特大型新能源基地面临挑战及未来形态演化分析_张玮.pdf
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1、基金项目:国网冀北电力有限公司科技项目(52010121N00L)。Science and Technology Foundation of State Grid Jibei Electric Power Company(52010121N00L).全球能源互联网Journal of Global Energy Interconnection第 6 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.6 No.1Jan.2023文章编号:2096-5125(2023)01-0010-16 中图分类号:TM715 文献标志码:ADOI:10.19705/ki.issn2096-5125.2023.01.0
2、02特大型新能源基地面临挑战及未来形态演化分析张玮1,白恺1,鲁宗相2,3*,李海波3,郭金智1,王泽森1(1.国网冀北电力有限公司,北京市 西城区 100054;2.清华大学电机工程与应用电子技术系,北京市 海淀区 100084;3.清华四川能源互联网研究院,四川省 成都市 610299)Analysis of the Challenges and Future Morphological Evolution of Super Large-scale Renewable Energy BaseZHANG Wei1,BAI Kai1,LU Zongxiang2,3*,LI Haibo3,GUO
3、 Jinzhi1,WANG Zesen1(1.State Grid Jibei Electric Power Company,Xicheng District,Beijing 100054,China;2.Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Haidian District,Beijing 100084,China;3.Sichuan Energy Internet Research Institute,Tsinghua University,Chengdu 610299,Sichuan Province,China
4、)Abstract:Under the background of promoting the high-quality and leap-forward development of renewable energy in China,large-scale development,integration and transmission via long distance of renewable energy has become one of the most important paths for Chinas renewable energy construction.Super
5、large-scale renewable energy(SLRE)base has become an important conformation for the future.Due to the lack of conventional AC synchronous generator sets and reliable reserve capacity,the challenge of SLRE base are prominent,including the stability of base,renewable energy utilization rate and power
6、supply adequacy.Its morphological structure and evolution path have become a hot issue of current concern.This paper systematically combs the latest academic research results,studies and judges the possible power and grid form of SLRE base in future and analyzes the characteristics.Further,in view o
7、f the challenges of weak system strength,insufficient flexibility,and prominent contradiction between source and network coordinated operation in SLRE base,planning support technologies and key scenario operation technologies,such as source and network coordinated planning,flexibility special planni
8、ng,and grid strength improvement special planning are proposed.Finally,taking Zhangbei SLRE gathering area as an example,combined with its resource endowment,this paper analyzes the current situation of renewable energy base and studies the development trend of power and grid form,and puts forward t
9、he key supporting technology system to adapt to the future development of Zhangbei renewable energy base,which provides reference for the short-term and medium-term planning,and reliable operation of Zhangbei SLRE base system.Keywords:super large-scale renewable energy base;morphological evolution;o
10、peration optimization;flexibility balance;short circuit ratio摘 要:在推动中国新能源高质量跃升式发展背景下,大规模新能源开发、汇集和远距离输送成为新能源建设的重要路径之一,特大型新能源基地成为未来的重要形态。由于缺少常规交流同步发电机组和可靠备用容量,特大型新能源基地稳定性挑战、新能源利用率与供电充裕性矛盾凸显,其形态结构及演化路径成为当前关切的热点问题。系统梳理了当前最新学术研究成果,研判特大型新能源基地未来可能的源网形态并做特征分析;进一步,面向特大型新能源基地系统强度弱、灵活性不足、源网协调运行矛盾突出等挑战,针对性提出源网协
11、调规划、灵活性专项规划和系统强度提升措施的优化配置技术等规划支撑技术和关键场景运行技术;最后以张北特大型新能源汇集区为例,结合其资源禀赋分析新能源基地现状并研判未来源网形态发展趋势,提出适应张北特大型新能源基地未来发展的关键支撑技术体系,为张北特大型新能源基地近中期规划和可靠运行提供参考。关键词:特大型新能源基地;形态演化;运行优化;灵活性平衡;短路比0 引言当今人类社会面临能源安全和气候变化等多重严峻考验,推动能源系统清洁、低碳转型成为各国能源Vol.6 No.1 张玮,等:特大型新能源基地面临挑战及未来形态演化分析 11发展的共同目标,规模化开发风电、光伏已经成为全球趋势1。截至2021年
12、底,全球风光发电量占比首次超过10%2,中国风光发电量占比达到11.7%3。为实现新型电力系统建设战略目标,中国提出进一步推动新能源高质量跃升式发展。2021年3月发布的中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要中提出,“十四五”期间将重点发展九大清洁能源基地、五大海上风电基地。2022年1月,国家发展改革委与国家能源局发布的“十四五”现代能源体系规划中明确提出,有序推进风电和光伏发电集中式开发,加快推进以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电光伏基地项目建设。因此,具有千万kW级及以上新能源装机规模的“特大型新能源基地”将成为未来中国新型能源供给体系的重要组成部分
13、。特大型新能源基地由海量风电、光伏发电单元及其汇集、输送网络组成,与常规电源基地的结构及特性相比呈现显著区别。以新能源为主体的电源结构与气象、资源强耦合而强波动;可再生能源多电压层级汇集网络与本地电网深度融合而影响供电或导致风光利用率问题;本地消纳和外送输出并举,使高比例可再生能源电源的特性与源端电网的本地负荷供给及跨区联络输电功能深度耦合。这些特性给特大型新能源基地的规划和运行带来了巨大的技术挑战。为在高度电力电子化条件下实现趋近同步机的技术特征,需探讨不同电源结构方案在支撑性能、设备成本、技术成熟度、系统经济性等方面的差异;为提高电网的灵活调节性能,需比较特/超高压柔性交流、多端柔直组网或
14、柔性直流、低频/分频等差异化输电技术对不同新能源基地运行场景需求的适应性。特大型新能源基地的规划,除了电力电量平衡优化工作,需针对源网荷储运行特性迥异、灵活性调节不足、新能源基地系统强度弱等问题提出解决方案,并对海量场景及其运行特性开展分析。目前,特大型新能源基地形态演化的专门研究相对较少,对于新能源基地输电方式4、运行方式优化5、稳定机理6、优化规划7等方面的技术探讨,缺乏针对特大型新能源基地可能形态及其演化路径的技术方案,难以支撑中国新型电力系统建设。本文首先研判特大型新能源基地未来可能的源、网形态特征,进一步分析其规划面临的挑战,提出应开展的专项规划及规划场景运行特性,最后结合张家口坝上
15、特大型新能源基地现状及下阶段大规模开发面临的挑战,分析未来源、网形态与支撑技术演化路径。1 特大型新能源基地未来形态特征随着新能源比例的不断提高,电力系统的形态特征随之发生演变。本章根据系统多时间尺度供需平衡和安全稳定基本原理,分别从电源、电网两个角度研判特大型新能源基地未来形态特征要求,提出源、网侧未来可能的形态特征。1.1 源侧可能的形态特征据相关专家测算8,中国2030年同步机组出力占总负荷之比大于50%、80%的累计时段将分别达到全年时长的100%和约61%。在新能源低出力时段需要相应的灵活性同步机电源来维持系统稳定,因此,新型电力系统仍以交流同步机制运行。目前局部高比例新能源替代同步
16、机带来的电力系统安全问题已经陆续显现,出现过多次不同机理的振荡现象,如2013年宁夏吴忠直驱风电场发生95 Hz超同步振荡,2015年新疆阿拉光伏站出现30 Hz次同步振荡,2015年西北电网大规模风电/光伏汇集区域发现10110 Hz等次/超同步频率分量等。其中,西北电网振荡问题最终导致天中直流送端配套的3台66万kW火电机组因轴系次同步扭振动作跳闸,西北电网频率降低至49.91 Hz,严重威胁系统安全运行9。2019年英国“8 9”停电事件中,风电集中区域产生10 Hz左右次/超同步振荡导致风电机组大规模脱网,引发低频减载装置动作、切除大量用电负荷。高比例新能源接入系统带来的系统低惯量问题
17、也是焦点。系统发电与用电存在一定差值时,惯量越小的系统频率变化越快,即新能源出力占比越高的系统,其频率偏差响应越大,系统因故障发生大功率缺额时,可能因频率下降过快导致触发低频减载动作而损失负荷,发、用电平衡差值的安全裕度更小(见图1)10-15。因此,如何保障系统惯量,使系统惯性常数趋近传统同步机水平,是特大型新能源基地安全稳定运行的关键保障。表1对比了各类电源的支撑系统稳定运行的性能。可见,与同步旋转发电机相比,电力电子形式接入电网的传统跟网型新能源发电未考虑系统稳定支撑能力,最大功率跟踪运行方式下功率上调性能差,无惯量、电压耐受能力弱、暂态电压支撑能力弱。随着新能源装机和电量占比逐年攀升,
18、中国2022年启动实施12 全球能源互联网 第 6 卷 第 1 期了风电接入电力系统技术条件、并网电源一次调频技术规定及试验导则等推荐性国家标准,要求风电场和光伏电站应具备惯量响应、一次调频、连续电压穿越等能力,目前处于启动实施阶段。为满足新能源装机容量持续增长态势下的新能源基地的稳定运行16-22,高度电力电子化条件下新能源场站需具备趋近同步机的技术特征,本文综合各类电源技术特点及其新技术成熟度、成本发展趋势,考虑新能源机组与其他辅助手段相结合的思路,研判未来特大型新能源基地的电源侧可能形态,如表2和图2所示。电源结构以新能源为主体,其中大量存量场站仍将以跟随型并网方式接入系统,但将通过改进
19、变流器并网策略、增加新型无功补偿装置、增加调相机、改进场站控制策略等方案,提高场站电压穿越能力、一次调频性能,提高对系统的电压和频率稳定支撑能02468101214161820t/s-4.5-4-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.50不同新能源发电出力占比 K 下新能源高渗透电力系统的频率误差响应K=5%K=18%K=22%K=38%K=47%K=56%K=68%K=76%K=89%频率误差/Hz图 1 不同新能源出力占比下系统频率误差响应Fig.1 System frequency error response with different proportion of renewabl
20、e generation表 1 各类型电源系统稳定支撑能力对比Table 1 Comparison in system stability supporting capability of power supplies功率调节范围(Pn)典型惯量/s一次调频功率变化幅度/(调节时间要求/s)电压耐受(电压穿越)能力静态无功调节范围暂态电压稳定支撑能力火电0.31(深调峰)0.51(常规)8126%10%Pn/45 s1.3 Un/1 min功率因数超前-滞后0.85强励光热0.2141.3 Un/1 min水电0.21368%Pn/30 s2 Un/1 min核电0.851696%Pn/45
21、s1.3 Un/1 min风机场*仅向下0.15(双馈)0(直驱)无(传统跟随型)向上6%Pn、向下10%Pn/15 s(新颁推荐国标)1.3 Un/0.2 s1.1 Un/10 s0.9 Un/2 s0.2 Un/0.625 s机组功率因数超前-滞后0.95通过配置静态、动态无功补偿装置及自动电压控制系统,基本具备稳态和动态电压稳定需求弱光伏电站*仅向下0无(传统跟随型)向上6%Pn、向下10%Pn/15 s(新颁推荐国标)1.3 Un/0.5 s1.2 Un/10 s1.10.9 Un0.9 Un/2s0.2 Un/0.625 s0 Un/0.15 s(注:*指未专门设计调频、惯量功能的传
22、统跟随型并网新能源机组或储能单元)表 2 电源侧汇集形态特征Table 2 Power side collection form characteristics电源灵活性支撑系统稳定能力技术成熟度新能源跟随型新能源无,可配置储能提高弱成熟改进型新能源(如虚拟同步机等)配置新型无功补偿装置、调相机、储能等,结合新能源变流器先进控制技术提高部分能力示范构网型新能源趋近于同步发电机,具备惯量、一次调频、主动调压、阻尼控制等理论和实验室阶段储能抽水蓄能强强成熟压缩空气储能强较强示范独立电化学储能强取决于并网性能设计推广应用Vol.6 No.1 张玮,等:特大型新能源基地面临挑战及未来形态演化分析 13
23、集到500 kV或750 kV汇集站后,接入交流大电网或直流换流站,或继续汇集升压到1000 kV特高压交流站。在有特高压直流或交流的特大型新能源基地,新能源汇集站会继续升压汇集,接入特高压交流或特高压直流系统送端。同时,新能源电站虽然可以通过配置一定容量储能,一定程度改善发电出力的随机性和波动性,但与传统机组相比,平稳性和可控性仍存在较大差距。电力电子接口并网且长距离汇集和输送导致高比例新能源系统电气强度弱,发电能力与气象、资源强耦合而强波动、强随机导致新能源发电可控性差,两者给特大型新能源基地汇集与输送网络提出了“柔性化”要求,即电网应在结构形态上多元化、运行控制上高度灵活,新能源场站的协
24、同可控性、抗扰能力、主动支撑能力逐步提高,以共同保障特大型新能源基地的安全稳定和可靠供电能力。1)汇集网络。表3和图3给出了特大型新能源基地的汇集网络的形态及其特征。采用传统的新能源场站交流汇集方式虽然具有接线简单、造价低等优点,但与主网电气距离较远的新图 2 特大型新能源基地电源可能的形态预判Fig.2 Prospect of power source forms in SLRE(super large-scale renewable energy)base抽水蓄能水电CCUS火电特大型新能源基地电网电网电网电网VSGVSG新能源电化学储能调相机压缩空气储能SVCSVG飞轮蓄能光热可能形态4
25、:新能源+交流同步机形态可能形态3:新能源+调相形态可能形态1:新能源+储能可能形态2:构网型新能源力。新增的构网型新能源场站,除了上述能力,还应通过增配储能,具备接近同步发电机特性的惯量、一次调频、主动调压、阻尼控制等能力。同时,为提高风、光新能源基地的汇集系统和输电通道利用率,可配置抽水蓄能、压缩空气和电化学储能等储能系统,平移大发时段电量至小发时段,前两者还可提供同步机的电压和频率稳定能力,满足基地持续增量开发需求。另外,还可以根据当地清洁能源资源禀赋条件,建设水电、生物质和光热电站,通过提高同步发电机占比,提高汇集区域电网强度。必要时还可能通过增加具备CCUS功能的火电机组大幅提高系统
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