新能源发电并网对电力系统稳定性的影响与调控策略研究

孙桂卿，王其静，武凯

（1.山东思迪普电气有限公司济南高新分公司 ，山东 济南 250000；2.恒诚信国际工程咨询有限公司山东分公司，山东 济南 250000；3.山东海诺德电力科技有限公司，山东 济南 250000）

0 引 言

为应对气候变化，并降低对传统能源的依赖，新能源发电备受关注。然而，随着新能源电站的逐步建设，新能源发电并网对电力系统的稳定性提出新的挑战。电力系统在新能源大规模并网时可能面临电压不稳、频率波动等问题，因此需要对其影响机理进行深入研究，并制定相应的调控策略。

1 新能源发电并网的影响机理

1.1 电压稳定性的影响

影响电压稳定性的因素包括电力系统中的潮流分布、传输线路的阻抗、新能源发电单元的输出功率。在新能源发电大规模并网的情况下，由于电网输出功率具有波动性，可能会改变系统潮流分布，从而导致节点电压产生波动[1]。这一变化可以通过电压稳定性指标的动态变化来衡量，计算公式为

式中：Ui为节点i的电压；Uj为节点j的电压；Bi为节点i的恢复系数；Yi,j为节点i和节点j之间的导纳；Ci为节点i的电容；Pi为节点i的有功功率；PGi为节点i的新能源发电功率。式（1）表示电压随时间的变化率与系统节点的电容、导纳、潮流分布以及新能源发电功率之间的复杂关系。因此，电压稳定性的影响机理需要综合考虑这些参数，以制定有效的调控策略，保障电力系统的稳定运行。

1.2 频率稳定性的影响

新能源发电并网对电力系统频率稳定性的影响涉及系统惯性的变化，用方程表示为

式中：M为系统的总惯性常数；ϖ为系统的角速度；Pm为机械输入功率；Pe为电力系统的有功出力。

在新能源发电并网时，由于可再生能源发电的波动性，系统的有功出力Pe可能出现瞬时变化，进而引起系统频率的波动。这种波动会对电力系统频率的稳定性产生影响，因此可通过角速度的变化来观察。频率稳定性的影响机理需要考虑新能源发电对系统有功出力的瞬时影响，以有效调控系统频率，确保电力系统的稳定运行。

1.3 暂态稳定性的影响

新能源发电并网会影响电力系统的暂态稳定性，主要体现在系统的暂态过程中。在暂态稳定性分析中，需要考虑系统的动态响应，涉及转子的运动方程为

式中：M为系统的总惯性常数；δ为转子相对于系统参考点的转角。

新能源的不确定性和波动性可能导致系统的有功出力Pe在短时间内发生剧烈变化，进而引发系统暂态稳定性问题。这种影响可能表现为系统发生扰动后短时间内的频繁振荡或失稳[2]。因此，为确保电力系统在新能源大规模并网的情况下维持良好的暂态稳定性，需要采取相应的调控策略，合理控制有功出力，以维持系统的稳定运行。

2 调控策略

2.1 电力系统调度优化

电力系统调度优化是在新能源发电并网背景下应对稳定性问题的关键环节。调度优化旨在利用智能化的方法合理配置发电机组的出力，以平衡电力系统运行的经济性和稳定性。其优化目标包括降低电网损耗、提高发电效率、确保电力质量以及更灵活地应对新能源的波动性。

在调度优化中，可以采用数学建模和优化算法对系统各元件进行建模，包括传统发电机组、新能源发电装置、负荷需求等，并深入分析电网拓扑结构。同时，充分考虑新能源的特点，如风电和光伏发电的波动性。通过智能算法实时调整发电机组的出力，以最大限度地适应新能源波动性带来的电力系统不确定性[3]。

优化调度策略的设计需要充分考虑系统的实际情况，包括新能源发电容量、负荷需求、电网输电能力等因素。通过合理的调度，电力系统可以更好地应对新能源的不确定性，提高系统的健壮性和稳定性。因此，电力系统调度优化是实现新能源发电并网与电力系统稳定性兼顾的重要手段。

2.2 储能设备的应用

储能设备的应用是一项有效的调控策略，旨在缓解新能源发电并网对电力系统稳定性的影响。通过引入储能技术，系统能够更灵活地应对新能源波动和电力负荷的变化，主要采用的储能设备包括电池储能系统、超级电容器及抽水蓄能等。

在电力系统中，储能设备可用于平滑新能源发电的波动，如风电和光伏发电的间歇性。当新能源发电量超过电力需求时，储能设备储存多余的电能；当电力需求超过新能源发电时，储能设备则释放储存的电能，以满足系统负荷需求。这种储能-释能的过程可以有效缓解频率和电压波动问题，提高电力系统的稳定性。

储能设备的应用还可以提高电力系统的调峰能力和应急响应速度。在电力负荷高峰期间，储能设备可以释放储存的电能，以满足用户的用电需求，减轻电网压力。同时，储能设备具备较快的响应速度，能够在电力系统出现紧急情况时提供快速的调节支持，保障电力系统的安全稳定运行。

储能设备的应用是一项关键的调控策略，能够降低新能源的波动，提高电力系统的灵活性，从而有效提升电力系统的稳定性和可靠性。

2.3 智能调度与协同控制

智能调度与协同控制策略是一种先进的管理办法，旨在有效解决新能源发电并网引起的电力系统稳定性问题。该策略通过实时协同控制储能设备的运行状态、智能调度储能设备的充放电行为，以最大限度地提高电力系统的稳定性。智能调度与协同控制系统流程如图1 所示。

图1 智能调度与协同控制系统流程

首先，系统实时监测电力系统的频率、电压及暂态稳定性等指标，以获取系统性能的实时数据。同时，将这些数据传输到智能调度与协同控制系统，为后续的决策提供依据。

其次，协同控制系统根据实时数据评估系统性能，并制定相应的控制策略，如调整储能设备运行状态、智能调度充放电行为，以优化系统性能。智能调度系统在该过程中起着关键作用，其主要任务是根据电力负荷和新能源发电功率之间的差异，合理规划储能设备的充放电策略，以实现电力系统的能量平衡[4]。这种智能调度方案不仅能够降低电力系统对传统发电调度的依赖，还能更灵活地应对新能源的波动性和不确定性。

最后，系统通过协同控制与智能调度实现对电力系统的实时响应和调整，使系统在面对新能源发电并网时能够迅速适应不同的工作条件，维持电力系统的稳定性。

通过采用智能调度与协同控制策略，电力系统能够更为灵活、智能地管理新能源发电的波动性，提高系统的可靠性和稳定性，为实际应用提供可行且有效的解决方案。

3 案例分析

3.1 某地区新能源发电并网的实际情况

某地区引入新能源发电并网系统，以促进清洁能源的可持续利用，降低对传统能源的依赖。该地区充分利用风能和太阳能资源，建设大规模的风电场和光伏电站，以实现大规模的新能源发电[5]。然而，在实际情况中，随着新能源发电逐步并入电力系统，一些挑战和影响也逐渐浮现出来。

一方面，由于风能和太阳能具有不确定性和波动性，电力系统会频繁经历功率的剧烈波动，挑战电网的频率稳定性。这种波动性会对电力系统的正常运行产生负面影响，在高比例新能源发电的情况下更为显著。另一方面，影响电压稳定性。由于新能源发电系统的接入，电压水平可能出现较大波动，对电力设备和用户设备的稳定运行提出更高要求。

因此，需要根据实际情况，制定一系列的调控策略。对电力系统进行调度优化，合理规划新能源发电和传统能源的配比，以降低系统频率的波动。其中，储能设备的应用尤为关键。通过对储能设备的智能调度，可以实现对系统功率波动的缓冲和调整。同时，引入智能调度与协同控制系统，以实时监测和调整电力系统的运行状态，确保其在新能源发电并网的情况下保持稳定。

3.2 调控策略在实际系统中的应用效果

调控策略在实际系统中的应用效果如表1 所示，以观察新能源发电占比的变化对系统稳定性的影响。

表1 调控策略在实际系统中的应用效果

由表1 可知，在早上08:00 和中午12:00，新能源发电占比分别为30%和25%，系统频率稳定性评分分别为95 和94，电压稳定性评分分别为96 和93，暂态稳定性评分分别为94 和92。而在上午10:00 和下午2:00，新能源发电占比分别增至40%和35%，系统频率稳定性评分均有所下降，分别92 和91，电压稳定性评分也有所下降，分别为95 和94，但暂态稳定性评分分别为90 和88，也有一定程度的波动。

综上所述，调控策略在实际系统中能够有效调节系统频率和电压稳定性，但在新能源发电占比较高的时段，尤其是在系统暂态过程中可能面临一些挑战。因此，需要进行更进一步的研究和优化，以提高系统对高比例新能源的适应性和稳定性。

4 结 论

文章研究内容为新能源发电并网的电力系统稳定性问题提供深入的理论分析和实证研究，也为未来电力系统的可靠运行和新能源的大规模应用提供重要的参考和指导。相信这些调控策略的提出和实际效果的验证将对电力系统的可持续发展和新能源的有效利用产生积极影响。