疏通新能源电力经络

为大电网“强筋健骨”

我国电网多年来安全稳定运行的背后，离不开创新。“提升新能源消纳能力的大电网安全稳定量化评估与控制技术及应用”项目为大电网提供支持，助力新能源高占比电力系统的稳定水平提升，为北京市高端产业升级、能源供给安全及低碳绿色发展作出了重要贡献。

电网安全稳定运行，是关乎社会发展和人民生活的重要议题。试想一下，我们身处没电的世界会是什么样?夏天酷热难耐、冬天寒冷彻骨，黑暗、停滞成为常态，不安的情绪逐渐蔓延……

时至今日，因新能源脱网引发的大停电事故，在欧美澳等国家和地区依然时有发生。相比之下，我国电网多年来安全稳定运行，在这背后，创新力量发挥了必不可少的支撑作用。

从2011年开始，“提升新能源消纳能力的大电网安全稳定量化评估与控制技术及应用”项目瞄准新能源安全消纳量化评估和大电网多维优化协同控制两大核心难题，持续疏通新能源电力经络，为大电网“强筋健骨”。

项目成果提升了我国华北、西北等新能源高占比电力系统的稳定水平，突破了制约我国新能源安全高效消纳的主要技术瓶颈，有力地支撑了电力行业安全生产和健康发展，也为北京市高端产业升级、能源供给安全及低碳绿色发展作出了重要贡献。

新能源接入，让电网安全面临挑战

过去几十年间，我国传统电网一直以交流电为主，因此，关于电网的安全稳定分析以及支撑电网安全运行的基础理论从未改变。从2011年以后，随着以风、光发电为主的新能源和直流电接入，电网开始面临许多新问题。

首先是电网安全。电网的稳定和安全关系国计民生，虽然我国很多年来都没有发生大的停电事故，但这并不意味着停电离人们很遥远。

这是因为，在新能源接入电网后，如何安全高效地对其进行消纳是世界性难题——尽管西方国家的新能源发电资源与负荷分布均衡，消纳基础优良，因新能源脱网引发的大停电事故却依然时有发生。就在2016年，南澳大利亚发生了持续50小时的大停电。2019年，英国发生的大停电使超过100万人受到影响，严重扰乱了人们生产生活的正常秩序。

其实不管是在国外还是国内，新能源脱网导致的停电故障，风险都相当大。2011年前后，我国华北、西北等地区曾发生近百起、50万千瓦以上的新能源脱网事故，导致新能源无法正常输送，严重威胁了电网安全运行和新能源安全消纳。

就我国而言，新能源的安全消纳与电网稳定运行，面临比西方发达国家更加严峻的挑战。由于发电资源分布相对平衡，西方国家可以就地消纳新能源，并不存在远距离输送的问题，因而电网稳定性相对较好。而我国超过80%优质风、光资源位于“三北”地区(西北、华北、东北),负荷中心却是在“三华”地区(华北、华中、华东)。

这种资源与负荷逆向分布的特点，导致新能源电力必须远距离送往负荷中心，这进一步加剧了形势严峻性。因此，为保证各地的绿色供电安全，需要首先攻克新能源安全高效消纳的难题。

除了远距离输送的挑战外，新能源本身的弱支撑和低抗扰特性，也导致电网支撑和调节能力骤降，为电网安全增添了一片“疑云”。

如果说传统电能是“压舱石”,能够对电网起到支撑、稳定的作用，那么新能源则像是轻飘飘的“纸片”,有一点风吹草动就会飞走。因此，越多的新能源接入，意味着电网强度下降越多。一旦电网无力支撑、发生振荡，就可能导致连锁性的脱网事故发生。

概括而言，我国电网安全和新能源消纳未来面临两方面重大挑战：一方面，系统安全稳定的影响因素倍增，运行风险难以精准量化；另一方面，电源涉网性能难以适应大规模新能源接入需求，扰动故障呈现离散性和不确定性，协同控制难度剧增。因此，业界亟须攻克新能源安全消纳量化评估，以及大电网多维优化协同控制两大核心难题。

实验设备

四项技术突破，全力支撑电力安全

拥抱变化才能迎接新局。“双碳”背景下，我国能源产业向绿色低碳转型的步伐不断加快，这也对电力系统科研人员提出了更多要求。

通俗地说，电力系统科研人员就像一个个“水利工程师”,他们负责疏通河道，保证下游用户可以随时享用水资源。在他们看来，新能源类似补水支流，电网类似河流主流——由于“新能源支流”的水源不稳定，断流或洪水改道的事故时有发生，而“电网主流”则或多或少存在兼容性差、泥沙淤积等问题，导致水流不再畅通。

和水流相比，现实中错综复杂的电网则面临更为复杂的情况。项目组科研人员解释，当他们谈论电网强度时，其实有两个层面的含义。

一是没有故障发生时(即稳态状况下)它的边界到底能承受多少设备，电网自身能提供的支撑力有多强。也就是说，如果把电网想象成一张网，必须首先考虑网的材料、编织的紧密程度等。二是当电力系统面临故障时(即暂态期间)电网的支撑能力，比如某根电线意外断裂，或野生动物导致电线短路等事故发生时电网的承受力。

在传统电力系统的教科书上，这两种能力已经形成了很完善的体系。“但这一切从新能源接入电网后都变了。”科研人员表示。因此，如何量化分析新能源对电网稳定性的具体影响、电网在暂态期间能承受多大扰动等一系列新问题亟待解决。只有攻克了这些难题，才能化解电网安全以及新能源消纳的现实困境。

从上述“痛点”出发，科研人员对该项目设定了两大主题，一是“量化评估”,二是“优化提升防控”。

针对量化评估，科研人员分别突破了稳态边界量化评估、暂态稳定量化评估关键技术，构建了稳态安全边界量化体系，建立了兼顾电网暂态特性及新能源逆变器切换控制特性的暂态安全运行域，研发了电网强度量化评估软件，能满足全国新能源接纳规模评估需求。

针对优化提升防控，科研人员则是从多维优化预防控制、实时紧急协同控制入手，攻克了主动响应电网强度变化的电源控制策略优化技术，研制了场站级快速调频调压装置，建立了基于主导特征量的实时协调控制架构，研制了大电网安全稳定实时防控系统。

最终，项目通过了中国电工技术学会组织的技术鉴定。由中国工程院院士汤广福等专家组成的鉴定委员会认为，项目整体成果在国际上处于领先水平。

回顾汗水挥洒的十载岁月，回望挂满枝头的累累硕果，科研人员感慨道：“正因深知自己肩负实现技术突破的责任，感受到解决技术难题的迫切，我们才下决心‘摸着石头过河’。团队成员经常就技术分歧讨论到深夜，最终才收获了如今的成果。”

已推广应用于我国全部大区电网，32个省级电网

目前，项目成果已应用于我国全部大区电网及32个省级电网的发展规划和调度运行，实现了高比例新能源接入大电网安全稳定快速量化评估，增强了各类电源主动支撑快速调节的能力，大幅提升了大电网稳定运行水平和新能源安全消纳能力，取得了显著的经济效益和社会效益。

其中，量化评估软件已应用于华北电网“十四五”规划、运行方式安排，支撑了我国全部大区电网及32个省级电网规划设计及生产运行。新能源场站快速调频调压装置应用于华北多个新能源场站，还推广至全国百余个场站。安全稳定实时防控系统涵盖范围包括华北、西北等大区电网，在保障电网安全的基础上，提升了新能源远距离输电能力22.6%。

对于未来，科研人员憧憬无限，“希望量化评估软件全面推广应用于我国电网规划设计与调度运行；推进新能源改造工作，提升新能源场站对电网的支撑能力，从而更好地保证新能源安全并网消纳；进一步实现新能源场站快速调频调压装置及安全稳定实时防控系统在全国电网及海外市场的推广应用，更好地引领专业技术发展，保证更高比例新能源大电网安全稳定运行，提升跨区交直流混联电网新能源远距离安全高效消纳能力。”

大幅促进新能源安全消纳，助力双碳目标实现

从实际效果看，“提升新能源消纳能力的大电网安全稳定量化评估与控制技术及应用”项目成果大幅提升了我国新能源安全高效消纳能力，有力保障了北京绿色供电安全，促进了首都先进装备制造升级，并为我国加快能源转型、构建清洁低碳安全高效能源体系作出了多方面的贡献，影响积极且深远。

一是提升了新能源消纳率，助力“双碳”目标的实现。在多家单位的实际应用表明，项目成果促进了全国范围的新能源安全消纳，有效降低了煤炭等非可再生资源消耗，对我国能源结构优化并促进能源的可持续发展具有重要意义，为落实国家“双碳”战略提供了有力技术支撑。

二是促进了首都科技创新及产业升级。项目完成单位涵盖科研机构(中国电力科学研究院)、高等院校(清华大学)、风电制造产业(华锐和金风科技公司)、电力生产运行单位(华北电网有限公司和北京市电力公司)等，是北京地区产、学、研、用联合攻关的良好示范，带动了新能源、电力装备等先进装置制造企业的产业升级，提升了我国新能源高端装备制造业的国际竞争力及影响力。

三是支撑了电力安全，保障能源安全供给，避免停电事故。项目成果大幅提高了华北等地新能源场站主动支撑及新能源消纳能力，提升重要交直流通道输电能力22.6%,保障了全国范围内能源供给安全，为保证人们日常用电、正常工作和生活作出了贡献。

来源: 北京科技报社

内容资源由项目单位提供