对大型送端电网频率安全新特性与判据的思考

大型送端电网频率安全新特性与判据

研究背景

• 新型电力系统建设加速：国家大力推动以大型风光电基地为基础，以特高压输电线路为载体的清洁能源消纳体系，新能源装机占比持续提升，截至2025年底预计接近50%。
• 频率安全风险凸显：新能源占比提高导致频率安全裕度下降，南澳、英国、澳大利亚等地的频率安全事故敲响警钟，部分国家已限制新能源出力占比。
• 直流故障成为主导：我国新能源逆向分布特点导致特高压直流外送规模持续增大，直流闭锁、换相失败等故障带来的脉冲型有功冲击成为频率安全主要风险。
• 直流故障特征：特高压直流群输送功率大，近区交流故障导致直流功率大幅波动，故障冲击幅值高、持续时间短，对频率安全影响复杂。

大直流扰动下的频率安全特征与演化趋势

• 频率安全主导故障形态：随着直流发展，直流闭锁、换相失败等故障成为频率安全主导形态，其注入系统的有功扰动接近短持续时间、高幅值的脉冲型扰动。
• 频率安全演化趋势：区域电网规模扩大，发电厂跳闸影响降低，直流相关故障成为频率安全主导，脉冲型扰动占比提升，安全水平较阶跃型扰动更高。
• 频率安全机理分析模型：构建Ip-SFR模型，分析脉冲型扰动下系统频率安全特性，得出系统转动惯量是影响最大频率偏差值的关键因素，一次调频主要促进频率快速恢复。
• 频率安全支撑特性：新能源在频率零次响应阶段难以提供有效支撑，但在频率一次调节阶段可提供有效有功支撑，调节速率优于常规机组。
• 频率安全实用化判据：基于Ip-SFR模型，提出频率安全惯量比指标，将系统运行状态划分为充足、余裕、不足三个区间，实现系统惯量充裕性的量化评判。
• 频率时空分布特性：长链式电网频率动态过程存在时空分布差异，构建两区间Ip-SFR模型，通过同步功率系数等参数近似计算联络线传输功率变化值，得到各区间频率变化表达式。
• 典型交流同步电网频率安全特性：新能源占比提升导致频率安全问题，需优化常规机组开机方式，结合惯量比指标进行频率安全水平校核。
• 频率安全特性演化趋势分析：随着新能源、直流发展，系统转动惯量降低将导致频率安全问题，需优化稳定控制措施、网架结构、新能源构网技术等。

结论与展望

• 核心观点：直流故障带来的脉冲型扰动问题将成为未来制约大型送端区域电网直流、新能源发展的重要因素。
• 关键数据：西北电网新能源出力占比超过70%，特高压直流群输送功率达到3000万千瓦，最大频率偏差值与系统转动惯量呈强相关。
• 研究结论：
  • 大直流故障下，需保障常规机组具备足够的开机容量以提供转动惯量。
  • 采用快速切机、直流功率调制等措施实现功率平衡是频率安全最有效做法。
  • 电力电子设备在频率一次调节阶段具备优于常规机组的频率支撑能力，但在零次响应阶段仍需优化新能源构网技术。
  • 推动新增特高压直流采用柔性技术路线，优化直流故障响应特性，合理选择直流受端区域，控制同送同受直流群接入规模，优化直流群接入落点，缓解局部频率安全风险。
  • 结合特高压直流发展规划，同步补强区域交流主网架，加强各局部电网电气联络强度。
  • 优化带机开机方式与开机时序，确保电网有功储备充裕度。
  • 深入研究提升系统惯量的技术创新，为新型电力系统构建提供安全保障。