受環(huán)境和儲量等因素的制約，在未來電網(wǎng)電源中，化石能源占比將逐步降低。與此同時(shí)，以風(fēng)能和太陽能為代表的新能源(易變可再生能源)有很大的增長空間，并將逐步取代傳統(tǒng)能源。截止2017年底，我國非水可再生能源裝機(jī)達(dá)到16.5%，發(fā)電量占比約為6%(來自中電聯(lián)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))。預(yù)計(jì)到2020年、2035年和2050年，非水可再生能源電源裝機(jī)占比可達(dá)17.53%、47.96%、71.75%，發(fā)電量占比可達(dá)8.78%、29.18%、53.35%(來自中科院咨詢項(xiàng)目)。新能源本身具有較強(qiáng)的波動性和隨機(jī)性，其產(chǎn)生的電能依靠電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)。而電力電子設(shè)備的低抗擾、弱支撐、零慣量特性將使電網(wǎng)安全穩(wěn)定問題日益突出，在量變積累下有可能引發(fā)電網(wǎng)運(yùn)行特性的質(zhì)變。那么新能源比重的增加會給電網(wǎng)帶來哪些變化和挑戰(zhàn)?系統(tǒng)特性的拐點(diǎn)將出現(xiàn)在哪里?我們又可以采用哪些技術(shù)來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，以最終實(shí)現(xiàn)100%可再生能源供電的電網(wǎng)呢?

1 電源的分類

電力系統(tǒng)的功能環(huán)節(jié)包括發(fā)輸變配用，其中發(fā)電設(shè)備占有非常重要的地位，負(fù)責(zé)將其他形式的能源轉(zhuǎn)化為電能。電網(wǎng)中用于發(fā)電的能源有多種形式，如圖1所示。由于傳統(tǒng)化石能源儲量和環(huán)境等因素的制約，提高可再生能源占比已經(jīng)成為未來電網(wǎng)的主要發(fā)展目標(biāo)。

圖1 電網(wǎng)電源分類

目前冰島實(shí)現(xiàn)了100%的依靠地?zé)岷退姽╇?，挪?97%)、哥斯達(dá)黎加(93%)、巴西(76%)和加拿大(62%)等國家可再生能源的比重也很高?？梢钥闯鲞@些可再生能源占比高的地區(qū)，水資源十分豐富，水電占比較高。但目前為止，水資源豐富地區(qū)的水電已經(jīng)基本充分開發(fā)，水電的增長空間不大。而未來社會的電力需求仍在不斷增長，可以預(yù)測新能源發(fā)電(如風(fēng)電、光伏發(fā)電等)在電網(wǎng)中占比仍將不斷增加。

新能源電站產(chǎn)生的電能依靠逆變器接入電網(wǎng)，由于其能量密度較低，在電網(wǎng)中多為分布式。如圖2為傳統(tǒng)電網(wǎng)與未來電網(wǎng)在形態(tài)上的對比示意圖。

圖2 傳統(tǒng)電網(wǎng)與未來電網(wǎng)對比示意圖

2 新能源的隨機(jī)性和波動性

風(fēng)能、太陽能等新能源易受氣候影響，其出力具有隨機(jī)性和波動性。眾所周知，電網(wǎng)中的發(fā)電和負(fù)荷要時(shí)刻保持電力平衡。發(fā)電側(cè)注入電網(wǎng)功率隨機(jī)易變不利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。由于新能源與天氣有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)，新能源的消納方案應(yīng)密切結(jié)合天氣預(yù)報(bào)來制定。為維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，目前采用的主要應(yīng)對方式為棄風(fēng)(棄光)。圖3所示為低負(fù)荷、80%新能源滲透場景下，電網(wǎng)采用棄風(fēng)措施調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)功率平衡的過程示意圖。

圖3 棄風(fēng)調(diào)節(jié)功率平衡過程示意圖

高比例的棄風(fēng)(棄光)會造成能源的浪費(fèi)，并將限制新能源在電網(wǎng)能源占比(percentage of variable renewable energy，PVRE)的提升。目前，科學(xué)家也在探索其他方式，來應(yīng)對新能源由于隨機(jī)波動而消納受限的問題。如增加新能源電站選址多樣性，從而降低網(wǎng)絡(luò)中新能源發(fā)電總值的波動幅度;建立跨區(qū)域互聯(lián)大電網(wǎng)，使得新能源發(fā)電充足的區(qū)域能夠及時(shí)向高負(fù)荷區(qū)域輸電;增加網(wǎng)絡(luò)中儲能(抽蓄，壓縮空氣，電池等方式)，以達(dá)到削峰填谷的作用。同時(shí)，一定范圍內(nèi)的需求側(cè)管理，如分時(shí)電價(jià)、電動汽車的充分利用等，也將有助于電網(wǎng)中功率平衡的控制調(diào)節(jié)。

3 逆變器為主體的電網(wǎng)

與煤電、水電、核電等電源通過同步發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)不同，新能源產(chǎn)生的電能大多通過逆變器接入電網(wǎng)。逆變器是電力電子設(shè)備，其特性與同步發(fā)電機(jī)有很大不同，如下表所示。

表1 同步發(fā)電機(jī)和逆變器對比

當(dāng)通過逆變器接入電網(wǎng)的電能超過電網(wǎng)電源的一半(percentage of variable renewable energy, PVRE>50%)時(shí)，電網(wǎng)就變成了以逆變器為主體的電網(wǎng)。由于新能源的發(fā)電功率隨時(shí)間波動較大，PVRE會隨時(shí)間變化，電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)可能在同步發(fā)電機(jī)為主和逆變器為主的狀態(tài)中切換。如圖4所示，為某地區(qū)電網(wǎng)在以同步發(fā)電機(jī)為主(50% VRE線和y軸線之間的點(diǎn))和以逆變器為主(50% VRE線和100% VRE線之間的點(diǎn))兩種運(yùn)行狀態(tài)之間相互切換。

圖4 電網(wǎng)在同步發(fā)電機(jī)為主和逆變器為主的不同 運(yùn)行狀態(tài)切換

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在逆變器為主的狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中新能源逆變器的控制方法也要隨表1所示內(nèi)容做出相應(yīng)的改變。

4 電網(wǎng)的穩(wěn)定性

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指在給定運(yùn)行條件下，電網(wǎng)在受到擾動后，重新恢復(fù)到運(yùn)行平衡狀態(tài)的能力。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以分為功角穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定。傳統(tǒng)的交流電網(wǎng)主要依靠同步發(fā)電機(jī)維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)中的同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間通過電氣耦合達(dá)到同步，如圖5所示。

圖5 電網(wǎng)中的各個(gè)設(shè)備達(dá)到同步狀態(tài)

電力系統(tǒng)的慣量為系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)慣量之和，體現(xiàn)了系統(tǒng)抵抗干擾維持穩(wěn)定的能力。而電力電子器件為物理零慣量器件，新能源發(fā)電比例的增加將降低系統(tǒng)慣量。傳統(tǒng)電網(wǎng)以同步發(fā)電機(jī)為主體，新能源占比很小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題并不突出。隨著新能源占比的不斷提升，特別是當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行在以逆變器為主的狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行將受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性將成為限制新能源消納的重要因素。

為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)和負(fù)載提供各種類型的輔助作用。當(dāng)前電力系統(tǒng)中，同步發(fā)電機(jī)和傳統(tǒng)負(fù)載起主要輔助穩(wěn)定作用。如果采取適宜的控制方法，新能源電站也可以提供電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行所需的各種輔助服務(wù)。由于逆變器可以單獨(dú)控制有功和無功功率，通過合理設(shè)計(jì)控制器，可以使其具有類似傳統(tǒng)同步風(fēng)電機(jī)的慣性特征。例如，風(fēng)機(jī)可以從其旋轉(zhuǎn)的葉片和發(fā)電機(jī)中吸收動能來短時(shí)注入額外有功功率到電網(wǎng);光伏逆變器結(jié)合棄光調(diào)節(jié)也可以提供慣量特征;儲能裝置可以通過調(diào)制有功功率輸出來模仿慣量表現(xiàn)等。圖6總結(jié)了不同類型的發(fā)電裝置可以起到的維持電網(wǎng)穩(wěn)定的作用。

圖6 不同類型的發(fā)電裝置所能提供的輔助作用

此外，由于新能源電站出力的波動性和隨機(jī)性，電網(wǎng)在運(yùn)行中需保有足夠的備用容量(OperatingReserve)，以保證在突發(fā)功率不平衡事件時(shí)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定，如圖7所示。

圖7 電力系統(tǒng)備用容量分類

5 電網(wǎng)保護(hù)

短路故障是最常見的電網(wǎng)故障。當(dāng)電網(wǎng)中出現(xiàn)短路故障時(shí)，相應(yīng)的線路會產(chǎn)生很大的短路電流，繼電保護(hù)裝置通過檢測短路電流來觸發(fā)保護(hù)動作。傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)可以輸出高達(dá)六倍額定電流的短路電流。而逆變器輸出的電流有限，在以逆變器為主體的電網(wǎng)中，短路電流相對較小。這會影響傳統(tǒng)繼電器的對故障的感知和動作，以至不能夠及時(shí)將故障隔離。這種情況的解決方案有：在電網(wǎng)中加入同步調(diào)相機(jī)，提高短路電流;或者改變繼電器對故障信號的檢測方案，如將電流差分作為繼電器動作的觸發(fā)信號等。此外，依靠檢測頻率變化的繼電器也需要重新設(shè)計(jì)。

另一方面，逆變器相比于傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)反應(yīng)更加迅速。如果能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)中的擾動做出快速的感知和動作，逆變器可以提高電網(wǎng)故障穿越的能力。圖8為對比了同步發(fā)電機(jī)、快速斷開的逆變器以及提供七周波故障穿越的逆變器的短路電流。

圖8 同步發(fā)電機(jī)、快速斷開的逆變器以及提供七周波故障穿越的逆變器的短路電流

6 黑啟動

當(dāng)遭遇大停電事故后，電力系統(tǒng)需要具備黑啟動的能力。為實(shí)現(xiàn)黑啟動需要發(fā)電設(shè)備作為電壓源，為高啟動電流設(shè)備(如發(fā)電機(jī)和變壓器)提供足夠能量。由于逆變器的輸出電流有限，以逆變器為主體的電網(wǎng)在設(shè)計(jì)時(shí)，尤其需要考慮逆變器提供足夠啟動電流的能力。除此以外，也可以在電能恢復(fù)時(shí)將負(fù)載分開逐步啟動，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的黑啟動。

未來電網(wǎng)中，以風(fēng)能和太陽能為代表的新能源發(fā)電比例會持續(xù)增加，新能源發(fā)電成本將逐年降低，新能源將成為競爭性發(fā)電能源。按我國當(dāng)前新能源發(fā)展趨勢，新能源資源富集地區(qū)未來新能源電量占比將超過50%，高比例新能源場景必定會出現(xiàn)。本文對未來電網(wǎng)在此發(fā)展趨勢下所面對的挑戰(zhàn)和解決方案進(jìn)行了分析，特別是提到了未來逆變器主導(dǎo)下的電力系統(tǒng)面臨的問題與挑戰(zhàn)。 但本文對高比例新能源情景的分析還處于前期探索研究階段，缺乏定量分析和過程研究，但相關(guān)思考和建議值得借鑒。在我國新能源快速發(fā)展形式下，仍需結(jié)合我國新能源發(fā)展規(guī)劃和實(shí)際電網(wǎng)的運(yùn)行情況，在規(guī)劃分析、運(yùn)行控制等方面做進(jìn)一步實(shí)踐性研究。 筆者所在院士團(tuán)隊(duì)前期也做了相關(guān)的研究，在此拋磚引玉：

我國新能源出力與負(fù)荷需求在季節(jié)上具有一定的逆向分布特點(diǎn);新能源電量占比為40%時(shí)，會帶來電能消納的季節(jié)性問題。

加強(qiáng)聯(lián)網(wǎng)和建設(shè)靈活調(diào)節(jié)電源是解決新能源消納最有效的措施;通過常規(guī)機(jī)組深度調(diào)峰、提升通道送出能力和應(yīng)用儲能三種措施可在一定程度上提升風(fēng)電消納能力，但代價(jià)大。

新能源機(jī)組將作為主力電源，應(yīng)承擔(dān)主力電源的“責(zé)權(quán)利”，加強(qiáng)新能源發(fā)電參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)(一次調(diào)頻、調(diào)壓等)的能力，有助于提升其消納水平。

高比例新能源接入與電力系統(tǒng)電力電子化將對傳統(tǒng)的規(guī)劃、仿真、運(yùn)行控制等帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注并提前布局。

文章來源：中國電力科學(xué)研究院