新能源大规模并网对电力系统频率稳定性的影响及对策

摘要：在全球积极推动清洁能源发展的大背景下，新能源大规模并网已成为电力系统发展的必然走向。但新能源发电与生俱来的间歇性、波动性以及低惯性响应等特性，给电力系统频率稳定性带来一系列严峻挑战。本文围绕新能源大规模并网这一核心，深入剖析其对电力系统频率稳定性的影响机制，涵盖间歇性、波动性、功率预测误差等方面。同时，针对性地提出了从优化控制策略、加强储能应用、提升预测精度到改进运行调度等一系列有效对策，旨在保障电力系统安全稳定运行。

关键词：新能源并网；频率稳定性；间歇性；储能应用；功率预测

引言

在应对气候变化和能源危机的双重压力下，以太阳能、风能为代表的新能源凭借其清洁、可再生的优势，在全球范围内得到了迅猛发展和广泛应用。大规模新能源接入电力系统，改变了传统电力系统的电源结构和运行特性。电力系统频率作为衡量电能质量的重要指标之一，保持其稳定性对于电力系统安全可靠运行至关重要。新能源的并网特性使得电力系统频率调节面临新的问题，研究其对频率稳定性的影响及对策具有重要的现实意义。

一、新能源大规模并网现状

近年来，太阳能光伏发电和风力发电装机容量持续快速增长。截至2023年底，我国太阳能发电累计装机容量已达到5.2亿千瓦（520 GW），风力发电累计装机容量突破4.4亿千瓦（440 GW），两者合计占全国发电总装机容量的比重超过36%。在部分资源富集地区，新能源发电占比已显著提升。新能源发电在能源结构中的占比逐渐增大，与传统火电、水电等电源共同承担着电力供应任务，但其大规模并网也给电力系统的运行和控制带来了新的挑战。

二、新能源发电特性对电力系统频率稳定性的影响

（一）间歇性和波动性

太阳能光伏发电依赖于光照强度，风力发电取决于风速大小，二者均受自然环境因素影响，具有明显的间歇性和波动性。这种不确定性导致新能源发电功率难以准确预测和稳定输出。当新能源发电功率突然变化时，电力系统的功率平衡被打破，若不能及时调整，会引起系统频率的波动。例如，在云层快速移动导致光照强度瞬间变化时，光伏发电功率可能在短时间内大幅波动，给电力系统频率稳定带来冲击。

（二）低惯性响应

传统同步发电机具有较大的转动惯量，在电力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抑制作用。而新能源发电设备，如风力发电机和光伏发电系统，大多通过电力电子变换器与电网相连，其转动部件与电网解耦，几乎不向系统提供惯性响应。这使得电力系统在受到扰动时，缺乏足够的惯性支撑，频率变化速率加快，增加了频率稳定控制的难度。

（三）功率预测误差

准确的功率预测对于电力系统的调度和运行至关重要。然而，由于新能源发电受自然因素影响复杂，目前的功率预测技术仍存在一定误差。功率预测不准确会导致调度计划与实际发电情况不符，使得系统在运行过程中难以提前做好功率平衡安排。当预测功率与实际发电功率偏差较大时，可能引发电力系统的功率缺额或过剩，进而影响频率稳定性。

三、新能源大规模并网下电力系统频率稳定性问题分析

（一）频率偏差增大

新能源发电功率的波动使得电力系统有功功率不平衡加剧，容易导致频率偏差超出允许范围。当新能源发电功率突然下降，而系统中其他电源无法及时补充功率缺额时，系统频率会迅速降低；反之，当新能源发电功率突然增加，超过系统负荷需求时，系统频率则会上升。过大的频率偏差不仅会影响电力设备的正常运行，还可能引发连锁反应，威胁电力系统的安全稳定运行。

（二）频率变化速率加快

新能源发电的低惯性特性使得电力系统在遭受扰动时，频率变化速率明显加快。传统电力系统的频率变化速率一般在 0.1Hz/s - 0.5Hz/s 之间，而新能源大规模并网后，频率变化速率可能超过 1Hz/s。快速的频率变化对电力系统的频率保护装置和自动控制设备提出了更高的要求，若不能及时响应，可能导致设备误动作，进一步破坏电力系统的稳定性。

（三）频率稳定控制难度增加

新能源发电的不确定性和复杂性使得电力系统的频率稳定控制变得更加困难。传统的频率控制方法主要基于对同步发电机的调速器和励磁调节器的调节，而新能源发电的接入改变了系统的电源结构和动态特性，使得传统控制方法难以有效应对。此外，新能源发电的分布较为分散，且不同地区的新能源发电特性存在差异，这也增加了频率稳定控制的协调难度。

四、提高电力系统频率稳定性的对策

（一）优化新能源发电控制策略

为实现新能源发电设备与电力系统的高效协同，可通过改进控制算法将最大功率跟踪与频率调节功能深度融合。在最大功率跟踪过程中，新能源设备可实时响应系统频率变化，动态调整发电功率输出：当系统频率下降时，风力发电机可通过调节叶片桨距角提升风能捕获效率，主动提供有功功率支撑；同时利用电力电子变换器的快速响应特性，采用虚拟惯性控制技术模拟同步发电机惯量特性，通过预设能量缓冲机制实现频率波动时的动态能量吞吐，有效抑制频率变化速率，显著增强高比例新能源电力系统的频率稳定性。

（二）加强电力系统储能应用

在电力系统中，储能技术的选择需根据实际需求和运行特点进行合理决策。常见的储能技术有电池储能、抽水蓄能和飞轮储能等。其中，电池储能响应速度快、安装灵活，适用于对快速功率调节要求较高的场景；抽水蓄能容量大、寿命长，可作为系统的备用和调峰电源；飞轮储能则具有高功率密度、充放电效率高等特点，可用于改善电力系统的暂态稳定性。在储能系统的配置与控制方面，应优化其在电力系统中的配置位置和容量，以最大程度发挥对频率稳定性的改善作用。同时，采用先进的控制策略，实现储能系统与新能源发电设备、传统电源以及负荷之间的协调运行，从而提高电力系统的整体稳定性。

（三）优化电力系统运行与调度

建立新能源参与的电力系统联合调度机制，将新能源发电纳入统一调度，充分考虑其间歇性和波动性，制定合理发电计划和调度策略。同时，应用智能电网技术，实时监测和分析系统运行状态，通过智能调度系统快速响应新能源发电功率变化，及时调整系统运行方式，提高电力系统功率平衡能力和频率稳定性，确保频率稳定在允许范围内。

五、结论

新能源大规模并网是实现能源转型和可持续发展的必然选择，但也给电力系统频率稳定性带来了严峻挑战。新能源发电的间歇性、波动性和低惯性响应等特性，导致电力系统频率偏差增大、频率变化速率加快以及频率稳定控制难度增加。为了提高电力系统频率稳定性，需要从优化新能源发电控制策略、加强电力系统储能应用、提升新能源功率预测精度以及优化电力系统运行与调度等方面采取综合措施。通过这些措施的实施，能够有效缓解新能源大规模并网对电力系统频率稳定性的影响，保障电力系统的安全可靠运行，推动新能源在电力领域的可持续发展。

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作者简介：张青波（2002.3-），汉族，安徽合肥人，研究方向为电气工程及其自动化。