新能源高占比电力系统下的低频减载技术应用

创作时间:

2025-01-22 07:27:32

作者:

@小白创作中心

新能源高占比电力系统下的低频减载技术应用

随着全球能源转型的深入推进，新能源在电力系统中的占比不断增加。预计到2060年，新能源发电量占比将超过80%。然而，新能源的快速发展也给电力系统带来了新的挑战。在新能源高占比电力系统中，传统的低频减载技术面临着前所未有的挑战。

新能源高占比电力系统的挑战

新能源高占比电力系统具有以下特点：

电力电子化趋势：相比传统电源形式的旋转机械接口，风电、光伏等形式的电力电子接口具有响应快、惯量低的特点，使得系统的频率响应能力下降，最大频率偏差增大，显著影响系统的频率稳定性。
有效容量低：新能源在系统平衡或容量充裕性分析中所考虑的能够等效替代常规电源发电容量，称作新能源的有效容量或保证容量。新能源出力的波动性与不确定性导致其参与系统平衡的有效容量远低于常规电源。在美国得州电力可靠性委员会冬季容量充裕性分析中，100 MW的陆上风电在系统平衡中仅等效为19 MW的常规电源容量。
负荷支撑能力弱：新能源负荷支撑度是指新能源实际出力占对应时刻系统负荷的比例。2022年，中国新能源平均负荷支撑度不足15%，全年近四分之三的时段新能源处于低负荷支撑度，高负荷支撑度时段不足1%。由于新能源出力与负荷匹配性差，新能源负荷支撑度在晚高峰最低，并呈现“春高冬低”的季节性特征。
保供与消纳矛盾：随着新能源占比持续快速提升，新能源小发期间电力供应不足和大发期间消纳困难的问题将频繁交替出现。在火电装机规模一定的情况下，较大的开机方式有利于保障电力稳定可靠供应，但会挤占新能源发电空间，加大弃电风险；反之，要保证新能源高水平消纳，就需要适当减小火电开机容量，减弱保供能力。
极端天气下的脆弱性：新能源出力不确定性叠加对系统的弱支撑能力，加重了极端天气下新能源高占比电力系统的脆弱性。近年来，国际上与新能源相关的电力供应安全事故频发。在这些事故中，新能源受极端天气影响，出力不确定性显著增加，在用电负荷急速增长时，新能源出力跟不上，加剧了电力平衡压力。

低频减载技术面临的挑战

低频减载是电力系统第三道防线的重要组成部分，其主要作用是在电网频率因有功功率缺额而下降时，自动切除部分非重要负荷，以维持系统稳定运行并防止频率崩溃。然而，在新能源高占比电力系统中，传统的低频减载技术面临着以下挑战：

故障特征变化：传统基于工频量的继电保护认为故障瞬间电网电源电压、短路阻抗维持恒定，而电力电子器件控制方式和拓扑结构的快速调节，新能源电源运行结构和控制策略的快速变化，都将使得故障瞬间电力系统电源和短路路径发生瞬时改变。在暂态电气量易发生瞬变、畸变的情况下，现有继电保护基础原理将难以完全适应。
配电网结构变化：传统的配电网特点是单电源供电，供电网络呈辐射型结构，电网中的所有电气设计，包括继电保护的配置均是基于单电源进行的。而由于分布式光伏、储能以及新型负荷的大量接入，当前配电网正逐步向“配电系统”转变。这种变化将影响传统配电网中的短路电流分布，从而影响继电保护的选择性和灵敏性。比如可能出现新能源侧短路电流受限导致差动保护灵敏度下降、电压相位受控突变导致方向元件失效、分布式电源的助增效应导致三段过流保护失配、负荷侧“含源量”上升导致低频减载欠切风险增加等问题。
控制时效性要求提高：随着新能源占比的提高，电力系统的动态特性变得更加复杂，故障传播速度加快，影响范围扩大。这要求低频减载技术必须具有更高的时效性和准确性，否则可能无法及时抑制频率下降，导致系统失稳。