云南新能源高占比特性分析與2025年應對措施

伍陽陽，陳亦平，李勝男，肖亮，方必武，何廷一

（1.云南電力試驗研究院（集團）有限公司，昆明 650217；2.中國南方電網電力調度控制中心，廣州 510663；3.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217）

0 前言

當前，全球電力系統處于能源轉型的中心環節，正面臨以去碳化、柔性化、數字化為趨勢的重大變革，構建新型電力系統勢在必行。

2017年南澳大停電、2019年英國大停電、2020年美國加州大停電，都與新能源大規模接入直接相關。由于風電和光伏發電受制于自然環境，極端天氣導致高比例新能源短時出力下降，在系統備用容量不足，極易引發電力供應短缺、系統運行不穩，大規模、高比列新能源接入與電網安全穩定運行之間“矛盾”，已成為共性問題[1-5]。

在國家“2030年碳達峰、2060 年碳中和”政治目標下，南方電網提出“十四五”、“十五五”期間各新增新能源裝機1億千瓦，受新能源波動性和低利用小時數影響，新能源電力高占比場景將遠早于電量高占比場景出現，能否保障電力高占比場景下電力系統安全穩定運行是亟待回答的關鍵問題。

國內青海電網新能源裝機占比已達60%，冀北新能源裝機占比已達65%，分別依托西北電網和華北電網實現消納。國際上新能源高占比運行的丹麥和德國主要依托北歐和歐洲大陸的大型互聯系統。相較局部地區的新能源高占比，云南和愛爾蘭這樣的獨立同步網的情況更具示范意義。

愛爾蘭是歐洲新型電力系統建設中高比例非同步電源滲透率的示范系統，隨著DS3(Delivering a Secure Sustainable Electricity System)項目的實施，愛爾蘭的非同步電源滲透率水平（System Non-Synchronous Penetration，SNSP）從2015年的50 %提高到了2021年的70%，其目標是2030年將SNSP提高到95 %。圖1顯示2021年2月10日至22日期間愛爾蘭的SNSP水平，這表明愛爾蘭電網已具備按照70 %SNSP的運行能力。

圖1 愛爾蘭電網70%SNSP試運行情況（2021/2/10-2021/2/22）

非同步電源是相對同步機而言，一般通過電力電子換流器，采用鎖相環（PLL）或功率同步環（PSL）技術手段，保持與電網同一頻率、同步運行。云南非同步電源主要是風電、光伏，根據云南新能源裝機規劃，云南將成為全國新能源滲透率最高的獨立省級同步電網之一，預計2025年枯水期將率先出現60-70%以上的非同步電源滲透率。故本文將從云南新能源特性、外送能力以及省內負荷水平特性出發，研究2025年云南非同步電源運行場景與應對舉措，推進云南電網具備70%新能源電力滲透率下安全運行能力。

1 云南新能源發電特性

云南新能源主要為風電、光伏，省內平均風功率密度大于50 W/m2的可開發區面積約4.52萬km2，山區占總面積94%，山地風速的地形效應非常顯著，風速隨海拔高程的相對增加而大幅增加[6-7]。年太陽輻射量大于6 000 MJ/m2的最佳區域有12個縣，其總面積約3.7萬km2，其年平均太陽輻射總量約213萬億MJ，相當于79億t標準煤。

通過對云南省2017年—2020年四年的風電、光伏年度發電量研究、分析，如圖2所示，可以看出：

圖2 云南2017年至2020年風光發電特性

1）風電、光伏在一年之中，7月—9月屬于云南雨季天氣，風電處在小風期、光伏光照強度弱；

2）隨著風電、光伏容量的增加，非同步電源占比云南統調電量逐年逐步提高；

3）在11月—次年4月云南風電處于大風期、天氣以晴好為主，新能源電量占比云南統調電量超過30%概率增大。

2 云南外送能力

2016年云南電網與中東部主網異步聯網后，云南直流外送能力逐年提高，到2021年±800 kV昆柳龍直流三端全部投產后，云南電網作為一個典型的水電外送系統，將擁有4160萬千瓦的直流外送通道。如圖3、圖4所示，云南電網在豐水期和枯水期外送水平差別巨大，豐水期云南電網屬于“水+風+光”系統，非同步電源滲透率較低，水電通過直流外送到中東部主網，系統強度足夠、抗擾動能力強[8-9]；枯水期云南電網屬于“風+光+水”系統，非同步電源發電處于高水平，此階段系統抵御電網風險能力弱，系統備用容量、慣量底限以及Rate of Change of Frequency (RoCoF)等性能指標是電網安全運行必須監視的。

圖3 云南水電發電分布特性

圖4 云南外送電量分布特性

3 云南SNSP水平分析

目前云南電網水電7100多萬千瓦、風光1200多萬千瓦以及煤電1100多萬千瓦，其中風光與水電形成天然的互補態勢。故選擇枯水期、非同步電源高出力階段來分析云南非同步電源SNSP水準，對云南建設新型電力系統具有關鍵性的技術指引作用。

3.1 System Non-Synchronous Penetration(SNSP)

SNSP是用來表示系統瞬時非同步發電水平的運行指標，它是非同步電源發電和直流饋入與負荷和直流送出的比值[10]。因此，以百分比表示SNSP方程如下：

3.2 云南枯水期SNSP水平分析

對于云南送端電網而言，分析SNSP性能指標時，只需研究省內負荷、直流送出以及非同步電源發電三方面要素即可。選取云南2018年至2021年1月-3月歷史數據作為數據樣本，分析云南SNSP運行水平。

1）從調度OCS歷史數據庫查找SNSP相關因素歷史數據，如圖5所示，可以看出：

圖5 云南省內負荷、直流送出以及非同步電源歷史數據曲線

a.云南2018年-2020年1月-3月省內負荷前三年基本保持在1500萬千瓦至2000萬千瓦左右，2021年由于云南省大量引入鋁硅大型用電負荷，導致2021年省內負荷提升到2000萬千瓦至2500萬千瓦左右；

b.外送水平在枯水期小方式下大概在500萬千瓦至1000萬千瓦之間；枯水期大方式下外送在1000萬千瓦至1500萬千瓦之間；

c.近4年云南非同步電源裝機變化不大，2018年至2021年基本維持季節規律性，枯水期整體出力在500萬千瓦左右。

2）云南SNSP運行水平如圖6所示，可以看出：

a.目前云南電網風光占總裝機占比僅13%左右，但在春節低負荷、低外送方式下會出現特殊高占比運行方式，風光出力正常占比在20-30%之間，最高占比達到50%左右；

b.2020年、2021年 云 南 電 網 暫 時 按40%SNSP控制，約束因素為參考故障下的臨界頻率變化率；從圖6可以看出2018年、2019年2月份SNSP均存在超過0.4的水平，經過人工干預后2020年、2021年SNSP未超過預警線；

圖6 云南2018年-2021年1月-3月非同步電源SNSP

c.從實際SNSP預控效果來說，控制精度不高、非同步電源發電效率降低。

3.3 2025年云南枯水期SNSP水平

分別在云南枯水期外送大小方式下對2025年云南非同步電源SNSP水平進行生產場景推演。

外送大方式下：以2019年云南外送能力作為外送基準，省內負荷以2021年為基準，負荷增長率8.5%，來測算2025年省內負荷水平；新能源的出力以2019年實際出力數據為基準，按照裝機容量增長比率，進行2025年新能源出力測算。

外送小方式下：以2018年云南外送能力作為外送基準，省內負荷以2021年為基準，負荷增長率8.5%，來測算2025年省內負荷水平。新能源的出力以2019年實際出力數據為基準，按照裝機容量增長比率，進行2025年新能源出力測算。

如圖7所示，在外送大小方式下：2025年云南在枯水期、非同步電源高出力情況下，SNSP水平基本在0.4～0.6之間；現有在SNSP控制在0.4已經遠遠不夠，必須采取措施提高SNSP水平與控制精度，充分體現以新能源為主體的新型電力系統調控能力。

圖7 2025年云南外送大小方式下SNSP水平

4 結束語

在新型電力系統建設中，SNSP的控制水平處于十分重要的地位，是實現高水平新能源電量占比RES-E（Renewable Energy Source Electricity）的前提與保障。在大型獨立同步網中，愛爾蘭已實現70 %的SNSP水平運行，并已制定實現95 %SNSP的行動計劃。在美國德克薩斯電網，2021年3月也已出現66 %的瞬時風電滲透率。

云南電網暫時按40 %SNSP控制，但在新能源功率精準控制領域較國際先進水平尚存在一定差距。在未來新能源裝機大幅增加方式下，以2025年云南新能源高滲透率場景分析新型電力系統穩定特性具有重大的科學和工程意義。借鑒愛爾蘭電網的經驗，建議重點開展以下研究：

1）研究新能源高占比下系統穩定特性變化，確定最低同步機開機方式。當前新能源機組大都以跟網型變流器并網，同步機開機方式決定了系統慣量和無功電壓支撐能力，是系統支撐能力的基礎來源。

2）確保頻率穩定的臨界慣量和直流頻率調制需求，建設新能源機組主動支撐能力；按照當前云南開機方式，枯水期系統慣量在100-200GW*s的水平，最低開機方式約50GW*s；豐水期系統慣量大部分在200-300GW*s的水平。由于要抵御的擾動功率水平較高，云南網慣量水平偏低，主要依靠直流FLC提供快速功率支援來解決。在擁有快速頻率響應資源下，系統的臨界頻率變化率可以提高至0.5 Hz/s以上，臨界慣量要求可以下降。利用新能源機組的快速頻率響應，能夠顯著改善高頻擾動的頻率動態過程，在減載方式下也能夠提供可觀的向上支撐能力[11-13]。

3）完善對非同步電源滲透率SNSP的監視，實現基于超短期功率預測的新能源機組AGC精準控制[14-16]。

通過上述工作，在2025年前讓云南電網具備70 %新能源電力滲透率下安全運行能力，并以此推進新型電力系統穩定機理、分析方法和控制措施技術體系的構建和完善。