新能源电力系统稳定性研究

一、引言

在全球能源结构加速向清洁低碳转型的大背景下，以风电、光伏为代表的新能源发电装机容量快速增长。新能源电力系统凭借可再生、环境友好等优势，成为实现 “双碳”目标的重要支撑。然而，新能源发电的间歇性、波动性，以及新能源电力系统结构和运行特性的变化，给系统稳定性带来诸多挑战。电力系统稳定性是保障电力可靠供应、维护电网安全运行的关键，深入研究新能源电力系统稳定性问题，探索有效的提升策略，对推动能源转型、促进经济社会可持续发展具有重要意义。

二、新能源电力系统稳定性研究的背景与意义

2.1 研究背景

近年来，我国新能源产业发展迅猛，风电、光伏装机规模持续位居世界前列。但新能源发电受自然条件影响显著，如风力大小、光照强度的变化，导致发电功率具有随机性和间歇性，给电力系统的功率平衡和频率稳定带来冲击。同时，新能源电源多采用电力电子变换装置接入电网，其运行特性与传统同步发电机存在较大差异，改变了电力系统的惯量特性和阻尼特性，使得系统稳定性问题更加复杂。

2.2 研究意义

保障新能源电力系统稳定性，能够提高新能源的消纳能力，减少弃风、弃光现象，促进清洁能源的高效利用，加快能源结构转型步伐。稳定的新能源电力系统是电力可靠供应的基础，有助于降低停电风险，满足社会生产生活的用电需求，维护社会稳定。从经济角度看，提升系统稳定性可降低电网运行成本，减少因系统不稳定导致的设备损坏和维修费用，提高电力企业的经济效益。同时，对新能源电力系统稳定性的研究，还能推动相关技术创新，促进电力行业技术进步。

三、影响新能源电力系统稳定性的关键因素

3.1 新能源发电特性

风电和光伏等新能源发电的间歇性和波动性是影响系统稳定性的首要因素。风力发电功率随风速变化而波动，光伏发电功率受光照强度、天气状况影响显著，这种功率的不确定性会导致电力系统有功功率失衡，引起频率波动。

3.2 电力电子设备应用

新能源电源通常通过电力电子变流器接入电网，这些变流器在实现电能变换的同时，也给系统稳定性带来隐患。电力电子设备的快速开关特性会产生谐波，污染电网电能质量；其控制策略的参数设置不合理或故障，可能引发系统振荡。

3.3 电网结构与运行方式

随着新能源大规模接入，电网结构日益复杂，传统电网的薄弱环节在新能源电力系统中可能被放大。例如，部分地区电网网架结构不合理，输电线路容量不足，难以满足新能源电力远距离、大容量输送的需求，容易出现线路过载、电压崩溃等问题。此外，新能源电力系统运行方式更加灵活多变，不同运行方式下系统的稳定性特性差异较大，给电网调度和运行控制带来挑战。

3.4 负荷特性变化

随着社会经济发展，电力负荷结构发生变化，非线性负荷、冲击性负荷占比增加，对电能质量和系统稳定性产生不良影响。同时，负荷的不确定性和随机性也在增强，其变化规律难以准确预测，增加了电力系统功率平衡和稳定性控制的难度。在新能源电力系统中，负荷特性变化与新能源发电的波动性相互叠加，进一步加剧了系统的不稳定因素。

四、提升新能源电力系统稳定性的技术与策略

4.1 储能技术应用

储能系统可在新能源发电功率过剩时储存电能，在功率不足时释放电能，起到平滑功率波动、调节系统频率和电压的作用。常见的储能技术包括锂电池储能、抽水蓄能、压缩空气储能等。锂电池储能具有响应速度快、安装灵活的特点，适用于分布式新能源接入场景；抽水蓄能容量大、技术成熟，可在系统调峰、调频和备用等方面发挥重要作用。通过合理配置储能系统，能够有效提高新能源电力系统的稳定性和可靠性。

4.2 智能控制技术

智能控制技术如先进的自动发电控制（AGC）、自动电压控制（AVC）系统，以及基于人工智能的预测控制算法等，可实现对新能源电力系统的精准控制。AGC 系统根据系统频率偏差和联络线功率偏差，自动调节发电功率，维持系统频率稳定；AVC 系统则通过调节无功功率，控制电网电压在合理范围内。人工智能算法可对新能源发电和负荷变化进行准确预测，提前制定控制策略，提高系统应对不确定性的能力。

4.3 虚拟同步机技术

虚拟同步机技术通过模拟传统同步发电机的运行特性，为新能源发电设备赋予惯量和阻尼特性。采用虚拟同步机控制策略的新能源发电设备，在系统发生扰动时，能够像同步发电机一样提供惯性响应和阻尼转矩，增强系统的稳定性。该技术有助于改善新能源电力系统的频率和电压稳定性，提高新能源发电的并网性能。

4.4 优化电网结构与运行方式

加强电网建设，优化电网网架结构，提高输电线路的输送能力和可靠性，减少新能源电力输送瓶颈。合理规划新能源电源接入点和接入容量，避免局部地区新能源过度集中。在运行方式安排上，制定科学合理的调度计划，充分考虑新能源发电的波动性和负荷变化，优化机组组合和功率分配，提高系统运行的灵活性和稳定性。

五、新能源电力系统稳定性研究现存问题

5.1 技术层面问题

部分提升稳定性的技术仍处于研发和试点阶段，尚未实现大规模应用，如大容量、低成本储能技术，高效的新能源发电预测技术等。现有技术在实际应用中还存在可靠性和适应性不足的问题，例如某些智能控制算法在复杂工况下的控制效果不佳，虚拟同步机技术在不同类型新能源设备上的应用还需进一步优化。

5.2 成本与经济性问题

储能系统、智能控制设备等技术的应用成本较高，包括设备购置、安装调试、运维等费用，使得新能源电力系统稳定性提升的经济投入较大。对于电力企业和新能源运营商来说，较高的成本可能超出其承受能力，影响相关技术的推广应用。而且，目前缺乏合理的成本分摊和收益补偿机制，难以充分调动各方参与稳定性提升的积极性。

六、结论

新能源电力系统稳定性是能源转型过程中亟待解决的关键问题。通过深入分析影响系统稳定性的因素，采用储能技术、智能控制技术等多种提升策略，能够有效提高新能源电力系统的稳定性。尽管目前在技术、成本和管理等方面仍存在诸多问题，但随着技术创新、机制完善和管理加强，以及多能协同、智能化等发展趋势的推进，新能源电力系统稳定性将不断提升，为能源转型和电力行业可持续发展提供坚实保障。

参考文献

[1] 杨岙迪. 基于 VSG 的新能源电力系统频率稳定性提升与低电压穿越研究[D].河南:郑州大学,2024.

[2] 孙桂卿,王其静,武凯. 新能源发电并网对电力系统稳定性的影响与调控策略研究[J]. 通信电源技术,2024,41(4):75-77. DOI:10.19399/j.cnki.tpt.2024.04.025.

[3] 陈龙,刘祥文,付黎明,等. 新能源并网中电力系统稳定性提升策略研究[J]. 通信电源技术,2024,41(19):55-57. DOI:10.19399/j.cnki.tpt.2024.19.019.