新能源为主体背景下电力系统平衡理论思考

李立涅 2025.11.14成都 目录 一、、新型电力系统的新二、、新能源成为电压源三、电力系统平衡理论四、新型电力系统建设的思考结语2025第七 一、新型电力系统的新2025第七届能源 一、新型电力系统的新 中共中央关于制定国民经济和社会发展第十五个五年规划的建议 加快建设新型能源体系。持续提高新能源供给比重，推进化石能源安全可靠有序替代，着力构建新型电力系统，建设能源强国。坚持风光水核等多能并举，统筹就地消纳和外送，促进清洁能源高质量发展。加强化石能源清洁高效利用，推进煤电改造升级和散煤替代。全面提升电力系统互补互济和安全韧性水平，科学布局抽水蓄能，大力发展新型储能，加快智能电网和微电网建设。提高终端用能电气化水平，推动能源消费绿色化低碳化。加快健全适应新型能源体系的市场和价格机制 一、新型电力系统的新 我国新能源迅猛发展 >2024年，全国新增风光等新能源装机3.6亿千瓦。 >截至2025年8月底，全国累计发电装机容量约36.9亿千瓦，其中新能源装机容量约17亿千瓦（其中太阳能发电装机容量约11.2亿干瓦：风电装机容量约5.8亿千瓦） 随着沙戈荒大能源基地开发、海上风电开发、分布式光伏发展，我国风光新能源发展势头不减 >新能源发展的意义在于减少对传统化石能源的依赖，提高能源安全，促进经济增长，保护环境，实现可持续发展。 一、新型电力系统的新 我国风电太阳能发展现状与成就 2024年底，我国风光装机容量突破14亿干瓦：风电累计并网容量达到5.21亿干瓦。光伏发电装机容量达8.86亿干瓦，其中分布式光伏发电累计装机达3.7亿干瓦，占全部光伏发电装机的42%。 2025年6月底，我国风电新增并网容量5139万千瓦（陆上风电4890万千瓦，海上风电249万千瓦）：光伏新增并网2.12亿干瓦（集中式光伏约1亿干瓦，分布式光伏1.13亿干瓦），我国新能源开发已形成集中式与分布式井举的发展格局。 一、新型电力系统的新 截至今年8月底，全国风电、太阳能发电总装机为17亿于瓦。对照2035年36亿千瓦的目标，未来十年风电和太阳能发电装机需要新增19亿千瓦 未来十年的风光年均新增装机约2亿千瓦装机， 新型电力系统的新 新型电力系统的重要特征 新能源为主体 电力电子设备和控制为主导 新型电力系统的新 以新能源为主体的新型电力系统 新型电力系统概念情景对应于2060年碳中和 终端电能消费大幅度提升，到2060年，达到70%左右 除了以电能作为直接能源外，目前尚未使用或者大规模使用电力的工业等领域将广泛使用电能。 广域电气化 电成为主力电能多元化转换(Electric power-to-X) 电能多元化转换（Electricpower-to-X）（PowerFuel,PF） 例如，电解水制氢，氢用于交通、工业的能源等：铁路电气化水平提高电动汽车普及，电炉炼钢等等。 电能除了直接使用，还间接制造能源，称为广域电气化，广域电气化背景下电能将在能源中占90%左右。 源、网、荷、储、电能多元化转换协调互动，新型电力系统柔性化发展。 一、新型电力系统的新 双碳自标下的新型电力系统概念情景创新 >电网形态：大电网+有源配电网+微电网 >配电网与分布式电源协同发展，形成分布式配电网 >高渗透率接入新能源将深刻改变传统电力系统的形态、特性和机理 >建立基于数字化智能化的透明新型电力系统 >电力系统从刚性转变成柔性可控，智能灵活 >电网可以“无条件”接受新能源 >系统有“无限大”的功率、“无限多”的能量 >系统的安全稳定依靠功率的动态平衡、能量的动态平衡：动态平衡理论 建立新型故障防御体系和故障分析理论 一、新型电力系统的新 新型电力系统的特征 1.动态特性 传统电力系统，动作时间常数大（秒-分钟级），“慢速”的系统机电特性，稳定性高新型电力系统，电力电子弱惯性特点，动作时间常数小（微秒级），频域分布广（DC-数百Hz），波动性和随机性强 2、安全稳定理论 传统电力系统，机电同步过程，模型等效，基于机电转动惯量的稳定理论 3、系统规模特征 传统电力系统，集中式，单体规模大（100MW级），数量较少新型电力系统，分布式，单体规模小（kW/MW级），数量庞大 4、系统形态和生态 传统电力系统，面向功能、界限分明，以模型和预测为核心的仿真系统，面向集中式架构，存在功能割裂、信息封闭、技术受限的问题 新型电力系统，“源网荷储”融合变换，“能量和信息”交织互动，基于全局的数据是电力系统研究纽带和基础 一、新型电力系统的新 5、负荷侧格局和用户 传统电力系统，负待可预测可计划，相对稳定，用户是电力消费者新型电力系统，负荷侧包括新能源和储能，客户从单纯的消费者转变为“生产者+消费者”负荷不确定性强，用户融入系统 6、系统安全 传统电力系统，确定性强，功能单一，易控制新型电力系统，不确定因素多，功能复杂，构建系统和元件的新型网络安全体系 7、电力系统架构 传统电力系统，大电网，同步电网 新型电力系统，能源电力一体化，广域电气化，大电网+主动配电网+微电网 8、新型电力系统的数字化、信息化、智能化一透明电力系统 传统电力系统，依靠模型，着眼于物理电网本身特性新型电力系统，不完全依颗电网模型，数字数据海量，动态变化：以软件计算为基础 新型电力系统的新 高比例新能源已经出现 。2024年春节期间，云南电网最高新能源渗透率达到63%，若不加以控制渗透率将超过70% ：2025年春节期间，云南电网最高新能源渗透率达到69%，若不加以控制渗透率可达100%---截至2025年2月底，云南电网新能源装机已达到5700万千瓦，装机占比39.1% 预测2028年，云南新能源渗透率将超80%，全年约440小时运行在渗透率60%以上 新型电力系统的新 高比例新能源已经出现 目前全国已有22个省份新能源装机占比超30%，其中内蒙古、河北、新疆、山东装机容量过亿千瓦“三性”问题更加凸显。国家电网估算，2030年新能源最大出力14亿千瓦、约为最大负荷的82%最小出力1.2亿干瓦、约为最大负荷的7%，日内功率波动超过70% 初步运行模拟分析，不考虑安全约束下，2040年南方电网新能源负荷渗透率最高预计超过65%南方区域高渗透翠场景 一、新型电力系统的新 国家电网的华东、华中、华北电网的电力电子化特征电源（新能源+直流）出力占负荷的最大比例已经超过60%*预计到2030、2060年，南方电网主网电力电子化特征电源占比将分别达到56%和74%沙戈荒新能源送出基地等，将出现100%电力电子化电力系统 南方区域电力电子化电源渗透率预计 *华东、华中，华北电网的电力电子化特征电源出力占负荷的比重参考国家电网公司统计数据 新型电力系统的新 目前，珠三角电网已有1回大容量柔直、4个背靠背柔直，7个STATCOM、超3GW新型储能：未来区外沙戈荒及深远海风电柔直引入、内部新建柔性互联工程等，换流站将达到约50座，换流容量约1.3亿干瓦，将配置超干万干瓦新型储能，为高度电力电子化主动支撑超大负荷中心电网提供了应用前景 今年7月6日晚江苏用电高峰时，集中调用93座新型储能放电，调用规模达714万干瓦（新型储能总装机761万：714万干瓦占当时用电负荷的7.12%、占今年最高用电负荷的4.7%）互联 一、新型电力系统的新 口高比例新能源--如何驾驭新能源斤峰会口高比例电力电子设备--发挥电力电子快速准确控制特性口新型电力负荷--电动汽车类、储能类、算力类，，，口新型电网--柔性、分布式、智能，口！ 二、新能源成为电压源2025第七届能源 二、新能源成为电压源 新能源成为电压源--新能源与电力电子技术 风力发电机将机械能转换为直流电；光伏组件则利用半导体的光生伏特效应，将光能转化为直流电，都要经变流器（逆变器）的电力电子设备将直流电逆变为频率、相位、电压等参数符合电网要求的交流电；再通过升压变压器接入电网 直流输电、新型储能等，需经过换流器、变流器等电力电子设备接入电网 电力电子化（渗透）率=（受入直流功率+风光出力+储能放电功率）/（负荷+外送电力储能充电抽器抽水） 新能源成为电压源 电压源的特性 理想电压源 定义：两端电压始终保持恒定值（直流）或按既定规律变化（如正弦交流）：与流过它的电流大小和方向无关。直流理想电压源：输出电压Us恒定。外特性曲线：在电压-电流坐标系中，是一条平行于电流轴的水平直线。 无论电流如何变化（从0到无穷大），电压始终保持不变。概念情景，它可以提供无限大的功率，这是理想状态，而不是实际状态。 电压源的特性 实际电压源 口，实际中，任何电源都存在内阻，输出电压会随若输出电流的增大而略有下降。夏互联网国际 口外特性方程：U=Us-I·Rs U：电源两端的实际输出电压 Rs：电源内阻 一、新能源成为电压源 电压源的特性 电压源的核心外特性 1.输出电压的稳定性：理想情况下电压稳定，实际情况下尽可能稳定（即内阻要非常小）。 2.输出电流的自适应性：电压源输出的电流由外部的负载决定。负载重（电阻小），电流就大：负载轻（电阻大），电流就小。电压源不“决定”电流，它只“提供”电流。 3.1低输出阻抗：这是从交流/动态角度看待“内阻”。一个优秀的电压源，从直流到其工作频率范围内，都应该呈现非常低的阻抗。这意味看当负载波动引起电流变化时，输出电压的波动会非常小。2025第 一、新能源成为电压源 使用电力电子技术构建新能源电压源 口传统同步发电机通过转子励磁和机械转速的控制，天然地具有电压源的特性。而风电、光伏等新能源本身产生的是随机波动的直流电或变频交流电，无法直接接入电网。这就需要通过电力电子变流器及其控制策略来“构建”一个电压源。 口这个构建过程的核心思想是：通过精密的控制算法，让电力电子变流器构建井形成电压源的外特性反映电压源的内在物理规律。2025第 二、新能源成为电压源 便用电力电子技术构建新能源电压源 1.硬件基础：电力电子变流器 新能源发电系统（如光伏逆变器、全功率变流风机）的核心是电压源型变流器。它由全控型电力电子器件（如IGBT）组成，可以通过高频开关动作，将直流电（来自光伏板或风机整流后）转换为与电网同步的交流电。 2.控制策略：如何“构建电压源特性 控制架构： 外环：决定变流器的“目标”。对于电压源，外环就是电压控制环。它设定变流器需要输出的交流电压的幅值和频率。 内环：实现目标的“执行者”。通常是电流控制环。它根据外环给出的电压指令，快速、精确地控制变流器输出的电流，以维持端口电压的稳定。 二、新能源成为电压源 便用电力电子技术构建新能源电压源 新能源井网有两种主流的技术路线： 路线一：跟网型控制 变流器本身井不直接设定电网的电压和频率，而是像一个电流源，追踪电网的电压和频率（通过锁相环PLL），然后向电网注入指定的有功和无功电流。 ·如何体现“电压源特性”？：它本身不构建电网的电压，但其控制依赖于一个强大的的同步电网电压（通常是同步发电机建立的。它通过注入电流来支撑电网电压。·例如，当检测到电网电压跌落时，可以控制变流器增加无功电流的输出，以帮助升电网电压。体现了一种“准”电压源特性，即对电网电压有辅助支撑作用。 二、新能源成为电压源 便用电力电子技术构建新能源电压源 路线二：构网型控制--真正的“构建电压源 在这种模式下，变流器不再使用锁相环去追踪电网，而是自己作为一个独立的电压源，直接控制其输出端口的电压幅值和频率。 核心技术与实现方法： 方法1、直接电压/频率控制+电网形成器：比VSG更直接，其控制器的核心就是一个电压环，直接给定输出电压的幅值和频率参考值。 方法2、模拟同步发电机原理-虚拟同步机：在控制算法中，用数学方程模拟同步发电机的转子运动方程和电磁感应方程。 希望构网型控制能够简单、直接、方便、效益好