如何破题电力系统三大稳定问题

上一期讲了电力系统六大核心问题之一的电力电量平衡问题。电力系统不仅在平衡上有大学问，在稳定方面也有诸多奥妙。

本期讲讲核心问题之中的电力系统的三大稳定问题。

（来源：微信公众号“浙电e家” 作者：融媒体中心）

电力系统的三大稳定是什么？

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