電力系統(tǒng)的三大穩(wěn)定是什么？
為了保障電力供應(yīng)，電力系統(tǒng)需要具備一定的穩(wěn)定性，即在運(yùn)行時(shí)受到擾動(dòng)后，重新恢復(fù)到運(yùn)行平衡狀態(tài)的能力。
傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分為同步穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性三類（2004年，IEEE/CIGRE穩(wěn)定性術(shù)語(yǔ)與定義聯(lián)合工作組在“電力系統(tǒng)穩(wěn)定性定義與分類”報(bào)告中提出）。
1.同步穩(wěn)定性
傳統(tǒng)電力系統(tǒng)以火電、水電、核電等同步發(fā)電機(jī)組為主，此類機(jī)組根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定理，通過(guò)旋轉(zhuǎn)切割磁感線來(lái)產(chǎn)生電力。電力系統(tǒng)有眾多發(fā)電機(jī)組，為了給用戶提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，多臺(tái)發(fā)電機(jī)組之間也需要互相協(xié)調(diào)、同步旋轉(zhuǎn)，輸出的電才能穩(wěn)定，才不會(huì)互相“打架”。
在電力系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，若所有的同步發(fā)電機(jī)組能夠恢復(fù)同步狀態(tài)，繼續(xù)輸出同一頻率的電壓和電流，保持穩(wěn)定供電，就表示系統(tǒng)具備同步穩(wěn)定性。若在擾動(dòng)后有臺(tái)發(fā)電機(jī)組無(wú)法恢復(fù)，輸出的電壓、電流的頻率與系統(tǒng)中其他發(fā)電機(jī)不一致，這臺(tái)機(jī)組就失去同步穩(wěn)定性，而且可能產(chǎn)生更嚴(yán)重的后果。
同步穩(wěn)定就像一群人跳集體舞，必須同一時(shí)刻做出一樣的動(dòng)作。若隊(duì)伍中有一人跳錯(cuò)了，就可能導(dǎo)致其他人跟著出錯(cuò)。
因此對(duì)于失去同步穩(wěn)定性的機(jī)組，需要及時(shí)將其從發(fā)電隊(duì)伍中切除，以免引起系統(tǒng)大幅度的功率振蕩或是系統(tǒng)崩潰。
2.電壓穩(wěn)定性
電壓穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)中各電壓等級(jí)線路的實(shí)際運(yùn)行電壓，能夠維持在額定電壓附近的能力。例如220伏用戶電壓應(yīng)保持在198伏至235.4伏之間。
電壓穩(wěn)定性與負(fù)荷和電源息息相關(guān)。對(duì)于負(fù)荷而言，如洗衣機(jī)、水泵此類常見的電動(dòng)機(jī)械負(fù)荷，當(dāng)電壓下降超出范圍后，電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載能力下降，可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)不動(dòng)的情況。而且對(duì)于電源而言，電網(wǎng)電壓失穩(wěn)嚴(yán)重時(shí)，電廠內(nèi)各類電動(dòng)輔機(jī)，如輸煤皮帶、給煤機(jī)等都轉(zhuǎn)不動(dòng)了，可能導(dǎo)致大型發(fā)電機(jī)組跳閘，從而擴(kuò)大問(wèn)題的影響。
3.頻率穩(wěn)定性
我國(guó)主干電網(wǎng)采用工頻（50赫茲）交流輸電。頻率穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)中受擾動(dòng)后，頻率能夠保持或恢復(fù)到合理范圍內(nèi)的能力。
頻率穩(wěn)定性對(duì)發(fā)、用電設(shè)備的安全正常運(yùn)行十分重要。當(dāng)頻率偏移時(shí)，會(huì)造成用電設(shè)備效率降低，嚴(yán)重時(shí)可能造成設(shè)備損壞，導(dǎo)致電網(wǎng)停電或崩潰。尤其對(duì)于精密機(jī)床等設(shè)備，頻率偏移可能引起機(jī)床的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速突變，從而導(dǎo)致加工件精度不符甚至報(bào)廢。
三大穩(wěn)定面臨的挑戰(zhàn)
隨著高比例新能源的接入，電源結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組為主，轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕履茉礊榇淼姆峭桨l(fā)電機(jī)組和同步發(fā)電機(jī)組共同主導(dǎo)。這種變化使得三大穩(wěn)定問(wèn)題面臨新的挑戰(zhàn)。
1.同步穩(wěn)定的挑戰(zhàn)
火電、水電、核電等同步發(fā)電機(jī)組作為旋轉(zhuǎn)機(jī)組，主要依托同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)（為發(fā)電機(jī)提供磁場(chǎng)的系統(tǒng)）維持同步穩(wěn)定。在受擾動(dòng)期間，該系統(tǒng)通過(guò)快速的增強(qiáng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)，增大機(jī)組的抑制擾動(dòng)能力，幫助機(jī)組恢復(fù)同步運(yùn)行。
隨著新能源接入，非同步發(fā)電機(jī)電源逐漸增加。同步穩(wěn)定性也隨之?dāng)U充為“廣義同步穩(wěn)定性”，包括3個(gè)方面，分別是傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)電源之間、同步與非同步發(fā)電機(jī)電源之間、非同步發(fā)電機(jī)電源之間的廣義同步穩(wěn)定性。由于考慮因素和場(chǎng)景的增多，要維持同步穩(wěn)定的難度也隨之增大。
以新能源為代表的非同步發(fā)電機(jī)屬于靜止發(fā)電機(jī)，不再依靠機(jī)械轉(zhuǎn)速來(lái)確定電壓、電流的輸出頻率，而是通過(guò)電力電子變流器進(jìn)行并網(wǎng)，并采用控制算法來(lái)產(chǎn)生同一頻率的電壓和電流。
此類控制算法往往需要從電網(wǎng)側(cè)獲取參考值，以此控制非同步發(fā)電機(jī)的輸出，保持與電網(wǎng)同頻。好比集體舞隊(duì)伍中增設(shè)一位領(lǐng)舞，跟著跳就不容易出錯(cuò)，也能保證跳整齊。但這對(duì)領(lǐng)舞要求就比較高了，也就是作為參考的系統(tǒng)需足夠強(qiáng)大，跟隨的非同步發(fā)電機(jī)才能輸出同頻，以維持廣義同步穩(wěn)定性。
2.電壓穩(wěn)定的挑戰(zhàn)
電網(wǎng)中負(fù)荷的變化、故障的沖擊都會(huì)影響電壓穩(wěn)定。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的諸多調(diào)壓措施中，最直接、最經(jīng)濟(jì)的手段是通過(guò)發(fā)電機(jī)調(diào)壓，通過(guò)改變發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)改變電壓輸出。此外，還有調(diào)節(jié)輸電系統(tǒng)中的變壓器分接頭、投退各級(jí)變電站中的電容、電抗器等調(diào)壓方法。
新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)后，其在裝機(jī)容量和發(fā)電量上雖然替代了傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組，但在電壓穩(wěn)定支撐上卻沒(méi)能承擔(dān)起同等的責(zé)任，維持電壓穩(wěn)定壓力增大。
一方面，新能源電壓調(diào)節(jié)能力有限。新能源發(fā)電具有間歇性，例如風(fēng)電機(jī)組在有風(fēng)時(shí)才能發(fā)電并提供無(wú)功功率，發(fā)揮電壓調(diào)節(jié)作用；在無(wú)風(fēng)時(shí)機(jī)組脫網(wǎng)待機(jī)，無(wú)法參與電壓調(diào)節(jié)。另外，新能源的電壓調(diào)節(jié)能力約為同步發(fā)電機(jī)組的一半，調(diào)節(jié)能力較弱。
▎風(fēng)電與火電經(jīng)升壓接入電網(wǎng)的對(duì)比
另一方面，新能源電壓支撐效果較弱。新能源一般建立在風(fēng)、光等資源豐富的山區(qū)、沿海等區(qū)域，輸電距離較遠(yuǎn)。而新能源機(jī)組的輸出電壓（初級(jí)電壓）一般在690伏以下，需要經(jīng)過(guò)多層級(jí)變壓器的升壓接入主網(wǎng)，相比而言傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組僅需1級(jí)升壓接入主網(wǎng)。更長(zhǎng)的電氣接入距離不僅導(dǎo)致額外的消耗，還降低了新能源對(duì)主網(wǎng)電壓支撐的敏感性。
再者，新能源耐受力較差，“爆發(fā)”能力有限。其僅能提供1.1倍額定電流的動(dòng)態(tài)電壓支撐能力，而同步發(fā)電機(jī)可以提供5至10倍。
3.頻率穩(wěn)定的挑戰(zhàn)
傳統(tǒng)電力系統(tǒng)主要通過(guò)對(duì)發(fā)電功率調(diào)整和負(fù)荷管控來(lái)調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率。按照調(diào)整范圍和調(diào)節(jié)能力的不同，可分為一次調(diào)頻、二次調(diào)頻和三次調(diào)頻。
一次調(diào)頻主要利用同步發(fā)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)設(shè)備（包含汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、軸）自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，釋放（或吸收）動(dòng)能來(lái)防止頻率快速的變化。此外還可利用調(diào)速器根據(jù)頻率偏差自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電功率的增減，以此恢復(fù)頻率平衡。這類調(diào)頻屬于發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)激反應(yīng)，調(diào)節(jié)響應(yīng)較快。
二次調(diào)頻也稱為自動(dòng)發(fā)電控制（AGC），自動(dòng)跟蹤電力調(diào)度機(jī)構(gòu)下達(dá)的指令，按照一定調(diào)節(jié)速率實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)電功率，維持頻率穩(wěn)定。
三次調(diào)頻主要通過(guò)協(xié)調(diào)各發(fā)電廠之間的負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配，在滿足電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定和系統(tǒng)安全的前提下，以最低的發(fā)電成本獲得更多、優(yōu)質(zhì)的電能。
隨著新能源滲透率的增加和相應(yīng)的同步發(fā)電機(jī)的退出，電力系統(tǒng)一次調(diào)頻資源將逐漸減少，頻率調(diào)節(jié)難度有所增加。若把發(fā)電機(jī)組參與調(diào)頻看成是一群人在蹬連體自行車，新能源卻坐在車上“偷懶”，不主動(dòng)提供頻率調(diào)節(jié)能力。
▎調(diào)頻中“偷懶”的新能源
這是由于與同步發(fā)電機(jī)組相比，新能源并網(wǎng)逆變器接口的電力電子器件不具備慣性響應(yīng)能力，在同等強(qiáng)度的頻率擾動(dòng)下，慣性降低會(huì)使得頻率初始跌落增快。另外，以浙江的新能源電站為例，此類電站運(yùn)行時(shí)往往以最大化利用可用發(fā)電能力為目標(biāo)，不具備發(fā)電裕度，因此也不能參與一次調(diào)頻。
而一次調(diào)頻資源的減少，使得擾動(dòng)后中頻率變化的最大偏差增大，可能觸發(fā)保護(hù)裝置動(dòng)作使發(fā)電設(shè)備脫網(wǎng)，導(dǎo)致頻率偏差進(jìn)一步加劇。
破題思路
新型電力系統(tǒng)的建設(shè)涌現(xiàn)了大量新技術(shù)、新設(shè)備，同時(shí)也給電力系統(tǒng)的三大穩(wěn)定問(wèn)題帶來(lái)新的破題思路。
以浙江電網(wǎng)為例：
在同步穩(wěn)定方面，對(duì)以新能源為代表的非同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行改造，使其外部特性與同步發(fā)電機(jī)類似，在學(xué)術(shù)上稱為“構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)”。采用該技術(shù)后，新型電力系統(tǒng)中同步穩(wěn)定的復(fù)雜性可有效降低。
構(gòu)網(wǎng)型非同步發(fā)電機(jī)無(wú)需強(qiáng)大的系統(tǒng)（交流電網(wǎng)）作為參考，也就是說(shuō)不需要領(lǐng)舞也可以保持同步。同時(shí)構(gòu)網(wǎng)型非同步機(jī)電源也能為系統(tǒng)提供一定的電壓和頻率的支撐，對(duì)維持電壓和頻率穩(wěn)定也有促進(jìn)作用。
目前，國(guó)網(wǎng)浙江電力正在積極規(guī)劃、開展構(gòu)網(wǎng)型新能源、儲(chǔ)能、柔性直流的研究和示范應(yīng)用，為未來(lái)接納更大規(guī)模的新能源探索發(fā)展路徑。
在電壓穩(wěn)定方面，國(guó)網(wǎng)浙江電力從源、網(wǎng)兩側(cè)同時(shí)發(fā)力，挖掘內(nèi)生資源，拓展調(diào)節(jié)手段，保障大電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。
▎柔性勵(lì)磁系統(tǒng)在溫州投運(yùn)
在電源側(cè)，一方面持續(xù)挖掘和鞏固常規(guī)電源對(duì)電壓穩(wěn)定的壓艙石作用，研制投運(yùn)了世界首個(gè)柔性勵(lì)磁系統(tǒng)示范工程，通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)組的柔性化改造，將電壓強(qiáng)勵(lì)能力提升2倍；另一方面充分挖掘和釋放新能源場(chǎng)站調(diào)節(jié)資源潛能，通過(guò)創(chuàng)新開展主動(dòng)電壓支撐技術(shù)研究，增強(qiáng)新能源參與電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)的能力。
在電網(wǎng)側(cè)，通過(guò)加裝新型調(diào)相機(jī)、靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，以及創(chuàng)新應(yīng)用電力電子變壓器等新設(shè)備，豐富電網(wǎng)調(diào)度控制手段，補(bǔ)充動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)資源，提升電網(wǎng)承載力。
在頻率穩(wěn)定方面，除了繼續(xù)提升常規(guī)機(jī)組的調(diào)頻能力外，還可挖掘利用新能源、虛擬電廠（負(fù)荷聚合商）、儲(chǔ)能和地調(diào)調(diào)管資源等新型調(diào)節(jié)資源。
▎新型電力系統(tǒng)頻率多層協(xié)同自動(dòng)控制體系示意圖
國(guó)網(wǎng)浙江電力通過(guò)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)頻率多層協(xié)同自動(dòng)控制體系，全面提升新型電力系統(tǒng)調(diào)頻能力，相繼在岱山、長(zhǎng)興等地實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電場(chǎng)、電化學(xué)儲(chǔ)能電站的一、二次調(diào)頻控制功能；在省域建設(shè)虛擬電廠，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式光伏、儲(chǔ)能及可調(diào)負(fù)荷資源的靈活聚合控制；建立浙江基于省地協(xié)同一體化的自動(dòng)發(fā)電控制模式和體系，接入了生物質(zhì)電廠、燃?xì)怆姀S、儲(chǔ)能電站、水電站、光伏電站、風(fēng)電場(chǎng)站等多類型電廠（站），共計(jì)新增552.7兆瓦地區(qū)調(diào)度的調(diào)峰調(diào)頻容量，相當(dāng)于增加了一臺(tái)大型抽蓄機(jī)組。
供稿：國(guó)網(wǎng)浙江電科院董煒 張建承 張江豐 江航
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