关于新能源高占比系统低负荷需求场景的安全稳定问题分析

蒋德斌

（中国电力企业联合会统计与数据中心）

电力系统负荷需求时刻随时间波动，年、月、日的负荷曲线都存在高峰、低谷，以及两条线包络之间变化的曲线。电力系统通过调度管理系统跟踪需求变化，及时调整各个发电单元的发电曲线，保障总发电出力时刻与总负荷需求维持平衡。无论是传统的计划调度方式，还是市场交易形成的开机安排，系统总的可用机组容量都应以满足系统负荷需求为原则。电力系统负荷需求成为备受关注的指标。确保电力系统在负荷条件下满足电力电量总体平衡、具备安全可靠的运行调整过程、具有保护和恰当的控制、必要时有充足的安全稳定措施以确保电力系统安全稳定供电，都是各方面重点考虑和关注的内容。

但是，从今年4月28日西班牙、葡萄牙大停电事故可以看出，在系统低负荷需求1运行情况下，也可能发生影响广泛的大停电事故。

西葡大停电事故发生的根本原因，是高比例新能源系统在需求不足的情况下，惯量偏低、系统调控措施不足导致低频振荡、电压异常升高、新能源脱网、持续切负荷等连锁反应直至系统崩溃。西葡大停电事故表明，在系统低负荷需求的情况下，电力系统运行具有和高负荷需求情况不同的表现特征，需要提前安排充足的预案和保障措施，确保电力系统在各种方式下安全稳定运行。

一、我国电力系统存在低负荷需求运行场景

电力需求总量巨大、需求增长快，覆盖面积广、输送距离远、输送潮流大，安全稳定问题突出。2024年，我国统调负荷14.51亿千瓦，推算全社会用电负荷超过15.3亿千瓦。当年全社会用电量9.85万亿千瓦时，全口径发电量10.08万亿千瓦时。

新能源发电已开始对系统负荷曲线特征展现影响。但是有十一个省份风光等新能源已经成为本省（区）装机电源，排名前三的内蒙古、河北和新疆的新能源发电装机容量超过1亿千瓦，省一级电力系统负荷曲线特征更加明显地受到新能源发展的影响。一些光伏发电装机容量比重偏大的省区，负荷曲线已经出现明显的鸭子曲线特点（如浙江），而光伏发电装机占比更大的青海等省（区），则表现出更陡的峡谷曲线特征。

低负荷需求场景更易受到新能源发电的影响。一方面，在系统需求降低情况下，具有转动惯量和调节能力的传统电源开机减少，系统惯性和调节能力都会降低，这导致接入系统的风光等新能源占比相对增大。当传统电源开机降低到一定程度时，为确保系统基本的安全稳定水平，不得不降低新能源出力，从而带来弃电问题。在这种运行状态下，风光资源实时变化带来新能源发电波动，对系统电力电量平衡和动态安全稳定的影响更大。另一方面，系统需求降低，过剩无功功率推动系统电压升高。发电机组进相运行、投入感性无功补偿和同步调相机欠励运行等措施可以吸收无功以调整电压。新建集中接入系统的新能源往往会配置相应的无功补偿设备，也可以参与系统电压调整。在系统负荷需求极低的场景下，采取这些措施未必足以维持系统电压，有时需要通过解网、开环运行等方式调整系统潮流来控制电压水平，这样做会降低系统的暂稳水平。在整个电压调整的动态过程中，复杂的系统运行环境及其变化往往超出预料之外，采取一些措施有时会带来另一些不利于系统安全的因素。特别是分散建设的新能源单元规模小、数量多，设备质量不一，能力参差不齐，其在动态过程中的行为难以监测控制，对系统的影响事后亦难以追踪和评价。

二、低负荷需求场景面临和高负荷需求场景不同特征的安全稳定风险

随着新型电力系统加紧建设，电力系统中风光等新能源比例整体升高，部分省份新能源占有比重。和系统高负荷需求场景不同，在低负荷需求场景，电力系统表现出一些不同的特征，这些特征在西葡半岛系统事故前及事故过程中都有一定表现。在高度重视高负荷需求情况下电力系统安全稳定运行保供电工作的同时，还要系统研究各种负荷水平下，特别是极低负荷水平下，电力系统可能展现出的不同特点，有针对性地研究制定运行措施，确保在各种运行方式下电力系统的安全稳定运行和电力可靠供应。

具体来讲，低负荷需求的电力系统在运行中存在以下突出问题：

首先，系统负荷需求低，开机水平低，接入电力系统的机组少，系统阻抗增大，转动惯量减少，导致电力系统电磁（及机电）暂态稳定水平降低。

第二，系统负荷需求低，系统容性充电无功功率过剩，推动系统电压升高。系统电压持续偏高危及设备安全，影响新能源正常接入系统发电。需要系统投入充足的感性无功补偿设备，或者要求机组及同步调相机进相运行以吸收系统容性无功，确保系统电压水平维持在规程规定的范围内。

第三，对于联系紧密的系统，为在系统低负荷需求期间控制系统电压，还可以采取解网（开环）运行等技术措施。但是网络重构不仅会降低结构紧密度和系统动态稳定性，而且会影响到继电保护和安全自动装置控制策略和措施的调整，给系统带来潜在的安全稳定风险。

第四，由于系统负荷需求降低，接入系统的风光等新能源在发电结构中的占比大幅度增加，其随机性、波动性和间歇性等特征对系统带来的影响更加突出。同时，尽管从接入技术标准方面对风光等电源在支持系统功率调节和电压控制方面有所要求，但是在发挥保障系统安全稳定作用方面，新能源远远不及煤电、气电等传统能源。新能源高占比电力系统在低负荷需求场景面临更加突出的安全稳定问题。

由于极低负荷需求场景往往出现在春节等重要节假日，保障这段时间的电力安全稳定供应，是保障人民群众能够度过幸福、祥和、安全节日的重要工作，是重要的民生工程。因此，节日前，调度生产部门都会针对不同节假日，结合气候气温等诸多因素，提前预测节日期间的负荷需求，妥善安排发电计划，认真做好安全措施和事故预想预案，并结合系统实际情况抓紧安排机组和其他电力设施维修检修，确保节日低负荷需求期间系统的安全稳定运行和节日后负荷急升的电力供应保障。

三、确保低负荷需求场景电力系统安全稳定运行

西葡大停电事故暴露出半岛电力系统对新能源高占比、低负荷需求情况下的生产运行管理还存在一些突出问题。半岛电力系统处于欧洲电力系统末端，低频振荡问题存在，事故前曾多次发生特征性的低频振荡。低负荷需求下系统传统电源开机少转动惯量不足、发生振荡时系统阻尼不足，在振荡过程中采取的控制措施存在瑕疵，新能源发电设施穿越退出，连锁反应导致系统崩溃。我国电力系统和半岛电力系统很不相同，但是同样具有特超高压、长距离、大容量送电等特点，具备了系统振荡的基本物理条件。省级电网在低负荷需求时系统电压偏高、高负荷时负荷中心电压偏低等问题也都十分突出。新能源快速发展给电力系统安全稳定运行带来很多新的突出问题，这些问题发生的机理还没有弄清，具体技术解决措施还不成熟。在新能源装机占比逐年升高的情况下，无论是高负荷运行，还是低负荷需求，电力系统能否经受考验，都有待进一步验证。

对于确保新能源高占比、低负荷需求时的电力系统安全稳定运行，无论从系统坚强程度上看，还是运行管理经验看，或者是制度保障看，我国都有较好的基础条件。

一是扎实的电力系统规划是基础。在规划发展工作中，除满足负荷需求，还会针对不同水平的用电需求进行分析验证，有针对性地制定解决措施，超前为电力系统安全稳定运行夯实物质基础。二是“统一调度、分级管理”、指令畅通的调度管理体制是核心。调度管理的专业性和权威性得到各方面的承认，市场交易的结果也需得到调度的安全确认，是确保我国这么多年电力系统总体安全稳定运行的重要原则。三是政府、企业参与、调度牵头、各方协同配合的保供电机制是保障。这种机制可以调动各方面的资源，整合各方面的力量，在多年的实践中形成成熟管用的经验。四是保全局、保重点、有保有放，系统思维是确保安全稳定的基本理念。

随着新能源总体占比越来越高，新型电力系统抓紧建设，电力系统保供电面临更多的挑战。新型电力系统中，低负荷需求期间的电力系统安全保障，可能成为更加突出的问题。

首先，由于新能源离散型分布特征，具有更强的不可控性，调度运行管理面临更实际的问题。以光伏发电为例，截至今年5月底，我国光伏发电装机总容量10.8亿千瓦，其中分布式光伏发电装机容量4.9亿千瓦，约占光伏总装机容量的45%。相对于煤电等传统燃料电源，风光等新能源更分散，单元控制容量更小，调度运行管理更复杂，难度更大。

第二，由于新能源发电的随机性和波动性，给系统电力电量平衡带来极为突出的问题。新能源发电波动幅度大，波动幅度接近于其出力，系统需要配备大容量的调节容量。新能源发电随机性变化对系统调节速度提出很高的要求，需要配备具有快速调节能力的电源，或者控制更多调节单元同步参与调整。低负荷需求极大地加剧了这两个方面的矛盾，为确保系统安全，不得不对新能源出力做出限制，从而又带来资源弃用问题。

第三，新能源在支撑系统安全稳定控制方面远不如传统电源。在系统动态和暂态稳定性方面，由于新能源不具有转动惯量，其大规模接入系统带来系统转动惯量降低，系统频率稳定性降低。在支撑电压稳定性方面的能力也不如传统发电机组和同步调相机，如果采用固定功率因数运行，还可能对电力系统电压稳定问题带来负效应，如其在西葡大停电事故中所表现的那样。

第四，新的技术与方法有待生产运行的实践验证。新修订的技术导则对风电和光伏发电并网在调频、调压方面提出了技术要求，这些技术要求在项目建设和投产运行工作中要严格落实。但早期并网项目不一定能满足技术导则的要求。近年来新发展起来的构网型技术可以模拟同步机的惯量响应和阻尼特性，但是目前尚未形成统一的技术标准要求，需要加快验证，实现实用化和规模化。虚拟电厂技术可以整合分散电源、增强调节能力、促进系统保供和新能源消纳，但目前也还是处于初步建设阶段，需要进一步明确定位、完善技术、扩展应用、形成标准等。

第五，共享协同有待于进一步加强。随着新能源在电力系统中比重增加，系统中参与主体更加分散，主体类型多、规模小、数量多，共享协同难度很大。

四、相关建议

一要重视低负荷需求的保供问题。由于低负荷需求是一种特殊运行状态，一般出现在重要节假日期间，这个期间发生停电事故，更容易造成较大社会影响，应引起高度重视。

二要更突出低负荷需求场景保供电工作的重点。高负荷情况下的保供电，更多是关注系统是否能够提供足够容量保障供应，能否经受住各种扰动的影响，并有针对性地采取安全稳定控制措施。低负荷需求场景更要关注系统是否有足够的惯量机组以保障系统稳定，系统是否有满足要求的调节能力，包括是否有充足的调峰调频能力以适应更大比例新能源的随机波动，是否有足够的无功调节容量（特别是感性无功容量）控制电压的大幅度波动等等。

三要从法规层面加强统一调度的权威性。完善分层调度的功能性，明确各个层次管理部门和生产部门的职责，落实各并网主体的责任，确保特殊运行方式下整个系统的统一与协调。

四要更充分发挥储能作用。配备足够的储能容量，优化调整储能种类和结构，满足低需求期间大规模储存能量的需求，将大规模的储能“库容”作为负荷需求储存能量，以避免特殊时段系统需求过度下降。通过科学调度机组和储能设施，在低需求时段开始前实现从正常负荷水平平滑过渡到低需求时段，在低需求时段结束后平滑过渡到正常负荷水平。

注：1.当日西班牙半岛系统负荷25184兆瓦，约占2007年12月17日峰值负荷44876兆瓦的56%。

原标题：深度 | 蒋德斌：关于新能源高占比系统低负荷需求场景的安全稳定问题分析

来源：中能传媒研究院