新型電力系統(tǒng)的新能源挑戰(zhàn)和數(shù)字化技術研究

張傳遠，趙久勇，王光磊，王丹丹，陳亞天

（北京國電通網(wǎng)絡技術有限公司，北京 100192）

電力系統(tǒng)“雙高”“雙峰”特征凸顯，面對加速推進能源清潔轉型以及新能源大規(guī)模高比例并網(wǎng)、分布式電源和微電網(wǎng)接入等多重挑戰(zhàn)，為加快能源綠色轉型發(fā)展，國家提出“碳達峰、碳中和”目標及構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)[1]，國家電網(wǎng)公司明確提出大力發(fā)展風電、太陽能發(fā)電等分布式電源。構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，打造清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，是推動能源革命、保障能源供應安全的重要戰(zhàn)略舉措。

新型電力系統(tǒng)是以確保能源電力安全為基本前提，以滿足經(jīng)濟社會發(fā)展電力需求為首要目標，以堅強智能電網(wǎng)為樞紐平臺，以源網(wǎng)荷儲互動與多能互補為支撐，具有清潔低碳、安全可控、靈活高效、智能友好、開放互動基本特征的電力系統(tǒng)。

新能源大規(guī)模高比例并網(wǎng)，給新型電力系統(tǒng)在消納、安全運行、機制體制等方面帶來了巨大挑戰(zhàn)。源網(wǎng)荷儲的高效互動將成為新型電力系統(tǒng)運行的常態(tài)，需要運用數(shù)字化技術，打通源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)信息，使電網(wǎng)具備超強感知能力、智慧決策能力和快速執(zhí)行能力。

1 新型電力系統(tǒng)的新能源挑戰(zhàn)

新型電力系統(tǒng)中，風光新能源將成為新增電源的主體，并在電源結構中占主導地位。預計到2030 年和2060 年，中國以風光為主的新能源裝機占比會分別達到41%和70%，發(fā)電量占比將分別超過22%和58%[2]，電力供給將朝著實現(xiàn)零碳化邁進。

由于新能源資源的波動性和隨機性、發(fā)電設備的低抗擾性和弱支撐性[3]，給新型電力系統(tǒng)帶來了高效消納、安全運行和機制體制等方面的巨大挑戰(zhàn)。

1.1 消納挑戰(zhàn)

大規(guī)模風電、光伏等新能源并網(wǎng)給新型電力系統(tǒng)帶來了巨大消納挑戰(zhàn)，具體如下。

第一，新能源發(fā)電存在季節(jié)性偏差，且利用小時數(shù)低，對持續(xù)可靠供電挑戰(zhàn)大。根據(jù)圖1 預測，風電發(fā)電量主要集中在春冬兩季（約占60%），光伏發(fā)電量主要集中在夏秋兩季（約占60%）；大小風年的風電利用小時數(shù)相差超過20%，光伏利用小時數(shù)約相差10%。

圖1 某省風電、光伏發(fā)電情況圖

第二，新能源日內(nèi)功率波動大，系統(tǒng)常規(guī)電源調(diào)節(jié)能力不足。預估2060 年全國范圍內(nèi)新能源日最大功率波動將超過16 億kW，超過當年火電、水電、核電等常規(guī)電源總裝機容量，僅靠常規(guī)電源調(diào)節(jié)難以應對新能源日內(nèi)功率波動，新能源消納面臨巨大挑戰(zhàn)[4]。

第三，新能源出力波動大，增加電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)難度。隨著新能源裝機占比的不斷提升，新能源出力波動越大，且新能源出力的波動隨時間尺度的增加而增加。新能源出力大波動持續(xù)時間長、電量大，但部分時段出力極低。如圖2 所示，2018 年新疆風電波動最長持續(xù)時間超過2 d，低于風電裝機容量20%的低出力最長持續(xù)時間超過8 d；2018 年陜西電網(wǎng)低于光伏裝機容量20%的低出力最長持續(xù)時間超過4 d[5]。在新能源低出力時段，電力系統(tǒng)需要常規(guī)電源等非新能源機組實現(xiàn)功率平衡；新能源長時間高出力給電力系統(tǒng)消納、安全和儲能技術帶來巨大挑戰(zhàn)。

圖2 新能源出力波動持續(xù)時間圖

第四，負荷高峰時刻，新能源電力支撐不足，增加電力系統(tǒng)調(diào)峰壓力。國網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2018 年國家電網(wǎng)最大負荷達到8.4 億kW，而當時的風電、光伏出力分別為2 263 萬kW、4 493 萬kW，風光發(fā)電出力合計約占負荷電力的9%。7—8 月份迎峰度夏期間，新能源總發(fā)電量633 億kW·h，大約僅占7—8 月份總用電量的6.1%。在負荷高峰和新能源出力低谷時，新能源對電力平衡的支撐能力較弱，增加電力系統(tǒng)調(diào)峰壓力。

第五，新能源日前功率預測絕對誤差大，增加了發(fā)電計劃制定難度。風電、光伏的間歇性、隨機性為需要保持發(fā)電、用電實時平衡的調(diào)度系統(tǒng)帶來了難題。根據(jù)國家能源局統(tǒng)計，2017 年風電省級出力15 min 波動變化率大于3%的比例超過10%，較歐美國家高7%以上；新能源日前功率預測相對誤差已由2011 年的約14%下降至2019 年的10%以下，但絕對誤差由約677萬kW 增長到約4 147 萬kW。未來，新能源預測絕對誤差將進一步擴大，大大增加發(fā)電計劃制定的難度。

1.2 安全挑戰(zhàn)

新能源的大規(guī)模接入給新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定安全運行帶來了巨大的安全挑戰(zhàn)，具體如下。

新能源出力快速波動且頻率和電壓耐受能力不足、穩(wěn)定難度加大。新能源接入電網(wǎng)影響低頻振蕩，影響系統(tǒng)阻尼和系統(tǒng)穩(wěn)定性[6-7]。新能源機組有功調(diào)節(jié)能力不足，導致系統(tǒng)頻率控制能力不斷下降。新能源并網(wǎng)出現(xiàn)暫態(tài)過電壓問題，容易引起電壓波動與閃變。次同步振蕩現(xiàn)象頻發(fā)，影響電網(wǎng)運行安全。新能源并網(wǎng)在電網(wǎng)故障之后的孤島現(xiàn)象，導致系統(tǒng)運行波動明顯。新能源并網(wǎng)影響系統(tǒng)潮流，系統(tǒng)控制的復雜性大幅增加。

1.3 機制挑戰(zhàn)

隨著新能源發(fā)電成本的持續(xù)下降和平價上網(wǎng)時代到來，新能源將迎來大發(fā)展，給新型電力系統(tǒng)帶來巨大機制挑戰(zhàn)，具體如下。

新能源清潔綠色、低邊際成本、高輔助服務需求對市場機制設計帶來挑戰(zhàn)[8]。新能源場站成本分析如圖3 所示。

圖3 新能源場站成本分析圖

加快完善輔助服務市場，明確補償機制；加快建設區(qū)域統(tǒng)一電力市場，逐步建立跨省區(qū)資源優(yōu)化配置與省內(nèi)實時平衡的市場模式。

健全完善電力需求響應政策機制，通過峰谷電價、尖峰電價、可中斷負荷電價等電價政策引導需求側資源參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)。

對碳排放權交易和市場提出新需求，深入研究碳排放權與綠證、碳金融交易市場、電力市場、可再生能源配額制之間的關系。

2 應對新能源挑戰(zhàn)的關鍵技術

發(fā)展高效消納技術。在新能源發(fā)電特性方面突破集中式與分散式風光資源精細化評估技術、新能源發(fā)電多時空尺度出力特性分析技術及新能源發(fā)電監(jiān)測與預測技術。在新能源消納方面，在新能源消納關鍵因素分析[9]、新能源消納技術措施[10]、高比例新能源消納[11]、直流聯(lián)絡線運行方式優(yōu)化提升新能源消納[12]、區(qū)域電網(wǎng)協(xié)調(diào)消納[13]等基礎上，加快新型儲能技術研發(fā)及規(guī)模化商業(yè)化應用，建立新型儲能價格形成機制，推動氫制儲運用和燃料電池研發(fā)，突破源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)規(guī)劃技術、概率化電力電量平衡與全景運行模擬技術、電網(wǎng)大規(guī)模新能源承載能力提升技術。

發(fā)展抽水蓄能和太陽能光熱發(fā)電等清潔經(jīng)濟型調(diào)節(jié)電源。抽水蓄能是當前技術最成熟、最可靠、最清潔、最經(jīng)濟、最具大規(guī)模開發(fā)條件的電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)電源，需加快發(fā)展抽水蓄能，積極建立“堅持并優(yōu)化抽水蓄能兩部制電價政策”，健全“抽水蓄能電站費用分攤疏導方式”的電價疏導機制；太陽能光熱發(fā)電穩(wěn)定可靠、調(diào)節(jié)性能優(yōu)越靈活，既可以在新型電力系統(tǒng)中承擔基荷、調(diào)峰、調(diào)頻的功能，也可作為電網(wǎng)側的儲能電站發(fā)揮作用，與光伏、風電充分互補運行，需大力支持太陽能熱發(fā)電核心原創(chuàng)性技術研發(fā)，不斷提升在太陽能熱發(fā)電站集成技術水平、第二代太陽能熱發(fā)電技術方面的總體設計能力和運維水平，以及核心部件裝備和關鍵配件制造能力。

發(fā)展穩(wěn)定運行控制技術。為應對高比例新能源新型電力系統(tǒng)潮流復雜多變、高度電力電子化帶來的挑戰(zhàn)，克服設備數(shù)量多、分布廣、可控性差、不確定性等難題，需要清晰的電網(wǎng)結構，創(chuàng)新系統(tǒng)穩(wěn)定運行控制技術，應用“大云物移智鏈”等新技術，需突破高比例電力電子化系統(tǒng)穩(wěn)定基礎理論、針對極端天氣及外部攻擊的系統(tǒng)主動防御與快速恢復技術，實現(xiàn)高比例新能源新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行控制。

提升儲能及電動汽車等靈活調(diào)節(jié)資源作用。儲能和電動汽車將在高比例新能源新型電力系統(tǒng)電力電量平衡中起到重要的靈活調(diào)節(jié)作用，支撐供需雙側動態(tài)匹配，促進新能源有效利用。需重點研究支撐大規(guī)模新能源柔性并網(wǎng)和分布式新能源開放接入的儲能配置、系統(tǒng)集成與調(diào)控技術，源網(wǎng)荷側多類型儲能應用技術，突破新一代先進儲能器件、裝備與回收利用技術，突破海量電動汽車靈活充電及Ⅴ2G、充電樁的高效利用技術。

推進電力市場建設和體制機制創(chuàng)新。重點研究健全儲能市場機制和配套政策、健全新能源消納許可審批制度、鼓勵企業(yè)發(fā)展分布式自發(fā)自用項目；促進新能源消納的現(xiàn)貨電能量市場、輔助服務市場交易機制與實現(xiàn)技術；加快完善電價機制，引導用戶優(yōu)化用電模式；建立保障電力可靠供應、適應多能源品種、充分調(diào)動靈活調(diào)節(jié)資源的市場機制，依托省間市場統(tǒng)籌實現(xiàn)全網(wǎng)電力平衡。

發(fā)展數(shù)字電網(wǎng)與人工智能技術。數(shù)字技術與物理系統(tǒng)深度融合是新型電力系統(tǒng)顯著特征。著力促進人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、先進信息通信等與電力系統(tǒng)深度融合，加快配電網(wǎng)改造和智能化升級，加快柔性直流輸配電、新型電力系統(tǒng)仿真和調(diào)度運行等技術的研發(fā)、示范和推廣應用，突破電力專用芯片及智能傳感技術、物聯(lián)感知及通信技術、數(shù)字電網(wǎng)一體化安全防護與支撐技術。

3 新型電力系統(tǒng)的數(shù)字化技術研究

新型電力系統(tǒng)通過數(shù)字技術和物理系統(tǒng)的深度融合，可實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的“數(shù)字賦能”，提升系統(tǒng)全息感知、靈活控制、系統(tǒng)平衡能力，實現(xiàn)自平衡、自運行、自處理的源網(wǎng)荷儲一體化智慧能源系統(tǒng)。

3.1 數(shù)字化技術支撐體系

依據(jù)新型電力系統(tǒng)數(shù)字化技術支撐體系架構，構建包括采集、傳輸、存儲、應用四大體系分支的新型電力系統(tǒng)數(shù)字技術標準體系，并在此基礎上構建基礎通用、安全防護、碳管理三大體系分支，推動新型電力系統(tǒng)數(shù)字化技術支撐體系的落地與應用，實現(xiàn)電網(wǎng)“可測、可觀、可控”。

3.2 數(shù)字化技術標準體系架構

結合新型電力系統(tǒng)業(yè)務需求，以新型電力系統(tǒng)數(shù)字化技術支撐框架為依據(jù)，構建包含基礎層、技術支撐層、應用層的新型電力系統(tǒng)數(shù)字化技術標準體系架構，如圖4 所示。

圖4 新型電力系統(tǒng)數(shù)字技術標準體系架構

基礎層包括基礎綜合、體系架構、測試評價、規(guī)劃架構等基礎通用標準，位于整個體系架構最底層，對新型電力系統(tǒng)數(shù)字化技術標準起基礎指導作用。

技術支撐層包括采集、傳輸、存儲、碳管理、安全防護五大領域分支，其中碳管理與安全防護兩大分支與采集、傳輸、存儲分支技術密切相連，支撐新型電力系統(tǒng)數(shù)字化技術應用層的技術標準。

應用層包括數(shù)據(jù)運營、數(shù)據(jù)服務、數(shù)字化應用，位于整個體系架構最頂層，對照新型電力系統(tǒng)業(yè)務的具體需求，細化和落地數(shù)字化技術應用關鍵技術標準。

3.3 數(shù)字化建設

新型電力系統(tǒng)在建立健全數(shù)字化技術標準體系基礎上，需大力推進數(shù)字化建設。深化云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生等新一代數(shù)字技術在源網(wǎng)荷儲、新能源消納、光伏、綠電交易、智慧車聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)應用、數(shù)字營銷、智能調(diào)控、數(shù)據(jù)治理、智能運維、財務數(shù)字化、審計數(shù)字化等業(yè)務場景的創(chuàng)新應用。利用先進數(shù)字化技術和電力電子技術，加快智能、主動、柔性交直流混合配電網(wǎng)的發(fā)展。促進數(shù)字化技術和信息化技術結合，推動電力系統(tǒng)靈活性從目前的發(fā)電側為主向發(fā)電側、電網(wǎng)側、用戶側并重轉變，構建適應高比例新能源的新型電力系統(tǒng)，著重加強網(wǎng)絡安全建設。

4 結束語

本文通過對大規(guī)模新能源并網(wǎng)給新型電力系統(tǒng)在消納、安全運行、機制體制方面帶來的巨大挑戰(zhàn)進行分析，提出了應對新能源挑戰(zhàn)的關鍵技術，研究利用這些關鍵技術有助于有效應對新能源挑戰(zhàn)；通過對新型電力系統(tǒng)的數(shù)字化技術研究，介紹了數(shù)字化技術支撐體系架構、數(shù)字化技術標準體系架構，提出了一些數(shù)字化建設方向。構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，研究大規(guī)模新能源并網(wǎng)帶來的挑戰(zhàn)和關鍵技術支撐，加強數(shù)字化技術研究和數(shù)字化建設，具有重要意義和技術價值。