超高比例新能源弱电网系统供电关键问题研究

3.0 2026-04-20 4 4 4.19MB 15 页 20龙币

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新型电力系统

New Type Power Systems

Vol. 2 No. 3

Aug. 2024

第 2 卷第 3 期

2024 年 8 月

超高比例新能源弱电网系统供电关键问题研究

刘泽洪，周原冰，李隽，燕志宇，郑炜

（全球能源互联网发展合作组织，北京 100031）

Research on Key Issues on Supplying Ultra-high New Energy Penetrated Weak Systems

LIU Zehong, ZHOU Yuanbing, LI Jun, YAN Zhiyu, ZHENG Wei

(Global Energy Interconnection Development and Cooperation Organization, Beijing 100031, China)

ABSTRACT: With the large-scale integration of new energy into the power system, the characteristics and operating

mechanisms of the system have undergone profound changes, especially in areas far from the main grid and lacking traditional

energy, facing severe challenges such as power supply reliablility and system security. Existing research mostly focuses on a

certain aspect of the source-grid-load-storage, and proposes methods to improve the reliability of power supply in medium or

high proportion new energy power systems. However, there is a lack of targeted consideration and systematic forward-looking

solutions for the unique problems of ultra-high proportion new energy weak systems. Therefore, this paper takes the weak

power grid with a proportion of new energy electricity exceeding 80% and a short circuit ratio of new energy grid points below

1.5 as the research object, and proposes an overall research framework including optimized configuration of power sources and

flexible regulation resources, grid networking mode, and transient simulation analysis. Case studies in an ultra-high proportion

of new energy weak grid system in western China are conducted to manifest the effectiveness of the proposed methods. The

results indicate that the proposed scheme, using ultra-high proportion new energy generation as basis, weak-interconnected

power grids as carriers, multivariate energy storage and load regulation as flexibility support, and grid-forming technique as

security support, can effectively ensure reliable power supply for the system and provide reference for the construction of

future ultra-high proportion new energy new-type power systems.

KEY WORDS: ultra-high ratio new energy; weak power grid; balance of power and energy; transient simulation; multivariate

energy storage; grid-forming technique

摘要：随着电力系统中新能源并网规模快速增加，系统形态特征与运行机理发生深刻变化，特别对远离主网、缺乏传

统能源的地区，面临电力保供和系统安全稳定等严峻挑战。现有研究多从源网荷储某一环节切入，提出中高比例新能

源电力系统供电可靠性提升方法，缺乏对超高比例新能源弱电网系统特有难题的针对性考虑及系统性、前瞻性解决方

案。为此，文中以新能源电量占比超过 80%、新能源并网点短路比低于 1.5 的弱电网系统为研究对象，提出含电源及

灵活调节资源优化配置、电网组网模式、暂态稳定运行分析的总体研究框架，并以我国西部某超高比例新能源弱电网

系统为例开展实证研究。研究成果表明，所提方案以超高比例新能源发电为基础，以弱联电网为载体，以多元储能及

负荷柔性调节为灵活性支撑，以构网控制技术为安全支撑，能有效保障系统可靠供电，为未来超高比例新能源新型电

力系统的构建提供借鉴参考。

关键词：超高比例新能源；弱电网；电力电量平衡；暂态建模仿真；多元储能；构网控制

0　引言

近年来，全球风电、光伏装机持续迅猛增长，

加快发展风光新能源、实现电力清洁转型已经成

为全球共识。随着新能源并网规模快速增长和新

能源渗透率的不断提升，电力系统在电源构成、

电网形态、负荷特性、运行特性等各方面正发生

DOI: 10.20121/j.2097-2784.ntps.240041 文章编号：2097-2784(2024)03-0282-15 中图分类号：TM 17 文献标识码：A

刘泽洪，周原冰，李隽，等：超高比例新能源弱电网系统供电关键问题研究第 3 期

深刻变化，电力电量实时平衡和电力系统安全稳

定等问题突出

［1-2］

。特别是对缺乏传统电源支撑且

网架结构薄弱的一些地区，新能源电源超高比例

接入、电网强度弱等特征愈发显著，电力保供和

系统安全稳定面临更加严峻的挑战

［3］

。

本文重点开展超高比例新能源弱电网系统供

电问题研究。鉴于行业内尚未对超高比例新能源

弱电网系统做出明确定义，本文在文献［4］的基础

上，将之定义为“以新能源为电源主体且新能源

电量占比超过 80%，电网强度弱，新能源并网点

短路比低于 1.5，与大电网弱联系的一类系统”。

例如，我国西藏阿里地区、内蒙古额济纳旗、美

国科罗拉多州阿斯彭市

［5］

、德国梅克伦堡-前波莫

瑞州

［6］

等偏远地区电力系统均属于该范畴。

国内外学者围绕高比例新能源系统的规划建

设、调度运行、安全稳定控制等领域开展了大量

研究，取得了一系列成果。文献［7］重点从长期不

确定性、短期不确定性、电力系统充裕性、电力

系统安全性 4个方面，对高比例可再生能源系统长

期规划模型的构建与应用展开综述分析。文献［8］

提出了考虑长周期供需不平衡风险的新型电力系

统规划方法，通过季节性储能等灵活性资源的优

化配置，提升电力系统的长周期平衡能力。文献

［9］提出一种按时间尺度逐层分解、递进优化的电

力电量平衡分析方法与调度优化策略，提出调节

资源协同配置、调整发电机组检修策略、调整送

受电策略及建设配套电力市场机制等建议措施，

确保电力可靠供应与可再生能源最大限度消纳。

文献［10］提出一种耦合分位点回归理论和降维聚

类技术的新能源出力场景集生成方法，构建考虑

新能源不确定性的随机期望值调峰调度模型。文

献［11］分析了新型电力系统对仿真体系提出的新

要求，提出构建以全维度、全场景、全要素、全

过程为特征的新型电力系统仿真体系。文献［3］基

于一般惯量概念给出了新型电力系统广义惯量的

定义和数学描述，分析了广义惯量资源体系对电

力系统的支撑作用机理。文献［12］针对电力系统

动态特性和控制方式在新能源高比例接入背景下

的变化，提出需要新的稳定分析方法、控制策略

和系统运行概念来适应这些变化，如更灵活的电

网运行方式、更先进的控制算法和更高级别的系

统协调等。文献［13］针对高度电力电子化系统在

稳定性分析方面的新要求，深入研究了低惯量电

力系统的小信号稳定性问题，设计了虚拟同步机

（virtual synchronous generator，VSG）控制、下垂

控制等策略，有效提高了系统的同步功率和阻尼，

并通过仿真和实验验证了系统在扰动后恢复稳定

的能力。

上述研究多从源网荷储某一环节切入，提出

中高比例新能源电力系统供电可靠性提升方法，

缺乏对超高比例新能源弱电网系统特有难题的针

对性考虑及系统性、前瞻性解决方案。为此，本

文通过分析超高比例新能源弱电网系统面临的问

题挑战，从电源和灵活调节资源优化配置、电网

组网模式、暂态稳定运行等方面研究提出总体研

究框架并开展实证分析，旨在为未来超高比例新

能源新型电力系统的构建提供借鉴参考。

1　超高比例新能源弱电网系统的问题挑战

1.1　新能源作为电力电量供应主体，系统充裕性

面临巨大挑战

超高比例新能源系统中，新能源作为电力电

量供应主体，其发电利用小时数低、置信容量低、

季节性出力变化大等特性使得系统面临充裕性挑

战，对电源优化配置提出较高要求。

1）新能源发电利用小时数低，超高电量占比

需要超大规模装机。

新能源年均发电利用小时数约 1500~2500 h，

远低于 5000~6500 h 的系统年最大负荷利用小时

数。要获得超高电量占比，新能源发电装机容量

需达到最大负荷的 3~5倍，才能保证电能供应的充

裕度。以甘肃为例，经运行模拟，预计 2050 年新

能源装机达到 2.4 亿kW 才能满足当年 6000 万kW

最大负荷的电量需求。

2）新能源置信容量低，新能源超高占比进一

步加剧了负荷高峰时刻电力支撑能力不足的风险。

统计数据显示，新能源的置信容量仅为装机

容量的 5%~10%

［14］

。负荷晚高峰时刻，光伏出力

283

新型电力系统第 2 卷

为零，系统主要依赖风电及传统电源提供电力支

撑，避免发生失负荷。超高比例情况下，由于新

能源对传统电源的电量替代效应，传统电源占比

极低，难以在短时间内提供大量可靠电力，加剧

了电力不平衡问题。而且，受低置信容量影响，

靠增加新能源装机的方式提高系统电力支撑能力

的效果微弱，需要与大电网、各种类型灵活调节

资源等配合实现供电保障。

3）新能源出力季节特性显著，超高比例情景

下季节性电量平衡难度加大。

一般来说，夏、冬季用电高峰期的新能源出

力低于年平均水平，而春、秋季新能源大发时的

用电水平处于全年低谷

［15］

。中、高比例时可以通

过调整传统电源发电量以平衡供需。超高比例情

景下，传统电源以短时电力支撑调节为主，新能

源为电量供应主体，用电高峰月份的电量供应不

足，电量平衡面临严峻困难。以我国西北地区为

例，经运行模拟，不同新能源占比下各月电量盈

亏占月电量需求的比值如图 1所示。当新能源占比

由中比例提升至超高比例，1月电量盈余由 13% 增

加至 52%，8月电量短缺由 4% 提升至 16%，盈亏

差距逐渐加大，季节性不平衡愈发显著。

4）新能源出力与气象条件强耦合，超高比例

系统在极端天气条件下呈现脆弱性。

新能源发电能力强依赖于天气过程，暴雪冰

冻、高温干旱、飓风等极端天气事件可导致新能

源大规模同时减载甚至停运，在超高比例新能源

渗透率情景下对电力供需平衡影响极大，系统可

靠供电存在较大风险

［16］

。2021 年2月，美国德州

发生极端寒潮天气造成风电机组结冰停运、天然

气机组燃料短缺停运，引发电力供应短缺，超 450

万德州居民遭遇停电，直接、间接经济损失高达

上千亿美元

［17］

。

1.2　超高比例新能源的出力随机性更加显著，对

系统灵活性提出更高要求

随着新能源渗透率提升至超高比例，新能源

出力的随机性、波动性影响愈发显著，风速、太

阳辐射强度等气象要素的细微变化都会直接影响

大范围风电、光伏发电出力，影响电力系统平衡

及稳定运行，对短时快速电力调节、夜间长时电

量支撑、跨季节能量搬移等灵活调节资源需

求大。

1）超高占比进一步放大了新能源日内功率波

动范围，对短时快速电力调节要求高。

新能源日内出力波动显著，且随着占比提升，

功率波动范围呈扩大趋势。统计数据显示，2023

年国家电网公司经营区新能源电量占比约 18%，

日最大功率波动达 2亿kW，占日峰荷的 20%；预

计2060 年全国范围内新能源电量占比超过 55%，

日内最大功率波动占日峰荷的比例提升至约 60%~

75%，其中 15 min 最大功率波动可达峰荷的 10%，

1 h 可达 25%

［14］

。新能源日内功率波动范围大，对

短时快速电力调节要求高，仅依靠有限的常规电

源调节能力难以处理新能源功率波动，需要大规

模储能技术、负荷柔性调节技术、扩大电网互联

多措并举加以应对。

2）新能源发电“日强夜弱”，超高比例情景

下系统夜间缺电与白天弃电的矛盾突出，夜间长

时电量支撑能力不足。

夜间，光伏发电无法运行，只有风电充当供

电电源，但其发电量受风速等天气条件影响，波

动较大，难以匹配负荷需求曲线，导致夜间电量

供应不足。白天，光伏出力较为集中，中午时段

的高峰电力无法全部消纳，导致出现大量弃电。

超高比例情景下，风电出力波动与光伏出力集中

的特性进一步强化，导致夜间缺电与白天弃电的

矛盾更加突出，高度依赖储能将白天富余电力转

图1　不同新能源占比下电力系统逐月电量盈亏情况

—

以西北地区为例

Fig. 1　Monthly electricity balance under different

proportions of new energy-a case in northwest China

284

刘泽洪，周原冰，李隽，等：超高比例新能源弱电网系统供电关键问题研究第 3 期

移至夜间，发挥电量支撑作用。以西藏阿里地区

为例，不考虑储能充放电的影响，冬季典型日下

光伏弃电率高达 60%，风电夜间发电量供应仅能

满足电量需求的 15%，保供压力巨大。

3）超高占比情况下，为应对新能源季节性电

量不平衡问题，对跨季节储能技术需求紧迫。

由于新能源出力与负荷需求之间存在季节性

错配，为了保障系统可靠供电，一方面由于传统

能源匮乏无法通过部署常规电源提升保供能力，

另一方面，一味增加新能源装机对提升枯期电量

供应的效果不佳，且经济性较差。因此，超高占

比情况下，利用跨季节储能将丰期富余电力储存

起来以备枯期使用是是应对季节性电量不平衡的

必然选择，并且在面临突发情况（自然灾害、设

备故障等）时，跨季节储能可迅速提供电力支援

的能力，发挥应急保供作用。

1.3　弱电网系统缺乏惯性和阻尼支撑，新能源机

组低抗扰动特征凸显

超高比例新能源弱电网系统中，提供惯量支

撑和系统阻尼的传统同步机组极少，网架结构薄

弱，同时对外联网规模小，难以从大电网获得支

撑。在此情况下，新能源机组低抗扰动特性凸显，

系统小扰动故障将造成暂态过电压、宽频振荡等

诸多问题，整体稳定裕度不足，新能源连锁脱网

风险增加

［18］

。

2011 年起，新疆哈密、河北沽源、广东南澳、

江苏如东、吉林通榆等地区陆续发生大规模风电

机组次同步振荡脱网事故。2016 年9月、2019 年

8月和 2020 年8月，澳大利亚、英国、美国也均由

于新能源机组连锁脱网造成了大面积停电事故。

这些事故发生的主要原因是高比例新能源系统的

惯量和阻尼水平不足，调节和抗扰能力弱，系统

无法平抑振荡或在故障后电压频率快速跌落越限，

最终触发低频减载保护，导致用户侧大面积停电。

此外，2017 年起，甘肃酒泉、内蒙古锡林郭勒盟

等新能源基地开始陆续出现严重的暂态过电压问

题，电网强度不足的问题开始直接影响新能源的

开发与消纳。

1.4　高比例电力电子变流器在弱电网系统中的设

备级稳定难题，加重系统暂态失稳风险

超高比例新能源弱电网系统中，新能源机组低

惯量、弱阻尼问题更加突出，电力电子设备的大规

模接入深刻改变系统的动态特性，非线性性、时变

性、异构性、不确定性等特征，导致系统内在稳定

运行机理发生变化，可能造成同步机功角稳定问

题、变流器同步稳定问题、系统电压稳定问题并存

的复杂情况。同时，现有电力电子设备控制方式以

“电网友好”的跟网型（grid-following，GFL）为

主，无法为弱电网系统提供主动支撑能力，加大了

系统安全稳定运行难度。

高比例跟网型变流器给弱电网系统造成的暂

态稳定问题，除了宽频振荡外

［19-22］

，短路故障等大

扰动后的系统暂态电压稳定和同步稳定风险挑战

更大。由于高比例新能源系统的高维强非线性特

性及全新的动态特性和运行方式，传统大扰动分

析模式不再适用，需要进一步拓展为设备级和系

统级两类暂态稳定问题进行分析。系统级失稳与

传统电压、频率、功角失稳问题类似，而设备级

失稳则包括变流器的同步失稳、直流电压失稳和

故障穿越失败 3类新问题。大面积的设备级失稳将

进一步引发系统级的稳定问题，而设备级稳定与

系统中变流器的控制方式密切相关，采用跟网型

还是构网型（grid-forming，GFM）控制、故障穿

越设置、变流器间协同运行方式都将直接影响系

统暂态稳定能力，这些问题耦合叠加，系统运行

控制挑战巨大。

2　总体研究框架

超高比例新能源弱电网系统面临充裕性、灵

活性和安全性等难题，根本上是需要从电源优化

配置、灵活调节资源配置、电网组网模式、暂态

稳定运行等方面提出系统性解决方案。图 2给出了

超高比例新能源弱电网系统供电问题研究框架示

意图。

2.1　电源优化配置

电源主体决定了系统电力、电量在多时间尺

度上的平衡能力。考虑地区电源资源禀赋、新能

285

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