关于新能源发展的技术瓶颈研究_陈国平

模集中投产将日益突出。 5）易引发次同步谐波。 电力电子装置的快速响应特性，在传统同步电 网以工频为基础的稳定问题之外(功角稳定、 低频振 荡等问题)， 出现了新的稳定问题。 与传统电网中同 步、异步概念不同，电力电子装置诱发次同步/超同 步振荡后，可能仍会挂网运行，持续威胁电网安全 运行。 风电、光伏等电力电子装置普遍采用基于 Park 变换的 dq 旋转坐标轴控制方式， 超同步(70Hz)的振 荡分量将会耦合出次同步 (30Hz) 的振荡分量 ( 关于 50Hz 对称)，若风电阻抗与电网阻抗相互耦合引起 的系统不稳定。
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国
电
机
工
程
学
报
第 37 卷
常规火电与风电、光伏机组耐频、耐压能力对比 Compare of frequency and voltage endurance solar power
Tab. 4
capability between conventional thermal unit and wind,
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第 37 卷 第 1 期 2017 年 1 月 5 日
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE
报
Vol.37 No.1 Jan. 5, 2017 ©2017 Chin.Soc.for Elec.Eng. 中图分类号：TM 71
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.161892
占比日益提高，逐步进入大规模发展阶段，目前风 电、太阳能装机容量均居世界第一。我国风电主要 集中在西北、东北、华北地区，当前已成为“三北” 地区第二大电源，西北部分省份风电出力占比甚至 已超过 50%。太阳能装机约一半位于西部省份，其 中甘肃、新疆、青海集中式光伏装机容量均超过 5GW[1-5]。 风电、光伏等新能源与常规机组不同，等效转 动惯量很小，缺乏相关频率调节功能，电压调节能 力有限，频率、电压耐受能力不足，在系统频率、 电压大幅波动情况下容易脱网，给系统安全稳定运 行带来不利影响[6-13]。 随着风电、光伏等新能源大量并网，直流远距 离输电规模持续增长，送受端常规机组被大量替 代，电网形态及运行特性发生显著变化，系统电力 电子化特征凸显，主要体现在如下几个方面：一是 电网调节能力严重下降，二是电网抗扰动能力不 足，三是电网稳定形态更加复杂，四是连锁故障风 险增加，系统安全稳定运行面临更大压力。 本文结合电网生产运行实际情况，对风电、光 伏等新能源大规模发展及电网承载能力问题开展 研究。 首先， 研究了风电、 光伏等新能源发展形势， 分析了风电、光伏的系统结构及运行特性，着重研 究了其与常规机组对系统安全稳定运行的不同影 响；其次，从系统转动惯量替代的角度，研究了新 能源高占比导致电网抗扰动能力下降问题；从新能 源耐频、耐压能力不足角度，研究了新能源大规模 脱网易造成连锁故障风险增加问题；研究了新能源 机组产生的次同步谐波易引发次同步振荡问题；研 究了新能源消纳问题及影响因素。最后，提出了新 能源与电网协调发展的相关建议。
新能源当日最大出力/GW 13.12 3.81 2.46 3.46 4.26 新能源出力占当时负荷比例% 30 19 41 38 71
预计到 2018 年， 西北、 东北新能源装机达到 80 和 38GW， 最大出力占比达到区域发电 50%、 30%。
现有风机控制系统功能主要有变流控制和变 桨控制，缺乏响应电网频率变化的一次调频控制， 如图 3 所示。
风电、光伏系统运行特性不同于常规机组，规 模化接入后对系统安全稳定影响较大，主要表现在 如下几个方面： 1）等效转动惯量小。 风机叶片等效转动惯量小，光伏基本无转动 惯量。 2）一次调频能力不足。 现有标准对常规火电、水电机组都有明确规 定，但对新能源机组一次调频能力未做要求(如表 3 所示)。 新能源机组难以对系统提供有效的有功调节 支撑，对电网频率稳定性造成的影响正日益显现。
发电机 电网 锅炉 锅炉给煤 控制 汽轮机 DEH 调门 控制 频率偏差 信号
2 风电、光伏系统运行特性分析
风电、 光伏都依赖电力电子变流器串联/并联接 入电网，如控制系统如图 1、2 所示。
图3 Fig. 3
常规火电机组结构示意图
System architecture of conventional thermal unit
0 引言
近年来，我国新能源持续快速增长，在电网中
第1期
陈国平等：关于新能源发展的技术瓶颈研究
逆变器 电网
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1 新能源发展形势
截 至 2015 年 底 ， 我 国 风 电 装 机 容 量 达 到 128.3GW，太阳能发电容量达到 41.58GW。 “十二 五”期间，我国风电、太阳能发电装机容量年均增 速 34%、178%。 风电出力在系统发电所占比例不断增加。在某 些时段下，西北电网部分省份风电出力超过当时负 荷的 50% ，全网风电出力占当时负荷比例接近 30%[6]，如表 1 所示；东北电网部分省份风电出力 甚至达到当时负荷的 71%，全网风电出力达到当时 负荷的 30%，如表 2 所示。
机组 常规火电 风机 光伏 电压耐受上限/pu 频率耐受下限/Hz 频率耐受上限/Hz 1.3 1.1 1.1
[14-15]
46.5 48.0 48.0
51.5 50.2 50.5
网，引发连锁故障
。该问题随着新能源的大规
图4 Fig. 4
直流/新能源替代常规电源导致转动惯量降低 Decrease of moment of inertia due to HVDC and new energy replacing conventional power
(State Grid Corporation of China, Xicheng District, Beijing 100031, China) ABSTRACT: As new energy grows rapidly in China, its ratio increases year by year. Problems about large-scale development of wind and solar power, together with supporting capacity of power grids, were studied in this paper. Firstly, development trends of wind and solar power were analyzed. Secondly, system architecture and operation characteristics of wind and solar power were studied, mainly focusing on the difference to conventional power. Thirdly, the decrease of disturbance resistance capability due to new energy, together with the increase of cascading failure risk, was explored. Subsynchronous oscillation associated with new energy was investigated. Problems and influence factors of new energy accommodation were studied. Finally, some suggestions to ensure coordinated development of new energy and power grid were proposed. KEY WORDS: new energy; technical bottleneck; moment of inertia; supporting capacity; subsynchronous oscillation 摘要：近年来，我国新能源持续快速增长，在电网中占比日 益提高， 逐步进入大规模发展阶段。 该文结合电网生产运行 实际情况， 对风电、 光伏等新能源大规模发展及电网承载能 力问题开展研究。首先，研究了风电、光伏等新能源发展形 势。其次，分析了风电、光伏的系统结构及运行特性，着重 研究了其与常规机组对系统安全稳定运行的不同影响。再 次， 从系统转动惯量替代的角度， 研究了新能源高占比导致 电网抗扰动能力下降问题； 从新能源耐频、 耐压能力不足角 度，研究了新能源大规模脱网易造成连锁故障风险增加问 题； 研究了新能源机组产生的次同步谐波易引发次同步振荡 问题；然后，研究了新能源消纳问题。最后，提出了新能源 与电网协调发展的相关建议。 关键词：新能源；技术瓶颈；转动惯量；承载能力；次同步 振荡
50.0 转速偏差/Hz 49.8 49.6 49.4 49.2 49.0 0 风电出力 12GW 10 20 t/s 30 40 风电出力 0
3 新能源高占比导致电网抗扰动能力下降
随着新能源大规模集中开发，新能源出力占比 大幅提升，大量常规机组被替代，系统调频、调压 能力恶化，电网抗扰动能力下降，制约新能源出力 规模。 电力系统作为规模十分庞大的动力系统，其核 心是能量的瞬时平衡。对一个交流电网而言，瞬时 平衡的根在于“同步” 。本系统发生故障扰动，产 生功率冲击、频率波动时，依靠大量旋转设备的转 动惯性进行调节，称之为“转动惯量” 。 系统频率调节能力主要与三方面因素有关：一 是交流系统“有效”转动惯量的大小；二是机组调 频能力；三是负荷频率特性。 系统转动惯量越大，承受有功冲击、频率波动 的能力越强。系统转动惯量分两部分：一是常规机 组转动惯量，其随着机组被大量替代而持续减小； 二是直流/新能源的“有效转动惯量” ，其中，直流 受制于过载能力、控制模式等原因，新能源受制于 功能规范等原因，当前均不具备相关频率调节功 能，有效转动惯量很小，导致系统总体有效惯量不 断减小。如图 4 所示。
随着新能源出力占比不断增加，系统频率调节 能力持续下降，大功率缺失情况下，易诱发全网频 率问题。下面以西北电网和东北电网为例说明。 西北电网 68GW 负荷水平下，损失 3.5GW 功 率，若网内无风电，系统频率下跌 0.65Hz；若网内 风电出力达到 12GW，则频率下跌达到 0.95Hz，比 无风电时增加 0.3Hz[6]，如图 5 所示。
3）电压调节能力有限。 风电、光伏无功电压调节能力有限，难以达到 常规机组调节能力。 4）频率、电压耐受能力不足。 风电、光伏等新能源涉网性能标准偏低，其频
图1 Fig. 1 风机控制系统功能示意图
率、电压耐受能力与常规火电机组相比较差(如表 4 所示)， 事故期间容易因电压或频率异常而大规模脱
System architecture of wind power control system
文章编号：0258-8013 (2017) 01-0020-07
关于新能源发展的技术瓶颈研究
陈国平，李明节，许涛，刘明松
(国家电网公司，北京市 西城区 100031)
Study on Technical Bottleneck of New Energy Development
CHEN Guoping, LI Mingjie, XU Tao, LIU Mingsong
新能源当日最大出力/GW 新能源出力占当时负荷比例/% 18.14 0.96 5.72 3.92 5.04 5.73 29 7 52 51 52 26
表2 Tab. 2
区域 全网 辽宁 吉林 黑龙江 蒙东
东北地区新能源运行情况(2016 年典型工作日) Operation of new energy in Northeast power grid
表3 Tab. 3 常规火电与风电一次调频能力对比 Compare of primary frequency control between conventional thermal unit to wind power
机组 风电 常规火电 一次调频能力 无 6%额定功率
西北地区新能源运行情况(2015 年 4 月典型工作日) Operation of new energy in Northwest power grid
表1 Tab. 1
区域 全网 陕西 甘肃 青海 宁夏 新疆
实时跟随输入功率 或调度指令 机械功率/ 光照功率 输入功率 计算模块 有功/无功 控制 功率控制 模块 有功限值 无功调度指令 AGC/ AVC
图2 Fig. 2
光伏控制系统功能示意图
System architecture of solar power control system