中国能源报：“十四五”电网安全运行面临多项新挑战
建设特高压交直流电网、大规模可再生能源并网、高比例电力电子装置应用、多能互补等多题待破
“十四五”电网安全运行面临多项新挑战
《中国能源报》2019年12月9日第21版
近日，以“能源转型：‘十四五’电力发展之路”为主题的能源转型发展论坛暨国网能源研究院2019年成果发布会透露，“十四五”期间，电源侧，清洁能源装机快速增长，清洁能源机组涉网性能较差，电力系统灵活调节电源不足；电网侧，特高压“强直弱交”矛盾突出，电网抗扰动能力下降，系统稳定形态更加复杂；负荷侧，冷热电气多种能源共存、分布式电源广泛接入以及数字技术加速融合、电改深入推进等因素，都将使电网安全运行面临新挑战。对此，与会专家对加强网架研究、建设特高压配套电源、加强电力系统调节能力等焦点问题提出了建议。
国家电网公司总经理助理赵庆波进一步指出，应深化大电网特性研究，完善电网结构，构建大电网安全立体防御体系，持续提升传统风险与非传统风险的防御能力，有效防范大面积停电风险。
为解决特高压“强直弱交”带来的多回直流闭锁后潮流转移可能引发主网失稳的问题，今年7月，国家电网建设投运渝鄂直流背靠背联网工程，使西南电网与华中电网实现异步运行，向家坝－上海、锦屏－苏南、溪洛渡－浙西特高压直流故障不再对渝鄂断面、晋东南－南阳－荆广特高压交流工程产生冲击，西南网内水电送出通道输电能力提升。但同时，异步运行后出现了频率稳定问题，致使西南电网无法承受水电送出N－2故障切机，为避免弃水，被迫采取直流协控，并取消上述三大特高压直流速升功能。
交直流送受端强耦合特性复杂 异步互联后出现频率稳定问题
据了解，自2009年以来，国家电网供区已建成向家坝－上海、锦屏－苏南、哈密南－郑州、溪洛渡－浙西、宁东－浙江、酒泉－湖南、晋北－江苏、锡盟－泰州、上海庙－山东、扎鲁特－青州±800千伏和准东－皖南±1100千伏特高压直流工程，以及其他跨省跨区直流输电工程，使得国家电网形成七大直流群，分别是新疆河西直流群、宁夏直流群、四川直流群、山东直流群、安徽江苏直流群、上海直流群、浙江直流群。其中，安徽江苏直流群实际送电能力已接近3000万千瓦。
与特高压直流快速发展相比，特高压交流稳步推进，目前华东电网1000千伏特高压环网已经形成，华北电网1000千伏特高压输电和多环网结构正在建设中，华中电网1000千伏特高压电网正在开展前期工作，特高压“强直弱交”问题凸显。
同时，南方电网供区建成云南－广东、云南普洱－广东江门、滇西北－广东±800千伏特高压直流工程以及其他跨省跨区交直流输电工程，共“八交十直”18条西电东送输电大通道。
中国科学院院士周孝信指出：“随着特高压交直流电网建设和大规模新能源持续并网，我国电网格局与电源结构正发生重大变化，交直流送受端强耦合特性复杂给电网稳定性分析与控制带来新挑战。”如同送同受多回直流同时换相失败将产生巨大的能量冲击，易引发送端电网功角稳定问题和瞬间过电压风险；受端地区馈入直流规模不断加大，对系统电压支撑能力要求高，大比例受电时存在电压稳定问题。
电力电子化装置占比增长 需更新电网稳定分析方法
同时，电力电子技术在发、输、变、配、用等电力系统各环节大量应用，使得原本可控性较低的电网逐渐“柔性化”，推动电力系统进入灵活化、智能化、可控化时代。
例如，灵活交流输电技术(FACTS)可增强交流电网的调节和潮流优化能力，并提供紧急功率和电压支撑；可控串补装置(TCSC)串联于交流输电线路中，通过降低线路阻抗，提高输送功率，增强系统暂态稳定性；统一潮流控制器(UPFC)能同时统一控制或有选择地控制影响线路有功和无功潮流的所有参数，在负荷密度大、供电可靠性要求高、线路廊道资源紧张的地区具有很好的应用前景；柔性直流输电则为电网灵活控制水平提升提供了一种有效的技术手段。
截至目前，我国已在苏州南部电网建设投运世界上电压等级最高、容量最大的500千伏UPFC工程，在南京220千伏西环网建成UPFC工程；建成南汇、南澳岛、舟山、厦门等柔性直流输电工程，正在建设乌东德混合直流，并将建设白鹤滩级联混合直流工程.....
不仅是电网，接入的新能源及其他发电机组也越来越多采用电力电子技术装置。周孝信介绍：“常规机组大量被电力电子装置替代导致系统整体惯量下降，近年来，在新能源占比较高地区发生了多起频率稳定事故。”
同时，电力电子技术额定电流、电压等级、功率密度不断增大，单位容量成本降低、体积减小、损耗降低，且不断有新型电力电子器件、装置开始出现并逐步成熟。“电力电子装置在电力系统中所占比重日益增加,将使得电网稳定形态更加复杂，除动态电压问题更加严重外。还会产生各种宽范围频率的振荡问题，综合控制难度更大。因此需更新电网稳定分析方法。”中国工程院院士、全球能源互联网研究院院长汤广福指出。
可再生能源大规模并网 与数字技术等融合发展
除电网侧特高压“强直弱交”矛盾突出、电网抗扰动能力下降外，电源侧可再生能源大规模并网，也对电网安全稳定运行带来新挑战。周孝信介绍，随着可再生能源大规模并网，由于多种功率调节设备的共同作用，可能出现多电厂、多机组、多模态的振荡问题，引发次同步－超同步－高频带的宽频振荡。
赵庆波指出：“新能源发电大规模快速发展对系统调峰、实时平衡、协调控制提出了更高要求。‘十四五’期间，如果储能、需求侧响应等新型灵活性资源无法实现大规模应用，随着常规电源及电网中可用的技术手段逐步减少，新能源快速发展及消纳可能遇到更大问题。”
此外，汤广福还表示：“在负荷侧，冷热电气多种能源共存、分布式电源广泛接入、电动汽车与电网双向互动，都是现代电网面临的新挑战。”随着国家电网加快部署建设泛在电力物联网，以大数据、云计算、物联网、人工智能、5G等为代表的数字技术越来越多应用到电力系统中，都将使能源供应格局、电力交易模式等发生重大变革。
而且，随着电改深入推进，“十四五”电力市场将不断完善，基于市场化的电力供需平衡将不断成熟，这都将对电网安全运行带来新挑战。
持续完善电网特性研究 提升电力系统整体效率
对于“十四五”电网安全运行面临的挑战，周孝信建议，应充分发挥已建成跨区特高压直流的输电能力，建设已核准和已投产的特高压直流配套电源，提高经济效益；继续研究完善华北、华东、南方、西南（川藏渝）、东北六大区域电网的输电电压等级和主网架结构，其中华中、西南（川藏渝）、南方应重点研究；开展华北－华中大区电网之间异步互联探索研究；加强理论和实际研究，解决伴随着电网发展出现的影响电力系统安全稳定运行的新现象问题。“‘十四五’安排新的跨区输电通道，送端配套电源、受端消纳市场、配套电网与输电通道应同步推进，要充分运用市场手段，确保已建、新建跨区跨省通道输电效率维持在合理水平。”赵庆波也指出。
对于电力系统越来越多应用电力电子技术、装置的情况，汤广福建议：“需精确模拟基于电力电子技术的复杂控制系统，提高仿真的精确性；需提升数模混合仿真的技术能力，提高多电力电子装备的协调控制和系统调度能力。”此外，还应提高电力电子装置的可靠性和经济性。
此外，对于新能源可持续发展、电力供需、系统调节能力建设等问题，赵庆波提出了具体建议：“按照新能源利用率不低于95%的目标，提出新能源合理开发规模和布局；着力提升电力系统整体效率，可按照95%最大负荷进行电力平衡，更加注重电量平衡；加强系统调节能力建设，推动源－网－荷－储统一规划，提高灵活调节电源比重，持续推动在建抽水蓄能电站按期投产继续实施火电灵活性改造，推动储能技术进步；加快泛在电力物联网在配售电侧的建设与应用；推进智能电网和泛在电力物联网融合发展及能源基础设施互联互通，促成全行业、全产业链共享发展机遇。”
