新能源基地经直流送出的技术挑战与思考

新能源基地经直流送出的技术 挑战与思考 王伟胜，总工程师，教授级高工 中国电力科学研究院 （可再生能源并网全国重点实验室） 2023年5月 国家电网 主要内容STATEGRID 中国电力科学研究院有限公司 引言 二、问题认识三、试验平台四、案例分析五、结论与展望 一、引言 国家电网 STATEGRID 中国电力科学研究院有限公司 我国新能源发展现状 口 口2022年底，全国风电、光伏装机容量达到757GW，约占全国电源总容量的27%； 2022年，风电，光伏发电量达到1.19万亿于瓦时，约占全社会用电量的13.8% 口2022年，蒙东，海、宁页、甘肃、新疆等部省区新能源渗透率已超过100%。 00L 太阳能发电量(TWh)风电发电量(TWh)新能源发电量占比（%） 14% 2022年我国部分地区新能源装机与渗透率* 600 500 7.7% 8.1% 9.7% 555.4 12%10% 省份(地区） 蒙东 新能源装机（GW） 25.21 渗透率(%) 372 TML/400 300 6.6% 866.0 105.7 6% 青海 28.13 233 发电量200 4% 宁夏 30.40 195 100 2017 2018 2019年份 2020 2021 296 0% 甘肃新疆 34.9040.86 170 145 近5年我国风电、太阳能发电量（TWh） 渗透率=2022年底新能源装机容量/2022年最大负荷3 一、引言 国家电网 STATEGRID 中国电力科学研究院有限公司 国网经营区内新能源电力电量屡创新高 口2023年3月份，新能源最大电力达3.11亿干瓦，占当时负荷的39.2% 口日发电量连续6天突破40亿于时，最大达45.6亿于时，占当日发电量的25，7% 2023年3月份新能源装机情况2023年3月份新能源消纳情况 月度新增年度新增总装机 装机 装机占比 月度（同比）发月度（同比)奔月度（同比）利 万干瓦 （同比）（同比） 万干瓦万干瓦 %装机 电用亿干瓦时电带亿干瓦的用率% 风 56830872 654 21.1 96.9 2.9% 26.6% 1.2 410 7.6 98.2 40.6% -14.9% 1.2 29415.1 光 991 2897167.7% 3641832.9% 17.8 汇总 1346 3593 94620 46.3 18.9%10.5%风 光 4 一、引言 国家电网 STATEGRID 中国电力科学研究院有限公司 我国新能源未来发展预测 非化石能源将成为“十四五”能源增量的主体，以风电、光伏为代表的新能源仍将持续快速发展，井最终在全国范围内形成高比例新能源电力系统 预计2020~2030年年均新增1.2亿千瓦新能源装机，到2025年，新能源发电装机将达10亿于瓦，占全国电源装机容量的33.3%； 预计2030年，新能源发电装机将达16.4亿于瓦，占全国电源装机容量的43.2% 0.86,3%_0.34,1%1.3,3%-0.8,2% ■火电■火电 5,17% ■水电 14,46%■风电 8.4,22%14,37% ■水电 ■风电 5,17% ■太阳能发电太阳能发电 核电核电 ■其它电源8,21% 4.8,16%5.5,15% 2025年各类型电薄装机容量及占比2030年各类型电薄装机容量及占比 ■其它电源 5 一、引言 国家电网 STATEGRID 中国电力科学研究院有限公司 新能源发电量-新能源消纳率的关系 新能源电量渗透率与利用率之间相互制约，以新能源利用率为目标的消纳模式函需转变。我国各资源分布不均衡，以新能源利用率为自标的消纳模式难以实现新能源发电量占比提升 2030年，以新能源发电量最大为自标布局新能源，可增加新能源消纳电量约1600亿千时，但新能 源利用率将降低2个百分点 2030新能源装机布局优化结果对比 单位：亿干阿时 发电量 发电量 发电量 国网 21329 19741 1588 华北 4413 3339 1074 东北 2830 2153 L.9 5944 3911 2033 华东 3961 6072 2111 华中 3146 3049 97 西南 1035 1217 -182 6 地区发电量最大利用率最高对比 国网经营区风电资源小时数国网经营区光伏资源小时数 一、引言 国家电网 STATEGRID 中国电力科学研究院有限公司 我国新能源未来发展模式 口我国大型新能源发电基地：我国“三北”地区已建成8个千万于瓦风电基地、8个太阳能发电基地 部分省份新能源已成为第一大电源，其中海占比超过60%，甘肃占比接近50% 口受资源特性影响，中长期来行风电布局仍将以“三北”地区集中式开发为主，光伏发电装机为集中式与分布式并重“三北”地区新能源占比将进一步提升 我国新能源布局与负荷分布示意图“十四五“我国风电发展区域 一、引言 国家电网 STATEGRID 中国电力科学研究院有限公司 我国新能源未来发展模式 口海上风电：2022年我国海上新增装机516万于瓦：截至2022年底，我国海上风电累计装机容量超过3000 万于瓦，累计装机占全球总量一半以上 口我国海上风能资源丰富，5~50m水深内100米高度海上风电开发潜力约400GW，《“十四五”可再生能源发展规划》提出加快推动海上风电集群化开发。各省海上风电远景年规划总装机容量超过124GW 35250% 千万干瓦海上风电基地 30- 25 积装机量（GW） 同比增长 200% 150%￥ 山东，2030年海上风电1275万千瓦 江苏，规划海上风电1446万干瓦 100%上海，规划海上风电595万千瓦 10 50%浙江，2030年海上风电647万千瓦 Ln 损建，2030年海上风电高于300万干瓦：远运率年1330万于向 海电，规划海上风电395广东，2030年近海风电3000万千瓦；远景年， 万干瓦达6685万千瓦 我国历年海上风电装机情况我国海上风电发展规划8 一、引言 国家电网 STATEGRID 中国电力科学研究院有限公司 挑战1一送端集中式大基地资源评估问题 我国风光资源丰富，但已开发量有限，具备高强度持续开发利用的资源条件。通过资源评估深明风能、太阳能等新能源的资源储量、空间分布、可开发量、互补特性及资源品质，是新能源开发利用的直要任务。网格化资源评适模式系统，能够很好描述近地面大气的运行过程和地形对大气运动的作用，比较准确模拟出风光资源在时空广域上的分布趋势。 全国自动气象站的分散分布新能源场站资源监测点的分散分布网格化资源评估模式6 一、引言 国家电网 STATEGRID 中国电力科学研究院有限公司 挑战2-送端集中式大基地电源规划问题 大规模新能源基地以特高压直流外送为主要消纳形式，受高比例新能源出力随机波动性强灵活调节资源不足等因素影响，新能源与直流通道利用率难以得到保障，需要考虑消纳，经济安全多约束，开展新能源基地风光配比和调节资源的协调优化配置。 风电资源光伏[源·直流利用小时数≥4500h储 互补风光出力互补·新能源利用利用率≥95%.储能类型 新能源消纳直流运行方式·出力序列构建循能装机荷容量 建设成本调节资源特性 及·基地最大出力≥0.8p.u 带规电源 直 风电光伏装机 淘节资源规楼 装机 装机直流容量 片流调节频次 受端电网调峰需求 荷 +直流爬坡能力本地负荷需求 10 一、引言 国家电网 STATEGRID 中国电力科学研究院有限公司 挑战3-送端集中式大基地系统安全稳定问题 随着高比例新能源接入系统，送端电网同步特性持续弱化，局部地区短路比降低，新能源并网存在宽频振荡及暂态过电压等安全稳定问题，导致新能源脱网、设备损坏、弃风弃光增加等严重后果，影响了新能源的跨区送出与消纳 河北洁源飘电经广东南澳风电经张北新能原经桑张北斯能原经柔直德国北海风电经1.4 电压超过1.3pu 串补送出系统深市送出系链直送出系统送出系统柔直送出系统 1.3 易造成新源悦网 80ms 100ms (4-9Hz)(304z) (2H95/t) (584z)(250~350H2)1.2 1.1 OHz10Hr 10°Hz 10°Hz 美国明愿苏达风电关国德州风电经上海南汇风电经 新疆哈变叉电经交 张北新能源经张北新洋源经 0.7 经审补送出系航 禁真送出系统 流电网送出系统柔直送出系统桑直送出系统0.6 0.5 (10~13H2)(204z)(2HOE-02)(25/75H2)(650~900Hz)(3410-4250H2) 0.450.10.20.30.40.6 Vs 0.60.70.80.9 送端系统宽频振荡问题送端系统暂态过电压问题11 、引言 主要内容STATEGRID 国家电网 中国电力科学研究院有限公司 问题认识 三、试验平台四、案例分析五、结论与展望 国家电网 二、问题认识STATEGRID 中国电力科学研究院有限公司 1.送端集中式大基地资源评估问题 为有效对风光资源进行评估，需要基于资源监测数据集，在主流尺度数值天气预报模式WRF （WeatherResearchandForecasting）框架内，研发气候四维资料同化资源数值模式系统，开展 全国资源的评估、波动特性、互补特性的分析，并为不同形式新能源出力模型提供输入条件 WRF-CFDDA资源模拟数据集 气象环境观测资料气候四维资料同化 地形和士地 利用类型 资源监测数据集适用于我国气候特征的太阳能 出力 水资源 气象动力数值同化模式 资源分布分布模型 资源出力特性资源互补特性 13 国家电网 二、问题认识STATEGRID 中国电力科学研究院有限公司 2.送端集中式大基地电源规划问题 为充分考虑新能源发电的随机波动性和互补特性，需要基于时序生产模拟技术建立数学优化 规划模型，并在规划模型中考虑新能源基地全年8760h电力电量平衡优化 水电光伏光热风电充弃电花 18000数据 15000 12000 9000 6000优化 计算 3000 -3000 结果 -6000分析 -9000 Bt(间/h 14 国家电网 二、问题认识STATEGRID 中国电力科学研究院有限公司 2.送端集中式大基地电源规划问题 规划模型以基地发电清洁性或电源投资经济性为优化自标，考虑风/光发电特性、新能源电 量占比与利用率、各类资源调节能力、直流利用小时数与运行、受端电网调峰需求等约束条件，实现风/光配比与储能等调节资源容量的合理优化配， 边界条件全年8760h序列新能源基地规划计算模型输出结果 风电·新能源发电量最大风光容量配比 已有常规电源装机计划外，投资成本量小 不同目标场景 储能配置容： 直流送电曲线 多类型电源 送通道 光伏[ 系统运行约束：直流容量、直流调节频次、直流爬坡能力、声流利用小时约束 受端负荷电源运行约束：常规电源运行、储能运行约束 发电清洁性约束：新能源发电量占比、新能源 风、光、水、火、储等电源利用率、新能源出力约束...".15 国家电网 二、问题认识STATEGRID 中国电力科学研究院有限公司 3.送端集中式大基地系统安全稳定问题-宽频振荡 与常规同步电源相比，新能源发电通过电力电子装并网，并网特性涉及到多个控制环路协 调配合，控制带宽横跨5个数量级，呈现宽频特征 口发现不同控制环节重菩效应引发新能源机组端口阻抗呈现负阻尼特性 直流电压时 锁相环电流环LC滤波 200负阻尼频段1频段频段 100 相位(Deg) -100负阻尼 -200 10 频率(Hz) 1001000 16 国家电网 二、问题认识STATEGRID 中国电力科学研究院有限公司 3.送端集中式大基地系统安全稳定问题-暂态过电压 口双馈风电机组磁链守恒，在电网电压突变下对暂态过电压有一定的抑制效应；口光伏/直驱风电机组控制策略对暂态过电压具有显著影响向 口双高电力系统稳态和暂态特性强耦合，宽频振荡演变成暂态过电压，导致新能源机组连锁脱网 0.8 2.0.6 0.4 现场试验 控制在环 20ms20ms 35VRM5电压