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为了保障电力供应,电力系统需要具备一定的稳定性,即在运行时受到扰动后,重新恢复到运行平衡状态的能力。
传统电力系统的稳定性分为同步稳定性、电压稳定性和频率稳定性三类(2004年,IEEE/CIGRE稳定性术语与定义联合工作组在“电力系统稳定性定义与分类”报告中提出)。
1.同步稳定性
传统电力系统以火电、水电、核电等同步发电机组为主,此类机组根据法拉第电磁感应定理,通过旋转切割磁感线来产生电力。电力系统有众多发电机组,为了给用户提供稳定的电力供应,多台发电机组之间也需要互相协调、同步旋转,输出的电才能稳定,才不会互相“打架”。
在电力系统受到扰动后,若所有的同步发电机组能够恢复同步状态,继续输出同一频率的电压和电流,保持稳定供电,就表示系统具备同步稳定性。若在扰动后有台发电机组无法恢复,输出的电压、电流的频率与系统中其他发电机不一致,这台机组就失去同步稳定性,而且可能产生更严重的后果。
同步稳定就像一群人跳集体舞,必须同一时刻做出一样的动作。若队伍中有一人跳错了,就可能导致其他人跟着出错。
因此对于失去同步稳定性的机组,需要及时将其从发电队伍中切除,以免引起系统大幅度的功率振荡或是系统崩溃。
2.电压稳定性
电压稳定性是指电力系统中各电压等级线路的实际运行电压,能够维持在额定电压附近的能力。例如220伏用户电压应保持在198伏至235.4伏之间。
电压稳定性与负荷和电源息息相关。对于负荷而言,如洗衣机、水泵此类常见的电动机械负荷,当电压下降超出范围后,电动机带负载能力下降,可能出现转不动的情况。而且对于电源而言,电网电压失稳严重时,电厂内各类电动辅机,如输煤皮带、给煤机等都转不动了,可能导致大型发电机组跳闸,从而扩大问题的影响。
3.频率稳定性
我国主干电网采用工频(50赫兹)交流输电。频率稳定性是指电力系统中受扰动后,频率能够保持或恢复到合理范围内的能力。
频率稳定性对发、用电设备的安全正常运行十分重要。当频率偏移时,会造成用电设备效率降低,严重时可能造成设备损坏,导致电网停电或崩溃。尤其对于精密机床等设备,频率偏移可能引起机床的旋转电动机转速突变,从而导致加工件精度不符甚至报废。
三大稳定面临的挑战
随着高比例新能源的接入,电源结构由传统同步发电机组为主,转变为以新能源为代表的非同步发电机组和同步发电机组共同主导。这种变化使得三大稳定问题面临新的挑战。
1.同步稳定的挑战
火电、水电、核电等同步发电机组作为旋转机组,主要依托同步发电机的励磁控制系统(为发电机提供磁场的系统)维持同步稳定。在受扰动期间,该系统通过快速的增强发电机转子的磁场,增大机组的抑制扰动能力,帮助机组恢复同步运行。
随着新能源接入,非同步发电机电源逐渐增加。同步稳定性也随之扩充为“广义同步稳定性”,包括3个方面,分别是传统的同步发电机电源之间、同步与非同步发电机电源之间、非同步发电机电源之间的广义同步稳定性。由于考虑因素和场景的增多,要维持同步稳定的难度也随之增大。
以新能源为代表的非同步发电机属于静止发电机,不再依靠机械转速来确定电压、电流的输出频率,而是通过电力电子变流器进行并网,并采用控制算法来产生同一频率的电压和电流。
此类控制算法往往需要从电网侧获取参考值,以此控制非同步发电机的输出,保持与电网同频。好比集体舞队伍中增设一位领舞,跟着跳就不容易出错,也能保证跳整齐。但这对领舞要求就比较高了,也就是作为参考的系统需足够强大,跟随的非同步发电机才能输出同频,以维持广义同步稳定性。
2.电压稳定的挑战
电网中负荷的变化、故障的冲击都会影响电压稳定。在传统电力系统的诸多调压措施中,最直接、最经济的手段是通过发电机调压,通过改变发电机磁场强度来改变电压输出。此外,还有调节输电系统中的变压器分接头、投退各级变电站中的电容、电抗器等调压方法。
新能源大规模接入电网后,其在装机容量和发电量上虽然替代了传统同步发电机组,但在电压稳定支撑上却没能承担起同等的责任,维持电压稳定压力增大。
一方面,新能源电压调节能力有限。新能源发电具有间歇性,例如风电机组在有风时才能发电并提供无功功率,发挥电压调节作用;在无风时机组脱网待机,无法参与电压调节。另外,新能源的电压调节能力约为同步发电机组的一半,调节能力较弱。
▎风电与火电经升压接入电网的对比
另一方面,新能源电压支撑效果较弱。新能源一般建立在风、光等资源丰富的山区、沿海等区域,输电距离较远。而新能源机组的输出电压(初级电压)一般在690伏以下,需要经过多层级变压器的升压接入主网,相比而言传统发电机组仅需1级升压接入主网。更长的电气接入距离不仅导致额外的消耗,还降低了新能源对主网电压支撑的敏感性。
再者,新能源耐受力较差,“爆发”能力有限。其仅能提供1.1倍额定电流的动态电压支撑能力,而同步发电机可以提供5至10倍。
3.频率稳定的挑战
传统电力系统主要通过对发电功率调整和负荷管控来调节电网频率。按照调整范围和调节能力的不同,可分为一次调频、二次调频和三次调频。
一次调频主要利用同步发电机组旋转设备(包含汽轮机、发电机、轴)自身的转动惯性,释放(或吸收)动能来防止频率快速的变化。此外还可利用调速器根据频率偏差自动调节发电功率的增减,以此恢复频率平衡。这类调频属于发电系统的应激反应,调节响应较快。
二次调频也称为自动发电控制(AGC),自动跟踪电力调度机构下达的指令,按照一定调节速率实时调整发电功率,维持频率稳定。
三次调频主要通过协调各发电厂之间的负荷经济分配,在满足电力系统频率稳定和系统安全的前提下,以最低的发电成本获得更多、优质的电能。
随着新能源渗透率的增加和相应的同步发电机的退出,电力系统一次调频资源将逐渐减少,频率调节难度有所增加。若把发电机组参与调频看成是一群人在蹬连体自行车,新能源却坐在车上“偷懒”,不主动提供频率调节能力。
▎调频中“偷懒”的新能源
这是由于与同步发电机组相比,新能源并网逆变器接口的电力电子器件不具备惯性响应能力,在同等强度的频率扰动下,惯性降低会使得频率初始跌落增快。另外,以浙江的新能源电站为例,此类电站运行时往往以最大化利用可用发电能力为目标,不具备发电裕度,因此也不能参与一次调频。
而一次调频资源的减少,使得扰动后中频率变化的最大偏差增大,可能触发保护装置动作使发电设备脱网,导致频率偏差进一步加剧。
破题思路
新型电力系统的建设涌现了大量新技术、新设备,同时也给电力系统的三大稳定问题带来新的破题思路。
以浙江电网为例:
在同步稳定方面,对以新能源为代表的非同步发电机进行改造,使其外部特性与同步发电机类似,在学术上称为“构网型技术”。采用该技术后,新型电力系统中同步稳定的复杂性可有效降低。
构网型非同步发电机无需强大的系统(交流电网)作为参考,也就是说不需要领舞也可以保持同步。同时构网型非同步机电源也能为系统提供一定的电压和频率的支撑,对维持电压和频率稳定也有促进作用。
目前,国网浙江电力正在积极规划、开展构网型新能源、储能、柔性直流的研究和示范应用,为未来接纳更大规模的新能源探索发展路径。
在电压稳定方面,国网浙江电力从源、网两侧同时发力,挖掘内生资源,拓展调节手段,保障大电网电压稳定。
▎柔性励磁系统在温州投运
在电源侧,一方面持续挖掘和巩固常规电源对电压稳定的压舱石作用,研制投运了世界首个柔性励磁系统示范工程,通过对发电机组的柔性化改造,将电压强励能力提升2倍;另一方面充分挖掘和释放新能源场站调节资源潜能,通过创新开展主动电压支撑技术研究,增强新能源参与电网电压调节的能力。
在电网侧,通过加装新型调相机、静止无功补偿装置,以及创新应用电力电子变压器等新设备,丰富电网调度控制手段,补充动态调节资源,提升电网承载力。
在频率稳定方面,除了继续提升常规机组的调频能力外,还可挖掘利用新能源、虚拟电厂(负荷聚合商)、储能和地调调管资源等新型调节资源。
▎新型电力系统频率多层协同自动控制体系示意图
国网浙江电力通过构建新型电力系统频率多层协同自动控制体系,全面提升新型电力系统调频能力,相继在岱山、长兴等地实现海上风电场、电化学储能电站的一、二次调频控制功能;在省域建设虚拟电厂,实现对分布式光伏、储能及可调负荷资源的灵活聚合控制;建立浙江基于省地协同一体化的自动发电控制模式和体系,接入了生物质电厂、燃气电厂、储能电站、水电站、光伏电站、风电场站等多类型电厂(站),共计新增552.7兆瓦地区调度的调峰调频容量,相当于增加了一台大型抽蓄机组。供稿:国网浙江电科院董炜 张建承 张江丰 江航
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