1.2　新能源接入對電力系統的影響

1.2.1　新能源的技術特點及運行特性

1.特點

風電和光伏發電受風、光等資源影響，其出力呈現明顯的間歇性和波動性。以甘肅某年出力數據為例，經統計分析發現有如下特點：

（1）出力波動明顯。風電日平均出力波動范圍很大，最小值接近于0，最大值接近全天滿發。

（2）出力隨機性強。在相同月份，會連續數日日平均出力達到額定出力，同時，也可能連續數日日平均出力不足20%額定出力甚至于0；對于相鄰日，存在發電量近似相等，而出力曲線差異巨大的情況。

2.運行特性

風電和光伏發電均采用電力電子接口設備并網，其運行特性不同于常規機組，主要表現在：

（1）缺乏轉動慣量。風輪葉片等效轉動慣量雖然很大，但由于目前主流的雙饋、直驅型風電機組均采用電力電子變流器實現有功、無功的解耦控制，采用鎖相環跟蹤電網頻率，對電網的頻率變化不敏感，因此風輪葉片的轉動慣量無法作用到電網中。光伏發電無轉動部件，在不增加額外措施和控制策略的基礎上，對電網沒有轉動慣量。

（2）過載能力不足。由于電力電子器件承受過壓、過流的能力不足，因此風電機組、光伏逆變器無法承受電網故障帶來的設備過壓或者過流。在系統發生短路時，逆變器接口的發電設備提供的短路電流基本與額定電流相當，對電力系統的支撐能力明顯弱于同步發電機組。而由于電力電子器件耐受過電壓能力弱，在送端直流閉鎖等可能導致的系統高電壓工況下，風電機組、光伏逆變器發生脫網的風險很高。

（3）一次調頻能力不足。現有標準對新能源發電調頻能力未做要求，新能源發電難以對系統提供有效的有功調節支撐，對電網頻率穩定性造成的影響正日益顯現。

（4）電壓調節能力未能充分利用。風電機組、光伏逆變器雖然自身具備一定的無功輸出能力，但由于電站機組數量多，實現整站的協調控制難度較大，目前風電機組、光伏逆變器的無功功率調節能力均未能充分發揮。

1.2.2　對調度運行的影響

研究人員做了大量研究分析工作，從消納問題、調峰及備用容量等方面探討了大規模新能源發電并網對電力系統調度運行的影響。

1.消納問題

大規模新能源接入電力系統后，增加了系統的調節負擔，常規電源不僅要跟隨負荷變化，還要平衡新能源發電的出力波動。當新能源發電出力超過系統調節范圍時，就必須控制新能源出力以保證系統動態平衡，從而產生棄風、棄光。

截至2017年年底，我國可再生能源發電量1.7萬億kW·h，占全部發電量的26.4%。其中，風電電量3057億kW·h，棄風電量419億kW·h，棄風率12%；光伏發電電量1182億kW·h，棄光電量73億kW·h，棄光率6%。

2.對系統調峰容量的影響

新能源發電具有不確定性，特別是風電，其功率波動常常與用電負荷波動趨勢相反，即在負荷高峰時段可能無風可發電，而在負荷低谷時段又可能來大風而需要滿發。同時風電機組功率由風速決定，功率變化速率較快，需要系統為之提供足夠快的調峰速率。因此，風電的運行相當于產生“削谷填峰”的反調峰效果，加大了電網的等效峰谷差，擴大了全網調峰的范圍和容量需求。

我國電源結構以火電為主，燃氣發電等快速調節電源配置不足，導致系統調峰能力嚴重不足，在我國“三北”地區更為突出，尤其在冬天后半夜低負荷但風電高出力情況下，相當一部分火電機組承擔供熱任務，這些機組實行“以熱定電”，機組調峰能力降低，進一步增加了全網調峰容量需求。

以甘肅省為例，甘肅全省具備調峰能力的發電機組容量約為8GW，受水電、火電機組運行方式以及檢修等因素的影響，最大可調容量約為5GW，考慮事故備用、負荷備用以及電網結構的限制等，全省所有機組不同時期的總調峰能力約為4GW。其中，1.5GW用于常規負荷調峰，能夠承擔新能源調峰的容量僅為2.5GW。如果考慮通過跨省資源參與調峰，則涉及調度管理和電力交易模式等一系列管理問題。因此，在現有技術水平下，局部地區電網的整體調峰能力無法滿足需求。

1.2.3　對安全穩定的影響

1.電網抗擾動能力下降

電力系統穩定運行的核心是能量的瞬時平衡。對交流電網而言，瞬時平衡的根本在于同步，當系統發生故障或擾動，產生功率沖擊引起頻率波動時，依靠大量旋轉設備的轉動慣性進行調節。系統調頻能力主要與3個因素有關：①系統有效轉動慣量；②機組調頻能力；③負荷頻率特性。系統有效轉動慣量越大，機組調頻能力越強，負荷頻率特性越好，承受有功功率沖擊、頻率波動的能力越強。

大規模新能源接入電網后，大量常規電源被替代，系統調頻、調壓能力減弱，電網抗擾動能力下降，在出現大功率缺失的情況下，易引發全網頻率問題。以西北電網和東北電網為例，西北電網在68GW負荷水平下，功率損失3.5GW，若網內無風電，系統頻率下跌0.65Hz，若網內風電出力達到12GW，則頻率下跌0.95Hz；東北電網55GW負荷水平下，功率損失3GW，若網內無風電，系統頻率下跌0.7Hz，若網內風電出力達到10GW，頻率下跌1.1Hz。

2.發生連鎖故障的風險增加

新能源發電設備對高頻和過電壓的耐受能力較差，當系統發生擾動，頻率、電壓發生變化時，新能源發電設備容易大規模脫網，引發嚴重的連鎖性故障。隨著新能源發電占比的提升，該問題將日益突出。

以哈密—鄭州±800kV特高壓直流工程（簡稱天中直流）為例，送端電網暫態過電壓約為1.2倍額定電壓時，火電等常規機組仍能正常運行，但風電等新能源機組有可能大規模連鎖脫網。

以靈紹、銀東等多直流送端區域為例，單一交流故障可導致近區多回直流功率同時短時大幅跌落，引起系統頻率超過50.5Hz，存在新能源大規模脫網風險。

3.發生次同步振蕩的風險增加

與傳統電網中同步、異步概念不同，電力電子設備誘發次同步/超同步振蕩后，可能仍會并網運行，持續威脅電網安全運行。

新能源發電采用的電力電子設備普遍采用基于Park變換的dq旋轉坐標軸控制方式，超同步（70Hz）的振蕩分量將會耦合出次同步（30Hz）的振蕩分量（關于50Hz對稱），若風電阻抗與電網阻抗相互耦合，會引起系統不穩定。

近年來，在電網實際運行中，在新疆、甘肅、寧夏、河北等風電富集地區多次監測到由風電機組產生的次同步諧波。2015年7月1日，新疆哈密山北地區風電機組持續產生次同步諧波，導致花園火電廠的機組軸系次同步扭振保護動作，3臺660MW火電機組相繼跳閘。隨著風電、光伏發電的快速發展，由新能源引起的電網次同步振蕩風險進一步加大。