龔 銀 劉 煜

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉林供電局）

0 引言

21 世紀(jì)以來，緩解氣候環(huán)境與社會發(fā)展矛盾、保障國家能源安全成為世界各國的普遍共識。我國在經(jīng)濟(jì)快速增長的同時，也暴露出了能源資源過度消耗、生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重等問題。當(dāng)前我國二氧化碳排放量約占世界總量的27%，位居世界首位［1］。為推動綠色低碳轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，我國提出力爭2030 前“碳達(dá)峰”，2060 年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”的發(fā)展目標(biāo)。特別地，在2020 年12 月舉行的氣候雄心峰會上，我國進(jìn)一步提出到2030 年控制單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放和非化石能源比重的目標(biāo)。能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要途徑。作為能源結(jié)構(gòu)支撐的電力行業(yè)，其碳排放約占社會總排放量的40%，也由此成為未來碳減排的重點(diǎn)領(lǐng)域。隨著電力在能源結(jié)構(gòu)中的比重不斷提高，迫切需要在電力生產(chǎn)側(cè)進(jìn)行清潔替代，消費(fèi)側(cè)進(jìn)行電能替代。截至2020 年底，我國風(fēng)電裝機(jī)2.81 億千瓦，光伏發(fā)電裝機(jī)2.53 億千瓦，均穩(wěn)居世界第一［2］。但與2030 年我國風(fēng)電、光伏總裝機(jī)容量達(dá)12 億千瓦以上的目標(biāo)至少還有6.66 億千瓦的差距，未來十年我國可再生能源裝機(jī)仍將保持高速增長勢頭。相比傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，高比例可再生能源滲透電力系統(tǒng)由于自身波動性、隨機(jī)性和間歇性特征，在系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計、運(yùn)行方式上將發(fā)生深刻變化［3］。除此之外，可再生能源機(jī)組在發(fā)電原理、控制方式、并網(wǎng)設(shè)備等方面與常規(guī)機(jī)組存在較大差異，對電力系統(tǒng)平衡調(diào)控、穩(wěn)定機(jī)理提出全新要求。在雙碳背景下，開展高比例可再生能源滲透電力系統(tǒng)理論研究對促進(jìn)可再生能源消納，推動我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型具有重要意義。

為此，本文首先對高比例可再生能源滲透電力系統(tǒng)的基本特征進(jìn)行梳理總結(jié)。在此基礎(chǔ)上分別從系統(tǒng)安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、規(guī)劃設(shè)計三個方面闡述高比例可再生能源并網(wǎng)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來的潛在挑戰(zhàn)。最后對高比例可再生能源滲透電力系統(tǒng)的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題進(jìn)行探討分析，以期為后續(xù)開展相關(guān)研究提供方法思路和理論支撐。

1 高比例可再生能源滲透電力系統(tǒng)特征

高比例可再生能源滲透電力系統(tǒng)是指，在能源結(jié)構(gòu)上，可再生能源裝機(jī)及發(fā)電量均處于主體地位的電力系統(tǒng)［4］。相關(guān)研究表明，到2060 年，我國可再生能源發(fā)電裝機(jī)占比將超70%，能源結(jié)構(gòu)將實(shí)現(xiàn)由當(dāng)前化石能源為主、清潔能源為輔向可再生能源占主導(dǎo)地位的根本性改變［5-6］?？稍偕茉礄C(jī)組出力特性、控制方式、并網(wǎng)設(shè)備等與常規(guī)機(jī)組存在較大差異，使得未來可再生能源滲透率不斷提升的同時，電力系統(tǒng)也會發(fā)生深刻變化。

1.1 系統(tǒng)不確定性增加

可再生能源出力波動性、隨機(jī)性和間歇性的特征，對電力系統(tǒng)功率平衡提出了巨大挑戰(zhàn)。當(dāng)前我國電力系統(tǒng)是建立在以煤炭、燃?xì)鉃橹黧w的可控電源基礎(chǔ)之上。為滿足電力系統(tǒng)實(shí)時平衡的要求，調(diào)度機(jī)構(gòu)需根據(jù)負(fù)荷變化及時調(diào)整發(fā)電出力。在清潔能源占比不高的電力系統(tǒng)中，可再生能源機(jī)組并不主要承擔(dān)系統(tǒng)出力任務(wù)，同時只需通過配置一定容量的系統(tǒng)備用即可消除可再生能源出力波動對系統(tǒng)的影響。而在高比例可再生能源滲透電力系統(tǒng)中，出力波動帶來的影響愈加顯著，系統(tǒng)備用容量需求劇增。除此之外，隨著可再生能源滲透率的逐漸提高，電力系統(tǒng)將由當(dāng)前以集中式為主體轉(zhuǎn)變?yōu)槲磥砑惺胶头植际较嘟Y(jié)合的模式，電能生產(chǎn)側(cè)與消費(fèi)側(cè)之間的界限逐漸模糊化，消費(fèi)側(cè)可再生能源高比例分散接入，通過分布式儲能等方式向系統(tǒng)提供電力，導(dǎo)致配電網(wǎng)潮流反轉(zhuǎn)，大大增加電力系統(tǒng)不確定性。

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行方式多樣

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，可再生能源接入規(guī)模不大，系統(tǒng)負(fù)荷變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，系統(tǒng)運(yùn)行方式相對固定，電力系統(tǒng)規(guī)劃選取豐大、豐小、枯大、枯小四種典型場景作為邊界條件即可滿足計算需求，屬于確定性的技術(shù)手段。而在未來可再生能源機(jī)組大規(guī)模并網(wǎng)的電力系統(tǒng)中，生產(chǎn)側(cè)可再生能源出力具有較大的波動性，消費(fèi)側(cè)隨著電動汽車、需求響應(yīng)的普及，不確定性增加，負(fù)荷變化難以準(zhǔn)確預(yù)測。為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，電力系統(tǒng)規(guī)劃需充分考慮各種典型場景，典型場景數(shù)量將遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)。與此同時，當(dāng)消費(fèi)側(cè)出現(xiàn)大量帶源負(fù)荷，輸配電網(wǎng)絡(luò)將發(fā)生根本性變化。如當(dāng)某地區(qū)分布式可再生能源出力大于負(fù)荷時，配電網(wǎng)潮流方向?qū)⒎崔D(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主網(wǎng)傳輸功率，大大增加系統(tǒng)運(yùn)行方式多樣性。

1.3 系統(tǒng)穩(wěn)定控制復(fù)雜

可再生能源機(jī)組依賴電力電子變流器接入電網(wǎng)，通過交直流電路進(jìn)行傳輸，其輸出功率主要取決于自身控制策略，有效轉(zhuǎn)動慣量較小，抗擾性較弱。而當(dāng)可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)后，常規(guī)機(jī)組減少，電力系統(tǒng)電力電子化程度加劇，系統(tǒng)總體慣性減少，穩(wěn)定機(jī)理發(fā)生變化。系統(tǒng)受干擾后電氣量變化速率與系統(tǒng)慣性密切相關(guān)，慣性下降將直接影響系統(tǒng)故障時的頻率變化率，進(jìn)而對系統(tǒng)穩(wěn)定造成影響。同時，與常規(guī)機(jī)組相比，可再生能源機(jī)組對系統(tǒng)高頻和過流的耐受能力較差，當(dāng)系統(tǒng)頻率或電壓明顯變化時，可再生能源機(jī)組容易大規(guī)模脫網(wǎng)，存在引發(fā)大規(guī)模連鎖故障的風(fēng)險。此外，可再生能源電力電子裝置與電力系統(tǒng)中的其他元件相互影響也有可能會對系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)生影響。當(dāng)換流器多時間尺度控制特性與系統(tǒng)寬頻特征相互作用時，系統(tǒng)電磁動態(tài)特性加劇，可能導(dǎo)致系統(tǒng)寬頻振蕩問題。

2 高比例可再生能源滲透電力系統(tǒng)挑戰(zhàn)

2.1 系統(tǒng)安全穩(wěn)定挑戰(zhàn)

隨著電網(wǎng)可再生能源接入規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，系統(tǒng)電力電子化程度不斷提高，傳統(tǒng)系統(tǒng)中以機(jī)電動態(tài)為主導(dǎo)的功角、電壓、頻率等參數(shù)穩(wěn)定性發(fā)生改變，對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定帶來巨大挑戰(zhàn)。在可再生能源機(jī)組的局部并網(wǎng)點(diǎn)，電力電子裝置功率控制開關(guān)頻繁執(zhí)行開斷策略將會導(dǎo)致高頻諧波產(chǎn)生，使得該并網(wǎng)點(diǎn)的電壓出現(xiàn)畸變和閃變，從而影響電能質(zhì)量。若并網(wǎng)點(diǎn)的可再生能源滲透率較高，電壓波動和閃變影響程度將會進(jìn)一步加劇。同時，可再生能源機(jī)組缺少轉(zhuǎn)動慣量，無功支撐能力較弱。當(dāng)可再生能源機(jī)組逐步取代常規(guī)機(jī)組時，系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)能力顯著下降，且存在丟失功率后頻率下降加速的趨勢。當(dāng)前可再生能源普遍接入低電壓等級電網(wǎng)，與電網(wǎng)主網(wǎng)的電氣距離遠(yuǎn)大于常規(guī)機(jī)組，電網(wǎng)穩(wěn)定特性也會發(fā)生重大變化。當(dāng)系統(tǒng)中同步電源減少，電力電子接口成為主體，整個系統(tǒng)中的短路電流水平將會減少，負(fù)序與零序故障的響應(yīng)呈現(xiàn)非對稱特性，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)裝置整定方式將不再適用，從而深刻改變著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定機(jī)理。

2.2 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行挑戰(zhàn)

可再生能源機(jī)組的出力特性決定了其調(diào)控性較差，難以與負(fù)荷變化相匹配，對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成挑戰(zhàn)。從日內(nèi)時間尺度上看，電力系統(tǒng)的負(fù)荷高峰出現(xiàn)在中午和傍晚時段，呈現(xiàn)雙峰特性。而風(fēng)電出力高峰常出現(xiàn)在負(fù)荷低谷的凌晨時段，負(fù)荷高峰時段出力較低，呈現(xiàn)出明顯的反調(diào)峰特性；光伏能夠在中午高峰較好地承擔(dān)支撐作用，但對于傍晚高峰貢獻(xiàn)較少。年內(nèi)時間尺度上，負(fù)荷尖峰性明顯，呈現(xiàn)夏冬兩季負(fù)荷高，春秋兩季負(fù)荷低的“兩峰兩谷”特性。而可再生能源機(jī)組出力波動性強(qiáng)，風(fēng)電機(jī)組年內(nèi)出力主要集中于春秋兩季，與負(fù)荷呈逆向分布。隨著可再生能源滲透率提升，系統(tǒng)對調(diào)峰、備用、爬坡速率等靈活性資源需求將進(jìn)一步加大。此外，由于可再生能源機(jī)組容量系數(shù)遠(yuǎn)低于火電、水電等常規(guī)機(jī)組。當(dāng)可再生能源機(jī)組在電力系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位時，其裝機(jī)容量勢必會遠(yuǎn)高于系統(tǒng)負(fù)荷峰值，這將導(dǎo)致部分時段出現(xiàn)可再生能源出力較大，電力資源過剩。而在極端條件下，可再生能源出力驟降，導(dǎo)致系統(tǒng)電力需求出現(xiàn)缺額，需調(diào)用大量的備用容量資源。

3 高比例可再生能源滲透電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 系統(tǒng)電力預(yù)測

在高比例可再生能源滲透電力系統(tǒng)中，可再生能源機(jī)組出力和負(fù)荷需求是系統(tǒng)規(guī)劃及運(yùn)行的邊界條件，也是開展機(jī)組組合和經(jīng)濟(jì)調(diào)度研究的重要基礎(chǔ)。提高可再生能源機(jī)組出力和負(fù)荷預(yù)測精度可以保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定，有效降低運(yùn)行成本。隨著消費(fèi)側(cè)出現(xiàn)大量的需求響應(yīng)、電動汽車、儲能等靈活性資源，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出源荷雙側(cè)不確定性的特征。因此，完善可再生能源與負(fù)荷需求相互影響的評估理論，分析可再生能源機(jī)組出力不確定性的內(nèi)在機(jī)理，探索負(fù)荷需求對電價、經(jīng)濟(jì)、氣象等外部影響因素的響應(yīng)特性，研究采用區(qū)間預(yù)測或概率預(yù)測方法分析預(yù)測誤差相關(guān)性，結(jié)合歷史實(shí)測數(shù)據(jù)提取預(yù)測模型輸入?yún)?shù)探索不同時間尺度下可再生能源出力和負(fù)荷不確定性的描述方法。最后根據(jù)預(yù)測誤差評價指標(biāo)，合理選取預(yù)測模型，提取預(yù)測模型輸入?yún)?shù)，考慮對多種預(yù)測模型進(jìn)行優(yōu)化組合以提高系統(tǒng)電力預(yù)測精度。

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)控

針對高比例可再生能源并網(wǎng)對系統(tǒng)安全穩(wěn)定帶來的巨大挑戰(zhàn)，硬件設(shè)備創(chuàng)新和機(jī)組靈活性改造是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)控的兩種不同的技術(shù)手段。高比例可再生能源滲透系統(tǒng)電力電子化程度較高，接口外部特性由其控制策略決定，分析系統(tǒng)故障原因，優(yōu)化控制器參數(shù)，創(chuàng)新控制策略可改變系統(tǒng)元件頻率阻抗特性，降低系統(tǒng)失控風(fēng)險。此外，柔性交直流控制設(shè)備如有源潮流控制器、統(tǒng)一潮流控制器等能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供無功補(bǔ)償，改善電流質(zhì)量指標(biāo)，保障了系統(tǒng)故障時電壓穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組故障穿越能力提升；而同步調(diào)相機(jī)具有與發(fā)電機(jī)相似的結(jié)構(gòu)特性，能夠同時為系統(tǒng)提供慣性和短路容量，有效解決系統(tǒng)慣性降低的問題。傳統(tǒng)常規(guī)機(jī)組調(diào)節(jié)性能差，爬坡速率慢，運(yùn)行區(qū)間窄等缺點(diǎn)越來越難以適應(yīng)高比例可再生能源并網(wǎng)需求，對機(jī)組進(jìn)行靈活性改造是當(dāng)前比較經(jīng)濟(jì)的手段，通過對汽輪機(jī)、控制系統(tǒng)的改造，能夠有效提升調(diào)節(jié)性能，發(fā)揮保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的作用。

3.3 市場機(jī)制設(shè)計

合理的電力市場機(jī)制可以平抑可再生能源出力不確定性對系統(tǒng)造成的不利影響，發(fā)揮價格信號作用引導(dǎo)資源配置。在市場交易時間尺度上，針對可再生能源出力預(yù)測時間越短，預(yù)測精度越高的特點(diǎn)，可以開展電力現(xiàn)貨市場交易，降低因預(yù)測誤差而引起的市場風(fēng)險。同時對于因消納可再生能源而產(chǎn)生的額外調(diào)峰、爬坡等需求，可通過完善輔助服務(wù)市場，激勵各類靈活性資源主動參與系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)和輔助服務(wù)。此外，利用合理的價格機(jī)制引導(dǎo)消費(fèi)側(cè)用戶主動參與需求響應(yīng)，鼓勵用戶調(diào)整計劃安排在可再生能源大發(fā)時段增加用電，在負(fù)荷高峰時段適當(dāng)減少電力消費(fèi)，電動汽車等在負(fù)荷低谷有序充電，負(fù)荷高峰時進(jìn)行放電，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷側(cè)的削峰填谷響應(yīng)，提升電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)和安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。

3.4 能源時空互動平衡

可再生能源機(jī)組建設(shè)選址與自然資源條件密切相關(guān)，很大程度上導(dǎo)致了我國能源資源與負(fù)荷中心呈逆向分布特點(diǎn)。對于電力系統(tǒng)中集中式可再生能源機(jī)組空間平衡問題，可以考慮修建跨區(qū)電力傳輸通道，緩解電網(wǎng)傳輸壓力，提高外送通道利用率，避免可再生資源浪費(fèi)，而對于分布式可再生能源機(jī)組可通過安裝儲能等，應(yīng)當(dāng)通過政策、經(jīng)濟(jì)等手段實(shí)現(xiàn)能源就近消納利用，緩解電網(wǎng)負(fù)荷高峰壓力。在高比例可再生能源滲透電力系統(tǒng)中，多種儲能設(shè)施有機(jī)組合構(gòu)成的綜合能源系統(tǒng)能夠有效應(yīng)對可再生能源出力波動，實(shí)現(xiàn)能源在時間尺度上的平衡，從而充分挖掘電力系統(tǒng)靈活性，增加系統(tǒng)消納可再生能源彈性。當(dāng)前發(fā)展較成熟的儲電、儲熱等設(shè)施存儲規(guī)模雖小但所需時間較短，可用于平抑日內(nèi)波動；而對于跨季節(jié)的波動則可考慮存儲規(guī)模較大的儲氫、儲氣等，在負(fù)荷高峰季節(jié)進(jìn)行釋放，緩解可再生能源機(jī)組運(yùn)行壓力，提高能源系統(tǒng)綜合利用效率。

4 結(jié)束語

本文從不確定性增加、運(yùn)行方式多樣、穩(wěn)定控制復(fù)雜三個方面闡述了高比例可再生能源滲透電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，梳理分析了高比例可再生能源并網(wǎng)之后可能對電力系統(tǒng)造成的安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、規(guī)劃設(shè)計等挑戰(zhàn)，最后從系統(tǒng)電力預(yù)測、系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)控、市場機(jī)制設(shè)計和能源時空互動平衡四個角度闡述高比例可再生能源滲透電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)開展相關(guān)研究提供方法思路和理論支撐。