新能源大规模接入下电力系统稳定性分析与应对策

1.引言

在全球应对气候变化和能源转型的大背景下，太阳能、风能等新能源凭借其清洁、可再生等优势，在电力领域的应用规模不断扩大。新能源的大规模接入为缓解能源危机、减少环境污染做出了积极贡献，但也给传统电力系统的运行和控制带来了前所未有的挑战。电力系统稳定性是保障电力可靠供应的关键，新能源接入引发的稳定性问题已成为电力行业研究的热点和重点。深入研究新能源接入下电力系统稳定性变化及应对策略，对于推动能源绿色转型、构建新型电力系统具有重要意义。

2.新能源大规模接入对电力系统稳定性的影响（1）对频率稳定性的影响

① 功率波动：以风力发电和光伏发电为代表的新能源，其输出功率受自然条件如风速、光照强度等影响，具有显著的间歇性和波动性。风力发电中，风速的随机变化使得风机输出功率难以稳定，当风速在短时间内大幅波动时，会导致风电场向电网注入的功率出现较大变化。光伏发电同样如此，云层遮挡、昼夜交替等因素会使光伏板输出功率急剧改变。这种新能源功率的大幅波动，会打破电力系统原有的功率平衡，导致系统频率发生变化。

② 惯量降低：传统同步发电机组具有较大的转动惯量，在系统频率发生变化时，能够通过自身的惯性作用，释放或吸收能量，对频率波动起到一定的缓冲作用。而新能源发电设备如风力发电机、光伏逆变器等，与电网之间通常通过电力电子变换器连接，这些设备几乎不具备传统意义上的转动惯量。随着新能源在电力系统中占比的不断提高，整个系统的等效惯量逐渐降低。当系统受到扰动，如负荷突然增加或减少时，由于惯量不足，频率变化速率加快，频率稳定性受到严重威胁。

（2）对电压稳定性的影响

① 无功功率问题：新能源发电设备的运行需要消耗或提供一定的无功功率。例如，异步风力发电机在运行时需要从电网吸收大量无功功率来建立磁场，若电网无功补偿不足，会导致风电场接入点及附近区域的电压降低。光伏发电系统虽然在正常情况下不需要大量无功功率，但在一些特殊工况下，如光照强度急剧变化或逆变器控制策略调整不及时，也可能对电网无功功率分布产生影响。此外，新能源发电的波动性使得无功功率需求也随之波动，进一步增加了电网电压控制的难度。

② 电压调节能力受限：传统电力系统中，同步发电机具有较强的电压调节能力，可以通过调节励磁电流来改变输出电压。然而，新能源发电设备的电压调节方式相对复杂且能力有限。例如，风力发电机通常采用变桨距控制和变速恒频技术来调节功率，但对电压的直接调节作用较弱。在新能源大规模接入后，若电网的电压调节设备配置不足或运行不合理，当系统负荷变化较大时，容易出现电压越限问题，影响电力系统的安全运行。

（3）对功角稳定性的影响

① 改变系统结构：新能源发电场的大规模接入改变了电力系统的网络结构和潮流分布。传统电力系统中，发电中心和负荷中心的分布相对稳定，而新能源发电场往往位于偏远地区，需要通过长距离输电线路将电能输送到负荷中心。这种新的输电格局使得系统的电气距离增大，线路电抗增加，从而影响了系统的功角稳定性。在某些情况下，可能会导致系统在受到扰动后，各发电机之间的功角差增大，引发电力系统振荡甚至失步。

②控制策略影响：新能源发电设备的控制策略与传统同步发电机有很大不同。例如，风力发电机采用最大功率跟踪控制策略，在风速变化时，其输出功率会快速调整以跟踪最大功率点。这种快速的功率变化可能会对系统的功角稳定性产生不利影响。当系统受到扰动时，风力发电机的控制策略可能无法及时适应系统状态的变化，导致其与其他发电机之间的协调运行出现问题，进而影响系统的功角稳定性。

3.应对新能源大规模接入下电力系统稳定性问题的策略

（1）频率稳定性应对策略

① 储能技术应用：储能系统如电池储能、抽水蓄能等可以在新能源功率过剩时储存能量，在功率不足时释放能量，起到调节功率平衡的作用。电池储能系统响应速度快，能够快速补偿新能源功率的短期波动，稳定系统频率。抽水蓄能电站则具有容量大、储能时间长的优点，可在系统频率出现较大偏差时，通过调节水泵和水轮机的运行状态，实现能量的存储和释放，有效平抑频率波动。在一些新能源发电占比较高的地区，建设大规模储能电站与新能源发电场协同运行，能够显著提高系统的频率稳定性。

② 虚拟惯量控制：通过对新能源发电设备的控制策略进行改进，使其具备一定的虚拟惯量功能。例如，在风力发电机的控制算法中引入虚拟惯量控制环节，当系统频率发生变化时，风力发电机能够根据频率变化速率调整自身的输出功率，模拟传统同步发电机的惯性响应，为系统提供额外的惯量支撑。这种虚拟惯量控制技术可以在不增加硬件设备的前提下，提高新能源发电设备对系统频率稳定性的贡献。

（2）电压稳定性应对策略

① 无功补偿装置优化配置：合理配置无功补偿装置，如静止无功补偿器（SVC）、静止同步补偿器（STATCOM）等，能够有效改善电网的无功功率分布，提高电压稳定性。在新能源接入点及附近区域，根据实际无功功率需求，安装适量的无功补偿装置，实时调节无功功率输出，维持电压稳定。同时，结合智能电网技术，实现无功补偿装置的自动控制和优化调度，根据电网运行状态动态调整无功补偿量。

② 电压调节与协调控制：加强对新能源发电设备的电压调节能力，通过改进逆变器等设备的控制策略，使其能够根据电网电压变化自动调节输出电压。同时，建立电力系统电压协调控制机制，将新能源发电设备、传统同步发电机以及各类电压调节设备纳入统一的控制体系，实现各设备之间的协同工作。

（3）功角稳定性应对策略

① 优化电网结构：针对新能源接入带来的电网结构变化，加强电网规划和建设，优化电网布局。通过建设坚强的输电网络，增加输电线路的输电容量，缩短电气距离，降低线路电抗，提高系统的功角稳定性。

② 先进控制技术应用：应用先进的控制技术如广域测量系统（WAMS）和电力系统稳定器（PSS）等，提高电力系统的功角稳定控制水平。WAMS 能够实时监测电力系统的运行状态，通过高速通信网络将测量数据传输到控制中心，为系统控制提供准确的信息。PSS 则通过在发电机励磁控制系统中引入附加控制信号，抑制发电机的低频振荡，提高系统的功角稳定性。此外，还可以采用智能控制算法，如自适应控制、预测控制等，根据系统运行状态的变化实时调整控制策略，保障系统的功角稳定。

4.结论

新能源大规模接入电力系统是实现能源可持续发展的必然选择，但也给电力系统稳定性带来了诸多挑战。通过对新能源接入影响电力系统频率稳定性、电压稳定性和功角稳定性的分析可知，新能源的间歇性、波动性以及特殊的控制策略等因素是导致稳定性问题的主要原因。针对这些问题，本文提出了包括储能技术应用、虚拟惯量控制、无功补偿装置优化配置、电压调节与协调控制、优化电网结构和先进控制技术应用等一系列应对策略。

参考文献

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