國網傾力破解高比例新能源消納難題

高滲透率新能源還改變了電力系統基礎特性。而通過構建廣泛互聯的新一代電力系統、升級新能源涉網技術來支撐電網電壓、頻率穩定成為趨勢。構建新能源發電併網接入電力系統的仿真分析平臺。

首航節能敦煌100兆瓦塔式熔鹽光熱項目。國網甘肅電力/供圖

當前，我國可再生能源產業正由裝機規模高速增長向高比例消納時代邁進，風電、光電也從過去的「微不足道」變為「舉足輕重」。業內專家學者紛紛表示，大規模、高比例新能源併網必將對電力系統特性帶來顯著影響，而通過構建廣泛互聯的新一代電力系統、升級新能源涉網技術來支撐電網電壓、頻率穩定成為趨勢。

裝機快速增長

給電力系統帶來挑戰

據統計，截至2019年底，我國可再生能源發電裝機達7.94億千瓦，同比增長9%，佔全部電力裝機的39.5%，其中，水電、風電、太陽能發電、生物質發電裝機規模均為世界第一。「目前，新能源已成為主力電源之一。截至2019年6月底，國網經營區新能源累計裝機3.2億千瓦，是2008年的38倍，佔全網總裝機21%，成為全網第二大電源。」國網國調中心原副總工程師裴哲義在9月22日人力資源和社會保障部主辦、中國水力發電工程學會承辦的「風光水電力扶貧及生態修復高級研修班（第二期）」上預測，2035年新能源裝機將達13.8億千瓦。根據目前新能源實際運行特性，預計日最大功率波動可達6億千瓦，是目前華東電網最大負荷的2倍，對電網實時平衡能力帶來巨大挑戰。

中國電科院新能源研究中心總工程師遲永寧也曾公開表示，大規模新能源併網給電網運行與控制帶來一系列新的系統問題與挑戰，如系統慣量、頻率調節能力降低，系統電壓調控能力減弱，故障與震蕩特性發生重大變化。

在裴哲義看來，高滲透率新能源還改變了電力系統基礎特性，新能源快速發展帶來電力系統高度電子化，對以交流技術為基礎的電力系統分析理論提出了挑戰。

電力基礎設施

對清潔轉型支撐不足

據了解，新能源發電在時間維度上具有季節性、時段性的波動和隨機特點，在地域上又受限於資源分布不均衡，需要多資源互補、跨地域互補，目前我國能源電力基礎設施建設還難以實現多能互補、時空互濟、協調運行要求。而且，我國可再生資源與負荷逆向分布，其中，風能、太陽能資源集中在「三北」地區，水能資源集中在西南地區，用電負荷集中在華北、華東、華中、華南地區，佔全國用電量80%以上。這決定了西部北部大量清潔能源需要輸送到東中部消納，對電網輸送能力提出了更高要求。

「目前電力基礎設施對清潔轉型的支撐能力還有待進一步提升，新能源高滲透率電力系統控制技術亟待提高。」裴哲義表示，由於新能源發電的波動性和隨機性，特別是分布式發電的「弱調度」特點，高滲透率電力系統運行控制難度加大，需要研究多資源、多目標、多約束的協調控制技術。

在調節能力方面的挑戰是，新能源大量替代常規火電，導致電力系統動態調節能力嚴重不足，電壓支撐「空心化」嚴重，存在頻率、電壓崩潰風險。同時，風電的「弱轉動慣量」和光伏的「零轉動慣量」導致電力系統等值轉動慣量大幅降低，電力系統作為旋轉慣量系統，由於抗擾動能力下降，易發生穩定破壞。

此外，現有國家相關標準對常規火電、水電機組一次調頻調壓性能都有明確規定，但對新能源機組一次調頻調壓性能未做要求，因此，風電、光伏電站並不參與系統調頻調壓。

緊抓可再生能源

跨流域跨區域互補特性

可再生能源在時間維度上具有明顯的季節性和時段性，並具有區域內水風光互補、跨流域水電互補、跨區域風光互補特性，因此，通過廣泛互聯的新一代電力系統，可實現全網發供用多能互補、時空互濟、友好包容。裴哲義認為：「通過資源模擬分析，西北地區相同容量的風電、光伏互補後，日發電出力最大波動範圍減少10-15%。」

解決高比例可再生能源消納問題，除多能互補外，提升新能源涉網技術水平是保障電網安全運行的必要條件。為此，國網近年來持續提升新能源調度技術水平，研發建立風電機組、風電場、光伏發電單元、光伏電站的詳細仿真模型，構建新能源發電併網接入電力系統的仿真分析平臺；研發風電場實時監測系統，實現對風電場資源和運行信息的實時監測；開發風電場綜合監控系統、有功和無功控制系統、綜合自動化系統；研發適用於平原、丘陵、山地等地形及高原山地、溫帶海洋性/大陸性、亞熱帶季風等多種氣候類型的風電功率預測系統。

據悉，國網在「三北」各省（區）已安裝30套新能源AGC（自動發電控制）、AVC（電網自動電壓無功控制）系統，實現新能源通道能力充分利用、發電空間規範分配、無功電壓穩定控制。「國網還組織開發了新能源測算工具。」裴哲義介紹，按季度滾動開展經營區新能源消納測算，確定新能源利用率總體目標、新增裝機布局等，並向國家能源局報告相關情況，得到認可。目前國網正在完善並試點部署水電消納能力計算評估工具，開展水電消納能力和棄水專題分析。

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