廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司潮州供電局 劉奕瀅

截至2020年底，廣東海上風(fēng)電并網(wǎng)總?cè)萘客黄?00萬千瓦；能源大省內(nèi)蒙古自治區(qū)風(fēng)電裝機(jī)19472MW、光伏裝機(jī)9064MWp，新能源裝機(jī)總占比37%，并且未來五年規(guī)劃內(nèi)蒙古擬接入新能源4500萬千瓦，到十四五末新能源總裝機(jī)將達(dá)到約7300萬千瓦，同期火電裝機(jī)約5200萬千瓦，新能源屆時(shí)成為第一大電源，電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)“雙高”與“雙隨機(jī)”特點(diǎn)[1]。

雙高，即高比例可再生能源接入與高比例電力電子設(shè)備應(yīng)用。未來10年我國(guó)年均新增風(fēng)、光發(fā)電裝機(jī)容量需不少于7500萬千瓦。相應(yīng)的，伴隨可再生能源的發(fā)展大量風(fēng)電、光伏電力電子變換器將接入電網(wǎng)，例如直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組變流器、光伏電站和分布式光伏逆變器等；雙隨機(jī)，即供給側(cè)隨機(jī)性和需求側(cè)隨機(jī)性。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)可通過調(diào)整發(fā)電機(jī)組出力滿足需求側(cè)隨機(jī)波動(dòng)的負(fù)荷需求，呈現(xiàn)供應(yīng)側(cè)可控、需求側(cè)隨機(jī)的特征。隨著波動(dòng)性和間歇性的風(fēng)能和光伏發(fā)電為主的可再生能源在電源結(jié)構(gòu)中占的比持續(xù)增長(zhǎng)，供應(yīng)側(cè)也將出現(xiàn)隨機(jī)波動(dòng)的特性，能源電力系統(tǒng)將由傳統(tǒng)的需求側(cè)單側(cè)隨機(jī)系統(tǒng)向雙側(cè)隨機(jī)系統(tǒng)演進(jìn)。

1 “雙高”電力系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

電網(wǎng)穩(wěn)定問題更加復(fù)雜。雙高設(shè)備主要從兩方面影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性；一方面其向電網(wǎng)注入功率會(huì)改變系統(tǒng)運(yùn)行方式、潮流分布和傳統(tǒng)設(shè)備的工作點(diǎn)，進(jìn)而影響經(jīng)典穩(wěn)定性的各個(gè)側(cè)面；另一方面，其與傳統(tǒng)設(shè)備完全不同的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性會(huì)重塑系統(tǒng)整體的動(dòng)態(tài)行為，引發(fā)新型穩(wěn)定性問題。在電網(wǎng)穩(wěn)定分析中，同步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)仍是主導(dǎo)動(dòng)態(tài)過程，但電力電子設(shè)備動(dòng)態(tài)特性對(duì)傳統(tǒng)穩(wěn)定問題的影響正在加劇，電力電子集群的鎖相同步穩(wěn)定、寬頻振蕩等問題凸顯，經(jīng)過試驗(yàn)實(shí)測(cè)，新能源機(jī)組在短路比較低時(shí)（1.5～1.8），可能出現(xiàn)同步不穩(wěn)定脫網(wǎng)[2]。

電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)增大?！半p高”電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)能力和頻率穩(wěn)定水平下降，電壓調(diào)節(jié)能力和電壓穩(wěn)定水平降低，傳統(tǒng)同步穩(wěn)定及新形態(tài)穩(wěn)定問題更加凸顯；新能源滲透率越高系統(tǒng)頻率跌落深度越大（圖1）；大功率故障沖擊下，電力電子裝置的強(qiáng)非線性、弱抗擾性使得故障路徑十分復(fù)雜，連鎖反應(yīng)也成為巨大威脅，同時(shí)密集通道規(guī)模加大，網(wǎng)絡(luò)空間競(jìng)爭(zhēng)激烈，非常規(guī)風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)峻。高比例可再生能源和高比例電力電子設(shè)備（簡(jiǎn)稱“雙高”）接入電網(wǎng)引起的寬頻振蕩問題嚴(yán)重影響電力設(shè)備正常工作和電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。面對(duì)寬頻振蕩的多模態(tài)及振蕩頻率時(shí)變等新特征，如何實(shí)現(xiàn)寬頻振蕩的在線監(jiān)測(cè)與分析是“雙高”電力系統(tǒng)面臨的重要問題之一。現(xiàn)有廣域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析電網(wǎng)的低頻振蕩動(dòng)態(tài)特性，但無法涵蓋寬頻電磁振蕩[3]。

圖1 新能源對(duì)電力系統(tǒng)頻率影響

2 “雙高”電力系統(tǒng)的優(yōu)化策略

雙高、雙隨機(jī)特點(diǎn)使得電力系統(tǒng)的隨機(jī)擾動(dòng)性、對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的依賴性明顯增強(qiáng)，系統(tǒng)可控性降低，安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增加。鑒于此，須加速構(gòu)建適應(yīng)“雙碳”目標(biāo)要求的新型電力系統(tǒng)，而數(shù)字技術(shù)將成為助力新型電力系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵。

2.1 橫向推動(dòng)多種能源互補(bǔ)

推動(dòng)能源行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，新型電力系統(tǒng)是銜接供需兩端的核心樞紐，可憑借數(shù)字技術(shù)開放、包容等特點(diǎn)，一方面對(duì)能源電力系統(tǒng)中各類能源生產(chǎn)設(shè)備等全工況感知，構(gòu)建多設(shè)備全工況運(yùn)行模型，通過科學(xué)仿真與規(guī)劃、運(yùn)行優(yōu)化、集成儲(chǔ)能等靈活性資源和能源耦合轉(zhuǎn)換機(jī)制，提高系統(tǒng)對(duì)波動(dòng)性風(fēng)電、太陽能發(fā)電的接入和調(diào)控能力；另一方面憑籍集成的海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)對(duì)多元用戶開展精準(zhǔn)畫像，掌握多元用戶用能特征。以設(shè)備全工況模型為約束、供需特征為依據(jù)、供需平衡為前提，挖掘多能互補(bǔ)協(xié)同與需求側(cè)資源優(yōu)化調(diào)控潛力，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健投資與精準(zhǔn)規(guī)劃[4]。發(fā)揮電、熱、水、氣多種異質(zhì)能之間協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)特性，從系統(tǒng)層面推動(dòng)新型電力系統(tǒng)綜合化能效提升，實(shí)現(xiàn)綠色低碳、高質(zhì)高效運(yùn)營(yíng)。

2.2 縱向提升網(wǎng)源協(xié)調(diào)能力

在新型電力系統(tǒng)的作用中，推動(dòng)縱向的源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)發(fā)展十分重要。DL 1870-2018《電力系統(tǒng)網(wǎng)源協(xié)調(diào)技術(shù)規(guī)范》關(guān)于網(wǎng)源協(xié)調(diào)的定義：發(fā)電設(shè)備與電網(wǎng)設(shè)備之間相互作用及相互協(xié)調(diào)配合技術(shù)領(lǐng)域的總稱。電力系統(tǒng)中風(fēng)、光新能源應(yīng)承擔(dān)作為新增電源主力的相應(yīng)責(zé)任，可考慮新能源電站與儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)合，達(dá)到平滑出力的目的（圖2）。國(guó)家能源局電力司司長(zhǎng)黃學(xué)農(nóng)表示，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的核心是新能源成為電力供應(yīng)的主體，要通過裝備技術(shù)和體制機(jī)制創(chuàng)新，推動(dòng)多種能源方式互聯(lián)互濟(jì)、源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度融合，來實(shí)現(xiàn)環(huán)保低碳、智慧靈活、高效經(jīng)濟(jì)、安全可靠等目標(biāo)[5]。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)與儲(chǔ)能結(jié)合前后功率對(duì)比

從供給側(cè)清潔化轉(zhuǎn)型角度看，要求推動(dòng)各級(jí)能源網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)互聯(lián)互通，優(yōu)化能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)格局，支撐清潔能源大規(guī)模、跨省市跨地區(qū)傳輸消納以及分布式清潔能源的規(guī)?；?jīng)濟(jì)利用，改善能源生產(chǎn)和供應(yīng)模式，提升可再生能源在生產(chǎn)端的結(jié)構(gòu)占比，加速供給側(cè)清潔化轉(zhuǎn)型。

圖3 電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)分布圖

從需求側(cè)清潔化轉(zhuǎn)型角度看，要求在滿足用戶能源消費(fèi)需求的基礎(chǔ)上，推動(dòng)傳統(tǒng)的能源消費(fèi)理念向“能源+服務(wù)”的綜合消費(fèi)理念過渡，發(fā)掘需求側(cè)消納綠色電力、節(jié)能增效管理以及購(gòu)買綠色證書等多樣化需求，充分發(fā)揮和調(diào)動(dòng)需求側(cè)消納可再生能源的潛力與積極性，提升可再生能源在消費(fèi)端的結(jié)構(gòu)占比，加速需求側(cè)清潔化轉(zhuǎn)型[6]。

數(shù)字技術(shù)助力生產(chǎn)環(huán)節(jié)變革。一方面，數(shù)字技術(shù)將推動(dòng)能源領(lǐng)域的技術(shù)框架和信息通信領(lǐng)域的技術(shù)體系融合，創(chuàng)新可再生能源出力波動(dòng)性平抑與追蹤、需求側(cè)消費(fèi)不確定性改善與平抑的技術(shù)方案，有效支撐集中式可再生能源大規(guī)模、遠(yuǎn)距離傳輸以及分布式清潔能源的規(guī)模化、經(jīng)濟(jì)化利用；另一方面，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字服務(wù)等新技術(shù)、新業(yè)態(tài)的發(fā)展將不斷催生全新市場(chǎng)主體，由此引起的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、產(chǎn)品類別、供應(yīng)方式變革將推動(dòng)能源生產(chǎn)和供應(yīng)模式產(chǎn)生巨大變化，全方位提升以風(fēng)電、光伏為代表的新能源在生產(chǎn)端的占比。

數(shù)字技術(shù)助力輸配環(huán)節(jié)變革。推廣“云大物移智鏈”等數(shù)字技術(shù)在能源電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的應(yīng)用，建設(shè)以能源物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的新型電力系統(tǒng)，從供需兩端切入，動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行策略，改善系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，為新型電力系統(tǒng)運(yùn)行效率提升提供重要支撐[7]。