高比例可再生能源渗透电力系统关键技术研究

龚 银 刘 煜

（广西电网有限责任公司玉林供电局）

0 引言

21 世纪以来，缓解气候环境与社会发展矛盾、保障国家能源安全成为世界各国的普遍共识。我国在经济快速增长的同时，也暴露出了能源资源过度消耗、生态环境破坏严重等问题。当前我国二氧化碳排放量约占世界总量的27%，位居世界首位［1］。为推动绿色低碳转型，实现可持续发展，我国提出力争2030 前“碳达峰”，2060 年前实现“碳中和”的发展目标。特别地，在2020 年12 月举行的气候雄心峰会上，我国进一步提出到2030 年控制单位国内生产总值二氧化碳排放和非化石能源比重的目标。能源结构转型是实现双碳目标的重要途径。作为能源结构支撑的电力行业，其碳排放约占社会总排放量的40%，也由此成为未来碳减排的重点领域。随着电力在能源结构中的比重不断提高，迫切需要在电力生产侧进行清洁替代，消费侧进行电能替代。截至2020 年底，我国风电装机2.81 亿千瓦，光伏发电装机2.53 亿千瓦，均稳居世界第一［2］。但与2030 年我国风电、光伏总装机容量达12 亿千瓦以上的目标至少还有6.66 亿千瓦的差距，未来十年我国可再生能源装机仍将保持高速增长势头。相比传统电力系统，高比例可再生能源渗透电力系统由于自身波动性、随机性和间歇性特征，在系统规划设计、运行方式上将发生深刻变化［3］。除此之外，可再生能源机组在发电原理、控制方式、并网设备等方面与常规机组存在较大差异，对电力系统平衡调控、稳定机理提出全新要求。在双碳背景下，开展高比例可再生能源渗透电力系统理论研究对促进可再生能源消纳，推动我国能源结构转型具有重要意义。

为此，本文首先对高比例可再生能源渗透电力系统的基本特征进行梳理总结。在此基础上分别从系统安全稳定、经济运行、规划设计三个方面阐述高比例可再生能源并网对电力系统稳定运行带来的潜在挑战。最后对高比例可再生能源渗透电力系统的关键科学技术问题进行探讨分析，以期为后续开展相关研究提供方法思路和理论支撑。

1 高比例可再生能源渗透电力系统特征

高比例可再生能源渗透电力系统是指，在能源结构上，可再生能源装机及发电量均处于主体地位的电力系统［4］。相关研究表明，到2060 年，我国可再生能源发电装机占比将超70%，能源结构将实现由当前化石能源为主、清洁能源为辅向可再生能源占主导地位的根本性改变［5-6］。可再生能源机组出力特性、控制方式、并网设备等与常规机组存在较大差异，使得未来可再生能源渗透率不断提升的同时，电力系统也会发生深刻变化。

1.1 系统不确定性增加

可再生能源出力波动性、随机性和间歇性的特征，对电力系统功率平衡提出了巨大挑战。当前我国电力系统是建立在以煤炭、燃气为主体的可控电源基础之上。为满足电力系统实时平衡的要求，调度机构需根据负荷变化及时调整发电出力。在清洁能源占比不高的电力系统中，可再生能源机组并不主要承担系统出力任务，同时只需通过配置一定容量的系统备用即可消除可再生能源出力波动对系统的影响。而在高比例可再生能源渗透电力系统中，出力波动带来的影响愈加显著，系统备用容量需求剧增。除此之外，随着可再生能源渗透率的逐渐提高，电力系统将由当前以集中式为主体转变为未来集中式和分布式相结合的模式，电能生产侧与消费侧之间的界限逐渐模糊化，消费侧可再生能源高比例分散接入，通过分布式储能等方式向系统提供电力，导致配电网潮流反转，大大增加电力系统不确定性。

1.2 系统运行方式多样

传统电力系统中，可再生能源接入规模不大，系统负荷变化呈现一定的规律性，系统运行方式相对固定，电力系统规划选取丰大、丰小、枯大、枯小四种典型场景作为边界条件即可满足计算需求，属于确定性的技术手段。而在未来可再生能源机组大规模并网的电力系统中，生产侧可再生能源出力具有较大的波动性，消费侧随着电动汽车、需求响应的普及，不确定性增加，负荷变化难以准确预测。为保障系统安全稳定运行，电力系统规划需充分考虑各种典型场景，典型场景数量将远大于传统电力系统。与此同时，当消费侧出现大量带源负荷，输配电网络将发生根本性变化。如当某地区分布式可再生能源出力大于负荷时，配电网潮流方向将反转，转向系统主网传输功率，大大增加系统运行方式多样性。

1.3 系统稳定控制复杂

可再生能源机组依赖电力电子变流器接入电网，通过交直流电路进行传输，其输出功率主要取决于自身控制策略，有效转动惯量较小，抗扰性较弱。而当可再生能源大规模并网后，常规机组减少，电力系统电力电子化程度加剧，系统总体惯性减少，稳定机理发生变化。系统受干扰后电气量变化速率与系统惯性密切相关，惯性下降将直接影响系统故障时的频率变化率，进而对系统稳定造成影响。同时，与常规机组相比，可再生能源机组对系统高频和过流的耐受能力较差，当系统频率或电压明显变化时，可再生能源机组容易大规模脱网，存在引发大规模连锁故障的风险。此外，可再生能源电力电子装置与电力系统中的其他元件相互影响也有可能会对系统稳定产生影响。当换流器多时间尺度控制特性与系统宽频特征相互作用时，系统电磁动态特性加剧，可能导致系统宽频振荡问题。

2 高比例可再生能源渗透电力系统挑战

2.1 系统安全稳定挑战

随着电网可再生能源接入规模的持续扩大，系统电力电子化程度不断提高，传统系统中以机电动态为主导的功角、电压、频率等参数稳定性发生改变，对系统的安全稳定带来巨大挑战。在可再生能源机组的局部并网点，电力电子装置功率控制开关频繁执行开断策略将会导致高频谐波产生，使得该并网点的电压出现畸变和闪变，从而影响电能质量。若并网点的可再生能源渗透率较高，电压波动和闪变影响程度将会进一步加剧。同时，可再生能源机组缺少转动惯量，无功支撑能力较弱。当可再生能源机组逐步取代常规机组时，系统频率调节能力显著下降，且存在丢失功率后频率下降加速的趋势。当前可再生能源普遍接入低电压等级电网，与电网主网的电气距离远大于常规机组，电网稳定特性也会发生重大变化。当系统中同步电源减少，电力电子接口成为主体，整个系统中的短路电流水平将会减少，负序与零序故障的响应呈现非对称特性，传统电力系统中继电保护装置整定方式将不再适用，从而深刻改变着整个系统的稳定机理。

2.2 系统经济运行挑战

可再生能源机组的出力特性决定了其调控性较差，难以与负荷变化相匹配，对系统经济运行造成挑战。从日内时间尺度上看，电力系统的负荷高峰出现在中午和傍晚时段，呈现双峰特性。而风电出力高峰常出现在负荷低谷的凌晨时段，负荷高峰时段出力较低，呈现出明显的反调峰特性；光伏能够在中午高峰较好地承担支撑作用，但对于傍晚高峰贡献较少。年内时间尺度上，负荷尖峰性明显，呈现夏冬两季负荷高，春秋两季负荷低的“两峰两谷”特性。而可再生能源机组出力波动性强，风电机组年内出力主要集中于春秋两季，与负荷呈逆向分布。随着可再生能源渗透率提升，系统对调峰、备用、爬坡速率等灵活性资源需求将进一步加大。此外，由于可再生能源机组容量系数远低于火电、水电等常规机组。当可再生能源机组在电力系统中占主导地位时，其装机容量势必会远高于系统负荷峰值，这将导致部分时段出现可再生能源出力较大，电力资源过剩。而在极端条件下，可再生能源出力骤降，导致系统电力需求出现缺额，需调用大量的备用容量资源。

3 高比例可再生能源渗透电力系统关键技术

3.1 系统电力预测

在高比例可再生能源渗透电力系统中，可再生能源机组出力和负荷需求是系统规划及运行的边界条件，也是开展机组组合和经济调度研究的重要基础。提高可再生能源机组出力和负荷预测精度可以保障系统安全稳定，有效降低运行成本。随着消费侧出现大量的需求响应、电动汽车、储能等灵活性资源，电力系统呈现出源荷双侧不确定性的特征。因此，完善可再生能源与负荷需求相互影响的评估理论，分析可再生能源机组出力不确定性的内在机理，探索负荷需求对电价、经济、气象等外部影响因素的响应特性，研究采用区间预测或概率预测方法分析预测误差相关性，结合历史实测数据提取预测模型输入参数探索不同时间尺度下可再生能源出力和负荷不确定性的描述方法。最后根据预测误差评价指标，合理选取预测模型，提取预测模型输入参数，考虑对多种预测模型进行优化组合以提高系统电力预测精度。

3.2 系统稳定调控

针对高比例可再生能源并网对系统安全稳定带来的巨大挑战，硬件设备创新和机组灵活性改造是实现系统稳定调控的两种不同的技术手段。高比例可再生能源渗透系统电力电子化程度较高，接口外部特性由其控制策略决定，分析系统故障原因，优化控制器参数，创新控制策略可改变系统元件频率阻抗特性，降低系统失控风险。此外，柔性交直流控制设备如有源潮流控制器、统一潮流控制器等能够为系统提供无功补偿，改善电流质量指标，保障了系统故障时电压稳定，从而实现机组故障穿越能力提升；而同步调相机具有与发电机相似的结构特性，能够同时为系统提供惯性和短路容量，有效解决系统惯性降低的问题。传统常规机组调节性能差，爬坡速率慢，运行区间窄等缺点越来越难以适应高比例可再生能源并网需求，对机组进行灵活性改造是当前比较经济的手段，通过对汽轮机、控制系统的改造，能够有效提升调节性能，发挥保障系统稳定运行的作用。

3.3 市场机制设计

合理的电力市场机制可以平抑可再生能源出力不确定性对系统造成的不利影响，发挥价格信号作用引导资源配置。在市场交易时间尺度上，针对可再生能源出力预测时间越短，预测精度越高的特点，可以开展电力现货市场交易，降低因预测误差而引起的市场风险。同时对于因消纳可再生能源而产生的额外调峰、爬坡等需求，可通过完善辅助服务市场，激励各类灵活性资源主动参与系统平衡调节和辅助服务。此外，利用合理的价格机制引导消费侧用户主动参与需求响应，鼓励用户调整计划安排在可再生能源大发时段增加用电，在负荷高峰时段适当减少电力消费，电动汽车等在负荷低谷有序充电，负荷高峰时进行放电，从而实现负荷侧的削峰填谷响应，提升电力系统灵活调节和安全稳定运行水平。

3.4 能源时空互动平衡

可再生能源机组建设选址与自然资源条件密切相关，很大程度上导致了我国能源资源与负荷中心呈逆向分布特点。对于电力系统中集中式可再生能源机组空间平衡问题，可以考虑修建跨区电力传输通道，缓解电网传输压力，提高外送通道利用率，避免可再生资源浪费，而对于分布式可再生能源机组可通过安装储能等，应当通过政策、经济等手段实现能源就近消纳利用，缓解电网负荷高峰压力。在高比例可再生能源渗透电力系统中，多种储能设施有机组合构成的综合能源系统能够有效应对可再生能源出力波动，实现能源在时间尺度上的平衡，从而充分挖掘电力系统灵活性，增加系统消纳可再生能源弹性。当前发展较成熟的储电、储热等设施存储规模虽小但所需时间较短，可用于平抑日内波动；而对于跨季节的波动则可考虑存储规模较大的储氢、储气等，在负荷高峰季节进行释放，缓解可再生能源机组运行压力，提高能源系统综合利用效率。

4 结束语

本文从不确定性增加、运行方式多样、稳定控制复杂三个方面阐述了高比例可再生能源渗透电力系统的特点，梳理分析了高比例可再生能源并网之后可能对电力系统造成的安全稳定、经济运行、规划设计等挑战，最后从系统电力预测、系统稳定调控、市场机制设计和能源时空互动平衡四个角度阐述高比例可再生能源渗透电力系统关键技术，为后续开展相关研究提供方法思路和理论支撑。