以新能源主动支撑技术 推动构建新型电力系统

  随着新能源的加快速度进行发展，电力系统“双高”（高比例可再次生产的能源、高比例电力电子设备）特征凸显，系统的物理基础、功能形态深刻变化，给电网安全稳定运行带来挑战。新能源场站需要具备主动支撑能力，拥有接近或高于同步电源的控制特性，支撑系统电压、频率稳定以及提供备用容量。国家电网有限公司华北分部开展新能源场站主动支撑技术探讨研究，深入分析大规模新能源接入对电网的影响，提出了新能源主动支撑技术方面的要求，助力新能源健康有序发展，推动加快构建新型电力系统。

  近年来，新能源接入电网的规模逐年扩大。以华北电网为例，预计到今年年底新能源装机规模约3亿千瓦，2025年约4.3亿千瓦。受新能源主动支撑能力不够、单机容量小、装机数量大等因素影响，监测和控制电力系统运作情况的难度增加，给电网安全稳定运行带来挑战。

  电力系统转动惯量下降，频率稳定水平降低。新能源机组呈现出弱惯性或无惯性特征，在无附加控制的情况下，新能源机组在惯量响应阶段并不具备分配系统扰动功率的能力，在一次调频阶段频率调节能力受限，电力系统频率变化速度加快、幅度增加；在有附加控制的情况下，受新能源机组运行特性制约，惯量响应及一次调频的上调空间存在限制。随着新能源装机接入占比增加，电网总体惯量、调频能力降低，发生故障的风险增加。

  新能源机组对电力系统电压支撑能力不够，系统电压稳定水平下降。新能源场站一般由无功设备提供电压支撑，由于并网电压等级较低，难以为500千伏及以上主网提供有效支撑。如果电力系统故障导致新能源机组进入低电压穿越状态，新能源机组难以提供系统急需的动态无功支撑，造成系统电压稳定水平降低，一定要通过降低系统运行效率的方式保证稳定水平。

  具有“双高”特征的电力系统动态特性复杂，功角稳定特性变化大。电力系统动态特性发生较大改变，系统同步稳定逐渐由新能源参与转变成主导。电网发生故障后易产生复杂的动态交互作用，可能会导致传统机组功角稳定问题、新能源机组的同步稳定问题以及系统电压稳定问题并存的复杂情况，给电网运行控制造成困难。

  电力电子设备大幅度的增加，宽频振荡问题凸显。直流、新能源机组、无功补偿设备等通过电力电子设备接入电网，这些元件之间有多时间尺度交互。电力系统出现振荡时，振荡频率呈现宽频带特性，宽频振荡发生的概率大幅度的增加，易引发电网失稳。宽频振荡的抑制、控制和阻断面临较大挑战。

  电力系统连锁故障风险增加。新能源机组耐过流能力差，当电网故障引发低电压或高电压时都会引发换流器过流，易造成新能源机组脱网。新能源机组控制电压能力不及传统机组，暂态过电压问题突出，也增加了新能源机组的脱网风险，可能引发系统频率和电压问题，导致连锁故障。

  随着新能源占比提高，同步电源占比下降，电力系统可用调节能力变弱，急需研究新能源主动支撑技术，使新能源场站具备一定的频率和电压支撑、抑制宽频振荡等能力，以保证电力系统安全稳定运行。

  新能源主动支撑技术需提高新能源场站同步稳定能力。新能源场站设备受到单一故障扰动后应具备保持同步的能力，避免因同步失稳引发脱网。例如，可采取功角稳定支撑技术，在规划设计阶段通过优化新能源接入系统方案，提升送出系统的功角稳定水平。

  新能源主动支撑技术需使新能源场站具备调频、调压能力。新能源场站应具备不低于同等容量传统机组的调频、调压能力。在调频能力方面，新能源场站应具备同等容量传统机组一次调频能力、爬坡能力、惯量响应能力。例如可利用频率惯量支撑技术改造风电机组控制管理系统，利用转子动能实现虚拟惯量，模拟传统发电机一次调频特性，实现系统频率的调节。

  接入弱电网的新能源场站需具备抑制宽频振荡的功能。新能源场站一方面要根据宽频振荡评估结果，采取新能源控制参数优化等措施，主动降低宽频振荡风险水平；另一方面要具备附加阻尼功能，通过场站内储能、静止无功发生器（SVG）等设备实现宽频振荡抑制。

  新能源场站要有足够的短路容量支撑能力。新能源场站需具备送出95%电量的送出能力，同时满足多场站短路比要求。例如，可采取加装分布式调相机的方式提高新能源场站短路容量，有效提升系统强度。

  新能源场站应具备故障穿越能力，更好地适应电网。光伏发电设备、储能设备、风机需具备不低于各项规定要求的故障穿越能力，必要时采用零电压穿越技术，满足电力系统安全稳定要求。在系统发生严重短路故障场景下，新能源场站实现不脱网持续运行的时间要满足系统安全稳定运行要求。例如，双馈风机可采取直流侧附加泄能支路等控制技术，逐步实现零电压穿越。新能源场站内的电力电子设备应采用具有故障穿越特性的协调优化技术，统筹兼顾暂态过电压和低电压问题，使新能源的有功、无功功率控制具备电网友好型特征。

  新能源主动支撑技术需提升新能源设备涉网性能。在提高新能源设备耐压能力方面，采取“新能源+调相机+避雷器”组合技术，解决瞬时过电压问题，降低电压波幅。在提高新能源设备耐流能力方面，采取加装撬棍电路（Crowbar）、斩波电路（Chopper）硬件保护的方式实现过流限制，通过对换流器进行零电压穿越改造提升换流器耐流能力。

  今年4月24日，国家能源局发布《关于加强新型电力系统稳定工作的指导意见（征求意见稿）》，提出“大力提升新能源主动支撑能力。推动系统友好型电站建设，逐步实现新能源在电力供应和稳定支撑方面的可靠替代；协同推进大型新能源基地、调节支撑电源和外送通道开发建设，保障外送电力的连续性和稳定能力”“研发大容量断路器、大功率高性能电力电子器件、新能源主动支撑、大容量柔性直流输电等提升电力系统稳定水平的电工装备”。

  结合新型电力系统建设，在新能源主动支撑技术发展方面，建议建立完备的新能源主动支撑技术方面的要求及标准，并将有关要求及标准纳入新能源项目前期管理工作，提升新能源场站的支撑能力，提高电力系统安全稳定水平。

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