高比例新能源接入对末端电网稳定性影响分析

中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司 陈 勇 邓中原 国网河南省电力公司营销服务中心 苏 沛

关键字：新能源；末端电网；稳定性；仿真分析

为应对气候变化，中国政府提出在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，碳达峰和低碳化要求将成为未来能源发展的趋势，根据测算，到“十四五”末期，我国可再生能源装机总容量占比将超过50%。风电、光伏等新能源的出力特性具有随机性、波动性和不可控性，这与常规电源有较大区别。此外其电压、频率的耐受性也与常规电源不同，在非正常运行方式下容易脱网，对电力系统造成更大范围的影响。随着新能源为主体的新型电力系统的不断发展，大规模风电、光伏并网将对电网的稳定性产生影响，尤其是末端电网。

1 光伏电站出力特性及影响分析

1.1 光伏电源出力特性

光伏电源出力呈现非线性特征，其功率输出主要受环境温度和光照强度的影响。当温度和光照强度一定时，光伏电站具有唯一的一个最大功率输出点。当环境温度相同时，光伏电源表现出正的光照特性，即随着光照强度的增加，其产生的电流增加较大，而电压变化较小，光照强度的增加使光伏电站输出功率增加；反之，光伏电源有功功率会减小。当光照强度相同时，光伏电源表现出负的温度特性，即，随着环境温度的增加，其输出的电压减小，而产生的电流增加较慢，环境温度的增加使光伏电站输出功率减少；反之，光伏电源输出的功率会相应增大。

1.2 光伏电站对系统有功频率特性的影响

光伏电源是非旋转静止元件，在大规模接入电网后，随着系统内火电机组的不断减少，电力系统的等效转动惯量将逐步减少，削弱了电力系统应对功率缺额和功率波动的能力，在极端情况下，可导致系统频率跌落过快及跌落深度过大，进而触发低频减载、高频切机等安控装置。

对于光伏低渗透率的电网，其出力波动或脱网对系统的频率稳定不会造成影响，但光伏出力的频繁变化会导致系统频率的波动，影响电网的电能质量。对于光伏高渗透率的电网，光伏电站对系统的各种故障不具备调节能力，通过常规机组保持一定的旋转备用后，才能够保证电网在各种故障下的安全稳定性，否则电网将无法实现功率平衡而导致频率失稳，甚至在故障并不严重的负荷冲击下电网也会因为旋转备用不足而有失稳的风险。

1.3 光伏电站对系统无功电压特性的影响

光伏电站并网后，随出力增加，系统节点电压水平可能越限。以下利用等效模型分析光伏电站对系统无功电压特性的影响，并网光伏电站与电网公共连接点的等效电路如图1所示。

图1 光伏系统并网点处戴维南等值电路

当光伏电站以功率因数控制模式并网时，并网点电压变化量的近似计算公式为：

根据式（1）可知，随着光伏有功出力的增加并达到一定值时，将引起并网点电压越限。

当光伏电站以无功电压控制模式并网时，并网点电压变化量的近似计算公式为：

根据式（2）可以看出，并网点电压变化量随着无功出力的变化而变化，可通过调节光伏电站逆变器的无功出力，使并网点电压稳定。

目前通过定功率控制、配置储能、加装无功补偿装置、并网逆变器无功功率控制等方法可解决光伏电站并网后电压越限问题。对于并网逆变器无功功率控制有以下几点影响因素：逆变器有功出力一定时，受逆变器本身容量的限制；相同容量的逆变器，其所发出无功受并网线路长度的限制，并网线路越长，无功变化范围越小。

1.4 光伏电站对系统功角稳定性的影响

光伏电源是非旋转静止元件，不存在功角稳定问题，但光伏电站具有随机波动性和无转动惯量特性，会在光伏电站大规模接入电网后改变电网的潮流分布，降低系统的整体等效惯量；且在故障穿越期间，光伏的动态无功支撑特性对系统的功角稳定性产生变化，既能改善系统的功角稳定性，但也可能使系统的功角稳定性降低。此外，大规模光伏并网后还可能因故障穿越能力不足引发脱网，进而对系统稳定性造成更大的冲击，需要结合电网网架结构、电网运行方式、光伏并网位置等进一步评估大规模并网光伏的脱网风险。

2 风电机组出力特性及影响分析

随着大规模风电的接入，风电装机总容量所占比重也越来越高，其对电网的影响范围也进一步扩大。目前风电机组多采用异步发电机，电网发生故障时，由于风电机组与同步发电机组暂态特性的明显差别，造成在风电高渗透率的电网中，对电网的电压稳定性、暂态稳定性及频率稳定性产生较大影响。

2.1 风电场并网暂态电压稳定性问题

风电机组并网电网时，随着风速的变化风电场功率输出不断变化，会引起风电场母线和周边电网电压的波动。当风电机组频繁的并网、脱网、进行无功补偿装置的投切等操作都会对电网电压造成反复冲击，进一步降低了电网稳定性，可能造成电网电压崩溃。

在风电低渗透率的电网中，电网发生故障时，为可采取切机等措施保证电网的安全运行；在风电高渗透率的电网中，由于不同类型风电机组的励磁特性以及强波动性风电功率的注入，造成接入点以及周边电网的电压波动，从而对电能质量产生较大影响，严重时会威胁到电网的安全稳定运行。风电场不仅要参与一次调频，在故障及电网电压跌落期间，风电场应具备低电压穿越能力，能够一定时间范围内连续不脱网运行，并在故障发生后发出无功参与电网的电压调节。

2.2 风电场并网对电网频率稳定影响

电力系统是一个复杂的能量动态平衡系统，无新能源接入电网时，电力系统通过跟踪负荷需求的变化来调整发电出力的动态平衡机制来维持电力需求平衡和频率稳定。由于系统惯量对频率下降速率起到决定性的作用，而变速风电机组的转速控制与电网频率控制无耦合关系，随着系统频率的下降，变速风电机组固有的转动惯量特性对延缓电网频率的降低速率基本无影响。接入电网的风电装机规模越大，其在电网中引起的频率稳定问题越突出。

2.3 其他稳定性相关问题

在风电高渗透率的电网中，风电机组对电网的电能质量和调峰能力也会产生较大影响。风力发电机组自身产生的谐波注入电网后，将增加电网发生谐振的可能性，同时也增加了电气设备附件损耗、加速设备绝缘老化、继电保护装置和自动装置不能正确动作等问题。此外，风力发电具有反调峰性，在用电低谷时段进一步拉大电网的峰谷差，增加了电网的调峰容量的需求。大规模风电机组接入电网后，风机功率的波动变化会增加系统功率调整负担，当系统没有足够的调峰容量来平衡风电大出力时，就需要通过切除风电机组以维持系统的稳定。

3 高比例新能源接入对末端电网稳定性分析

新能源资源比较丰富的地区大多位于电网的边缘地区，与系统的联系较薄弱，网架结构不稳定，电源点少，负荷水平低、电压支撑能力有限，当风电场发生设备故障后，对电压稳定性较差的末端电网影响尤为明显。随着高比例新能源接入电网，严重时，还可能造成其它并网机组无法正常运行，进而导致局部电网瓦解，发生大规模的脱网事故。

本文基于中国电科院PSD-BPA 软件，以某电网末端县为例，在大量风电光伏接入电网后，通过仿真计算，分析高比例新能源接入电网对末端电网稳定性的影响。

3.1 电网稳定性判据

电网的稳定性判据包括功角稳定、电压稳定、频率稳定，当三个方面同时满足时，可判定系统稳定，此外，对于线路还存在热稳定判定的限制。根据《国家电网安全稳定该计算技术规范》（Q/GDW1404-2015）的规定，参考该地区省网年度运行方式报告，电网稳定性具体判据如下：

功角稳定：电网受到每一次大扰动后，引起电力系统各机组之间的功角相对增大，在经过第一、第二摇摆不失步；

电压稳定：在系统受到扰动后，母线电压水平暂态过程中在10s 以内应恢复到0.8pu 以上，中长期过程中需保持或恢复到0.9pu 以上；

频率稳定：系统频率应维持的区间：47.5Hz< f<51.5Hz；

热稳定判据：故障后运行设备不得超过其热稳电流、设备事故过载能力。

3.2 工程案例

某县级区域现无常规电源装机，现有新能源总装机376MW，其中风电126MW，光伏250MW。该县最大负荷260MW，新能源装机达到最大负荷的145%。该县仅有1座220kV 变电站（A 变电站），通过2回220kV 线路（嘉A 线、左A 线）与系统主网相连，在1回线路检修，另1回线路故障下将出现孤网情况。

3.2.1 局部孤网运行

（1）仅含风电、光伏的孤网不能稳定运行

传统机组与风电、光伏对电网调频特性有所区别。由于风力发电机组具有不可控性和间歇性，不能根据系统负荷的变化实现自动调节功率输出；光伏电站受光照影响，其有功输出同样具有间歇性。系统发生故障后，风电相对于传统机组转动惯量很小，光伏无转动惯量，因此孤网状态下，若无火电或水电等传统机组，仅含风电、光伏的系统将出现频率、电压崩溃，造成系统失稳。

在孤网运行下，系统含双馈风电机组、光伏发生频率崩溃、电压失稳的情况，孤网后系统频率高于60Hz，系统电压跌落至0.4pu 以下，双馈风机可进行低电压穿越而不脱网，如图2所示。

图2 系统故障后，孤网，含双馈风电机组、光伏的系统频率、电压变化

与双馈风机不同，直驱机组基本无转动惯量，其故障后的暂态特性与光伏发电单元类似，在故障期间及故障后，无法提供有功、无功支撑，无法成功低电压穿越，而失去该县所有负荷，如图3所示。

图3 系统故障后，孤网，含直驱风电机组、光伏的系统频率、电压变化

若考虑切除部分风电、光伏机组，使得新能源出力与负荷平衡，无论双馈或直驱风机，在无传统机组的孤网下，系统频率维持在49.4Hz，A 变电站220kV 电压水平为0.4pu，局部电网电压过低，仍不能孤网运行。

（2）含传统机组的孤网，需采取切除风电、光伏的措施，增强孤网运行稳定性

为了分析孤网运行的必要条件，将一台165 MW 的火电机组接入110kV 园区变，利用该网架分析有传统机组接入后孤网的频率、电压变化情况。若仅含165MW 火电机组，该县电网可孤网运行，故障后系统频率趋于稳定、电压恢复，如图4所示；风电、光伏接入后，缺乏一次、二次调频能力，系统频率控制能力下降，频率稳定性变差，如图5所示。

图4 系统故障后，孤网只含传统机组，系统频率、电压变化

图5 系统故障后，孤网含传统机组、风电、光伏，系统频率、电压变化

因此，大规模的风电、光伏接入末端电网，要防止发生孤岛情况，主要有以下几点：孤网区域因缺乏同步大电网的支撑，其电压和频率的稳定性差，易损坏电气设备；孤网内缺少储能容量或配置不合理，容易使用户负荷发生电压闪变；孤岛运行存在巨大隐患，用户或线路维修人员未意识到孤网的存在将发生人身安全事故。

3.2.2 局部电网与系统弱联系

在左A 线故障下，该县电网仅通过嘉A 线1回220kV 线路相连。考虑较严重情况，该县风机均选取直驱机组，系统故障后，系统频率、电压均稳定，如图6所示；若该县含传统机组，暂态过程中系统频率偏差降低，电压恢复速度有提高，如图7所示。因此新能源接入局部电网在一定程度上降低了电网频率控制水平。

图6 系统故障后，该县与系统弱联系，含风电、光伏

图7 系统故障后，该县与系统弱联系，含风电、光伏、传统机组

此外，末端电网经长线路与主网相连，系统故障后，对比弱联系的局部电网内频率变化水平。若嘉A 线、左A 线长度由20km 左右增加至60km，分析单回线路发生故障后的系统频率稳定性。在仅含风电、光伏机组下，系统频率波动比短线路情况大，系统频率控制水平降低，经过两个周波后频率逐渐稳定，不存在暂稳问题。

4 结语

对于末端电网，高比例新能源接入对系统稳定性影响主要有以下几个方面：

对于无传统机组，仅含风电、光伏的末端电网孤网运行可能存在稳定问题。系统发生故障后，风电相对于传统机组转动惯量很小，光伏无转动惯量，孤网状态下，若无火电或水电等传统机组，仅含风电、光伏的系统将可能出现频率、电压崩溃，造成系统失稳。

对于有传统机组，含风电、光伏的末端电网孤网运行时，系统故障后，切除一定比例的风电、光伏可提高局部电网暂态稳定水平。

对于仅有2回220kV 线路与主网相连的末端电网，在一定比例的新能源接入后，对系统的暂态稳定水平影响不大。局部电网中若含有传统机组可提高系统暂态稳定水平。此外，与主网相连线路长度与系统暂态稳定水平有正向影响。

对于末端电网，通过加装SVG 有助于提高系统暂态稳定水平。