清華大学TsinghuaUniversity双碳自标下的电网安全问题与对策董新洲清华大学电机系2021.9.26 报告提纲低碳电网高比例可再生能源发电对电网安全的挑战交直流混联电网对于电网安全运行的挑战应对策略结论 1.低碳电网世界能原发展面临资源紧张、环境污染、气候变化等严峻挑战。2016年4月，170多个国家领导人共同签署气候变化问题《巴黎协定》，承诺将全球气温升高幅度控制在2C的范围之内。2016年11月4日，正式生效。2018年政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布了《IPCC全球升温1.5°CC特别报告NationsUniesConference sur les Changerments Climatiques 2015Paris,France资源紧张和环境污染、气候变化压力，迫使人类正视能源消费，建设低碳电网势在必行！ 1.低碳电网习近平主席2020年9月22日在第75届联合国大会提出中国CHINA中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的2021年3月15日，习近平总书记在中央财经政策和措施二氧化碳排工作会议部署能源工作：放力争于2030年前达到峰要构建清洁低碳安全高效的能源体系值，努力争取2060年前实构建以新能源为主体的新型电力系统现碳中和 1.低碳电网我国已建成全世界规模·装机容量17.8亿千瓦电网最大、电压等级最高的·发电量：65亿千干瓦时规模最大巨型电网·跨区输电：2.1亿千瓦直流电压大型交直流·23条直流线路占比最高等级最高·交流1000干伏混联电网·直流占比已达40%·直流±1100千伏，2020年新增16条、柔直新能源2018.12.31·2亿千瓦发电最多昌吉-古泉±1100KV 1.低碳电网低碳电网的两个主要特征：特征1：可再生能源发电特征2：交直流混联风电：风光发电经逆变器接光伏发电；入交流电网；水电直流输电技术柔性直流电网直流1882T.A.Edison交流1886G.Westinghouse百年电力系统发展的新形态交直流联电网 2.可再生能源发电与挑战各国的可再生能源发展战略欧盟美国中国日本2020年2025年2020年2050年3个20%目标提高20%能源·25%的新能·非化石能源占·50%的新能利用效率源比例比一次能源消源占比减少20%温室费15%。·2030年·效率、可再气体排放·单位GDP的生能源使温.20%电力供·新能源比例达CO2排放比室气体排放应来自风电到20%2005年降低降低80%40-45% 2.可再生能源发电与挑战Units: PWh/yr化石能源发电量占比逐渐下降Electricitygenerationsource60风电、太阳能发电量占比逐年上升12%Offshorewind50Onshorewind24%SolarPV40Gas-fired3036%Nuclear Coal-fired20Other20152020202520302035204020452050海上风电、陆上风电、光伏发电将是未来电力系统的主力电源 2.可再生能源发电与挑战中国的可再生能源发电2019年6月底2040年可再生能源发电占比50%·中国可再生能源发电装机容量750GW2050可再生能源发电占比67%·风电：193GW可再生能源发电成为最大发电能源光伏发电：186GW26.7%30%2018年底主要省份光风电伏发电量21.79PVpowerinstalledcapacity(*10000kw)600020%Windpowerinstalledcapacity(*10000kw)21.3%41%39%50%400031%32%35%电量9.6%66加发5.006.4%12.8%5.4%Nonfossil200003416.4%年0.000.680.5%energ0%0%(%)Biomass比例nuclearhydroIcoal参考周孝信院士报告 2.可再生能源发电与挑战波动性发电对电网安全运行的挑战一挑战1风速的不确定性，引起风力发电机功率输出的不确定性光照的间歇性、不确定性，引起太阳能发电的不确定性1.0晴空模型功率实测功率 0.80.7AP0.30.2 0.1 100006:0000:8010:0012:0014:0016:0018:0020:00单台风机功率曲线光伏功率曲线给电网调控和稳定运行带来挑战：需要备用电源、弃风、弃光、基至弃水时有发生 3.交直流混联电网可再生能源发电经换流器（Converter）接入交流电力系统IC/DCDC/AC1）光伏发电逆变器直流输出，经逆变器（Inverter）变换成为交流，再和交流电网并联2）风力发电交流输出，经整流器（Rectifier）整流成为直流，再经逆变器逆变成交流，再和交流电网并网11 3.交直流混联电网中国直流输电技术快速发展自2010年来，13回±800kV直流多馈入长三角、珠三角及以上电压等级直流输电工程投运·截止2018年12月31日±1100kV特高压直流输电线路吉泉线投运，全长3329公里，容量1200万干瓦·跨区输电容量占比高达40%以上·形成了深耦合的交直流混联电网 3.交直流混联电网张北500kV康保站丰宁抽蓄柔直电网张北站北京站张北50OkVVSC-HVDC电网短路电流分布电流峰值30kA；短路电流快速增大上升速率3kA/ms；>母线电压迅速降低直流电压快速跌落80%在2~3ms.13 3.交直流混联电网交直流混联电网连锁故障交流短路低电压+换相失败+直流闭锁+潮流转移+振荡解列，几乎是确定性的事件（区别于交流电网中的潮流转移）;不是由隐性故障或者失效引起，一切都是正常的：不只是连锁跳闸（交流电网的原因是单一故障）；，导致大面积停电。在交直流混联电网中，连锁故障成为故障新常态！ 3.交直流混联电网混联电网安全运行所面临的挑战一批战2逆变站可再生能源发电逆变接入交本流电网短路电流受限，保护换相失败交流故障构成困难连锁故障受端交流电网故障低电压导致换相失败，进而引发支流闭锁、潮流转移，造成连锁直流电网故障;本柔直电网直流CB开断能力差直流断路器保护超高要求保护超高速动作开断能力差速动作系统惯量减小，稳定性变差电流8020.020.04逆变电源侧常规电源侧 4.应对策略1.发展大容量储能技术物理储能（如抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等）电化学储能（铅酸电池、锂离子电池、液流电池、钠硫电池）电磁储能（如超导电磁储能、超级电容器储能等）储热技术（熔融盐储热）电制气储能技术五大类2.交直流混联电网系统保护阻断交直流混联电网连锁故障链条 4.1发展大规模储能技术截至2018年底压缩空气储能 0.1%全球装机：181GW阳网电池液电池27.2%_1.5%抽水蓄能：170.7GW抽水器能电化学储能锂子电池95.8%3.4%70.7%超股电喜电化学储能：6625.4MW0.6%（锂电池：5714.5MW）纳醋电池0.7%< 0.1%数据来源：CNESA全球防能项自率压缩空气储能0.2%烟盐罐热钠碎电池中国装机：31.3GW1.5%6.0%铅蓄电池17.3%5.9%抽水器能电化学销胎锂离子电池抽水蓄能：29.99GW激流电池94.3%3.7%86.3%1.2%电化学储能：1072.7MW超级电容飞轮储能0.1%（锂电池：758.8MW）0.3%L其它0.5%数据来源：CNESA全球储能项目库 4.1发展大规模储能技术1.抽水蓄能电站：负荷低谷抽水、高峰负荷时发电低谷电能→电动机旋转机械能→水泵抽水一→水力势能→水轮机旋转机械能→发电机组发电→高峰电能抽水蓄能是最具有市场竞争力的实用化储能技术2018年：29.99GW；抽水蓄能电站展览室2020年：40.00GW：2025年：90.00GW电话2020年将建成10GW抽蓄电站主腾道调陈室规模数百兆瓦效率70%新路泽发电池配电子成本3500~4000￥/kW是世界上抽水蓄能装机容量最大的国家 4.1发展大规模储能技术2.电化学储能：铅酸/铅炭电池、锂离子电池、由正极、负极、隔膜和电解质组成，充电过程，正极活性材料氧化反应，Load.......ElectronsCurrent :失去电子，阳离子通过电解质在电隔膜负极AnodeSeparator场的作用下，向负极移动；失去的Cathode正极电子沿外电路流向负极，并在负极上与负极活性材料相结合，发生还原反应，电能转为化学能。电解液电池放电过程与充电过程相反，将化学能转化为电能铅蓄电池储能电站全球155座、299.0MW锂离子电池能量比最高，但由于成中国59座、135.2MW本和寿命，快速发展中 4.2混联电网系统保护早期有关系统保护的概念特殊保护系统，SpecialProtectionSystem,SPS.补救控制系统，RemedialActionScheme，RAS·安全自动装置，中国故障清除后·广域控制，WideareaControl的稳定控制2·加拿大的SPS，Hydro-Quebec1）扰动检测；2）远程减负荷；3自动切机：4）可编程减负荷改善后备保3广域保护，WideAreaProtection护性能ArunPhadke,PMU,1989薛禹胜，广域测量系统和广域保护控制系统，2007 4.2混联电网系统保护交直流混联电网系统保护针对交直流混联电网连锁故障的一组保护集，包括：·防止直流换相失败；·分担过负荷的广域直流控制技术防止交流电网连锁跳闸的距离保护技术保障电气设备安全和剩余系统的稳定性系统保护的主要特征道防线具有动态特性；2具有主动特征；阻断连锁故障链条；是对“三道防线”中第一、第二道防线的强化和补充。 4.2混联电网系统保护逆变侧交流故障发生防止换相失败的保护控制技术连锁故障是在时间域换相失败顺序发生的继发性复故障防止直流潮流转移到交流的保护控制技术潮流转移所有保护的理论基础可以用复故障理论来分析和解释防止交流电网连锁跳闸的距离保护技术连锁跳闸混联电网系统保护框图 4.2混联电网系统保护1）减少多次换相失败的保护控制技术·基于触发角和熄弧角的换流器控制方法动态调整逆变器的触发角和熄弧角·支撑逆变侧交流母线电压Statcom,SVC,UPFC限流技术限制短路电流，提高残压，防止换相失败，超导限流器SFCL等 4.2混联电网系统保护根据工程实践，市两次换相失败可接受多于两次换相失败将造成严重后果，比如直流闭锁ActivepoweratHVDC#1inverterside10C0Active power at HVDC#2 inverter side1000Activepower/Mw8C04002002000.0200050.00.51.01.52.02.5TimoisTime/s多次换相失败多馈入线路同时换相失败 4.2混联电网系统保护动态调整逆变侧的触发角和的熄弧角U,-U[V3(2 40)]arecosll-+K/a.触发角控制熄弧角控制 防止换相失败的技术1仿真结果150WithcontrolWithcontrolWithoutcontrol1.2Without controlExtinctionangle/degrees120DC current I p.u.1.08'060300.20.961.001.041.081.120.0.0.961.001.041.081.12Time/sTime/s单相接地故障仿真，采用控制和不控制的对照 4.2混联电网系统保护紧急直流功率支撑策略2）直流参与控制控制健全直流线路接受功率转移，分担因直流线路闭锁引起的潮流转移；改善送受端电网功率过剩和差额引起的频率改变1000PDC1.5IDCActivePower (MW)800800650VDC2006606003.84.2 4.4 4.6002345TriggerAngle(rad)Time (s)AORTheactivepoweroftheLCC-HVDCsystem0.40.253.544.555.5Time (s)TheelectricalvariablesoftheLCC-HVDCsystemBy刘