疏通新能源電力經(jīng)絡為大電網(wǎng)“強筋健骨”

疏通新能源電力經(jīng)絡

為大電網(wǎng)“強筋健骨”

我國電網(wǎng)多年來安全穩(wěn)定運行的背后，離不開創(chuàng)新?！疤嵘履茉聪{能力的大電網(wǎng)安全穩(wěn)定量化評估與控制技術及應用”項目為大電網(wǎng)提供支持，助力新能源高占比電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平提升，為北京市高端產業(yè)升級、能源供給安全及低碳綠色發(fā)展作出了重要貢獻。

電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，是關乎社會發(fā)展和人民生活的重要議題。試想一下，我們身處沒電的世界會是什么樣?夏天酷熱難耐、冬天寒冷徹骨，黑暗、停滯成為常態(tài)，不安的情緒逐漸蔓延……

時至今日，因新能源脫網(wǎng)引發(fā)的大停電事故，在歐美澳等國家和地區(qū)依然時有發(fā)生。相比之下，我國電網(wǎng)多年來安全穩(wěn)定運行，在這背后，創(chuàng)新力量發(fā)揮了必不可少的支撐作用。

從2011年開始，“提升新能源消納能力的大電網(wǎng)安全穩(wěn)定量化評估與控制技術及應用”項目瞄準新能源安全消納量化評估和大電網(wǎng)多維優(yōu)化協(xié)同控制兩大核心難題，持續(xù)疏通新能源電力經(jīng)絡，為大電網(wǎng)“強筋健骨”。

項目成果提升了我國華北、西北等新能源高占比電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平，突破了制約我國新能源安全高效消納的主要技術瓶頸，有力地支撐了電力行業(yè)安全生產和健康發(fā)展，也為北京市高端產業(yè)升級、能源供給安全及低碳綠色發(fā)展作出了重要貢獻。

新能源接入，讓電網(wǎng)安全面臨挑戰(zhàn)

過去幾十年間，我國傳統(tǒng)電網(wǎng)一直以交流電為主，因此，關于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定分析以及支撐電網(wǎng)安全運行的基礎理論從未改變。從2011年以后，隨著以風、光發(fā)電為主的新能源和直流電接入，電網(wǎng)開始面臨許多新問題。

首先是電網(wǎng)安全。電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全關系國計民生，雖然我國很多年來都沒有發(fā)生大的停電事故，但這并不意味著停電離人們很遙遠。

這是因為，在新能源接入電網(wǎng)后，如何安全高效地對其進行消納是世界性難題——盡管西方國家的新能源發(fā)電資源與負荷分布均衡，消納基礎優(yōu)良，因新能源脫網(wǎng)引發(fā)的大停電事故卻依然時有發(fā)生。就在2016年，南澳大利亞發(fā)生了持續(xù)50小時的大停電。2019年，英國發(fā)生的大停電使超過100萬人受到影響，嚴重擾亂了人們生產生活的正常秩序。

其實不管是在國外還是國內，新能源脫網(wǎng)導致的停電故障，風險都相當大。2011年前后，我國華北、西北等地區(qū)曾發(fā)生近百起、50萬千瓦以上的新能源脫網(wǎng)事故，導致新能源無法正常輸送，嚴重威脅了電網(wǎng)安全運行和新能源安全消納。

就我國而言，新能源的安全消納與電網(wǎng)穩(wěn)定運行，面臨比西方發(fā)達國家更加嚴峻的挑戰(zhàn)。由于發(fā)電資源分布相對平衡，西方國家可以就地消納新能源，并不存在遠距離輸送的問題，因而電網(wǎng)穩(wěn)定性相對較好。而我國超過80%優(yōu)質風、光資源位于“三北”地區(qū)(西北、華北、東北),負荷中心卻是在“三華”地區(qū)(華北、華中、華東)。

這種資源與負荷逆向分布的特點，導致新能源電力必須遠距離送往負荷中心，這進一步加劇了形勢嚴峻性。因此，為保證各地的綠色供電安全，需要首先攻克新能源安全高效消納的難題。

除了遠距離輸送的挑戰(zhàn)外，新能源本身的弱支撐和低抗擾特性，也導致電網(wǎng)支撐和調節(jié)能力驟降，為電網(wǎng)安全增添了一片“疑云”。

如果說傳統(tǒng)電能是“壓艙石”,能夠對電網(wǎng)起到支撐、穩(wěn)定的作用，那么新能源則像是輕飄飄的“紙片”,有一點風吹草動就會飛走。因此，越多的新能源接入，意味著電網(wǎng)強度下降越多。一旦電網(wǎng)無力支撐、發(fā)生振蕩，就可能導致連鎖性的脫網(wǎng)事故發(fā)生。

概括而言，我國電網(wǎng)安全和新能源消納未來面臨兩方面重大挑戰(zhàn)：一方面，系統(tǒng)安全穩(wěn)定的影響因素倍增，運行風險難以精準量化；另一方面，電源涉網(wǎng)性能難以適應大規(guī)模新能源接入需求，擾動故障呈現(xiàn)離散性和不確定性，協(xié)同控制難度劇增。因此，業(yè)界亟須攻克新能源安全消納量化評估，以及大電網(wǎng)多維優(yōu)化協(xié)同控制兩大核心難題。

實驗設備

四項技術突破，全力支撐電力安全

擁抱變化才能迎接新局。“雙碳”背景下，我國能源產業(yè)向綠色低碳轉型的步伐不斷加快，這也對電力系統(tǒng)科研人員提出了更多要求。

通俗地說，電力系統(tǒng)科研人員就像一個個“水利工程師”,他們負責疏通河道，保證下游用戶可以隨時享用水資源。在他們看來，新能源類似補水支流，電網(wǎng)類似河流主流——由于“新能源支流”的水源不穩(wěn)定，斷流或洪水改道的事故時有發(fā)生，而“電網(wǎng)主流”則或多或少存在兼容性差、泥沙淤積等問題，導致水流不再暢通。

和水流相比，現(xiàn)實中錯綜復雜的電網(wǎng)則面臨更為復雜的情況。項目組科研人員解釋，當他們談論電網(wǎng)強度時，其實有兩個層面的含義。

一是沒有故障發(fā)生時(即穩(wěn)態(tài)狀況下)它的邊界到底能承受多少設備，電網(wǎng)自身能提供的支撐力有多強。也就是說，如果把電網(wǎng)想象成一張網(wǎng)，必須首先考慮網(wǎng)的材料、編織的緊密程度等。二是當電力系統(tǒng)面臨故障時(即暫態(tài)期間)電網(wǎng)的支撐能力，比如某根電線意外斷裂，或野生動物導致電線短路等事故發(fā)生時電網(wǎng)的承受力。

在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的教科書上，這兩種能力已經(jīng)形成了很完善的體系?！暗@一切從新能源接入電網(wǎng)后都變了?！笨蒲腥藛T表示。因此，如何量化分析新能源對電網(wǎng)穩(wěn)定性的具體影響、電網(wǎng)在暫態(tài)期間能承受多大擾動等一系列新問題亟待解決。只有攻克了這些難題，才能化解電網(wǎng)安全以及新能源消納的現(xiàn)實困境。

從上述“痛點”出發(fā)，科研人員對該項目設定了兩大主題，一是“量化評估”,二是“優(yōu)化提升防控”。

針對量化評估，科研人員分別突破了穩(wěn)態(tài)邊界量化評估、暫態(tài)穩(wěn)定量化評估關鍵技術，構建了穩(wěn)態(tài)安全邊界量化體系，建立了兼顧電網(wǎng)暫態(tài)特性及新能源逆變器切換控制特性的暫態(tài)安全運行域，研發(fā)了電網(wǎng)強度量化評估軟件，能滿足全國新能源接納規(guī)模評估需求。

針對優(yōu)化提升防控，科研人員則是從多維優(yōu)化預防控制、實時緊急協(xié)同控制入手，攻克了主動響應電網(wǎng)強度變化的電源控制策略優(yōu)化技術，研制了場站級快速調頻調壓裝置，建立了基于主導特征量的實時協(xié)調控制架構，研制了大電網(wǎng)安全穩(wěn)定實時防控系統(tǒng)。

最終，項目通過了中國電工技術學會組織的技術鑒定。由中國工程院院士湯廣福等專家組成的鑒定委員會認為，項目整體成果在國際上處于領先水平。

回顧汗水揮灑的十載歲月，回望掛滿枝頭的累累碩果，科研人員感慨道：“正因深知自己肩負實現(xiàn)技術突破的責任，感受到解決技術難題的迫切，我們才下決心‘摸著石頭過河’。團隊成員經(jīng)常就技術分歧討論到深夜，最終才收獲了如今的成果?！?/p>

已推廣應用于我國全部大區(qū)電網(wǎng)，32個省級電網(wǎng)

目前，項目成果已應用于我國全部大區(qū)電網(wǎng)及32個省級電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃和調度運行，實現(xiàn)了高比例新能源接入大電網(wǎng)安全穩(wěn)定快速量化評估，增強了各類電源主動支撐快速調節(jié)的能力，大幅提升了大電網(wǎng)穩(wěn)定運行水平和新能源安全消納能力，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

其中，量化評估軟件已應用于華北電網(wǎng)“十四五”規(guī)劃、運行方式安排，支撐了我國全部大區(qū)電網(wǎng)及32個省級電網(wǎng)規(guī)劃設計及生產運行。新能源場站快速調頻調壓裝置應用于華北多個新能源場站，還推廣至全國百余個場站。安全穩(wěn)定實時防控系統(tǒng)涵蓋范圍包括華北、西北等大區(qū)電網(wǎng)，在保障電網(wǎng)安全的基礎上，提升了新能源遠距離輸電能力22.6%。

對于未來，科研人員憧憬無限，“希望量化評估軟件全面推廣應用于我國電網(wǎng)規(guī)劃設計與調度運行；推進新能源改造工作，提升新能源場站對電網(wǎng)的支撐能力，從而更好地保證新能源安全并網(wǎng)消納；進一步實現(xiàn)新能源場站快速調頻調壓裝置及安全穩(wěn)定實時防控系統(tǒng)在全國電網(wǎng)及海外市場的推廣應用，更好地引領專業(yè)技術發(fā)展，保證更高比例新能源大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，提升跨區(qū)交直流混聯(lián)電網(wǎng)新能源遠距離安全高效消納能力?！?/p>

大幅促進新能源安全消納，助力雙碳目標實現(xiàn)

從實際效果看，“提升新能源消納能力的大電網(wǎng)安全穩(wěn)定量化評估與控制技術及應用”項目成果大幅提升了我國新能源安全高效消納能力，有力保障了北京綠色供電安全，促進了首都先進裝備制造升級，并為我國加快能源轉型、構建清潔低碳安全高效能源體系作出了多方面的貢獻，影響積極且深遠。

一是提升了新能源消納率，助力“雙碳”目標的實現(xiàn)。在多家單位的實際應用表明，項目成果促進了全國范圍的新能源安全消納，有效降低了煤炭等非可再生資源消耗，對我國能源結構優(yōu)化并促進能源的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，為落實國家“雙碳”戰(zhàn)略提供了有力技術支撐。

二是促進了首都科技創(chuàng)新及產業(yè)升級。項目完成單位涵蓋科研機構(中國電力科學研究院)、高等院校(清華大學)、風電制造產業(yè)(華銳和金風科技公司)、電力生產運行單位(華北電網(wǎng)有限公司和北京市電力公司)等，是北京地區(qū)產、學、研、用聯(lián)合攻關的良好示范，帶動了新能源、電力裝備等先進裝置制造企業(yè)的產業(yè)升級，提升了我國新能源高端裝備制造業(yè)的國際競爭力及影響力。

三是支撐了電力安全，保障能源安全供給，避免停電事故。項目成果大幅提高了華北等地新能源場站主動支撐及新能源消納能力，提升重要交直流通道輸電能力22.6%,保障了全國范圍內能源供給安全，為保證人們日常用電、正常工作和生活作出了貢獻。