高比例新能源接入的电网稳定性分析及对策

引言

在全球积极应对气候变化、推动能源绿色低碳转型的大背景下，以风能、太阳能为代表的新能源凭借其清洁、可再生的优势，在电力供应体系中的占比迅速提升。高比例新能源接入电网，对于减少碳排放、缓解能源危机、实现可持续发展具有不可替代的重要意义。然而，与传统同步发电机主导的电网不同，新能源发电依赖于自然条件，具有显著的间歇性与波动性，其发电功率难以精准预测与稳定控制。大量新能源接入后，改变了电网原有的电源结构、功率分布以及运行特性，使电网在频率、电压、功角等方面的稳定性面临严峻挑战。若不能有效解决这些问题，不仅会影响新能源的高效利用，还可能导致电网运行故障，甚至引发大面积停电事故，严重威胁电力系统的安全可靠运行。因此，深入研究高比例新能源接入的电网稳定性问题，并探寻切实可行的应对策略，已成为当前电力领域亟待解决的关键课题。

一、高比例新能源接入对电网稳定性的重要性

（一）实现能源可持续发展的必然要求

传统化石能源的大量消耗带来了环境污染与资源短缺等问题，严重制约了人类社会的可持续发展。新能源的广泛开发与利用成为摆脱这一困境的关键路径。高比例新能源接入电网，可大幅减少对煤炭、石油等化石能源的依赖，降低碳排放，改善生态环境。以太阳能光伏发电为例，其在发电过程中不产生温室气体排放，且太阳能资源取之不尽、用之不竭。通过大规模建设光伏电站并接入电网，能够持续为社会提供清洁电能，逐步构建起可持续的能源供应体系，保障能源安全，推动经济社会与生态环境的协调发展。

（二）推动电力系统转型与升级的关键动力

高比例新能源接入促使电力系统从传统的以同步发电机为核心的架构，向包含大量分布式电源、储能装置、智能电网技术的新型电力系统转变。这一转变推动了电力系统在电源结构、电网布局、运行控制等多方面的创新与升级。在电源结构上，新能源发电占比的增加促使传统火电、水电等电源角色发生转变，从主要供电角色向调节、支撑角色过渡；电网布局方面，为适应新能源分散式接入的特点，配电网的智能化、分布式建设加速推进；运行控制层面，先进的信息技术、自动化技术广泛应用，实现对复杂多变的新能源发电及电网运行状态的精准监测与调控，提升电力系统的整体运行效率与可靠性。

（三）提升电力系统灵活性与韧性的重要手段

新能源发电的间歇性与波动性，要求电力系统具备更强的灵活性与韧性来应对。高比例新能源接入促使系统整合各类灵活调节资源，如储能系统、需求侧响应、可调节负荷等。储能系统能够在新能源发电过剩时储存电能，在发电不足或用电高峰时释放电能，平抑功率波动；需求侧响应通过激励用户调整用电行为，配合新能源发电的变化，实现电力供需平衡。这些措施增强了电力系统对新能源发电不确定性的适应能力，提升了系统在面对突发故障、极端天气等异常情况时的韧性，保障电力供应的连续性与稳定性。

二、高比例新能源接入下电网稳定性面临的问题

（一）频率稳定性问题

新能源机组，尤其是风力发电和光伏发电，其输出功率受自然条件影响显著，具有强随机性和波动性。当风速、光照强度等条件快速变化时，新能源发电功率随之大幅波动。在高比例新能源接入电网后，这种波动对电网频率的影响被放大。传统同步发电机具有较大的转动惯量，在电网频率发生变化时，能够凭借自身惯性释放或吸收能量，对频率波动起到缓冲作用。而新能源机组多通过电力电子变换器接入电网，其转动惯量小甚至无转动惯量，在电网频率变化初期，无法像传统机组那样快速响应，导致电网频率变化速率加快、波动幅度增大。当新能源发电功率突然下降，而电网中其他电源无法及时补充功率缺额时，系统频率将快速下降；反之，若新能源发电功率突然大幅上升，超过负荷需求与其他电源调节能力，系统频率则会上升。频率的大幅波动可能导致电力设备损坏、系统解列等严重后果。

（二）电压稳定性问题

新能源场站一般通过升压变压器接入电网，其并网电压等级相对较低，且新能源机组自身对电力系统电压的支撑能力有限。在高比例新能源接入的情况下，当电网出现故障或负荷变化时，新能源场站难以提供足够的动态无功支撑。例如，当系统发生短路故障导致电压下降时，新能源机组可能因低电压穿越能力不足而脱网，进一步加剧系统电压的跌落。此外，大量分布式新能源接入配电网，改变了配电网原有的辐射状结构和潮流分布，可能导致部分节点电压出现越限问题。在光伏大发时段，若配电网中无功补偿设备配置不合理，可能出现电压过高现象；而在负荷高峰且新能源发电不足时，又可能出现电压过低情况。电压的不稳定不仅影响电力设备的正常运行，还可能导致设备寿命缩短、用电质量下降。

（三）功角稳定性问题

随着新能源在电网中占比的不断提高，电力系统的动态特性发生了显著变化。传统电力系统中，同步发电机之间通过功角保持同步运行，其功角稳定性主要取决于发电机的转子运动特性和系统的阻尼特性。高比例新能源接入后，系统中同步发电机数量减少，新能源机组凭借电力电子变换器接入电网，与传统同步发电机的运行特性差异较大。当电网发生故障时，新能源机组与同步发电机之间、不同新能源机组之间可能产生复杂的动态交互作用。例如，可能引发次同步振荡、宽频振荡等问题，这些振荡会导致系统中功率、电流、电压等电气量出现大幅波动，严重时可能破坏系统的功角稳定性，使同步发电机之间失去同步，造成系统解列，引发大面积停电事故。

三、提升高比例新能源接入下电网稳定性的对策

（一）提升新能源主动支撑能力

1. 研发先进的新能源发电控制技

通过改进新能源机组的控制策略，使其具备类似传统同步发电机的惯性响应和一次调频能力。例如，采用虚拟惯量控制技术，让新能源机组在电网频率变化时，能够模拟同步发电机释放或吸收转动惯量，减缓频率变化速率；优化最大功率跟踪控制算法，在保证新能源发电效率的同时，使其具备一定的有功功率调节能力，参与电网一次调频。研发基于模型预测控制的新能源发电控制技术，利用实时气象数据和电网运行信息，提前预测新能源发电功率变化，主动调整发电出力，增强对电网功率波动的平抑能力。

2. 增强新能源机组的无功调节与电压支撑能力

为新能源机组配置高性能的无功补偿装置，如静止同步补偿器（STATCOM）、动态无功补偿器（SVC）等，提升其无功调节能力。通过合理控制无功补偿装置，使新能源机组能够根据电网电压变化实时调整无功输出，为电网提供动态无功支撑，维持电压稳定。优化新能源机组的逆变器控制策略，使其具备一定的独立调压能力，在电网电压出现波动时，能够主动调节输出电压，增强新能源场站对电网电压的支撑作用。

（二）优化电网规划与建设

1. 构建坚强合理的电网网架

加强主网架建设，提高电网的输电能力和抗扰动能力。在新能源集中接入地区，合理规划建设特高压输电通道，实现新能源电力的大规模、远距离外送。优化区域电网网架布局，增强电网结构的灵活性和冗余度，确保在部分线路或设备故障时，电网仍能保持安全稳定运行。加强配电网建设与改造，提高配电网的智能化水平和对分布式新能源的接纳能力。采用分布式电源与储能协同规划技术，合理配置分布式电源和储能装置，优化配电网潮流分布，降低新能源接入对配电网电压的影响。

2. 合理配置储能系统

储能系统在提升电网稳定性方面具有重要作用。在新能源集中接入地区，配置大容量的集中式储能电站，如抽水蓄能电站、大型电化学储能电站等，用于平抑新能源发电功率波动、提供系统备用容量、参与电网调峰调频。在配电网层面，结合分布式新能源接入和用户需求，配置分布式储能装置，如住宅小区、商业综合体等场所的储能系统，实现对局部电网功率的灵活调节，改善电能质量。制定合理的储能配置策略，综合考虑储能的容量、功率、充放电效率、成本等因素，根据电网不同区域的需求和运行特性，优化储能系统的布局与配置。

3. 加强电网与新能源的协同规划

建立电网企业、发电企业、科研机构等多方参与的协同规划机制，打破传统的电网规划与电源规划相互独立的模式。在规划阶段，充分考虑新能源发电的资源分布、开发潜力、出力特性等因素，以及电网的承载能力、运行要求等，实现电网与新能源的协调发展。通过联合仿真、优化计算等手段，对不同的新能源接入方案和电网建设改造方案进行评估分析，选择最优的规划方案，确保在满足新能源消纳需求的同时，保障电网的安全稳定运行。

（三）加强电网运行控制与管

1. 提升电网调度运行水平

利用先进的电力系统仿真分析工具，建立包含高比例新能源接入的电力系统精细化模型，对电网运行状态进行实时仿真与分析，提前预测电网可能出现的稳定性问题。优化电网调度策略，充分考虑新能源发电的不确定性，采用滚动优化调度、鲁棒调度等先进调度方法，合理安排各类电源的发电计划，实现电力供需的动态平衡。加强电网与新能源场站的信息交互与协同调度，实时掌握新能源发电功率变化情况，根据电网运行需求，及时调整新能源场站的发电出力，提高电网对新能源发电的调控能力。

2. 完善电网安全稳定控制系统

构建全方位、多层次的电网安全稳定控制系统，实现对电网运行状态的实时监测与快速控制。在电网关键节点部署相量测量单元（PMU），实时采集电网的电压、电流、功角等电气量信息，利用广域测量技术，实现对电网全局运行状态的精准感知。建立基于大数据分析和人工智能的电网故障诊断与预警系统，能够快速准确地识别电网故障类型和位置，提前发出预警信号，为调度人员采取控制措施争取时间。完善电网的紧急控制策略，如低频减载、低压减载、切机、切负荷等，在电网出现严重故障时，能够迅速采取有效的控制措施，防止事故扩大，保障电网的安全稳定运行。

3. 强化电力市场机制建设

通过建立健全电力市场机制，充分发挥市场在资源配置中的决定性作用，促进新能源的高效消纳和电网的稳定运行。完善电力辅助服务市场，明确新能源参与电力辅助服务的市场准入规则、交易方式和补偿机制，激励新能源场站提供调频、调压、备用等电力辅助服务，提升电力系统的整体调节能力。建立容量市场，对为保障电力系统可靠供电提供容量支撑的电源和储能等资源给予合理补偿，促进各类灵活调节资源的建设与发展。推动电力现货市场建设，实现电力电量的实时平衡和价格信号的有效传导，引导新能源发电企业和用户根据市场价格调整发电和用电行为，提高电力系统的运行效率和稳定性。

四、总结

综上所述，高比例新能源接入电网对于实现能源可持续发展、推动电力系统转型升级具有至关重要的意义，但同时也给电网稳定性带来了频率、电压、功角等多方面的严峻挑战。通过提升新能源主动支撑能力，包括研发先进控制技术、增强无功调节与电压支撑、推动智能化升级；优化电网规划与建设，构建坚强网架、合理配置储能、加强协同规划；加强电网运行控制与管理，提升调度水平、完善安全稳定控制系统、强化电力市场机制建设等一系列措施，能够有效应对这些挑战，提升高比例新能源接入下电网的稳定性。未来，需要进一步加大科研投入，突破关键技术瓶颈，降低技术应用成本；加强政策引导与支持，推动电网基础设施建设与改造；持续完善电力市场机制，促进新能源与电网的协调发展，以实现高比例新能源接入下电网的安全、稳定、高效运行，为经济社会的可持续发展提供坚实的电力保障。

参考文献：

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作者信息：彭镇金（1986.8-），男，本科工程师，研究方向：光伏发电、风电