我國如何構(gòu)建源網(wǎng)協(xié)調(diào)體系,未來又應(yīng)如何完善

近年來，特高壓交直流互聯(lián)電網(wǎng)快速建設(shè)、大容量新能源集中接入以及分布式發(fā)電的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，電源、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了深刻變化，影響系統(tǒng)安全的因素更加多元化，穩(wěn)定特性日趨復(fù)雜，電網(wǎng)調(diào)控運行難度大幅提升。

為滿足高占比新能源電網(wǎng)要求，除依靠虛擬儲能等技術(shù)增加慣量外，還需通過技術(shù)創(chuàng)新拓展電力系統(tǒng)允許的頻率波動帶寬，降低系統(tǒng)對慣量的要求，完善頻率防控體系架構(gòu)。

能源轉(zhuǎn)型是世界能源發(fā)展的大趨勢。近年來，全球電源結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變，新能源的重要性愈發(fā)體現(xiàn)，全球風電、光伏發(fā)電在全球電力裝機中的比例持續(xù)上升。

我國能源體系也在加速變革，大力發(fā)展新能源順應(yīng)了我國能源生產(chǎn)和消費革命的發(fā)展方向。截至2019年年底，國家電網(wǎng)有限公司經(jīng)營區(qū)新能源發(fā)電裝機3.5億千瓦，占總裝機容量比例超過兩成。預(yù)計到2050年，全國風電、光伏發(fā)電裝機容量占比將分別達到24%和31%。能源轉(zhuǎn)型大背景下，源網(wǎng)協(xié)調(diào)體系方面有哪些探索？未來又應(yīng)如何完善？

特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)初具規(guī)模

在國家電網(wǎng)有限公司經(jīng)營范圍內(nèi)，目前已投產(chǎn)12條特高壓交流及11條特高壓直流工程，形成了西部河西、寧夏、四川大型能源基地集中送出和東部長三角、山東負荷中心集中落點的7大直流群。單個直流群規(guī)模達到1350萬——2800萬千瓦，占送出省網(wǎng)發(fā)電負荷比例的40%——60%，占落點省網(wǎng)用電負荷比例的25%——70%。

2019年，公司經(jīng)營范圍內(nèi)新能源新增裝機超過4745萬千瓦，累計達3.5億千瓦，裝機容量超過水電，成為我國第二大電源。青海、甘肅新能源發(fā)電裝機容量占本省電源總裝機容量超40%。國家電網(wǎng)成為全球接入新能源規(guī)模最大的電網(wǎng)，新能源利用率96.8%。在未來5年，新能源裝機仍將保持平穩(wěn)增長，新能源發(fā)電逐步由輔助電源轉(zhuǎn)變?yōu)橹髁﹄娫础?/p>

大電網(wǎng)安全面臨嚴峻挑戰(zhàn)

隨著遠距離跨區(qū)輸電規(guī)模持續(xù)增長以及新能源并網(wǎng)規(guī)模持續(xù)擴大，電網(wǎng)大范圍優(yōu)化配置資源能力顯著提高，電網(wǎng)調(diào)度運行難度也大幅提升。

系統(tǒng)運行信息掌握不足：新電源發(fā)電運行狀態(tài)與可控能力感知不足，新能源發(fā)電數(shù)量眾多、運行狀態(tài)多變，模型參數(shù)難以及時精確辨識。電網(wǎng)輸變電設(shè)備全息狀態(tài)感知深度不足，輸變電設(shè)備缺陷識別能力有待提高，各設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)存在信息孤島與盲區(qū)。系統(tǒng)運行方式分析依賴“一次建模、長期使用”的負荷模型，新能源電動汽車、分布式電源、新型變頻用電設(shè)備等負荷側(cè)設(shè)備種類不斷增加，負荷模型和參數(shù)負荷模型與參數(shù)的時變性和復(fù)雜性增加。

電網(wǎng)多源數(shù)據(jù)處理能力不足：電網(wǎng)調(diào)度量測數(shù)據(jù)未得到充分利用，廣域量測系統(tǒng)（WAMS）、調(diào)控監(jiān)測系統(tǒng)等在線系統(tǒng)實時產(chǎn)生大量運行數(shù)據(jù)，但缺乏有效的提取與分析。輸變電設(shè)備傳感數(shù)據(jù)未得到有效利用，大量數(shù)據(jù)沒有得到充分融合和高效處理，智能變電站信息共享優(yōu)勢未能充分發(fā)揮。各類衛(wèi)星遙感、直升機、無人機及人工巡檢數(shù)據(jù)未得到協(xié)同管理和聯(lián)合應(yīng)用，氣象、災(zāi)害等外部環(huán)境信息運用不充分，每年因雷擊、風害等外部因素以及設(shè)備缺陷造成輸變電設(shè)備停運跳閘近千次。

大電網(wǎng)防御能力不足：系統(tǒng)穩(wěn)定形態(tài)日趨復(fù)雜，一體化特征顯著，電力電子型電源群、直流群替代傳統(tǒng)機組，系統(tǒng)故障行為更加難以預(yù)測，連鎖故障風險急劇增加。

系統(tǒng)調(diào)控能力不足：常規(guī)機組被大量替代，新能源發(fā)電機組、直流輸電系統(tǒng)不具備常規(guī)電源的轉(zhuǎn)動慣量特性，系統(tǒng)頻率魯棒性下降，大功率缺失情況下極易誘發(fā)全網(wǎng)頻率問題。特高壓直流工程密集投運，受端電網(wǎng)電壓支撐能力下降，電壓穩(wěn)定問題突出，系統(tǒng)運行更加脆弱。

高占比新能源持續(xù)接入，源網(wǎng)協(xié)調(diào)面臨挑戰(zhàn)

高占比新能源電力系統(tǒng)呈現(xiàn)兩方面的主要特征變化——新能源發(fā)電具有間歇性和不確定性，新能源的隨機波動會導(dǎo)致接入點的電氣參數(shù)發(fā)生變化，增加系統(tǒng)運行的控制難度；新能源并網(wǎng)控制特性與常規(guī)電源差異大，大量電力電子器件的持續(xù)接入使電網(wǎng)運行特征由“電磁耦合”向“電-電轉(zhuǎn)換”轉(zhuǎn)變。

高占比新能源的持續(xù)接入給電網(wǎng)安全平穩(wěn)運行帶來不穩(wěn)定因素，源網(wǎng)協(xié)調(diào)面臨以下挑戰(zhàn)：

高占比新能源電力系統(tǒng)感知水平亟待提高。新能源機組動態(tài)過程復(fù)雜，機組的關(guān)鍵運行信息難以實時上傳，各類型電源之間缺乏對全局可控資源運行狀態(tài)的信息統(tǒng)籌，全網(wǎng)可控資源的靈活控制與精準評估較難實現(xiàn)。

高占比新能源電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)水平需不斷提升。新能源發(fā)電受資源、環(huán)境影響，易出現(xiàn)隨機波動，預(yù)測難度大，對電網(wǎng)運行影響較大；新能源無功調(diào)節(jié)能力未得到充分發(fā)揮，功率大幅變化易造成電壓波動；新能源出力波動造成電網(wǎng)有功調(diào)節(jié)難度大。

新能源抗擾動能力仍需提高。當電網(wǎng)發(fā)生擾動引起電壓、頻率越限時，接入電網(wǎng)末端的新能源機端電壓波動更劇烈，新能源耐壓、耐頻能力不足，易發(fā)生連鎖脫網(wǎng)事故，影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

新能源主動支撐能力需進一步挖掘。新能源占比高的電力系統(tǒng)中，常規(guī)電源開機空間減小，系統(tǒng)慣量下降，易發(fā)生大幅功率波動，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)頻率穩(wěn)定問題；不同類型的新能源暫態(tài)特性差異顯著，無法對電網(wǎng)實現(xiàn)有效支撐，集中外送地區(qū)易發(fā)生電壓穩(wěn)定問題。

高占比新能源電力系統(tǒng)寬頻帶振蕩問題需深入研究預(yù)防。新能源、直流等多樣化電力電子設(shè)備及復(fù)雜控制設(shè)備接入電力系統(tǒng)，電網(wǎng)次/超同步振蕩的高維度、寬頻帶問題凸顯，振蕩機理復(fù)雜。

新版強制性國家標準《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》對含高占比新能源電力系統(tǒng)的源網(wǎng)協(xié)調(diào)提出了新的要求。當前，需要在《導(dǎo)則》的指導(dǎo)下，探索能源轉(zhuǎn)型背景下構(gòu)建源網(wǎng)協(xié)調(diào)體系的方法。

創(chuàng)新技術(shù)與管理，提升新能源感知水平和管控能力

目前，西北電網(wǎng)新能源裝機已突破1億千瓦，占總裝機的近四成。面對新能源裝機占比不斷上升的形勢，近年來，國家電網(wǎng)有限公司西北分部在提升高占比新能源電力系統(tǒng)感知水平、調(diào)控能力、新能源抗擾動能力、源網(wǎng)互動支撐能力及應(yīng)對寬頻帶穩(wěn)定問題方面創(chuàng)新實踐，對構(gòu)建能源轉(zhuǎn)型下的源網(wǎng)協(xié)調(diào)體系開展了有益探索。

在提升感知水平方面，國網(wǎng)西北分部在新能源電站加裝高精度的監(jiān)測裝置，對新能源機組及場站狀態(tài)實現(xiàn)全過程感知；將西北電網(wǎng)超過1億千瓦控制資源分層、分區(qū)接入直流群可控資源池，實現(xiàn)了風、光、水、火、直流、柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）等控制資源可控量及分布信息的實時感知、掌握，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)地調(diào)用多種控制資源，實現(xiàn)多類型控制資源池監(jiān)視、預(yù)警及輔助決策。

為有效解決高占比新能源出力波動調(diào)節(jié)難度大的問題，國網(wǎng)西北分部通過新能源發(fā)電168小時分項分級滾動預(yù)測，將高占比新能源科學(xué)納入電網(wǎng)備用管理，降低新能源受阻率；針對全網(wǎng)無功資源的協(xié)調(diào)控制問題，構(gòu)建了“網(wǎng)-省-場”三級協(xié)同的自動電壓控制體系，充分挖掘新能源參與電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)的能力，實現(xiàn)了含風電機組、光伏逆變器、SVC/SVG等多種無功資源設(shè)備時序協(xié)調(diào)控制，將主網(wǎng)電壓考核合格率提高至100%；通過日內(nèi)滾動計劃調(diào)整、實時計劃偏差校正的多時間尺度、多電源協(xié)調(diào)優(yōu)化，實現(xiàn)多個斷面的級聯(lián)優(yōu)化控制，提高關(guān)鍵斷面清潔能源送出效益。

國網(wǎng)西北分部在提升新能源抗擾動能力上發(fā)力，提高和優(yōu)化新能源一、二次設(shè)備耐壓/耐頻能力，拓展設(shè)備運行的“電壓/頻率帶寬”。目前，西北電網(wǎng)已組織完成了3293萬千瓦的風電機組耐高壓能力改造，改造數(shù)量和規(guī)模均處領(lǐng)先位置，提升祁韶直流輸送能力50萬千瓦及近區(qū)風電送出能力超300萬千瓦。

在挖掘新能源源網(wǎng)互動能力上，國網(wǎng)西北分部建立高占比新能源電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量監(jiān)測與分析評價手段，建立頻率穩(wěn)定水平量化分析模型，求取電網(wǎng)最小需求轉(zhuǎn)動慣量，掌握新能源極限發(fā)電承載能力；提升新能源快速頻率響應(yīng)能力，有效補強西北電網(wǎng)一次調(diào)頻資源儲備，利用新能源與常規(guī)電源在時間、頻率維度的匹配，完善西北電網(wǎng)的調(diào)頻體系；針對不同地區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定特性差異，提取關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)和參數(shù)，優(yōu)化新能源故障穿越控制參數(shù)，通過閉環(huán)流程提升新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)的穩(wěn)定水平。

為應(yīng)對寬頻帶穩(wěn)定問題，國網(wǎng)西北分部在新能源場站側(cè)加裝次/超同步振蕩監(jiān)測系統(tǒng)，有效監(jiān)測新能源和火電機組扭振等信息，分析查找振蕩源，利用振蕩源快速切除的方法阻斷連鎖故障傳導(dǎo)，防止振蕩危害進一步擴大。

完善新形勢下源網(wǎng)協(xié)調(diào)體系，支撐能源轉(zhuǎn)型發(fā)展

隨著后續(xù)新能源的持續(xù)發(fā)展，更多電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)，電網(wǎng)形態(tài)將發(fā)生深刻變化，電力系統(tǒng)的演變逐漸突破現(xiàn)有的理論、運行控制框架。這需要不斷完善新形勢下的源網(wǎng)協(xié)調(diào)體系，支撐能源轉(zhuǎn)型和電網(wǎng)發(fā)展。

電力電子化設(shè)備占比將不斷增大，對于含有海量新能源的高階、強非線性系統(tǒng)，傳統(tǒng)量化穩(wěn)定分析方法已不再適用，需要進一步深化研究電力電子化電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性基礎(chǔ)理論和分析方法，為運行控制提供可靠的理論支撐。

未來新能源發(fā)電占比仍將上升，轉(zhuǎn)動慣量持續(xù)降低，抗頻率擾動能力逐步下降。為滿足高占比新能源電網(wǎng)要求，除依靠虛擬儲能等技術(shù)增加慣量外，還需通過技術(shù)創(chuàng)新拓展電力系統(tǒng)允許的頻率波動帶寬，降低系統(tǒng)對慣量的要求，完善頻率防控體系架構(gòu)。

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，用電智能化和各類需求響應(yīng)措施大力推廣，電力負荷資源種類更趨多樣，靈活可調(diào)節(jié)能力也在增強。傳統(tǒng)發(fā)電跟蹤負荷的源荷平衡體系已難以滿足要求，必須引導(dǎo)負荷側(cè)更好地發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，建立負荷跟蹤新能源變化趨勢的源荷互動平衡體系，在負荷側(cè)釋放調(diào)節(jié)空間，促進新能源的發(fā)展。

針對大規(guī)模新能源裝機接入造成主網(wǎng)電壓支撐“空心化”趨勢，應(yīng)考慮不同時間尺度的電壓特性需求，重構(gòu)電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)，優(yōu)化無功配置資源，完善傳統(tǒng)的分層分區(qū)電壓控制體系：大容量同步電源接入最高一級電網(wǎng)，支撐特高壓直流運行和新能源外送；次一級電網(wǎng)合理配置動態(tài)無功補償和調(diào)相機，維持本級電網(wǎng)無功平衡，減少與其他各級電網(wǎng)的無功交互；在低電壓等級電網(wǎng)充分挖掘和發(fā)揮新能源的無功電壓控制潛力，合理配置分布式調(diào)相機，支撐末端電網(wǎng)電壓。

與傳統(tǒng)同步機相比，新能源機組具有短路電流受限、等值阻抗不穩(wěn)定、頻率偏移等特性，現(xiàn)有繼電保護原理存在適應(yīng)性問題。后續(xù)應(yīng)積極研究適應(yīng)新能源裝機高占比接入的繼電保護新原理及新技術(shù)。

未來，電力系統(tǒng)逐步向全電力電子化方向發(fā)展，對送端電力系統(tǒng)而言，同步支撐能力不足的問題將更加嚴峻。為維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行，需從電力電子設(shè)備特性的本質(zhì)入手，做好全局統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，充分挖掘電力電子設(shè)備的靈活控制潛力，提升控制的靈活性和精確性，實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲的互聯(lián)互動，構(gòu)建電力電子化電力系統(tǒng)的運行控制體系、系列標準，提升電網(wǎng)協(xié)調(diào)運行控制能力。

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