新型電力系統(tǒng)的新能源挑戰(zhàn)和數(shù)字化技術(shù)研究

張傳遠(yuǎn)，趙久勇，王光磊，王丹丹，陳亞天

（北京國電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(jìn)能源清潔轉(zhuǎn)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(zhuǎn)型發(fā)展，國家提出“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)及構(gòu)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(fēng)電、太陽能發(fā)電等分布式電源。構(gòu)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(yīng)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(biāo)，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(shù)，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(fēng)光新能源將成為新增電源的主體，并在電源結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位。預(yù)計到2030 年和2060 年，中國以風(fēng)光為主的新能源裝機占比會分別達(dá)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(jìn)。

由于新能源資源的波動性和隨機性、發(fā)電設(shè)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(fēng)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(yù)測，風(fēng)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(fēng)年的風(fēng)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(fēng)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(yù)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(dāng)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(yīng)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(fēng)電波動最長持續(xù)時間超過2 d，低于風(fēng)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(shù)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(fù)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(fù)荷達(dá)到8.4 億kW，而當(dāng)時的風(fēng)電、光伏出力分別為2 263 萬kW、4 493 萬kW，風(fēng)光發(fā)電出力合計約占負(fù)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(fù)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(yù)測絕對誤差大，增加了發(fā)電計劃制定難度。風(fēng)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(fēng)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(yù)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(yù)測絕對誤差將進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)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(fù)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(wù)需求對市場機制設(shè)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(wù)市場，明確補償機制；加快建設(shè)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(yīng)政策機制，通過峰谷電價、尖峰電價、可中斷負(fù)荷電價等電價政策引導(dǎo)需求側(cè)資源參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)。

對碳排放權(quán)交易和市場提出新需求，深入研究碳排放權(quán)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(guān)系。

2 應(yīng)對新能源挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)

發(fā)展高效消納技術(shù)。在新能源發(fā)電特性方面突破集中式與分散式風(fēng)光資源精細(xì)化評估技術(shù)、新能源發(fā)電多時空尺度出力特性分析技術(shù)及新能源發(fā)電監(jiān)測與預(yù)測技術(shù)。在新能源消納方面，在新能源消納關(guān)鍵因素分析[9]、新能源消納技術(shù)措施[10]、高比例新能源消納[11]、直流聯(lián)絡(luò)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(chǔ)上，加快新型儲能技術(shù)研發(fā)及規(guī)?；虡I(yè)化應(yīng)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(shù)、概率化電力電量平衡與全景運行模擬技術(shù)、電網(wǎng)大規(guī)模新能源承載能力提升技術(shù)。

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(dāng)前技術(shù)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?jǐn)偸鑼?dǎo)方式”的電價疏導(dǎo)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(dān)基荷、調(diào)峰、調(diào)頻的功能，也可作為電網(wǎng)側(cè)的儲能電站發(fā)揮作用，與光伏、風(fēng)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(shù)研發(fā)，不斷提升在太陽能熱發(fā)電站集成技術(shù)水平、第二代太陽能熱發(fā)電技術(shù)方面的總體設(shè)計能力和運維水平，以及核心部件裝備和關(guān)鍵配件制造能力。

發(fā)展穩(wěn)定運行控制技術(shù)。為應(yīng)對高比例新能源新型電力系統(tǒng)潮流復(fù)雜多變、高度電力電子化帶來的挑戰(zhàn)，克服設(shè)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(jié)構(gòu)，創(chuàng)新系統(tǒng)穩(wěn)定運行控制技術(shù)，應(yīng)用“大云物移智鏈”等新技術(shù)，需突破高比例電力電子化系統(tǒng)穩(wěn)定基礎(chǔ)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(fù)技術(shù)，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(cè)動態(tài)匹配，促進(jìn)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(shù)，源網(wǎng)荷側(cè)多類型儲能應(yīng)用技術(shù)，突破新一代先進(jìn)儲能器件、裝備與回收利用技術(shù)，突破海量電動汽車靈活充電及Ⅴ2G、充電樁的高效利用技術(shù)。

推進(jìn)電力市場建設(shè)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(jìn)新能源消納的現(xiàn)貨電能量市場、輔助服務(wù)市場交易機制與實現(xiàn)技術(shù)；加快完善電價機制，引導(dǎo)用戶優(yōu)化用電模式；建立保障電力可靠供應(yīng)、適應(yīng)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(shù)。數(shù)字技術(shù)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(jìn)人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、先進(jìn)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(shù)的研發(fā)、示范和推廣應(yīng)用，突破電力專用芯片及智能傳感技術(shù)、物聯(lián)感知及通信技術(shù)、數(shù)字電網(wǎng)一體化安全防護(hù)與支撐技術(shù)。

3 新型電力系統(tǒng)的數(shù)字化技術(shù)研究

新型電力系統(tǒng)通過數(shù)字技術(shù)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(shù)支撐體系

依據(jù)新型電力系統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)支撐體系架構(gòu)，構(gòu)建包括采集、傳輸、存儲、應(yīng)用四大體系分支的新型電力系統(tǒng)數(shù)字技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建基礎(chǔ)通用、安全防護(hù)、碳管理三大體系分支，推動新型電力系統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)支撐體系的落地與應(yīng)用，實現(xiàn)電網(wǎng)“可測、可觀、可控”。

3.2 數(shù)字化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)

結(jié)合新型電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求，以新型電力系統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)支撐框架為依據(jù)，構(gòu)建包含基礎(chǔ)層、技術(shù)支撐層、應(yīng)用層的新型電力系統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)，如圖4 所示。

圖4 新型電力系統(tǒng)數(shù)字技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)

基礎(chǔ)層包括基礎(chǔ)綜合、體系架構(gòu)、測試評價、規(guī)劃架構(gòu)等基礎(chǔ)通用標(biāo)準(zhǔn)，位于整個體系架構(gòu)最底層，對新型電力系統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)起基礎(chǔ)指導(dǎo)作用。

技術(shù)支撐層包括采集、傳輸、存儲、碳管理、安全防護(hù)五大領(lǐng)域分支，其中碳管理與安全防護(hù)兩大分支與采集、傳輸、存儲分支技術(shù)密切相連，支撐新型電力系統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用層的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

應(yīng)用層包括數(shù)據(jù)運營、數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)字化應(yīng)用，位于整個體系架構(gòu)最頂層，對照新型電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)的具體需求，細(xì)化和落地數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 數(shù)字化建設(shè)

新型電力系統(tǒng)在建立健全數(shù)字化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系基礎(chǔ)上，需大力推進(jìn)數(shù)字化建設(shè)。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(shù)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(yīng)用、數(shù)字營銷、智能調(diào)控、數(shù)據(jù)治理、智能運維、財務(wù)數(shù)字化、審計數(shù)字化等業(yè)務(wù)場景的創(chuàng)新應(yīng)用。利用先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)和電力電子技術(shù)，加快智能、主動、柔性交直流混合配電網(wǎng)的發(fā)展。促進(jìn)數(shù)字化技術(shù)和信息化技術(shù)結(jié)合，推動電力系統(tǒng)靈活性從目前的發(fā)電側(cè)為主向發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)并重轉(zhuǎn)變，構(gòu)建適應(yīng)高比例新能源的新型電力系統(tǒng)，著重加強網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)。

4 結(jié)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(jìn)行分析，提出了應(yīng)對新能源挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)，研究利用這些關(guān)鍵技術(shù)有助于有效應(yīng)對新能源挑戰(zhàn)；通過對新型電力系統(tǒng)的數(shù)字化技術(shù)研究，介紹了數(shù)字化技術(shù)支撐體系架構(gòu)、數(shù)字化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)，提出了一些數(shù)字化建設(shè)方向。構(gòu)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(guān)鍵技術(shù)支撐，加強數(shù)字化技術(shù)研究和數(shù)字化建設(shè)，具有重要意義和技術(shù)價值。