新型电力系统平衡构建与安全稳定关键技术初探-范越

关键技术初探范越前言结论截至2023年底，西北新能源总装机将超2.0亿千瓦，占全网总装机超51.0%,新能源发电量占比将超26.0%,是国内新能源发展最快、装机占比最高的区域电网。2030年西北电网新能源装机将突破7亿千瓦，装机占比约70%,电量占比约50%。核电，0.57,其他(含光热)620.1%其他(含光热)620.1%2014年2014年25000西北电网新能源装机情况5同时，源网荷储要素构成的复杂化、稳定耦合的互动化、运行约束的多元化、不同实施路径经济成本差异的扩大化的特点给新型电力系统建设带来较大挑战。因此，以西北电网作为区域新型电力系统的研究对象，具有很强的紧迫性、代表性和实战意义。不断提高新型电力系统构建所蕴含问题的原始性、深刻性、广泛性、决断性、前瞻性。以下从六个方面汇报西北的探索。西北电网逐年日内新能源波动量单位：万千瓦西北电网年、日负荷最大峰谷差内用已投产西北陕西00青海宁夏新疆“十四五”西北储能发展规划情况前言结论前言结论新型电力系统的六个视角(1)平衡视角下的电力系统我们所提到的“平衡”,是广义的平衡，涵盖了电力系统不同的时间尺度，可分为总量平衡、过程平衡和扰动平衡三个层次。总量平衡是以日为时间尺度，以年为周期下电量的平衡；过程平衡是在总量平衡的基础上，每时刻电力的平衡；扰动平衡是系统在遭受故障扰动冲击时，能够恢复到正常运行状态的能力。前提重要保证重要保证8(1)平衡视角下的电力系统传统电力系统以常规机组作为平衡主体，电力平衡后，电量基本平衡。新型电力系统中，高占比新能源的日不确定性与季不平衡性凸动”转变为“源荷储联动”。新型电力系统电量平衡需要找出对系统影响最大、持续时间最长的风光资源枯竭日，合理确定常规电源的装机规模。此外，在电量平衡时，除考虑电量充裕性，还需特别考虑新能源利用率的要求，以及常规机组利用小时数、储能调用次数等整个源荷双侧均具有强随机性，在在火电及储能配置的成本约束下，过程平衡难度进一步增大。要详细计及常规机组开机最小开机方式、电力网络传输极限、多类型储能运充电024小时0海量电力电子设备切换控制特电磁-机械物理过程决定的时间尺新型电力系统的六个视角(2)随机视角下的风光配比国家电网有限公司国家电网有限公司风力发电和光伏发电是当前及未来新能源开发的主要形式，不同风光配比对应不同的新能源总出力特性，对系统灵活性需求也存在差异，与之相匹配的调节资源配置方案及投资成本也将发生变化，风光配比风40%风60%风80%风100%日96点时刺不同风电比例下新能源曲线形态国家电网有限公司国家电网有限公司衡需求，当净负荷波动较小时，所需的常规电源和调节电源容量及投资成本也相应较低；同样容量的调学位看(必五)学位看(必五)风100%风80%风60%风40%风20%日96点时刻以西北电网2023年为例，采用日平均值描述净负荷随风光配比的变化趋势，用净负荷峰谷差衡量系统调节需求变化整体水平。分析结果表明，随着风电比例的降低，净负荷峰谷差呈现“先降低后增大”的特点，即在某特定比例出现“拐点”。西北地区风、光资源蕴藏量丰富，预计风电可开发规模超16亿千瓦，远超2030年西北新能源预计通过科学规划风光配比，可起到平滑新能源与负荷波动、降低系统调节资源与成本的作用。以2023年西北电网为例，新能源装机2亿千瓦时，最佳风光配比约3:1;随着新能源装机容量的增长，风光配比“拐点”逐步增加，当新能源装机超过4亿千瓦后，“拐点”增幅降低。未来，还需构建满足特定需求的风光配比优化模型，针对不同电网分区开展实证分析，建立系统化风光配比准则，为新型电力西北电网不同新能源装机下风光配比拐点净负荷波动量与风光配比拐点基本符合指数变化规律，可用指数函数拟合并描述。y为净负荷波动量x为风光配比拐点新能源5亿新能源4亿新能源3亿y为净负荷波动量x为风光配比拐点新型电力系统的六个视角(3)适配视角下的储能规划国家电网有限公司(3)适配视角下的储能规划国家电网有限公司储能是缓解新型电力系统平衡问题的重要手段，凭借其双向灵活的功率特性，在新型电力系统中发挥着不可替代的作用，其实质是解决发电、负荷“双峰”错配的问题。储能的配置需综合考虑安全性、经济性、充裕性等因素，进行合理有效的容量配置。点能优化能优化新能源渗透率火电调峰率40%新能源渗透率以西北电网2023年为例，新能源装机2亿千瓦时，满足9火电调峰率40%新能源渗透率目标利用率新能源装机2亿配储比例新能源装机4亿配储比例不同调峰率下储能配比随新能源渗透率的变化国家电网有限公司(3)适配视角下的储能规划国家电网有限公司研究不同类型储能在多时间尺度相互匹配可以充分发挥各类储能特点，提高系统整体性能，进一步降低储能投资成本。频域模型是解决多时间尺度储能容量规划的有效解决方案：将全年8760小时净负荷转化为频域信号，并聚类合并，引入频谱分布系数这一连续变量对频谱完全分解，使单一频率分量可被火电和各类型储能共同分担；最后通过逆变换得到对应功率曲线，求得最优储能匹配方案。后续将考虑系统协同支撑能力需求和电价分摊机制，深入研究储能规划配置问题。G+H+B=LG+H+B=LL火电机积火电机积题期日内储能题期日内储能频语分布系数值频语分布系数值新型电力系统的六个视角(4)传输能力视角下的网架重构一是规划新能源规模远超储能类电源的发展速度，需要全网的常规电源通过电力网络传输发挥调节作用。以西北电网为例，当2030年储能容量过亿千瓦，单日新能源波动量超2亿千瓦时，为了满足电力保供、新能源消纳的要求，联络断面功率在一天内正反向波动可能超过5000万千瓦，亟需补强。◆陕西新能源发展潜力不足，其资源特点与西部省区差异较大，存在互供互济潜力。◆新能源优质资源主要集中在新疆、甘肃、青海。(4)传输能力视角下的网架重构二是随着国家“沙戈荒”基地开发战略的快速实施，西北地区电网未来将密集接入多个“沙戈荒”基地并通过特高压直流外送至华北、华东、华中、西南电网。“十五五”期间，西北新能源装机增加近一倍，直流外送容量增长六成以上。需要为特高压直流构建潮流汇集便利、分群分组清晰、故障消散有力的交流主干网架。三是各省抽蓄资源分布不均，部分抽蓄机群离新能源基地电气距离较远，抽蓄资源的跨时空共享调剂一方面需要认真论证接入系统电压等级，另一方面需要加强主网架建设。如陕西南部电网有较为丰富的抽蓄资源，但新能源较少，最大化发挥该地区千万千瓦级抽水蓄能等调节电源作用，必须补强近区网架，将其用于陕西乃至整个西北电网的整体调节。“支撑有力”指的是要建设强大的交流同步电网。不断强化其电力系统稳定基石的作用，保障交流网架满足大规模新能源汇集，支撑密集落点的特高压直流分群、分组，满足潮流跨省跨区调峰，满足极“传输高效”指的是在交流提供坚强支撑的基础上，采用潮流均衡技术，不断提高断面输送能力至线路热稳水平，根据电网实际情况，探索研究传输容量大的跨省直流工程。传输调峰支撑作用定性承载火电、抽传输调峰支撑作用定性新型电力系统的六个视角(5)鲁棒视角下的变流技术(5)鲁棒视角下的变流技术大规模新能源集中接入地区低抗扰、低惯量、低短路容量支撑“三低”特征凸显，尽管交直流网架的重构可以在一定程度缓解新能源支撑能力不足的影响，但由于变流器过载能力限制，新能源变流器故障穿越特性使得系统故障演化形态愈发复杂，同时控制环节引入的振荡风险持续增加，影响新能源可靠送出。因此，如何优化新能源变流器控制策略、抑制振荡是提升新型电力系统安全稳定水平的关键措施。短路故障新能源连锁脱网以西北电网某省级电网为例，该地区新能源集中接入规模超过1000万千瓦，交流故障期间，新能源进入低穿，出力短时降低600万千瓦，极端情况下频率将下降到49.15Hz。如果将近区新能源低穿定值调整为0.75p.u.,同样故障下频率仅下降到49.53Hz,提升效果明显。展望2030,西北可能在局部地区电网稳定特性恶化电网稳定特性恶化电网通道冲击加大新能源机组有功大幅降低新能源机组低电压穿越新能源机端电压跌落电网故障调压力力力新能源接人比衡升新能源近区故障传导路径频率仿真曲线(5)鲁棒视角下的变流技术变流器宽频振荡属于小信号稳定问题，除与控制系统、电路结构有关，还与工作点有关。通过对西北电网近年来发生的新能源宽频振荡事件深入分析，表明目前广电流源，其接入点功率-电压PV曲线与定功率负荷特性类似，存在静态电压失稳拐点。从电压稳定性的角度来看，随着有功持续增大，电压有功灵敏系数(dV/dP)增加，新能源机组有功微小波动时将引发电压大幅变化，新能源机组PLL跟踪电压相位精度及跟踪速度不足时将引发锁相失败，上述情况恶化了广东南演风电柔直愉电希统风电丰补系统风电串补系统风电系统幅建厦门的拉语整德国北寿绍绍面X盈修邱步然测考磷的定地在新型电力系统的六个视角(6)开断视角下的短路控制(6)开断视角下的短路电流控制常规电源的持续发展、新能源基地大规模开发、构网型设备的大量应用、满足传输能力的主网架越来越密集，将导致枢纽变电站短路电流水平快速增长。影响电力保供和新750干伏快速成环大直流、大大直流、大负荷中心汇集了全网超过60%的负荷负荷中心汇集了全网超过60%的负荷存在控制对象的选择不足，大范围短断路器和电抗组成的短路电流抑制支路，在网内某750千伏变电站，通过在相关支路上安装可切换电抗器，可抑制短路电流至60%以下。抑制装置遭电站制技术示意图前言O3结论风光配比是新型电力系统电力电量平衡研究的基础边界条件，其数值取决于研究范围广域程度、风2储能是新型电力系统不可或缺的一角，风光配比优化后的储能需求远小于随机式配比的储能需求，保供目标下的储能需求小于保消纳目标下的储能需求。需根据实际系统的要素组成分析储能的容量与电量。共享式超大规模储能接入系统电压等级宜认真分析研究后确定。23主网架构建是新型电力系统的关键，随着主网架功能由省间电力电量余缺互济转换为大规模新能源基地群送出、大规模省间调峰、大规模特高压直流群安全稳定支撑等功能，交流