高比例新能源滲透組網(wǎng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性研究

吳波

摘 要：【目的】目前新型電力系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中存在多起重大電網(wǎng)事故，新型電力系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中所面臨的穩(wěn)定性問(wèn)題尤為突出。通過(guò)分析新型電力系統(tǒng)的暫態(tài)特性，為提高新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定性提供建議?！痉椒ā恳阅承履茉锤患瘏^(qū)作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)與新型電力系統(tǒng)的供電方式進(jìn)行分析，研究其電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的特性差異，探討儲(chǔ)能電站在新型電力系統(tǒng)中所起到的作用?！窘Y(jié)果】系統(tǒng)分析結(jié)果表明，新能源裝機(jī)占比越高，系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性越差；當(dāng)新能源占比超過(guò)50%時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行，儲(chǔ)能電站介入后，可以在很大程度上解決系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性問(wèn)題?！窘Y(jié)論】?jī)?chǔ)能電站是解決新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題的一個(gè)可行方案且具有重大意義。

關(guān)鍵詞：新能源；系統(tǒng)穩(wěn)定性；新型電力系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM341；TM712? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：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.，F(xiàn)uzhou 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

隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的加重，區(qū)別于部分國(guó)家“先污染、后治理”的發(fā)展戰(zhàn)略，我國(guó)采取低碳或零碳的綠色技術(shù)和產(chǎn)業(yè)體系路線以實(shí)現(xiàn)“二氧化碳排放量力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)。2021年3月1日，由國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)電力源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化和多能互補(bǔ)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》中提出，源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化和多能互補(bǔ)發(fā)展是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展的客觀需要，符合能源綠色低碳發(fā)展方向，有利于提升電力發(fā)展質(zhì)量和效益，有利于全面推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，有利于促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展。

新能源機(jī)組接入電網(wǎng)后，系統(tǒng)呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)同步機(jī)組的物理特性，其具有弱致穩(wěn)性［1］、低慣量響應(yīng)特性［2］、抗干擾性弱、過(guò)載能力低［3］、出力波動(dòng)性強(qiáng)等特征。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)經(jīng)典的穩(wěn)定性問(wèn)題帶來(lái)新的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)，也使得通過(guò)傳統(tǒng)的方法來(lái)進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定性的評(píng)估和控制難度加大。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，全世界范圍內(nèi)發(fā)生了多次大規(guī)模停電事故［4］，給社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，居民的生產(chǎn)生活造成巨大損失。如2019年英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)遭受雷擊，由于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)或動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備在調(diào)節(jié)能力、抗擾動(dòng)能力等涉網(wǎng)技術(shù)特性方面存在不足，分布式電源涉網(wǎng)保護(hù)配置不合理和蒸汽電源網(wǎng)源協(xié)調(diào)能力不足等因素，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)大規(guī)模脫網(wǎng)，沖擊電網(wǎng)頻率快速下降，發(fā)生巨大停電事故，這也是英國(guó)自2003年“倫敦大停電”以來(lái)發(fā)生的最嚴(yán)重的停電事故［5］。

因此，為了更好地應(yīng)對(duì)高比例新能源電網(wǎng)發(fā)展的需要，本研究通過(guò)對(duì)高比例新能源電網(wǎng)進(jìn)行暫態(tài)仿真計(jì)算，通過(guò)對(duì)電網(wǎng)“N-2”工況下的電壓、頻率穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得到新能源電網(wǎng)的穩(wěn)定特性，并嘗試采用配置適量?jī)?chǔ)能電站的方式來(lái)解決高比例新能源電網(wǎng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題。

1 系統(tǒng)概況

本研究針對(duì)某地區(qū)的電網(wǎng)進(jìn)行分析，該地區(qū)電網(wǎng)以220 kV/110 kV電壓等級(jí)組網(wǎng)，最大供電負(fù)荷約1 872 MW?，F(xiàn)有220 kV變電站9座，變電總?cè)萘? 160 MVA，110kV變電站36座，變電總?cè)萘? 369 MVA，區(qū)域內(nèi)火電裝機(jī)1 341 MW，水電裝機(jī)300 MW，光伏裝機(jī)3 200 MW，另外配置儲(chǔ)能電站1 600 MW。與外界電網(wǎng)存在2回220 kV線路的聯(lián)網(wǎng)通道。電網(wǎng)接線示意如圖1所示。

本區(qū)域電網(wǎng)以大量的光伏裝機(jī)為主，與外界電網(wǎng)僅通過(guò)2回220kV線路進(jìn)行弱聯(lián)網(wǎng)，形成典型的高比例新能源電網(wǎng)。本研究以光伏作為區(qū)域電網(wǎng)的主要電源，對(duì)光伏出力占比15%～60%情況下，該地區(qū)系統(tǒng)的頻率及電壓特性進(jìn)行分析。區(qū)域內(nèi)各類型機(jī)組出力見(jiàn)表1。

2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

根據(jù)該地區(qū)電網(wǎng)的特點(diǎn)，在不考慮儲(chǔ)能電站的情況下，對(duì)光伏電站不同出力占比情況下，系統(tǒng)的各斷面“N-2”故障進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定仿真計(jì)算。

2.1 頻率穩(wěn)定性

對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性進(jìn)行分析，如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)光伏電站出力占比小于40%時(shí)，系統(tǒng)頻率能夠保持穩(wěn)定；當(dāng)光伏電站出力占比超過(guò)50%后，系統(tǒng)頻率崩潰，已無(wú)法在“N-2”故障下穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 電壓穩(wěn)定性

對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行分析，如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)光伏電站出力占比小于40%時(shí)，系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)光伏電站出力占比超過(guò)50%后，系統(tǒng)電壓出現(xiàn)崩潰，已無(wú)法在“N-2”故障下穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 小結(jié)

經(jīng)上述分析可知，在該地區(qū)電網(wǎng)中，當(dāng)傳統(tǒng)電源作為主要的電源支撐時(shí)，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)與電壓響應(yīng)能力明顯優(yōu)于新能源作為主要電源的電網(wǎng)；隨著電網(wǎng)內(nèi)新能源出力占比的不斷上升，系統(tǒng)的頻率、電壓支撐能力逐漸下降；當(dāng)新能源裝機(jī)出力占比達(dá)到50%時(shí)，電網(wǎng)失去對(duì)系統(tǒng)“N-2”故障的抗擾動(dòng)能力，無(wú)法在“N-2”故障的情況下保持穩(wěn)定運(yùn)行。

3 儲(chǔ)能電站對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

針對(duì)新能源電源出力達(dá)到50%時(shí)，電網(wǎng)“N-2”故障下的頻率、電壓支撐能力不足的問(wèn)題，可以考慮在電網(wǎng)中增加一定比例的儲(chǔ)能電站，以此來(lái)提高電網(wǎng)的頻率和電壓穩(wěn)定能力。在儲(chǔ)能電站配置容量由光伏電站出力的1%～10%的情況下，電網(wǎng)的頻率、電壓搖擺曲線如圖4、圖5所示。由圖可知，當(dāng)電網(wǎng)“N-2”故障情況下，若儲(chǔ)能電站裝機(jī)能夠達(dá)到光伏電站的10%，系統(tǒng)可獲得足夠的頻率、電壓支撐能力。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)分析可知，在高比例新能源電網(wǎng)中，隨著新能源電源出力占比逐步增大，系統(tǒng)的頻率、電壓支撐能力逐步下降。在新能源裝機(jī)出力占比為50%時(shí)達(dá)到臨界值，超過(guò)50%后，系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力明顯下降。因此，在新能源電源出力占比較大的電網(wǎng)中，配置一定規(guī)模的儲(chǔ)能電站，能夠有效提升電網(wǎng)的頻率、電壓支撐能力。

隨著高比例新能源電網(wǎng)的發(fā)展，電網(wǎng)頻率、電壓支撐能力不足的問(wèn)題日益突出，結(jié)合本研究分析，儲(chǔ)能電站可以成為解決新能源電網(wǎng)穩(wěn)定性問(wèn)題的一種途徑，儲(chǔ)能電站的快速頻率、電壓響應(yīng)支撐能力在電網(wǎng)穩(wěn)定性方面將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。因此，在未來(lái)的高比例新能源電網(wǎng)中，儲(chǔ)能電站建設(shè)將成為不可或缺的一部分。

參考文獻(xiàn)：

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