上一期讨论了电力系统六大核心问题之一的功率平衡。电力系统不仅是平衡的，而且是稳定的。
本期讲的是电力系统三大稳定问题中的核心问题。
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电力系统的三大稳定是什么？
为了保证电力供应，电力系统需要具有一定的稳定性，即在运行过程中受到扰动后恢复到运行平衡状态的能力。
传统的电力系统稳定性可分为三类：同步稳定性、电压稳定性和频率稳定性(2004年，IEEE/CIGRE稳定性术语和定义联合工作组在《电力系统稳定性的定义和分类》报告中提出)。
1.同步稳定性
传统电力系统以火电、水电、核电等同步发电机组为主。根据法拉第电磁感应定理，这些单元通过旋转和切割磁感应线来发电。电力系统中有许多发电机组。为了给用户提供稳定的电源，多台发电机组也需要协调同步转动，这样输出功率才能稳定，不会互相“打架”。
火力发电厂同步发电机|刘广放大照片
电力系统受扰后，如果所有同步发电机组都能恢复同步状态，继续输出同频电压和电流，保持稳定供电，则说明系统具有同步稳定性。如果一台发电机组在扰动后不能恢复，输出电压和电流的频率与系统中其他发电机不一致，这台发电机组将失去同步稳定性，并可能产生更严重的后果。
同步就像一群人在跳集体舞。他们必须同时做同样的事情。如果团队中有一个人跳错了，可能会引起其他人跟着跳。
因此，必须及时将失去同步稳定的机组从发电队伍中切除，以免造成大的功率振荡或系统崩溃。
2.电压稳定性
电压稳定性是指电力系统中各电压等级线路的实际运行电压能够维持在额定电压附近的能力。例如，220伏的用户电压应该保持在198伏和235.4伏之间。
电压稳定性与负荷和电源密切相关。对于负载，如洗衣机、水泵等常见的电动机械负载，当电压下降超出范围时，电机的负载能力下降，电机可能不转。而且对于供电来说，当电网电压严重不稳定时，电厂各种电辅机如输煤皮带、给煤机等都无法转动，可能导致大型发电机组跳闸，从而放大了问题的影响。
3.频率稳定性
我国主电网采用工频(50 Hz)交流输电。频率稳定性是指电力系统中频率受到扰动后能够保持或恢复到合理范围的能力。
频率稳定性对于发电和用电设备的安全正常运行至关重要。当频率偏移时，电气设备的效率会降低，严重时可能会损坏设备，导致停电或电网崩溃。特别是对于精密机床等设备，频率偏差可能引起机床旋转电机转速突变，导致加工零件精度不一致甚至报废。
三大稳定面临的挑战
随着高比例新能源的接入，电源结构由传统的同步发电机组向以新能源为代表的异步发电机组和同步发电机组转变。这一变化使得三大稳定问题面临新的挑战。
1.同步稳定的挑战
火电、水电、核电等同步发电机作为旋转机组，主要依靠同步发电机的励磁控制系统(为发电机提供磁场的系统)来维持同步稳定。在扰动过程中，该系统能快速增强发电机转子磁场，增加机组的扰动抑制能力，帮助机组恢复同步运行。
随着新能源的引入，异步发电机的供电量逐渐增加。同步稳定性也扩展为“广义同步稳定性”，它包括三个方面，即传统同步稳定性和广义同步稳定性
以新能源为代表的异步发电机是一种静态发电机。它不是依靠机械转速来决定电压和电流的输出频率，而是通过电力电子变换器接入电网，采用控制算法产生同频率的电压和电流。
岱山海上风电场|戴广江摄
这种控制算法往往需要从电网侧获取参考值，从而控制异步发电机的输出，保持与电网同频。就像给群舞队加了一个领舞。跟着做就不容易出错，就能跳得很整齐。但是这副项圈
舞要求就比较高了，也就是作为参考的系统需足够强大，跟随的非同步发电机才能输出同频，以维持广义同步稳定性。2.电压稳定的挑战
电网中负荷的变化、故障的冲击都会影响电压稳定。在传统电力系统的诸多调压措施中，最直接、最经济的手段是通过发电机调压，通过改变发电机磁场强度来改变电压输出。此外，还有调节输电系统中的变压器分接头、投退各级变电站中的电容、电抗器等调压方法。
新能源大规模接入电网后，其在装机容量和发电量上虽然替代了传统同步发电机组，但在电压稳定支撑上却没能承担起同等的责任，维持电压稳定压力增大。
一方面，新能源电压调节能力有限。新能源发电具有间歇性，例如风电机组在有风时才能发电并提供无功功率，发挥电压调节作用；在无风时机组脱网待机，无法参与电压调节。另外，新能源的电压调节能力约为同步发电机组的一半，调节能力较弱。
▎风电与火电经升压接入电网的对比
另一方面，新能源电压支撑效果较弱。新能源一般建立在风、光等资源丰富的山区、沿海等区域，输电距离较远。而新能源机组的输出电压（初级电压）一般在690伏以下，需要经过多层级变压器的升压接入主网，相比而言传统发电机组仅需1级升压接入主网。更长的电气接入距离不仅导致额外的消耗，还降低了新能源对主网电压支撑的敏感性。
再者，新能源耐受力较差，“爆发”能力有限。其仅能提供1.1倍额定电流的动态电压支撑能力，而同步发电机可以提供5至10倍。
3.频率稳定的挑战
传统电力系统主要通过对发电功率调整和负荷管控来调节电网频率。按照调整范围和调节能力的不同，可分为一次调频、二次调频和三次调频。
一次调频主要利用同步发电机组旋转设备（包含汽轮机、发电机、轴）自身的转动惯性，释放（或吸收）动能来防止频率快速的变化。此外还可利用调速器根据频率偏差自动调节发电功率的增减，以此恢复频率平衡。这类调频属于发电系统的应激反应，调节响应较快。
二次调频也称为自动发电控制（AGC），自动跟踪电力调度机构下达的指令，按照一定调节速率实时调整发电功率，维持频率稳定。
三次调频主要通过协调各发电厂之间的负荷经济分配，在满足电力系统频率稳定和系统安全的前提下，以最低的发电成本获得更多、优质的电能。
随着新能源渗透率的增加和相应的同步发电机的退出，电力系统一次调频资源将逐渐减少，频率调节难度有所增加。若把发电机组参与调频看成是一群人在蹬连体自行车，新能源却坐在车上“偷懒”，不主动提供频率调节能力。
▎调频中“偷懒”的新能源
这是由于与同步发电机组相比，新能源并网逆变器接口的电力电子器件不具备惯性响应能力，在同等强度的频率扰动下，惯性降低会使得频率初始跌落增快。另外，以浙江的新能源电站为例，此类电站运行时往往以最大化利用可用发电能力为目标，不具备发电裕度，因此也不能参与一次调频。
而一次调频资源的减少，使得扰动后中频率变化的最大偏差增大，可能触发保护装置动作使发电设备脱网，导致频率偏差进一步加剧。
破题思路
新型电力系统的建设涌现了大量新技术、新设备，同时也给电力系统的三大稳定问题带来新的破题思路。
以浙江电网为例：
在同步稳定方面，对以新能源为代表的非同步发电机进行改造，使其外部特性与同步发电机类似，在学术上称为“构网型技术”。采用该技术后，新型电力系统中同步稳定的复杂性可有效降低。
构网型非同步发电机无需强大的系统（交流电网）作为参考，也就是说不需要领舞也可以保持同步。同时构网型非同步机电源也能为系统提供一定的电压和频率的支撑，对维持电压和频率稳定也有促进作用。
目前，国网浙江电力正在积极规划、开展构网型新能源、储能、柔性直流的研究和示范应用，为未来接纳更大规模的新能源探索发展路径。
在电压稳定方面，国网浙江电力从源、网两侧同时发力，挖掘内生资源，拓展调节手段，保障大电网电压稳定。
▎柔性励磁系统在温州投运
在电源侧，一方面持续挖掘和巩固常规电源对电压稳定的压舱石作用，研制投运了世界首个柔性励磁系统示范工程，通过对发电机组的柔性化改造，将电压强励能力提升2倍；另一方面充分挖掘和释放新能源场站调节资源潜能，通过创新开展主动电压支撑技术研究，增强新能源参与电网电压调节的能力。
在电网侧，通过加装新型调相机、静止无功补偿装置，以及创新应用电力电子变压器等新设备，丰富电网调度控制手段，补充动态调节资源，提升电网承载力。
在频率稳定方面，除了继续提升常规机组的调频能力外，还可挖掘利用新能源、虚拟电厂（负荷聚合商）、储能和地调调管资源等新型调节资源。
▎新型电力系统频率多层协同自动控制体系示意图
国网浙江电力通过构建新型电力系统频率多层协同自动控制体系，全面提升新型电力系统调频能力，相继在岱山、长兴等地实现海上风电场、电化学储能电站的一、二次调频控制功能；在省域建设虚拟电厂，实现对分布式光伏、储能及可调负荷资源的灵活聚合控制；建立浙江基于省地协同一体化的自动发电控制模式和体系，接入了生物质电厂、燃气电厂、储能电站、水电站、光伏电站、风电场站等多类型电厂（站），共计新增552.7兆瓦地区调度的调峰调频容量，相当于增加了一台大型抽蓄机组。
供稿：国网浙江电科院 董炜 张建承 张江丰 江航
编辑：黄琳 项丹｜校对：邓通
