伍陽陽，陳亦平，李勝男，肖亮，方必武，何廷一

（1.云南電力試驗(yàn)研究院（集團(tuán)）有限公司，昆明 650217；2.中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣州 510663；3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217）

0 前言

當(dāng)前，全球電力系統(tǒng)處于能源轉(zhuǎn)型的中心環(huán)節(jié)，正面臨以去碳化、柔性化、數(shù)字化為趨勢的重大變革，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)勢在必行。

2017年南澳大停電、2019年英國大停電、2020年美國加州大停電，都與新能源大規(guī)模接入直接相關(guān)。由于風(fēng)電和光伏發(fā)電受制于自然環(huán)境，極端天氣導(dǎo)致高比例新能源短時(shí)出力下降，在系統(tǒng)備用容量不足，極易引發(fā)電力供應(yīng)短缺、系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)，大規(guī)模、高比列新能源接入與電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行之間“矛盾”，已成為共性問題[1-5]。

在國家“2030年碳達(dá)峰、2060 年碳中和”政治目標(biāo)下，南方電網(wǎng)提出“十四五”、“十五五”期間各新增新能源裝機(jī)1億千瓦，受新能源波動(dòng)性和低利用小時(shí)數(shù)影響，新能源電力高占比場景將遠(yuǎn)早于電量高占比場景出現(xiàn)，能否保障電力高占比場景下電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行是亟待回答的關(guān)鍵問題。

國內(nèi)青海電網(wǎng)新能源裝機(jī)占比已達(dá)60%，冀北新能源裝機(jī)占比已達(dá)65%，分別依托西北電網(wǎng)和華北電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)消納。國際上新能源高占比運(yùn)行的丹麥和德國主要依托北歐和歐洲大陸的大型互聯(lián)系統(tǒng)。相較局部地區(qū)的新能源高占比，云南和愛爾蘭這樣的獨(dú)立同步網(wǎng)的情況更具示范意義。

愛爾蘭是歐洲新型電力系統(tǒng)建設(shè)中高比例非同步電源滲透率的示范系統(tǒng)，隨著DS3(Delivering a Secure Sustainable Electricity System)項(xiàng)目的實(shí)施，愛爾蘭的非同步電源滲透率水平（System Non-Synchronous Penetration，SNSP）從2015年的50 %提高到了2021年的70%，其目標(biāo)是2030年將SNSP提高到95 %。圖1顯示2021年2月10日至22日期間愛爾蘭的SNSP水平，這表明愛爾蘭電網(wǎng)已具備按照70 %SNSP的運(yùn)行能力。

圖1 愛爾蘭電網(wǎng)70%SNSP試運(yùn)行情況（2021/2/10-2021/2/22）

非同步電源是相對(duì)同步機(jī)而言，一般通過電力電子換流器，采用鎖相環(huán)（PLL）或功率同步環(huán)（PSL）技術(shù)手段，保持與電網(wǎng)同一頻率、同步運(yùn)行。云南非同步電源主要是風(fēng)電、光伏，根據(jù)云南新能源裝機(jī)規(guī)劃，云南將成為全國新能源滲透率最高的獨(dú)立省級(jí)同步電網(wǎng)之一，預(yù)計(jì)2025年枯水期將率先出現(xiàn)60-70%以上的非同步電源滲透率。故本文將從云南新能源特性、外送能力以及省內(nèi)負(fù)荷水平特性出發(fā)，研究2025年云南非同步電源運(yùn)行場景與應(yīng)對(duì)舉措，推進(jìn)云南電網(wǎng)具備70%新能源電力滲透率下安全運(yùn)行能力。

1 云南新能源發(fā)電特性

云南新能源主要為風(fēng)電、光伏，省內(nèi)平均風(fēng)功率密度大于50 W/m2的可開發(fā)區(qū)面積約4.52萬km2，山區(qū)占總面積94%，山地風(fēng)速的地形效應(yīng)非常顯著，風(fēng)速隨海拔高程的相對(duì)增加而大幅增加[6-7]。年太陽輻射量大于6 000 MJ/m2的最佳區(qū)域有12個(gè)縣，其總面積約3.7萬km2，其年平均太陽輻射總量約213萬億MJ，相當(dāng)于79億t標(biāo)準(zhǔn)煤。

通過對(duì)云南省2017年—2020年四年的風(fēng)電、光伏年度發(fā)電量研究、分析，如圖2所示，可以看出：

圖2 云南2017年至2020年風(fēng)光發(fā)電特性

1）風(fēng)電、光伏在一年之中，7月—9月屬于云南雨季天氣，風(fēng)電處在小風(fēng)期、光伏光照強(qiáng)度弱；

2）隨著風(fēng)電、光伏容量的增加，非同步電源占比云南統(tǒng)調(diào)電量逐年逐步提高；

3）在11月—次年4月云南風(fēng)電處于大風(fēng)期、天氣以晴好為主，新能源電量占比云南統(tǒng)調(diào)電量超過30%概率增大。

2 云南外送能力

2016年云南電網(wǎng)與中東部主網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)后，云南直流外送能力逐年提高，到2021年±800 kV昆柳龍直流三端全部投產(chǎn)后，云南電網(wǎng)作為一個(gè)典型的水電外送系統(tǒng)，將擁有4160萬千瓦的直流外送通道。如圖3、圖4所示，云南電網(wǎng)在豐水期和枯水期外送水平差別巨大，豐水期云南電網(wǎng)屬于“水+風(fēng)+光”系統(tǒng)，非同步電源滲透率較低，水電通過直流外送到中東部主網(wǎng)，系統(tǒng)強(qiáng)度足夠、抗擾動(dòng)能力強(qiáng)[8-9]；枯水期云南電網(wǎng)屬于“風(fēng)+光+水”系統(tǒng)，非同步電源發(fā)電處于高水平，此階段系統(tǒng)抵御電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)能力弱，系統(tǒng)備用容量、慣量底限以及Rate of Change of Frequency (RoCoF)等性能指標(biāo)是電網(wǎng)安全運(yùn)行必須監(jiān)視的。

圖3 云南水電發(fā)電分布特性

圖4 云南外送電量分布特性

3 云南SNSP水平分析

目前云南電網(wǎng)水電7100多萬千瓦、風(fēng)光1200多萬千瓦以及煤電1100多萬千瓦，其中風(fēng)光與水電形成天然的互補(bǔ)態(tài)勢。故選擇枯水期、非同步電源高出力階段來分析云南非同步電源SNSP水準(zhǔn)，對(duì)云南建設(shè)新型電力系統(tǒng)具有關(guān)鍵性的技術(shù)指引作用。

3.1 System Non-Synchronous Penetration(SNSP)

SNSP是用來表示系統(tǒng)瞬時(shí)非同步發(fā)電水平的運(yùn)行指標(biāo)，它是非同步電源發(fā)電和直流饋入與負(fù)荷和直流送出的比值[10]。因此，以百分比表示SNSP方程如下：

3.2 云南枯水期SNSP水平分析

對(duì)于云南送端電網(wǎng)而言，分析SNSP性能指標(biāo)時(shí)，只需研究省內(nèi)負(fù)荷、直流送出以及非同步電源發(fā)電三方面要素即可。選取云南2018年至2021年1月-3月歷史數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)樣本，分析云南SNSP運(yùn)行水平。

1）從調(diào)度OCS歷史數(shù)據(jù)庫查找SNSP相關(guān)因素歷史數(shù)據(jù)，如圖5所示，可以看出：

圖5 云南省內(nèi)負(fù)荷、直流送出以及非同步電源歷史數(shù)據(jù)曲線

a.云南2018年-2020年1月-3月省內(nèi)負(fù)荷前三年基本保持在1500萬千瓦至2000萬千瓦左右，2021年由于云南省大量引入鋁硅大型用電負(fù)荷，導(dǎo)致2021年省內(nèi)負(fù)荷提升到2000萬千瓦至2500萬千瓦左右；

b.外送水平在枯水期小方式下大概在500萬千瓦至1000萬千瓦之間；枯水期大方式下外送在1000萬千瓦至1500萬千瓦之間；

c.近4年云南非同步電源裝機(jī)變化不大，2018年至2021年基本維持季節(jié)規(guī)律性，枯水期整體出力在500萬千瓦左右。

2）云南SNSP運(yùn)行水平如圖6所示，可以看出：

a.目前云南電網(wǎng)風(fēng)光占總裝機(jī)占比僅13%左右，但在春節(jié)低負(fù)荷、低外送方式下會(huì)出現(xiàn)特殊高占比運(yùn)行方式，風(fēng)光出力正常占比在20-30%之間，最高占比達(dá)到50%左右；

b.2020年、2021年 云 南 電 網(wǎng) 暫 時(shí) 按40%SNSP控制，約束因素為參考故障下的臨界頻率變化率；從圖6可以看出2018年、2019年2月份SNSP均存在超過0.4的水平，經(jīng)過人工干預(yù)后2020年、2021年SNSP未超過預(yù)警線；

圖6 云南2018年-2021年1月-3月非同步電源SNSP

c.從實(shí)際SNSP預(yù)控效果來說，控制精度不高、非同步電源發(fā)電效率降低。

3.3 2025年云南枯水期SNSP水平

分別在云南枯水期外送大小方式下對(duì)2025年云南非同步電源SNSP水平進(jìn)行生產(chǎn)場景推演。

外送大方式下：以2019年云南外送能力作為外送基準(zhǔn)，省內(nèi)負(fù)荷以2021年為基準(zhǔn)，負(fù)荷增長率8.5%，來測算2025年省內(nèi)負(fù)荷水平；新能源的出力以2019年實(shí)際出力數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，按照裝機(jī)容量增長比率，進(jìn)行2025年新能源出力測算。

外送小方式下：以2018年云南外送能力作為外送基準(zhǔn)，省內(nèi)負(fù)荷以2021年為基準(zhǔn)，負(fù)荷增長率8.5%，來測算2025年省內(nèi)負(fù)荷水平。新能源的出力以2019年實(shí)際出力數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，按照裝機(jī)容量增長比率，進(jìn)行2025年新能源出力測算。

如圖7所示，在外送大小方式下：2025年云南在枯水期、非同步電源高出力情況下，SNSP水平基本在0.4～0.6之間；現(xiàn)有在SNSP控制在0.4已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須采取措施提高SNSP水平與控制精度，充分體現(xiàn)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)調(diào)控能力。

圖7 2025年云南外送大小方式下SNSP水平

4 結(jié)束語

在新型電力系統(tǒng)建設(shè)中，SNSP的控制水平處于十分重要的地位，是實(shí)現(xiàn)高水平新能源電量占比RES-E（Renewable Energy Source Electricity）的前提與保障。在大型獨(dú)立同步網(wǎng)中，愛爾蘭已實(shí)現(xiàn)70 %的SNSP水平運(yùn)行，并已制定實(shí)現(xiàn)95 %SNSP的行動(dòng)計(jì)劃。在美國德克薩斯電網(wǎng)，2021年3月也已出現(xiàn)66 %的瞬時(shí)風(fēng)電滲透率。

云南電網(wǎng)暫時(shí)按40 %SNSP控制，但在新能源功率精準(zhǔn)控制領(lǐng)域較國際先進(jìn)水平尚存在一定差距。在未來新能源裝機(jī)大幅增加方式下，以2025年云南新能源高滲透率場景分析新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定特性具有重大的科學(xué)和工程意義。借鑒愛爾蘭電網(wǎng)的經(jīng)驗(yàn)，建議重點(diǎn)開展以下研究：

1）研究新能源高占比下系統(tǒng)穩(wěn)定特性變化，確定最低同步機(jī)開機(jī)方式。當(dāng)前新能源機(jī)組大都以跟網(wǎng)型變流器并網(wǎng)，同步機(jī)開機(jī)方式?jīng)Q定了系統(tǒng)慣量和無功電壓支撐能力，是系統(tǒng)支撐能力的基礎(chǔ)來源。

2）確保頻率穩(wěn)定的臨界慣量和直流頻率調(diào)制需求，建設(shè)新能源機(jī)組主動(dòng)支撐能力；按照當(dāng)前云南開機(jī)方式，枯水期系統(tǒng)慣量在100-200GW*s的水平，最低開機(jī)方式約50GW*s；豐水期系統(tǒng)慣量大部分在200-300GW*s的水平。由于要抵御的擾動(dòng)功率水平較高，云南網(wǎng)慣量水平偏低，主要依靠直流FLC提供快速功率支援來解決。在擁有快速頻率響應(yīng)資源下，系統(tǒng)的臨界頻率變化率可以提高至0.5 Hz/s以上，臨界慣量要求可以下降。利用新能源機(jī)組的快速頻率響應(yīng)，能夠顯著改善高頻擾動(dòng)的頻率動(dòng)態(tài)過程，在減載方式下也能夠提供可觀的向上支撐能力[11-13]。

3）完善對(duì)非同步電源滲透率SNSP的監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)基于超短期功率預(yù)測的新能源機(jī)組AGC精準(zhǔn)控制[14-16]。

通過上述工作，在2025年前讓云南電網(wǎng)具備70 %新能源電力滲透率下安全運(yùn)行能力，并以此推進(jìn)新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定機(jī)理、分析方法和控制措施技術(shù)體系的構(gòu)建和完善。