supply mode separately， and studies the transient stability characteristics of its power grid and explore the role that energy storage stations can play in new power systems. [Findings] The results of the transient stability analysis of the system show： the higher the proportion of new energy installed， the worse the transient stability of the system. When the proportion of new energy exceeds 50%， the system cannot operate stably. After energy storage intervention， the transient stability problem of the system can be greatly solved.[Conclusions] As a solution to the stability problem of the new power system， energy storage power stations are feasible and of great significance.

Keywords： new energy； system stability； novel power system

0 引言

随着全球能源危机和环境污染问题的加重，区别于部分国家“先污染、后治理”的发展战略，我国采取低碳或零碳的绿色技术和产业体系路线以实现“二氧化碳排放量力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的目标。2021年3月1日，由国家发展改革委、国家能源局发布的《关于推进电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见》中提出，源网荷储一体化和多能互补发展是实现电力系统高质量发展的客观需要，符合能源绿色低碳发展方向，有利于提升电力发展质量和效益，有利于全面推进生态文明建设，有利于促进区域协调发展。

新能源机组接入电网后，系统呈现出与传统同步机组的物理特性，其具有弱致稳性［1］、低惯量响应特性［2］、抗干扰性弱、过载能力低［3］、出力波动性强等特征。同时对系统经典的稳定性问题带来新的风险与挑战，也使得通过传统的方法来进行暂态稳定性的评估和控制难度加大。进入21世纪以来，全世界范围内发生了多次大规模停电事故［4］，给社会的经济发展，居民的生产生活造成巨大损失。如2019年英国国家电网遭受雷击，由于风电场内风机或动态无功补偿设备在调节能力、抗扰动能力等涉网技术特性方面存在不足，分布式电源涉网保护配置不合理和蒸汽电源网源协调能力不足等因素，导致风电场大规模脱网，冲击电网频率快速下降，发生巨大停电事故，这也是英国自2003年“伦敦大停电”以来发生的最严重的停电事故［5］。

因此，为了更好地应对高比例新能源电网发展的需要，本研究通过对高比例新能源电网进行暂态仿真计算，通过对电网“N-2”工况下的电压、频率稳定性进行分析，得到新能源电网的稳定特性，并尝试采用配置适量储能电站的方式来解决高比例新能源电网的系统稳定性问题。

1 系统概况

本研究针对某地区的电网进行分析，该地区电网以220 kV/110 kV电压等级组网，最大供电负荷约1 872 MW。现有220 kV变电站9座，变电总容量3 160 MVA，110kV变电站36座，变电总容量3 369 MVA，区域内火电装机1 341 MW，水电装机300 MW，光伏装机3 200 MW，另外配置储能电站1 600 MW。与外界电网存在2回220 kV线路的联网通道。电网接线示意如图1所示。

本区域电网以大量的光伏装机为主，与外界电网仅通过2回220kV线路进行弱联网，形成典型的高比例新能源电网。本研究以光伏作为区域电网的主要电源，对光伏出力占比15%～60%情况下，该地区系统的频率及电压特性进行分析。区域内各类型机组出力见表1。

2 系统稳定性分析

根据该地区电网的特点，在不考虑储能电站的情况下，对光伏电站不同出力占比情况下，系统的各断面“N-2”故障进行暂态稳定仿真计算。

2.1 频率稳定性

对系统频率稳定性进行分析，如图2所示。由图2可知，当光伏电站出力占比小于40%时，系统频率能够保持稳定；当光伏电站出力占比超过50%后，系统频率崩溃，已无法在“N-2”故障下稳定运行。

2.2 电压稳定性

对系统电压稳定性进行分析，如图3所示。由图3可知，当光伏电站出力占比小于40%时，系统能够保持稳定运行；当光伏电站出力占比超过50%后，系统电压出现崩溃，已无法在“N-2”故障下稳定运行。

2.3 小结

经上述分析可知，在该地区电网中，当传统电源作为主要的电源支撑时，系统的频率响应与电压响应能力明显优于新能源作为主要电源的电网；随着电网内新能源出力占比的不断上升，系统的频率、电压支撑能力逐渐下降；当新能源装机出力占比达到50%时，电网失去对系统“N-2”故障的抗扰动能力，无法在“N-2”故障的情况下保持稳定运行。

3 储能电站对系统稳定性分析

针对新能源电源出力达到50%时，电网“N-2”故障下的频率、电压支撑能力不足的问题，可以考虑在电网中增加一定比例的储能电站，以此来提高电网的频率和电压稳定能力。在储能电站配置容量由光伏电站出力的1%～10%的情况下，电网的频率、电压摇摆曲线如图4、图5所示。由图可知，当电网“N-2”故障情况下，若储能电站装机能够达到光伏电站的10%，系统可获得足够的频率、电压支撑能力。

4 结语

经过分析可知，在高比例新能源电网中，随着新能源电源出力占比逐步增大，系统的频率、电压支撑能力逐步下降。在新能源装机出力占比为50%时达到临界值，超过50%后，系统抗扰动能力明显下降。因此，在新能源电源出力占比较大的电网中，配置一定规模的储能电站，能够有效提升电网的频率、电压支撑能力。

随着高比例新能源电网的发展，电网频率、电压支撑能力不足的问题日益突出，结合本研究分析，储能电站可以成为解决新能源电网稳定性问题的一种途径，储能电站的快速频率、电压响应支撑能力在电网稳定性方面将发挥至关重要的作用。因此，在未来的高比例新能源电网中，储能电站建设将成为不可或缺的一部分。

参考文献：

［1］袁小明.大规模风电并网问题基本框架［J］.电力科学与技术学报，2012，27（1）：16-18.

［2］鲁宗相，汤海燕，乔颖，等.电力电子接口对电力系统频率控制的影响综述［J］.中国电力，2018，51（1）：51-58.

［3］康重庆，姚良忠.高比例可再生能源电力系统的关键科学问题与理论研究框架［J］.电力系统自动化，2017，41（9）：2-11.

［4］胡源，薛松，張寒，等.近30年全球大停电事故发生的深层次原因分析及启示［J］.中国电力，2021，54（10）：204-210.

［5］孙华东，许涛，郭强，等.英国“8·9”大停电事故分析及对中国电网的启示［J］.中国电机工程学报，2019，39（21）：6183-6192.