新能源高比例發(fā)展對(duì)電力系統(tǒng)的影響分析與應(yīng)對(duì)措施

摘要：分析了新能源資源及新能源場(chǎng)站的設(shè)備特性，論述了新能源高比例發(fā)展對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)的挑戰(zhàn)。針對(duì)新能源資源及設(shè)備特性，從數(shù)值模擬與功率預(yù)測(cè)、并網(wǎng)安全穩(wěn)定機(jī)理與智能控制、優(yōu)化調(diào)度方面進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，電力系統(tǒng)的可靠供電、高效消納、安全運(yùn)行問(wèn)題得到了有效解決，基本實(shí)現(xiàn)了新能源的可預(yù)測(cè)、可控制與可調(diào)度。

關(guān)鍵詞：新能源;電力系統(tǒng);功率預(yù)測(cè);可靠供電

0 引言

隨著國(guó)家發(fā)展規(guī)劃和一系列優(yōu)惠鼓勵(lì)政策的不斷實(shí)施，強(qiáng)化風(fēng)電、光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)，同時(shí)保障電力送出和消納機(jī)制，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)風(fēng)電、光伏發(fā)電項(xiàng)目進(jìn)入了高質(zhì)量發(fā)展的新階段[1]。截至2019年底，我國(guó)風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)容量分別為210 GW和204 GW[2]，約占我國(guó)電源總?cè)萘康?0.63%，新能源已成為我國(guó)第二大電源。以風(fēng)電、光伏為代表的新能源持續(xù)快速發(fā)展，在全國(guó)范圍內(nèi)形成高比例的新能源電力系統(tǒng)，新能源發(fā)電容量在電力系統(tǒng)中所占比例不斷增加，其對(duì)電力系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行方面的影響越來(lái)越顯著。

1 新能源資源和設(shè)備特性

新能源資源較豐富，普遍具備可再生特性，可供人類永續(xù)利用，但新能源資源受地理環(huán)境和氣象條件影響較大[3]，具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和不可控性;以風(fēng)電、光伏為代表的新能源資源不能夠運(yùn)輸與儲(chǔ)存，更不能突破資源上下限進(jìn)行調(diào)節(jié);風(fēng)能和太陽(yáng)能的能量密度低，風(fēng)能密度為200～700 W/m2、太陽(yáng)能的輻照強(qiáng)度為170～260 W/m2[4]，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)速為3～22 m/s時(shí)才可正常發(fā)電，即年利用小時(shí)數(shù)低，且呈現(xiàn)功率大、電量小的特點(diǎn)，隨機(jī)波動(dòng)性強(qiáng)，空間分布差異大。

新能源場(chǎng)站設(shè)備總體數(shù)量較多，不同型號(hào)和類型的新能源發(fā)電單元故障穿越特性和寬頻帶動(dòng)態(tài)特性等差異巨大，如雙饋風(fēng)電機(jī)組和直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的高低電壓穿越特性有很大的不同。與常規(guī)電源相比，新能源發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)特性較差，若其大規(guī)模接入電網(wǎng)，會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)調(diào)頻能力下降，無(wú)功電壓控制難度大。新能源電源高比例并網(wǎng)會(huì)使電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性受到威脅。

2 新能源高比例接入對(duì)電力系統(tǒng)的影響

2.1? ? 新能源限電與電力不足共存

在新能源占電源比例持續(xù)不斷增長(zhǎng)的情況下，由于新能源并網(wǎng)對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的影響較大，電力系統(tǒng)將會(huì)同時(shí)面臨棄風(fēng)/棄光和電力供應(yīng)不足等問(wèn)題。如2020年8月中旬，持續(xù)高溫導(dǎo)致加州電力需求劇增，8月14日晚，由于光伏發(fā)電出力為零，風(fēng)電出力受天氣影響明顯下降，加州新能源發(fā)電僅有3 257 MW，引發(fā)電力短缺，40萬(wàn)用戶斷電，持續(xù)斷電時(shí)間約1 h。

2.2? ? 新能源發(fā)電送端暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}

新能源發(fā)電地理位置比較偏遠(yuǎn)，分布廣泛，集中式基地送端網(wǎng)架建設(shè)相對(duì)薄弱，基地?fù)Q相失敗、直流閉鎖、交流系統(tǒng)N-1等故障都可能造成嚴(yán)重的暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}，引發(fā)新能源發(fā)電大面積脫網(wǎng)事故。如祁韶、青豫、張雄等特高壓交直流工程送端，都存在新能源暫態(tài)過(guò)電壓導(dǎo)致特高壓送出能力受限的問(wèn)題。祁韶直流送端大擾動(dòng)仿真結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，在直流送端出現(xiàn)大擾動(dòng)后，經(jīng)過(guò)高電壓穿越技術(shù)的改造，直流送端的有功、無(wú)功和電壓都得到了改善，并趨于平穩(wěn)。

2.3? ? 新能源發(fā)電送端的振蕩問(wèn)題

隨著新能源大規(guī)模并網(wǎng)以及其他大容量電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，在我國(guó)西部、北部地區(qū)新能源高度集中地接入電網(wǎng)，送端振蕩穩(wěn)定性問(wèn)題逐漸成為巨大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。新能源場(chǎng)站的風(fēng)電機(jī)群使用了非線性的電力電子變流器，其內(nèi)部的控制環(huán)節(jié)也較為復(fù)雜，這種多變流器-電網(wǎng)間相互作用引發(fā)的新型次同步振蕩，對(duì)系統(tǒng)形成次同步諧波源，諧波能量注入系統(tǒng)，可引起電壓、電流大幅波動(dòng)，引起變流器等電力設(shè)備過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，也可引起變壓器振動(dòng)、電容器損壞等。當(dāng)周邊有常規(guī)機(jī)組時(shí)，還可能引起機(jī)組軸系扭振，嚴(yán)重威脅現(xiàn)代電網(wǎng)的設(shè)備安全、系統(tǒng)穩(wěn)定和用電質(zhì)量。2015—2017年，新疆哈密風(fēng)電基地頻繁發(fā)生次/超同步振蕩問(wèn)題，因振蕩切除風(fēng)電100余次，最大單次切除容量達(dá)50萬(wàn)kW，振蕩電流波形和振蕩分量如圖2、圖3所示。

2.4? ? 新能源發(fā)電大規(guī)模接入受端電網(wǎng)的穩(wěn)定性問(wèn)題

新能源發(fā)電大規(guī)模接入電網(wǎng)，電網(wǎng)調(diào)頻難度大，由于風(fēng)電機(jī)組出力隨風(fēng)力大小變化，可控性差，因此目前電網(wǎng)調(diào)頻任務(wù)由傳統(tǒng)電廠來(lái)承擔(dān)。新能源并網(wǎng)過(guò)程對(duì)電網(wǎng)造成沖擊是因?yàn)樾履茉窗l(fā)電機(jī)組容量小，常采用異步發(fā)電機(jī)組，無(wú)獨(dú)立的勵(lì)磁裝置，大規(guī)模同時(shí)并網(wǎng)會(huì)造成電網(wǎng)電壓大幅度下降。隨機(jī)性強(qiáng)的新能源發(fā)電大規(guī)模接入對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量影響較大，主要是風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身的電力電子裝置和串并補(bǔ)償電容器等造成的頻率、電壓、諧波和諧振問(wèn)題。

3 新能源大規(guī)模接入對(duì)電網(wǎng)影響的應(yīng)對(duì)措施

基于新能源發(fā)電資源和發(fā)電設(shè)備的特性，改善新能源發(fā)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性和不可控性等特性，提高新能源并網(wǎng)性能，保障新能源發(fā)電和電網(wǎng)的安全性，促進(jìn)新能源消納，可從新能源資源數(shù)值模擬與功率預(yù)測(cè)、并網(wǎng)安全穩(wěn)定性策略、智能優(yōu)化調(diào)度等方面進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)新能源可靠發(fā)電與安全并網(wǎng)。

3.1? ? 數(shù)值模擬與功率預(yù)測(cè)

由于以風(fēng)光為主的新能源發(fā)電具有隨機(jī)性，為更好地預(yù)測(cè)發(fā)電出力，需要提升天氣過(guò)程模擬與預(yù)測(cè)能力的數(shù)值分析，找出誤差產(chǎn)生過(guò)程和原因，制訂氣象預(yù)測(cè)模型研究;提升基于人工智能技術(shù)的不同天氣過(guò)程下的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)方法，需要有典型天氣識(shí)別過(guò)程、人工智能建模方法、功率預(yù)測(cè)模型和自適應(yīng)切換系統(tǒng)。硬件方面需在數(shù)值模擬中增加氣象衛(wèi)星接收裝置，完善數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，增加數(shù)值天氣預(yù)報(bào)機(jī)房，即使用面向不同天氣過(guò)程的新能源功率預(yù)測(cè)的方法。對(duì)多年歷史資源進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)未來(lái)資源變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，建立新能源波動(dòng)過(guò)程與功率預(yù)測(cè)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，結(jié)合新能源的地理及環(huán)境氣候特點(diǎn)，使用基于波動(dòng)過(guò)程聚類與辨識(shí)、交互檢驗(yàn)與融合的預(yù)測(cè)方法，預(yù)測(cè)新能源功率。

3.2? ? 并網(wǎng)安全穩(wěn)定性策略

建立新能源發(fā)電單元仿真模型、場(chǎng)站詳細(xì)仿真模型及參數(shù)庫(kù)，系統(tǒng)仿真還原大規(guī)模風(fēng)電脫網(wǎng)事故，模擬風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的波及關(guān)系，明確新能源發(fā)電并網(wǎng)穩(wěn)定邊界條件和技術(shù)要求以及高/低壓穿越、電網(wǎng)適應(yīng)性等并網(wǎng)試驗(yàn)，并網(wǎng)性大幅度提高。另外，加強(qiáng)新能源場(chǎng)站主動(dòng)支撐控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)場(chǎng)站對(duì)系統(tǒng)電壓、頻率的快速響應(yīng)，新能源場(chǎng)站對(duì)系統(tǒng)頻率、電壓的支撐能力顯著增強(qiáng)。此外還要對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行各種優(yōu)化，根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、風(fēng)電場(chǎng)的容量及SVC調(diào)節(jié)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)無(wú)功補(bǔ)償裝置，進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，對(duì)于低電壓或高電壓應(yīng)具備快速的穿越或切除能力，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

3.3? ? 離線在線分析，實(shí)現(xiàn)新能源的可調(diào)度性

目前新能源資源在特定的時(shí)間段內(nèi)棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象嚴(yán)重，為使資源優(yōu)化使用，新能源和火力發(fā)電優(yōu)化合理配置，實(shí)現(xiàn)新能源的可調(diào)度性，對(duì)新能源發(fā)電進(jìn)行離線、在線分析，用概率來(lái)協(xié)調(diào)新能源發(fā)電并網(wǎng)所帶來(lái)的各種不確定的問(wèn)題，監(jiān)控和分析接入電網(wǎng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，在線跟蹤電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的變化過(guò)程，合理安排和優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行方式。建立新能源生產(chǎn)模擬系統(tǒng)，可以對(duì)新能源的消納、運(yùn)行進(jìn)行評(píng)估。在新能源發(fā)電多時(shí)可通過(guò)省間互濟(jì)、自備電廠交易等實(shí)現(xiàn)新能源消納“雙升雙降”目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

新能源高比例發(fā)展對(duì)電力系統(tǒng)的電壓、電網(wǎng)振蕩等造成了影響，給電力系統(tǒng)的可靠供電、高效消納、安全運(yùn)行帶來(lái)了挑戰(zhàn)。基于對(duì)新能源資源和設(shè)備特性的認(rèn)知，通過(guò)數(shù)值模擬與功率預(yù)測(cè)、并網(wǎng)安全穩(wěn)定性策略、智能優(yōu)化調(diào)度等，基本實(shí)現(xiàn)了新能源的可預(yù)測(cè)、可控制與可調(diào)度。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 國(guó)家能源局綜合司.國(guó)家能源局綜合司關(guān)于征求《關(guān)于加快推進(jìn)風(fēng)電、光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)有關(guān)工作的通知》意見(jiàn)的函[J].太陽(yáng)能，2018（9）：5-6.

[2] 夏云峰.2019年全球新增風(fēng)電裝機(jī)超60 GW[J].風(fēng)能，2020（4）：36-41.

[3] 王云省.如何開(kāi)展風(fēng)電企業(yè)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)分析[J].金融經(jīng)濟(jì)，2018（10）：171-172.

[4] 文佳龍.地區(qū)大氣環(huán)境狀況及其對(duì)太陽(yáng)能高效利用的影響研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2014.

收稿日期：2020-12-03

作者簡(jiǎn)介：范偲偲（1989—），女，河南人，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：電力系統(tǒng)分析及電能質(zhì)量分析與控制。