双碳目标下的电网安全问题与对策

双碳目标下的电网安全问题与对策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.低碳电网世界能源发展面临资源紧张、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2℃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℃特别报告》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!中国将提高国家自主贡

献力度，采取更加有力的

政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰

值，努力争取2060年前实现碳中和要构建清洁低碳安全高效的能源体系，

构建以新能源为主体的新型电力系统。2021年3月15日，习近平总书记在中央财经

工作会议部署能源工作：习近平主席2020年9月22

日在第75届联合国大会提出1.低碳电网我国已建成全世界规模

最大、电压等级最高的巨型电网●

装机容量17.8亿干瓦●发电量：65亿千瓦时●

跨区输电：2.1亿干瓦●

直流占比已达40%●

2020年新增16条、柔直●交流1000干伏●

直流±1100干伏大型交直流混联电网1.低碳电网2018.12.31昌吉-古泉±1100KV电网规模最大电压

等级最高直流

占比最高新能源

发电最多●

23条直流线路●

2亿干瓦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●

直流

1882

T.A.Edison

●

柔性直流电网●交流

1886G.Westinghouse●

交直流混联电网

→百年电力系统发展的新形态中国2020年●非化石能源占

比一次能源消

费15%。●

单位

GDP

的

CO₂

排放比

2005年降低

40-45%2020年3个20%目标●提高20%能源

利用效率●减少20%温室

气体排放●新能源比例达

到20%●

2025年●25%的新能源比例●2030年●20%电力供应来自风电

日本

2050年●50%的新能

源占比●效率、可再

生能源使温

室气体排放

降低80%各国的可再生能源发展战略美国欧盟Electricity

generation

sourceOHshore

windOnshore

windSolar

PVHydroGas-firedNuclearCoal-firedOther02015

2020

2025

2030

2035

2040

2045

2050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化石能源发电量占比逐渐下降风电、太阳能发电量占比逐年上升2.可再生能源发电与挑战60·50

·40。30

·2010*Units:PWh/yr36%12%24%>26.7%

30%15.0021.7%184%10.0013.5%17.3%16.1%12.8%Nonfossilenergy49.2%Renewable

energy40.5%0%Biomasscoal中国的可再生能源发电2019年6月底●中国可再生能源发电装机容量750GW●风电：193GW●光伏发电：186GW●2040年可再生能源发电占比50%●2050可再生能源发电占比67%.●可再生能源发电成为最大发电能源9462000

28690992

19%17%12841K11832839864^99、11467%19%81108189a6s13/dcE2660004000

31%Wind32%

35%powerinstalled41%capacity(*10000kW)39%%2018年底主要省份光风电伏发电量2.可再生能源发电与挑战PV

power

installed

capacity(*10000kW)na20202025203g₀

G3520402045参考周孝信院士报告。50%0%20%

213%Mon-fossllenergy78.2%Renewable3.2%0.6年

增

加

发

电

量(

t

nihydronuclearl

i

o

n

k

w

h

)比

例

(

%

)energy67.4%0.005.006.4%6.4%24%9.%5.4%9.6%心22.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——批

成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◆给电网调控和稳定运行带来挑战；◆需要备用电源、弃风、弃光、甚至弃水时有发生单台风机功率曲线光伏功率曲线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1)光伏发电直流输出，经逆变器(Inverter)

变换成为交流，再和交流电网并联可再生能源发电经换流器

(Converter)

接入交流电力系统3.交直流混联电网平渡电填鳞

直森线略直索控制系等滤波络”搜地极DC/AC说变器警

池交流负载交流电网风机PMSDC/DC功事跟琼格位换流

变压歸光伏麟交流

滤波的制控叶菜◎11风

速DC/ACAC/DC电

門●自2010年来，

13回±800kV

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1200万千瓦●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中国直流输电技术快速发展●直流多馈入长三角、珠三角3.交直流混联电网>

电流峰值30kA;>上升速率3kA/ms;>直流电压快速跌落80%在2~3ms.>

短路电流快速增大>母线电压迅速降低3.交直流混联电网张北500kV柔直电网张北500kV

VSC-HVDC

电网短路电流分布133.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!●可再生能源发电逆变接入交

流电网短路电流受限，保护

构成困难；●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，造成连锁故障；●柔直电网直流CB开断能力差，要求保护超高速动作；●系统惯量减小，稳定性变差逆变电源侧3.交直流混联电网●

混联电网安全运行所面临的挑战——挑

成

2逆变站本换相失败连锁故障电流交流故障ik44.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压缩空气储能钠硫电池

_6.0%15%_铅蓄电池5.9%液流电池1.2%超级电容

0.1%_其它0.5%数据来原：CNESA全球储能项日库压缩空气储能<0.1%阳酬电电20.2%电化学储能3.4%70.7%L熔融盐储热0.7%截至2018年底全球装机：181GW抽水

能：170.7GW电化学储能：6625.4MW(锂电池：5714.5MW)中国装机：31.3GW,17.3%抽水蓄能：29.99GW电化学储能：1072.7MW(锂电池：758.8MW)4.1

发展大规模储能技术液流电池1.5%超级电容

0.6%钠硫电池

<0.1%数据来源：CNESA全球储能项目库锤离子电池86.3%电化学储能3.7%飞轮储能0.3%.0.2%

熔融盐储热描水蓄能94.3%抽水稀能95.B%错离子电范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→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;2020年：40.00GW;2025年：90.00GW;2020年将建成10GW

抽蓄电站规模数百兆瓦效率70%成本3500～4000¥/kW●是世界上抽水蓄能装机容量最大的国家●

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，

失去电子，阳离子通过电解质在电

场的作用下，向负极移动；失去的

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。●

电池放电过程与充电过程相反，将

化学能转化为电能。●锂离子电池能量比最高，但由于成

本和寿命，快速发展中4.1

发展大规模储能技术2.电化学储能：铅酸/铅炭电池、锂离子电池铅蓄电池储能电站全球155座、299.0MW中国59座、135.2MWload隔膜Separator负极Anode电鍵液正极Electrons:●

特殊保护系统，SpecialProtectionSystem,SPS●

补救控制系统，

Remedial

Action

Scheme,RAS●

安全自动装置，中国●

广域控制，WideareaControl●

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●

广域保护，

WideAreaProtection·ArunPhadke,PMU,1989●薛禹胜，广域测量系统和广域保护控制系统，20074.2混联电网系统保护早期有关系统保护的概念改善后备保护性能故障清除后的稳定控制234.2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●具有动态特性；

道防线●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●所有保护的理论基础

可以用复故障理论来分析和解释连锁故障是在时间域顺序发生的继发性复故障防止换相失败的保护控制技术防止交流电网连锁跳

闸的距离保护技术防止直流潮流转移到

交流的保护控制技术混联电网系统保护框图逆变侧交流故

障发生连锁跳闸换相失败潮流转移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，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。Time

/s多馈入线路同时换相失败多次换相失败Actvepower/MWActve

power/MwTimeis4.2混联电网系统保护动态调整逆变侧的触发角和的熄弧角V,-UV3(2-

△lD

0,触发角控制熄弧角控制

taiureninJ.1)防止换相失败的技术单相接地故障仿真，采用控制和不控制的对照仿真结果Extnctionangle/degreesDccurrentI

p.u.Time

/sTime/s2)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TheelectricalvariablesoftheLCC-HVDCsystem下垂控制4.2混联电网系统保护紧急直流功率支撑策略Theactivepowerofthe

LCC-HVDCsystemTriggerAngle

(rad)DCVoltage

(kV)DCCurent

(kA)By刘晔、沈沉ActvePowerMw)Time

(s)Time(s)5.53)免疫于过负荷和振荡的

距离保护技术正常：测量阻抗Zoad位于整定圆外；内部故障：测量阻抗Z

ault

位于整定圆内.过负荷：测量阻抗是Zoverload,可能位于圆内.无法识别故障和过负荷!延迟动作，给稳定控制留出时间免疫于过负荷的保护3)免疫于过负荷和振荡的

距离保护技术◆

接地故障距离Ⅲ段●测量阻抗和戴维南等效阻抗之间的幅值关系相间故障距离Ⅲ段过负荷V

过负荷×故

障

×

故障

√免疫于过负荷的保护◆振荡电压和电流不同步.测量阻抗沿直线OO,

运动，导致继电保护不正确动作距离保护技术基本的距离保护判据内部故障→

正确跳闸外部故障→正确闭锁免疫于振荡的保护故障：Ex=E∠0°M●为避免振荡时保护误动，不同相但同步变化的电压用作比较判别的依据；●为了区分区内区外故障，整定点电压被补偿距离保护技术免疫于振荡的距离保护——多