以新能源主動支撐技術(shù) 推動構(gòu)建新型電力系統(tǒng)

隨著新能源的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)“雙高”（高比例可再生能源、高比例電力電子設(shè)備）特征凸顯，系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)、功能形態(tài)深刻變化，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)。新能源場站需要具備主動支撐能力，擁有接近或高于同步電源的控制特性，支撐系統(tǒng)電壓、頻率穩(wěn)定以及提供備用容量。深入分析大規(guī)模新能源接入對電網(wǎng)的影響，提出了新能源主動支撐技術(shù)要求，助力新能源健康有序發(fā)展，推動加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)。

●大規(guī)模新能源接入影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行

近年來，新能源接入電網(wǎng)的規(guī)模逐年擴大。以華北電網(wǎng)為例，預(yù)計到今年年底新能源裝機規(guī)模約3億千瓦，2025年約4.3億千瓦。受新能源主動支撐能力不足、單機容量小、裝機數(shù)量大等因素影響，監(jiān)測和控制電力系統(tǒng)運行情況的難度增加，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)。

電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量下降，頻率穩(wěn)定水平降低。新能源機組呈現(xiàn)出弱慣性或無慣性特征，在無附加控制的情況下，新能源機組在慣量響應(yīng)階段并不具備分配系統(tǒng)擾動功率的能力，在一次調(diào)頻階段頻率調(diào)節(jié)能力受限，電力系統(tǒng)頻率變化速度加快、幅度增加；在有附加控制的情況下，受新能源機組運行特性制約，慣量響應(yīng)及一次調(diào)頻的上調(diào)空間有限。隨著新能源裝機接入占比增加，電網(wǎng)總體慣量、調(diào)頻能力降低，出現(xiàn)故障的風險增加。

新能源機組對電力系統(tǒng)電壓支撐能力不足，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定水平下降。新能源場站一般由無功設(shè)備提供電壓支撐，由于并網(wǎng)電壓等級較低，難以為500千伏及以上主網(wǎng)提供有效支撐。如果電力系統(tǒng)故障導致新能源機組進入低電壓穿越狀態(tài)，新能源機組難以提供系統(tǒng)急需的動態(tài)無功支撐，造成系統(tǒng)電壓穩(wěn)定水平降低，必須通過降低系統(tǒng)運行效率的方式保證穩(wěn)定水平。

具有“雙高”特征的電力系統(tǒng)動態(tài)特性復(fù)雜，功角穩(wěn)定特性變化大。電力系統(tǒng)動態(tài)特性發(fā)生較大改變，系統(tǒng)同步穩(wěn)定逐漸由新能源參與轉(zhuǎn)變成主導。電網(wǎng)出現(xiàn)故障后容易產(chǎn)生復(fù)雜的動態(tài)交互作用，可能引起傳統(tǒng)機組功角穩(wěn)定問題、新能源機組的同步穩(wěn)定問題以及系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題并存的復(fù)雜情況，給電網(wǎng)運行控制造成困難。

電力電子設(shè)備大幅增加，寬頻振蕩問題凸顯。直流、新能源機組、無功補償設(shè)備等通過電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)，這些元件之間存在多時間尺度交互。電力系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩時，振蕩頻率呈現(xiàn)寬頻帶特性，寬頻振蕩發(fā)生的概率大幅增加，易引發(fā)電網(wǎng)失穩(wěn)。寬頻振蕩的抑制、控制和阻斷面臨較大挑戰(zhàn)。

電力系統(tǒng)連鎖故障風險增加。新能源機組耐過流能力差，當電網(wǎng)故障引發(fā)低電壓或高電壓時都會引發(fā)換流器過流，易造成新能源機組脫網(wǎng)。新能源機組控制電壓能力不及傳統(tǒng)機組，暫態(tài)過電壓問題突出，也增加了新能源機組的脫網(wǎng)風險，可能引發(fā)系統(tǒng)頻率和電壓問題，導致連鎖故障。

●新能源場站需在多方面具備主動支撐能力

隨著新能源占比提高，同步電源占比下降，電力系統(tǒng)可用調(diào)節(jié)能力下降，急需研究新能源主動支撐技術(shù)，使新能源場站具備一定的頻率和電壓支撐、抑制寬頻振蕩等能力，以保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

新能源主動支撐技術(shù)需提高新能源場站同步穩(wěn)定能力。新能源場站設(shè)備受到單一故障擾動后應(yīng)具備保持同步的能力，避免因同步失穩(wěn)引發(fā)脫網(wǎng)。例如，可采取功角穩(wěn)定支撐技術(shù)，在規(guī)劃設(shè)計階段通過優(yōu)化新能源接入系統(tǒng)方案，提升送出系統(tǒng)的功角穩(wěn)定水平。

新能源主動支撐技術(shù)需使新能源場站具備調(diào)頻、調(diào)壓能力。新能源場站應(yīng)具備不低于同等容量傳統(tǒng)機組的調(diào)頻、調(diào)壓能力。在調(diào)頻能力方面，新能源場站應(yīng)具備同等容量傳統(tǒng)機組一次調(diào)頻能力、爬坡能力、慣量響應(yīng)能力。例如可利用頻率慣量支撐技術(shù)改造風電機組控制系統(tǒng)，利用轉(zhuǎn)子動能實現(xiàn)虛擬慣量，模擬傳統(tǒng)發(fā)電機一次調(diào)頻特性，實現(xiàn)系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)。

接入弱電網(wǎng)的新能源場站需具備抑制寬頻振蕩的功能。新能源場站一方面要根據(jù)寬頻振蕩評估結(jié)果，采取新能源控制參數(shù)優(yōu)化等措施，主動降低寬頻振蕩風險水平；另一方面要具備附加阻尼功能，通過場站內(nèi)儲能、靜止無功發(fā)生器（SVG）等設(shè)備實現(xiàn)寬頻振蕩抑制。

新能源場站要有足夠的短路容量支撐能力。新能源場站需具備送出95%電量的送出能力，同時滿足多場站短路比要求。例如，可采取加裝分布式調(diào)相機的方式提高新能源場站短路容量，有效提升系統(tǒng)強度。

新能源場站應(yīng)具備故障穿越能力，更好地適應(yīng)電網(wǎng)。光伏發(fā)電設(shè)備、儲能設(shè)備、風機需具備不低于各項標準要求的故障穿越能力，必要時采用零電壓穿越技術(shù)，滿足電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定要求。在系統(tǒng)發(fā)生嚴重短路故障場景下，新能源場站實現(xiàn)不脫網(wǎng)持續(xù)運行的時間要滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行要求。例如，雙饋風機可采取直流側(cè)附加泄能支路等控制技術(shù)，逐步實現(xiàn)零電壓穿越。新能源場站內(nèi)的電力電子設(shè)備應(yīng)采用具有故障穿越特性的協(xié)調(diào)優(yōu)化技術(shù)，統(tǒng)籌兼顧暫態(tài)過電壓和低電壓問題，使新能源的有功、無功功率控制具備電網(wǎng)友好型特征。

新能源主動支撐技術(shù)需提升新能源設(shè)備涉網(wǎng)性能。在提高新能源設(shè)備耐壓能力方面，采取“新能源+調(diào)相機+避雷器”組合技術(shù)，解決瞬時過電壓問題，降低電壓波幅。在提高新能源設(shè)備耐流能力方面，采取加裝撬棍電路（Crowbar）、斬波電路（Chopper）硬件保護的方式實現(xiàn)過流限制，通過對換流器進行零電壓穿越改造提升換流器耐流能力。

●建議將主動支撐要求納入新能源項目前期管理

今年4月24日，提出“大力提升新能源主動支撐能力。推動系統(tǒng)友好型電站建設(shè)，逐步實現(xiàn)新能源在電力供應(yīng)和穩(wěn)定支撐方面的可靠替代；協(xié)同推進大型新能源基地、調(diào)節(jié)支撐電源和外送通道開發(fā)建設(shè)，保障外送電力的連續(xù)性和穩(wěn)定性”“研發(fā)大容量斷路器、大功率高性能電力電子器件、新能源主動支撐、大容量柔性直流輸電等提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平的電工裝備”。

結(jié)合新型電力系統(tǒng)建設(shè)，在新能源主動支撐技術(shù)發(fā)展方面，建議建立完備的新能源主動支撐技術(shù)要求及標準，并將相關(guān)要求及標準納入新能源項目前期管理工作，提升新能源場站的支撐能力，提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平。
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