云南新能源高占比特性分析与2025年应对措施

伍阳阳，陈亦平，李胜男，肖亮，方必武，何廷一

（1.云南电力试验研究院（集团）有限公司，昆明 650217；2.中国南方电网电力调度控制中心，广州 510663；3.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217）

0 前言

当前，全球电力系统处于能源转型的中心环节，正面临以去碳化、柔性化、数字化为趋势的重大变革，构建新型电力系统势在必行。

2017年南澳大停电、2019年英国大停电、2020年美国加州大停电，都与新能源大规模接入直接相关。由于风电和光伏发电受制于自然环境，极端天气导致高比例新能源短时出力下降，在系统备用容量不足，极易引发电力供应短缺、系统运行不稳，大规模、高比列新能源接入与电网安全稳定运行之间“矛盾”，已成为共性问题[1-5]。

在国家“2030年碳达峰、2060 年碳中和”政治目标下，南方电网提出“十四五”、“十五五”期间各新增新能源装机1亿千瓦，受新能源波动性和低利用小时数影响，新能源电力高占比场景将远早于电量高占比场景出现，能否保障电力高占比场景下电力系统安全稳定运行是亟待回答的关键问题。

国内青海电网新能源装机占比已达60%，冀北新能源装机占比已达65%，分别依托西北电网和华北电网实现消纳。国际上新能源高占比运行的丹麦和德国主要依托北欧和欧洲大陆的大型互联系统。相较局部地区的新能源高占比，云南和爱尔兰这样的独立同步网的情况更具示范意义。

爱尔兰是欧洲新型电力系统建设中高比例非同步电源渗透率的示范系统，随着DS3(Delivering a Secure Sustainable Electricity System)项目的实施，爱尔兰的非同步电源渗透率水平（System Non-Synchronous Penetration，SNSP）从2015年的50 %提高到了2021年的70%，其目标是2030年将SNSP提高到95 %。图1显示2021年2月10日至22日期间爱尔兰的SNSP水平，这表明爱尔兰电网已具备按照70 %SNSP的运行能力。

图1 爱尔兰电网70%SNSP试运行情况（2021/2/10-2021/2/22）

非同步电源是相对同步机而言，一般通过电力电子换流器，采用锁相环（PLL）或功率同步环（PSL）技术手段，保持与电网同一频率、同步运行。云南非同步电源主要是风电、光伏，根据云南新能源装机规划，云南将成为全国新能源渗透率最高的独立省级同步电网之一，预计2025年枯水期将率先出现60-70%以上的非同步电源渗透率。故本文将从云南新能源特性、外送能力以及省内负荷水平特性出发，研究2025年云南非同步电源运行场景与应对举措，推进云南电网具备70%新能源电力渗透率下安全运行能力。

1 云南新能源发电特性

云南新能源主要为风电、光伏，省内平均风功率密度大于50 W/m2的可开发区面积约4.52万km2，山区占总面积94%，山地风速的地形效应非常显著，风速随海拔高程的相对增加而大幅增加[6-7]。年太阳辐射量大于6 000 MJ/m2的最佳区域有12个县，其总面积约3.7万km2，其年平均太阳辐射总量约213万亿MJ，相当于79亿t标准煤。

通过对云南省2017年—2020年四年的风电、光伏年度发电量研究、分析，如图2所示，可以看出：

图2 云南2017年至2020年风光发电特性

1）风电、光伏在一年之中，7月—9月属于云南雨季天气，风电处在小风期、光伏光照强度弱；

2）随着风电、光伏容量的增加，非同步电源占比云南统调电量逐年逐步提高；

3）在11月—次年4月云南风电处于大风期、天气以晴好为主，新能源电量占比云南统调电量超过30%概率增大。

2 云南外送能力

2016年云南电网与中东部主网异步联网后，云南直流外送能力逐年提高，到2021年±800 kV昆柳龙直流三端全部投产后，云南电网作为一个典型的水电外送系统，将拥有4160万千瓦的直流外送通道。如图3、图4所示，云南电网在丰水期和枯水期外送水平差别巨大，丰水期云南电网属于“水+风+光”系统，非同步电源渗透率较低，水电通过直流外送到中东部主网，系统强度足够、抗扰动能力强[8-9]；枯水期云南电网属于“风+光+水”系统，非同步电源发电处于高水平，此阶段系统抵御电网风险能力弱，系统备用容量、惯量底限以及Rate of Change of Frequency (RoCoF)等性能指标是电网安全运行必须监视的。

图3 云南水电发电分布特性

图4 云南外送电量分布特性

3 云南SNSP水平分析

目前云南电网水电7100多万千瓦、风光1200多万千瓦以及煤电1100多万千瓦，其中风光与水电形成天然的互补态势。故选择枯水期、非同步电源高出力阶段来分析云南非同步电源SNSP水准，对云南建设新型电力系统具有关键性的技术指引作用。

3.1 System Non-Synchronous Penetration(SNSP)

SNSP是用来表示系统瞬时非同步发电水平的运行指标，它是非同步电源发电和直流馈入与负荷和直流送出的比值[10]。因此，以百分比表示SNSP方程如下：

3.2 云南枯水期SNSP水平分析

对于云南送端电网而言，分析SNSP性能指标时，只需研究省内负荷、直流送出以及非同步电源发电三方面要素即可。选取云南2018年至2021年1月-3月历史数据作为数据样本，分析云南SNSP运行水平。

1）从调度OCS历史数据库查找SNSP相关因素历史数据，如图5所示，可以看出：

图5 云南省内负荷、直流送出以及非同步电源历史数据曲线

a.云南2018年-2020年1月-3月省内负荷前三年基本保持在1500万千瓦至2000万千瓦左右，2021年由于云南省大量引入铝硅大型用电负荷，导致2021年省内负荷提升到2000万千瓦至2500万千瓦左右；

b.外送水平在枯水期小方式下大概在500万千瓦至1000万千瓦之间；枯水期大方式下外送在1000万千瓦至1500万千瓦之间；

c.近4年云南非同步电源装机变化不大，2018年至2021年基本维持季节规律性，枯水期整体出力在500万千瓦左右。

2）云南SNSP运行水平如图6所示，可以看出：

a.目前云南电网风光占总装机占比仅13%左右，但在春节低负荷、低外送方式下会出现特殊高占比运行方式，风光出力正常占比在20-30%之间，最高占比达到50%左右；

b.2020年、2021年 云 南 电 网 暂 时 按40%SNSP控制，约束因素为参考故障下的临界频率变化率；从图6可以看出2018年、2019年2月份SNSP均存在超过0.4的水平，经过人工干预后2020年、2021年SNSP未超过预警线；

图6 云南2018年-2021年1月-3月非同步电源SNSP

c.从实际SNSP预控效果来说，控制精度不高、非同步电源发电效率降低。

3.3 2025年云南枯水期SNSP水平

分别在云南枯水期外送大小方式下对2025年云南非同步电源SNSP水平进行生产场景推演。

外送大方式下：以2019年云南外送能力作为外送基准，省内负荷以2021年为基准，负荷增长率8.5%，来测算2025年省内负荷水平；新能源的出力以2019年实际出力数据为基准，按照装机容量增长比率，进行2025年新能源出力测算。

外送小方式下：以2018年云南外送能力作为外送基准，省内负荷以2021年为基准，负荷增长率8.5%，来测算2025年省内负荷水平。新能源的出力以2019年实际出力数据为基准，按照装机容量增长比率，进行2025年新能源出力测算。

如图7所示，在外送大小方式下：2025年云南在枯水期、非同步电源高出力情况下，SNSP水平基本在0.4～0.6之间；现有在SNSP控制在0.4已经远远不够，必须采取措施提高SNSP水平与控制精度，充分体现以新能源为主体的新型电力系统调控能力。

图7 2025年云南外送大小方式下SNSP水平

4 结束语

在新型电力系统建设中，SNSP的控制水平处于十分重要的地位，是实现高水平新能源电量占比RES-E（Renewable Energy Source Electricity）的前提与保障。在大型独立同步网中，爱尔兰已实现70 %的SNSP水平运行，并已制定实现95 %SNSP的行动计划。在美国德克萨斯电网，2021年3月也已出现66 %的瞬时风电渗透率。

云南电网暂时按40 %SNSP控制，但在新能源功率精准控制领域较国际先进水平尚存在一定差距。在未来新能源装机大幅增加方式下，以2025年云南新能源高渗透率场景分析新型电力系统稳定特性具有重大的科学和工程意义。借鉴爱尔兰电网的经验，建议重点开展以下研究：

1）研究新能源高占比下系统稳定特性变化，确定最低同步机开机方式。当前新能源机组大都以跟网型变流器并网，同步机开机方式决定了系统惯量和无功电压支撑能力，是系统支撑能力的基础来源。

2）确保频率稳定的临界惯量和直流频率调制需求，建设新能源机组主动支撑能力；按照当前云南开机方式，枯水期系统惯量在100-200GW*s的水平，最低开机方式约50GW*s；丰水期系统惯量大部分在200-300GW*s的水平。由于要抵御的扰动功率水平较高，云南网惯量水平偏低，主要依靠直流FLC提供快速功率支援来解决。在拥有快速频率响应资源下，系统的临界频率变化率可以提高至0.5 Hz/s以上，临界惯量要求可以下降。利用新能源机组的快速频率响应，能够显著改善高频扰动的频率动态过程，在减载方式下也能够提供可观的向上支撑能力[11-13]。

3）完善对非同步电源渗透率SNSP的监视，实现基于超短期功率预测的新能源机组AGC精准控制[14-16]。

通过上述工作，在2025年前让云南电网具备70 %新能源电力渗透率下安全运行能力，并以此推进新型电力系统稳定机理、分析方法和控制措施技术体系的构建和完善。