高比例新能源对电力系统的影响分析

郭辉,张昆

内蒙古电力（集团）有限责任公司巴彦淖尔供电分公司  内蒙古自治区巴彦淖尔市   015000

摘要：随着电网规模的互联化、电力负荷的多样化，电网运行安全稳定问题日益突出，风光等新能源大规模接入进一步加剧了电网运行安全的强不确定性，对电网的安全、稳定、可靠运行带来巨大考验。因此，如何准确、高效地评估新能源高渗透率的电力系统安全性，综合提高系统促建、促改、促防能力是具有重要意义。本文对高比例新能源对电力系统的影响进行分析，以供参考。

关键词：高比例；新能源；电力系统；影响分析

引言

配电网作为大电网与用户连接的“最后一公里”，其故障对社会生产生活将造成直接影响。近年来，飓风、地震、洪涝、海啸和冰灾等极端自然灾害的发生率急剧增长，对配电网造成较大的冲击。为缩小因自然灾害造成的停电范围，降低停电损失，亟须提高配电网应对极端自然灾害的能力，建设具备强抵御力、强恢复力的韧性配电网。另外，随着新型电力系统建设的进行，新能源装机容量占比不断提升。在该背景下，通过控制新能源主体的运行状态，提升系统韧性已是当前所面对的一大挑战。一方面，分布式电源与应急人员、应急电源车、应急物资等社会性资源，对提升配电系统韧性具有积极作用；另一方面，新能源的高比例接入和多种资源的复杂耦合关系增大了发生扰动或极端事件后的系统应急调度难度。

1高比例新能源对传统电力系统的挑战

1.1高比例新能源系统暂态稳定水平不断恶化

风电、光伏等新能源机组涉网性能标准偏低，其频率、电压耐受能力与常规火电机组相比较差，事故期间容易因电压或频率异常而大规模脱网，引发连锁故障。该问题随着新能源的大规模集中投产将日益突出。新能源机组对系统高频和过电压的耐受能力较差，当系统发生扰动，频率、电压发生变化时，新能源机组容易大规模脱网，引发严重的连锁性故障。目前风电机组过电压保护通常设置为1.1pu，与常规火电机组1.3倍额定电压的耐受能力相比有较大差距。特高压直流跨区输电系统运行可能发生换相失败或闭锁故障，故障期间未及时退出的滤波器会向电网注入大量无功，造成送端换流站近区暂态电压升高，接入送端的风电可能存在过电压风险。风电机组若不进行高电压穿越改造升级将无法应对系统的暂态过电压问题。目前风电机组过频保护通常设置为≥50.2Hz，与常规火电机组51.5Hz频率耐受能力相比有较大差距。特高压直流输电系统闭锁可能造成送端有功过剩，电网频率存在升高风险；受端有功缺额，电网频率存在降低风险，电力系统的实时能量平衡难度增大，导致系统调频备用容量增大，挤占新能源消纳空间。

1.2高比例新能源系统电压稳定水平面临挑战

随着风电的发展，变速恒频双馈及直驱风电机组被广泛采用，其通过电力电子变流装置并网，其与常规水火电机组一样，同样是优质的无功电源，具备良好的动态、稳态无功调节能力。GB/T19963-2011《风电场接入电力系统规定》要求风电机组具备±0.95功率因数调节能力，无功功率与有功功率的比值约为1:3，而目前风电场AVC系统主要依靠集中无功补偿装置进行无功调节，风电机组通常单位功率因数运行，风电的动态无功调节能力并未得到有效利用。造成了不必要的投资浪费，同时对风电场运行的经济性同样产生了不利影响。随着对风电无功认知的不断拓展，越来越多的科院机构与学者开展了风电无功调压能力研究。而目前风电无功尚未参与系统电压调节，风电若不进行风电无功调压能力改造与升级，随着高波动性的风电大规模接入电力系统势必对系统电压稳定带来巨大影响。

2多源虚拟惯量控制技术

2.1风机虚拟惯量控制

随着新能源机组装机容量不断增加，同步机组在电网中的占比逐渐减少，而风机、光伏等新能源机组并不具有同步机的惯性响应能力，无附加控制时无法参与到频率调节过程中，系统等效惯量逐渐降低。当发生功率扰动时，可再生能源电网频率的偏移量和变化率相较于传统电网大幅增加，频率稳定性大大降低，使新能源机组参与系统惯量响应和频率调整的需求愈加迫切，目前风电机组进行惯量响应的基本控制方式主要有转子动能法、减载控制法和储能协同控制法。

2.2减载控制

为提高风机的调频能力，通常利用变速控制和桨距角控制来使得风机处于减载运行。桨距角控制变换改变风机叶片的角度来改变风能输入量，使风机运行在最大功率点之下，以此来获得备用容量，变速控制通过改变风机转速使风机不再运行于ＭＰＰＴ模式，而处于比最优速度更高或更低的一个速度，从而保证一定的功率备用进行惯量响应。通过降低转速来使风机减载可能会带来稳定性干扰问题，超速控制也比减速控制具有更大的调节能力，因此，在变速减载中通常选用超速减载。将超速控制与虚拟惯量控制相结合，更好地支撑风机的惯量响应能力。根据不同的风速条件提出了一种超速与变桨相协调的调频控制策略，以充分利用双馈风电机组的调频潜力。为了减少变桨距角对风机的磨损，结合风机转速和桨距角提出了一种新型有功功率控制策略，使风机在任意桨距角下可以充分利用转子动能进行惯量响应。通过改进虚拟惯量法避免了风机发生出力骤降，并结合超速控制提出一种双馈风机频率综合控制策略。

3新型配电系统韧性提升措施分析与量化

配电系统在遭受自然灾害、人为攻击等极端事件后，因元件故障等原因导致系统性能下降；故障消除后，系统逐渐恢复到原有的正常状态。系统状态分为正常状态、抵御事故、降额运行和故障恢复。假定t1时刻发生极端事件，系统元件于t1～t2时段遭到物理破坏，系统功能开始下降；t2～t3时段系统维持降额运行状态；t3～t4时段为故障恢复状态。由于应急措施的实施，系统功能逐渐恢复。提升系统韧性的原理可分为3个维度：一是减小极端事件的影响，采取加强线路元件强度、架空线路电缆化等措施，通过缩小由极端事件导致的故障规模来提升配电系统韧性；二是减少故障恢复过程中的负荷损失，通过接入分布式新能源发电或进行网络重构，为重要负荷提供功率支撑；三是减少故障恢复过程的持续时间，通过合理调配应急抢修人员、应急车辆、应急物资等来提高故障的修复速度，进而提高系统韧性。本文的研究范围为t3～t4的故障恢复阶段，重点关注故障发生后分布式新能源发电以及应急抢修人员、抢修车和电源车等应急车辆、应急物资等社会性资源对于提升系统韧性的作用。在该阶段主要采取两项举措：①通过优化分布式新能源发电的出力，减少系统失负荷量；②通过对应急抢修人员、应急车辆、应急物资的优化调度，使负荷停电时间、失负荷量和调配成本最小化。

结束语

综上所述，综述了虚拟惯量控制和等效惯量评估技术的相关研究动态和成果，对多源虚拟惯量的控制方法和电力系统等效惯量评估方法进行了对比分析。最后，从多源惯量协同控制、源荷惯量协同控制和考虑控制策略的虚拟惯量评估三个方面，对相关领域需要进一步开展的研究进行了展望，以期为电力系统惯量问题的研究提供参考。

参考文献

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