“双高”电力系统优化策略探讨

广东电网有限责任公司潮州供电局 刘奕滢

截至2020年底，广东海上风电并网总容量突破100万千瓦；能源大省内蒙古自治区风电装机19472MW、光伏装机9064MWp，新能源装机总占比37%，并且未来五年规划内蒙古拟接入新能源4500万千瓦，到十四五末新能源总装机将达到约7300万千瓦，同期火电装机约5200万千瓦，新能源届时成为第一大电源，电力系统将呈现“双高”与“双随机”特点[1]。

双高，即高比例可再生能源接入与高比例电力电子设备应用。未来10年我国年均新增风、光发电装机容量需不少于7500万千瓦。相应的，伴随可再生能源的发展大量风电、光伏电力电子变换器将接入电网，例如直驱式风电机组变流器、光伏电站和分布式光伏逆变器等；双随机，即供给侧随机性和需求侧随机性。传统电力系统可通过调整发电机组出力满足需求侧随机波动的负荷需求，呈现供应侧可控、需求侧随机的特征。随着波动性和间歇性的风能和光伏发电为主的可再生能源在电源结构中占的比持续增长，供应侧也将出现随机波动的特性，能源电力系统将由传统的需求侧单侧随机系统向双侧随机系统演进。

1 “双高”电力系统的挑战

电网稳定问题更加复杂。双高设备主要从两方面影响电力系统稳定性；一方面其向电网注入功率会改变系统运行方式、潮流分布和传统设备的工作点，进而影响经典稳定性的各个侧面；另一方面，其与传统设备完全不同的动态响应特性会重塑系统整体的动态行为，引发新型稳定性问题。在电网稳定分析中，同步电机转动仍是主导动态过程，但电力电子设备动态特性对传统稳定问题的影响正在加剧，电力电子集群的锁相同步稳定、宽频振荡等问题凸显，经过试验实测，新能源机组在短路比较低时（1.5～1.8），可能出现同步不稳定脱网[2]。

电网安全风险增大。“双高”电力系统的频率调节能力和频率稳定水平下降，电压调节能力和电压稳定水平降低，传统同步稳定及新形态稳定问题更加凸显；新能源渗透率越高系统频率跌落深度越大（图1）；大功率故障冲击下，电力电子装置的强非线性、弱抗扰性使得故障路径十分复杂，连锁反应也成为巨大威胁，同时密集通道规模加大，网络空间竞争激烈，非常规风险严峻。高比例可再生能源和高比例电力电子设备（简称“双高”）接入电网引起的宽频振荡问题严重影响电力设备正常工作和电力系统安全运行。面对宽频振荡的多模态及振荡频率时变等新特征，如何实现宽频振荡的在线监测与分析是“双高”电力系统面临的重要问题之一。现有广域监测系统可实时监测和分析电网的低频振荡动态特性，但无法涵盖宽频电磁振荡[3]。

图1 新能源对电力系统频率影响

2 “双高”电力系统的优化策略

双高、双随机特点使得电力系统的随机扰动性、对网络信息系统的依赖性明显增强，系统可控性降低，安全风险进一步增加。鉴于此，须加速构建适应“双碳”目标要求的新型电力系统，而数字技术将成为助力新型电力系统建设的关键。

2.1 横向推动多种能源互补

推动能源行业高质量发展，新型电力系统是衔接供需两端的核心枢纽，可凭借数字技术开放、包容等特点，一方面对能源电力系统中各类能源生产设备等全工况感知，构建多设备全工况运行模型，通过科学仿真与规划、运行优化、集成储能等灵活性资源和能源耦合转换机制，提高系统对波动性风电、太阳能发电的接入和调控能力；另一方面凭籍集成的海量多源异构数据对多元用户开展精准画像，掌握多元用户用能特征。以设备全工况模型为约束、供需特征为依据、供需平衡为前提，挖掘多能互补协同与需求侧资源优化调控潜力，实现稳健投资与精准规划[4]。发挥电、热、水、气多种异质能之间协调联动特性，从系统层面推动新型电力系统综合化能效提升，实现绿色低碳、高质高效运营。

2.2 纵向提升网源协调能力

在新型电力系统的作用中，推动纵向的源网荷储协调发展十分重要。DL 1870-2018《电力系统网源协调技术规范》关于网源协调的定义：发电设备与电网设备之间相互作用及相互协调配合技术领域的总称。电力系统中风、光新能源应承担作为新增电源主力的相应责任，可考虑新能源电站与储能系统结合，达到平滑出力的目的（图2）。国家能源局电力司司长黄学农表示，构建新型电力系统的核心是新能源成为电力供应的主体，要通过装备技术和体制机制创新，推动多种能源方式互联互济、源网荷储深度融合，来实现环保低碳、智慧灵活、高效经济、安全可靠等目标[5]。

图2 风电场与储能结合前后功率对比

从供给侧清洁化转型角度看，要求推动各级能源网络协调互联互通，优化能源系统网络格局，支撑清洁能源大规模、跨省市跨地区传输消纳以及分布式清洁能源的规模化经济利用，改善能源生产和供应模式，提升可再生能源在生产端的结构占比，加速供给侧清洁化转型。

图3 电力系统源网荷储分布图

从需求侧清洁化转型角度看，要求在满足用户能源消费需求的基础上，推动传统的能源消费理念向“能源+服务”的综合消费理念过渡，发掘需求侧消纳绿色电力、节能增效管理以及购买绿色证书等多样化需求，充分发挥和调动需求侧消纳可再生能源的潜力与积极性，提升可再生能源在消费端的结构占比，加速需求侧清洁化转型[6]。

数字技术助力生产环节变革。一方面，数字技术将推动能源领域的技术框架和信息通信领域的技术体系融合，创新可再生能源出力波动性平抑与追踪、需求侧消费不确定性改善与平抑的技术方案，有效支撑集中式可再生能源大规模、远距离传输以及分布式清洁能源的规模化、经济化利用；另一方面，工业互联网、数字服务等新技术、新业态的发展将不断催生全新市场主体，由此引起的业务领域、产品类别、供应方式变革将推动能源生产和供应模式产生巨大变化，全方位提升以风电、光伏为代表的新能源在生产端的占比。

数字技术助力输配环节变革。推广“云大物移智链”等数字技术在能源电力系统各环节的应用，建设以能源物联网为基础的新型电力系统，从供需两端切入，动态调整系统运行策略，改善系统运行状态，为新型电力系统运行效率提升提供重要支撑[7]。