構(gòu)建100%可再生能源電力系統(tǒng)述評(píng)與展望
文云峰，楊偉峰，汪榮華，胥威汀，葉希，李婷
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.192031
1、項(xiàng)目背景
在全球化石能源枯竭、溫室效應(yīng)日益嚴(yán)重的現(xiàn)實(shí)威脅下，世界范圍內(nèi)正在掀起能源清潔化的熱潮，以化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)正逐步向以風(fēng)、光、水等可再生能源為主的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。在此背景下，許多國(guó)家和地區(qū)陸續(xù)提出構(gòu)建100%可再生能源電力系統(tǒng)(100% renewable energy power system，100% REPS)的設(shè)想。
丹麥物理學(xué)家B. S?rensen于1975年在《Science》期刊中率先提出100% REPS的構(gòu)建設(shè)想。但此后的進(jìn)展較為緩慢，直到近年來由于世界能源和環(huán)境問題凸顯，相關(guān)研究才大量涌現(xiàn)。據(jù)國(guó)際可再生能源署統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前已實(shí)現(xiàn)100% REPS的國(guó)家有４個(gè)，分別是巴拉圭、冰島、阿爾巴尼亞、剛果；且有較多國(guó)家或地區(qū)電力系統(tǒng)已接近100%可再生能源供電，例如：挪威、烏拉圭以及加拿大的British Columbia、Manitoba和Quebec 3個(gè)省份。此外，包括丹麥、意大利、德國(guó)、葡萄牙、芬蘭、澳大利亞、巴西等眾多國(guó)家的政府或研究機(jī)構(gòu)已提出于2030年或本世紀(jì)中葉完成100% REPS構(gòu)建的目標(biāo)。例如，澳洲能源運(yùn)營(yíng)商設(shè)想在澳洲西部構(gòu)建以光伏為主、風(fēng)電為輔的100% REPS；德國(guó)環(huán)境研究委員會(huì)提出在2050前建成風(fēng)電裝機(jī)高達(dá)69.9%的100% REPS。在我國(guó)某些水電資源極為豐富的地區(qū)，也存在著構(gòu)建以水電為主、風(fēng)光為輔的100% REPS的可行性。截止2018年底，我國(guó)四川、云南、青海、西藏4個(gè)水電資源豐富地區(qū)的清潔能源裝機(jī)占比已超過80%，而根據(jù)相關(guān)規(guī)劃，其風(fēng)電、光伏等新能源裝機(jī)占比還將進(jìn)一步增大。
在能源革命熱潮的驅(qū)動(dòng)下，對(duì)100% REPS開展深入的理論研究，對(duì)推動(dòng)能源消費(fèi)的清潔化具有重要意義。然而，構(gòu)建100% REPS也將面臨技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和政策等多方面挑戰(zhàn)。隨著火電機(jī)組逐步關(guān)停及高比例風(fēng)電、光伏等具有電力電子化接口機(jī)組的并網(wǎng)，系統(tǒng)將具有強(qiáng)不確定性和低慣性特征，其運(yùn)行形態(tài)十分復(fù)雜、調(diào)節(jié)能力和穩(wěn)定性水平大幅下降，對(duì)于規(guī)劃設(shè)計(jì)、調(diào)度運(yùn)行、穩(wěn)定控制、電能質(zhì)量等各環(huán)節(jié)均提出了尚待解決的科學(xué)問題。
在全球范圍內(nèi)，近年來已有大量關(guān)于100% REPS的相關(guān)研究文獻(xiàn)發(fā)表，特別是歐美地區(qū)。為理清相關(guān)概念及基本問題，對(duì)進(jìn)一步開展該領(lǐng)域的研究工作提供參考和借鑒，本文對(duì)100% REPS的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展和相關(guān)實(shí)踐進(jìn)行述評(píng)與展望。首先，闡述各類清潔能源電力系統(tǒng)之間的聯(lián)系和區(qū)別，并綜述國(guó)內(nèi)外100% REPS的發(fā)展現(xiàn)狀及主要特征；在此基礎(chǔ)上，給出未來構(gòu)建100% REPS面臨的主要挑戰(zhàn)，提出適用于該系統(tǒng)構(gòu)建的理論研究框架；最后，對(duì)未來100% REPS的應(yīng)用實(shí)踐與探索進(jìn)行總結(jié)和展望。
2、100% REPS的基本概念
100%REPS是指完全利用水能、風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、海洋能、地?zé)崮艿确腔剂锨铱稍偕哪茉?，?jīng)過水電/風(fēng)電機(jī)組、太陽能集熱器/電池板等各類發(fā)電裝置轉(zhuǎn)化為電能，最終通過輸/配電網(wǎng)絡(luò)送到終端負(fù)荷加以消耗的系統(tǒng)。與其概念相近又不完全等同的還有碳中和電力系統(tǒng)(zero-carbon power system)以及純清潔能源電力系統(tǒng)(100% clean energy power system)。其中，碳中和電力系統(tǒng)是由核電、可再生能源機(jī)組以及帶有碳捕獲和封存技術(shù)（CCS）的火電機(jī)組構(gòu)成，該系統(tǒng)CO2的凈排放量為零甚至為負(fù)是其主要特征。而對(duì)于純清潔能源電力系統(tǒng)，各國(guó)機(jī)構(gòu)對(duì)于清潔能源的定義略有區(qū)別。在我國(guó)，可再生能源、核能以及天然氣都被認(rèn)為是清潔能源的重要構(gòu)成。圖1對(duì)這3類電力系統(tǒng)具體的構(gòu)成與聯(lián)系做了一個(gè)簡(jiǎn)單劃分?？梢钥闯?，這3類系統(tǒng)其實(shí)對(duì)應(yīng)了電力系統(tǒng)清潔化發(fā)展的3種不同形態(tài)：
1）首先，基于當(dāng)前電力系統(tǒng)，利用CCS技術(shù)改造一部分氣電機(jī)組，關(guān)停全部煤電機(jī)組，并增加可再生能源、天然氣以及核電等機(jī)組支撐負(fù)荷側(cè)用電需求，形成純清潔能源電力系統(tǒng)。純清潔能源電力系統(tǒng)中可以含有一定的碳排放量，丹麥政府早在2006年就已經(jīng)提出建立該系統(tǒng)的構(gòu)想。
2）在純清潔能源電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步關(guān)停天然氣發(fā)電機(jī)組或?qū)υ摍C(jī)組全面配置CCS設(shè)備，使得系統(tǒng)自身的碳排放量降至零，以形成碳中和電力系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)需要全面處理自身排放的CO2，因此，其構(gòu)建的難度相比純清潔能源電力系統(tǒng)更大。歐洲已提出在2050年前實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
3）在這3類系統(tǒng)中，構(gòu)建難度最大的是100% REPS。由于需要實(shí)現(xiàn)發(fā)電資源完全可再生，故需在碳中和電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上完全退出核電，并充分利用CCS和天然氣合成技術(shù)來滿足系統(tǒng)部分的儲(chǔ)能及供電需求，最終形成100% REPS。
圖1 100%可再生、碳中和、純清潔能源電力系統(tǒng)構(gòu)成
3、100% REPS的國(guó)內(nèi)外構(gòu)想和實(shí)踐
雖然早在1975年丹麥物理學(xué)家B. S?rensen就建議丹麥構(gòu)建以風(fēng)能和太陽能為主的100%可再生能源供電形態(tài)，但直到2006年10月丹麥政府才在議會(huì)中正式提出構(gòu)建全面利用可再生能源、核能的長(zhǎng)期目標(biāo)。隨后不久，丹麥工程師協(xié)會(huì)提出“IDA energy plan 2030”，設(shè)想在2030年前建立以可再生能源和核能為主導(dǎo)的純清潔能源電力系統(tǒng)。而丹麥奧爾堡大學(xué)Lund教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出關(guān)停核電，并在2050年前實(shí)現(xiàn)以生物質(zhì)能、風(fēng)能為主，光能、水能為輔，系統(tǒng)100%可再生能源供電的構(gòu)想。隨著近年來相關(guān)領(lǐng)域成為研究熱點(diǎn)，當(dāng)前已有眾多國(guó)家提出與丹麥類似的100%可再生能源電力或能源系統(tǒng)構(gòu)想方案，例如：意大利提出構(gòu)建風(fēng)、水、太陽能發(fā)電均衡的100% REPS，太陽能發(fā)電裝機(jī)占比為44.1%，風(fēng)電29.4%，水電26.5%；德國(guó)則提出構(gòu)建風(fēng)電為主、光伏為輔100% REPS的構(gòu)想，其海陸風(fēng)電容量占比高達(dá)51.8%；澳大利亞同樣也提出風(fēng)、光為主的100% REPS構(gòu)想；巴西提出構(gòu)建太陽能10%、風(fēng)能43%、生物質(zhì)能4.3%、水力發(fā)電41%以及需求側(cè)管理1.7%的電源規(guī)劃目標(biāo)，并能夠保證該系統(tǒng)即使在極旱氣候下也能維持連續(xù)3年的負(fù)荷用電需求；此外，葡萄牙、芬蘭等國(guó)也提出了類似的構(gòu)想。上述各構(gòu)想系統(tǒng)具體的電源構(gòu)成方案如圖2所示，這些構(gòu)想預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)的時(shí)間大多數(shù)都集中于本世紀(jì)中期。
圖2 各國(guó)100%可再生能源系統(tǒng)的具體構(gòu)想
目前，全球范圍內(nèi)已有較多國(guó)家和地區(qū)近乎或已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)的100%可再生化。根據(jù)國(guó)際可再生能源署的統(tǒng)計(jì)，已實(shí)現(xiàn)100%可再生能源供電的國(guó)家共有4個(gè)（巴拉圭、冰島、阿爾巴尼亞、剛果），可再生能源裝機(jī)占比超過95%的國(guó)家有10個(gè)。其中，巴拉圭早在2000年就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)100%可再生能源化，系統(tǒng)發(fā)電幾乎都來源于水電，其年發(fā)電量的近82%都用于電力的出口，是一個(gè)水電主導(dǎo)、電能外送比極高的系統(tǒng)。而冰島相對(duì)于前者就是一個(gè)典型的水電主導(dǎo)、電能自耗型系統(tǒng)，該系統(tǒng)2017年的水電出力達(dá)到其總量的72.7%，而年總發(fā)電量的97.37%都用于供應(yīng)網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)容量和地理范圍較大、年發(fā)電量大于10TW·h、近乎實(shí)現(xiàn)100% REPS的主要有挪威、烏拉圭以及加拿大的British Columbia、Manitoba和Quebec三個(gè)省份。總體而言，現(xiàn)有已經(jīng)或接近實(shí)現(xiàn)100%可再生能源并網(wǎng)的電力系統(tǒng)全部是以水電為主導(dǎo)，除冰島外其余系統(tǒng)中的水電出力均大于90%；容量大小對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)100%可再生能源供電存在一定影響，容量越大構(gòu)建的難度相對(duì)也越大。
雖然一些國(guó)家和地區(qū)的電力部門還未實(shí)現(xiàn)100%可再生能源電力系統(tǒng)，但卻已有維持短時(shí)100%可再生能源供電的能力。例如，2017年哥斯達(dá)黎加實(shí)現(xiàn)了100%可再生能源發(fā)電滿足全國(guó)約500萬人口、長(zhǎng)達(dá)300天的用電負(fù)荷，期間系統(tǒng)約80%的電能都來自于水電；2018年德國(guó)電網(wǎng)在強(qiáng)風(fēng)及低負(fù)荷的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)100%可再生能源發(fā)電達(dá)3h，并僅依靠風(fēng)電就已滿足全國(guó)85%的用電需求，其余電量則由水力和生物質(zhì)能發(fā)電填補(bǔ)；葡萄牙在2017年5月7日至11日期間，實(shí)現(xiàn)連續(xù)107h 100%可再生能源供電。我國(guó)青海電網(wǎng)在2018年6月20日午夜至29日午夜，僅有少量火電電量通過電力市場(chǎng)交易外送至省外，這期間已趨于實(shí)現(xiàn)100%可再生能源供電。
由上述國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀可知，目前全球范圍內(nèi)已經(jīng)或者接近實(shí)現(xiàn)100%可再生能源供電的電力系統(tǒng)皆是以水電為主。我國(guó)的水能資源非常豐富，其理論蘊(yùn)藏量和技術(shù)可開發(fā)裝機(jī)容量?jī)身?xiàng)指數(shù)均列世界第一。截止2018年底，四川、云南、西藏、青海4個(gè)水電資源極為豐富省份/自治區(qū)的可再生能源裝機(jī)占比已超過80%(水電分別占79.58%、71.55%、55.79%、45.1%)，而根據(jù)相關(guān)規(guī)劃，其風(fēng)電、光伏等新能源裝機(jī)還將進(jìn)一步增大。因此，這些擁有富裕可再生能源的地區(qū)若實(shí)現(xiàn)100%可再生能源的升級(jí)轉(zhuǎn)型，將具有里程碑式意義。
4、100% REPS的挑戰(zhàn)和研究框架
100% REPS相較于高比例可再生能源電力系統(tǒng)，主要區(qū)別在于后者可以在電網(wǎng)中保留有一定容量的常規(guī)火電機(jī)組，用以保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定及調(diào)節(jié)能力等需求。而100% REPS中，常規(guī)火電機(jī)組將完全關(guān)停。由火電機(jī)組退出和用電負(fù)荷增長(zhǎng)帶來的電力電量不平衡問題，常需通過裝機(jī)、并網(wǎng)更多的風(fēng)電/光伏這類隨機(jī)性/間歇性電源加以解決，但這將給系統(tǒng)帶來多方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
在規(guī)劃具體100% REPS構(gòu)建路徑時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和政策多個(gè)角度的問題和應(yīng)對(duì)策略，給出經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上可行、政策支持的100% REPS構(gòu)建方案。圖3從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和政策3個(gè)角度出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有清潔型、高比例可再生能源電力系統(tǒng)研究工作遇到的實(shí)際問題以及國(guó)家出臺(tái)的相關(guān)政策，提出未來構(gòu)建100% REPS時(shí)可能面臨的挑戰(zhàn)。在技術(shù)角度，需應(yīng)對(duì)火電退出和新能源高滲透下的系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力、穩(wěn)定裕度、電能質(zhì)量、供電可靠性和安全性惡化等問題；在政策角度，應(yīng)制定多方面適宜的政策以推動(dòng)火電退出、支持分布式電源并網(wǎng)、激勵(lì)可再生能源消納、促進(jìn)核心技術(shù)裝備國(guó)產(chǎn)化、構(gòu)建新型電力市場(chǎng)、推動(dòng)各能源行業(yè)的深度互聯(lián)；在經(jīng)濟(jì)角度，需著重考慮構(gòu)建100% REPS過程中的電源投資成本、系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本、電價(jià)波動(dòng)加劇風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)備改造成本。相關(guān)具體分析請(qǐng)見原文。
圖3 構(gòu)建100%可再生能源電力系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)
本文基于近年來國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域發(fā)表的相關(guān)論文和報(bào)告，綜合考慮其采用的方法和思路，結(jié)合上文論述的挑戰(zhàn)問題，建立了一個(gè)較為全面的100% REPS研究框架，為未來具體開展100% REPS構(gòu)建方案的研究工作提供參考。圖4為本文給出的100% REPS研究框架，針對(duì)大量新能源發(fā)電所帶來的出力強(qiáng)不確定性、低慣性、高度電力電子化、調(diào)節(jié)能力與安全穩(wěn)定性減弱等影響，分別從電源規(guī)劃、網(wǎng)架規(guī)劃、無功配置、運(yùn)行調(diào)度、穩(wěn)定性分析與控制、電能質(zhì)量?jī)?yōu)化6個(gè)環(huán)節(jié)，給出解決或改善這類問題的潛在研究方向。
圖4 100%可再生能源電力系統(tǒng)的研究框架
1）100%可再生化的電源結(jié)構(gòu)與容量規(guī)劃：構(gòu)建100% REPS的電源規(guī)劃方案時(shí)，需重點(diǎn)考慮新能源出力的強(qiáng)不確定性，在滿足投資約束、電力電量平衡、調(diào)節(jié)能力等多維需求下構(gòu)建經(jīng)濟(jì)合理的電源規(guī)劃方案，確定多階段煤電機(jī)組退出策略和可再生能源發(fā)電裝機(jī)構(gòu)成及容量。斯坦福大學(xué)M. Z. Jacobson教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)嘗試探索了關(guān)于139個(gè)國(guó)家的100% REPS電源規(guī)劃方案。該研究結(jié)合各國(guó)2050年用電負(fù)荷預(yù)測(cè)及基于Gator-Gcmom氣候模型的可再生能源出力預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，考慮儲(chǔ)能和需求響應(yīng)，以系統(tǒng)總成本最低為目標(biāo)、零負(fù)荷損失為核心約束，求得了用于實(shí)現(xiàn)100%可再生能源發(fā)電形態(tài)的各國(guó)未來需要新增(清潔電源)和退出(煤電)機(jī)組的基本規(guī)劃方案。目前針對(duì)100% REPS電源規(guī)劃的研究主要從電力電量平衡角度出發(fā)，研究各類可再生能源電源的容量?jī)?yōu)化配比，而對(duì)于火電完全退出下的系統(tǒng)慣性與各類調(diào)節(jié)能力需求考慮不足，下一步應(yīng)重點(diǎn)拓展這方面的研究工作。例如，可在面向100% REPS的電源規(guī)劃模型中考慮虛擬慣量?jī)?yōu)化配置環(huán)節(jié)，從系統(tǒng)層面出發(fā)，對(duì)各區(qū)域/節(jié)點(diǎn)的慣量進(jìn)行合理配置，以滿足穩(wěn)定運(yùn)行所需的慣性需求。
2）支撐100%可再生能源電源并網(wǎng)消納的輸/配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃：由于100% REPS在源荷兩端都具有極強(qiáng)不確定性，使得構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)的輸電網(wǎng)架和配電網(wǎng)架規(guī)劃方案的難度都大為增加。在輸電網(wǎng)規(guī)劃方面，已有學(xué)者針對(duì)考慮高比例可再生能源出力不確定性的輸電系統(tǒng)擴(kuò)展規(guī)劃開展了大量研究工作，將多場(chǎng)景優(yōu)化、區(qū)間優(yōu)化、魯棒優(yōu)化及機(jī)會(huì)約束優(yōu)化等方法應(yīng)用到規(guī)劃建模中，使求得的網(wǎng)架增強(qiáng)方案具有一定的適應(yīng)電源和負(fù)荷波動(dòng)場(chǎng)景的能力。這些工作為含100%可再生能源的輸電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃研究提供了有益參考。IEEE會(huì)士A. J. Conejo教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)首次研究了面向100% REPS構(gòu)建的電源與輸電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃模型，采用多場(chǎng)景技術(shù)考慮新能源出力和負(fù)荷需求的不確定性，耦合電源/網(wǎng)架投資約束及系統(tǒng)運(yùn)行約束，并利用滾動(dòng)窗口的形式對(duì)單階段模型逐次求解得到多階段性的輸電網(wǎng)及電源擴(kuò)建方案。在配電網(wǎng)規(guī)劃方面，目前還鮮有與100% REPS構(gòu)建直接相關(guān)的研究成果。為支撐系統(tǒng)100%可再生能源化，需進(jìn)一步加強(qiáng)配電網(wǎng)側(cè)分布式可再生能源并網(wǎng)、儲(chǔ)能、需求響應(yīng)、主動(dòng)配電管理等技術(shù)的研究和應(yīng)用。相較傳統(tǒng)配電網(wǎng)，100%可再生能源場(chǎng)景下配電網(wǎng)規(guī)劃建模的復(fù)雜性和求解難度將是需要解決的關(guān)鍵問題。此外，為提升含100%可再生能源配電網(wǎng)在自然災(zāi)害、網(wǎng)絡(luò)攻擊等事件下的恢復(fù)和自治運(yùn)行能力，還需進(jìn)一步探索配電網(wǎng)的韌性規(guī)劃問題，確保具有一定的孤島穿越能力，這對(duì)提升系統(tǒng)整體運(yùn)行可靠性有著重要意義。
3）100% REPS的無功配置：在構(gòu)建100%可再生能源電力系統(tǒng)的過程中，火電完全退出將使得傳統(tǒng)的靜態(tài)無功配置不再適用于新形態(tài)下的無功波動(dòng)需求，需要構(gòu)建一套新的無功配置方案，用于滿足100%可再生能源供電情況下的電壓支撐能力。目前可參考的研究思路主要有兩種：一種是基于各類評(píng)價(jià)指標(biāo)找出源荷隨機(jī)波動(dòng)系統(tǒng)中的電壓薄弱節(jié)點(diǎn)，加入無功補(bǔ)償裝置，提升電壓穩(wěn)定；另外，也可通過對(duì)光伏電站或風(fēng)電場(chǎng)施加魯棒無功控制策略，令機(jī)組能夠響應(yīng)自身有功波動(dòng)，輸出一定量無功，提升波動(dòng)性電源并網(wǎng)點(diǎn)電壓穩(wěn)定性。另一方面，可通過應(yīng)用grid-forming型并網(wǎng)變流器，并附加電壓控制策略，加強(qiáng)機(jī)組的故障穿越能力，以達(dá)到提升系統(tǒng)電壓質(zhì)量的效果。在開展100% REPS無功配置研究時(shí)，可同時(shí)考慮協(xié)調(diào)尋找電壓薄弱點(diǎn)、系統(tǒng)無功規(guī)劃及風(fēng)光機(jī)組無功控制策略3種方法，以得到兼具經(jīng)濟(jì)性和電壓穩(wěn)定性的無功配置方案。
4）100% REPS的穩(wěn)定分析與控制：適用于傳統(tǒng)確定性電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法難以準(zhǔn)確描述100% REPS在遭受隨機(jī)擾動(dòng)后的動(dòng)態(tài)行為。針對(duì)不確定因素給穩(wěn)定性分析帶來的影響，尚需研究更為有效和快速的評(píng)估方法以突破多重不確定因素“組合數(shù)爆炸”問題。而針對(duì)電力電子暫態(tài)行為分析的局限性，則可基于器件的物理和控制原理，建立包含鎖相環(huán)、直流側(cè)動(dòng)態(tài)和閉環(huán)控制器在內(nèi)的變流器并網(wǎng)接口發(fā)電機(jī)正序模型，以用于電力系統(tǒng)在多機(jī)多變流器狀態(tài)下的暫態(tài)穩(wěn)定性評(píng)估。另外，對(duì)于高度電力電子化的100% REPS，其整體呈現(xiàn)一種零火電、低慣性狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)的繼電保護(hù)、暫態(tài)、頻率、電壓以及靜態(tài)穩(wěn)定性等方面均會(huì)造成一定影響，需深入研究針100% REPS在各類穩(wěn)定形態(tài)下的控制策略。如針對(duì)電力電子化系統(tǒng)不能提供足夠大短路電流造成繼電保護(hù)失效的問題，有學(xué)者提出通過同步繼電器維持短路電流方法來解決；針對(duì)低慣性系統(tǒng)頻率穩(wěn)定問題，可通過加裝調(diào)相機(jī)或施加虛擬慣量控制的方法，增強(qiáng)系統(tǒng)受擾動(dòng)時(shí)的慣性響應(yīng)，提升系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性；而對(duì)于系統(tǒng)中由于大量水電參與調(diào)頻所引起的超低頻振蕩問題，則可采用調(diào)節(jié)水電機(jī)組調(diào)速器PID參數(shù)和增加阻尼調(diào)速器兩種方法加以解決?？傮w而言，現(xiàn)有關(guān)于穩(wěn)定性方面的研究多集中于如何分析低慣性下的各類穩(wěn)定性問題，還需加強(qiáng)電力電子器件本身以及控制策略所引起的多尺度振蕩與失穩(wěn)方面的研究。
5）100% REPS的運(yùn)行調(diào)度：新能源和電力電子高滲透的100% REPS轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較低，在運(yùn)行中面臨多重不確定因素，發(fā)生頻率失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)較大，大幅增加了系統(tǒng)運(yùn)行中機(jī)組組合、發(fā)電調(diào)度、備用計(jì)劃和檢修安排的難度，相關(guān)內(nèi)容是需攻克的難點(diǎn)。雖然國(guó)內(nèi)外在考慮可再生能源出力不確定性的優(yōu)化調(diào)度模型和方法方面已有大量成果，但是，這些模型和方法是否可以直接擴(kuò)展應(yīng)用于新能源和電力電子高滲透的100% REPS的在線快速計(jì)算，仍值得商榷和深入研究。頻率穩(wěn)定約束優(yōu)化調(diào)度是一種面向低慣性電力系統(tǒng)的調(diào)度方式，近年來受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視。相較傳統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度，其在模型中對(duì)預(yù)想功率擾動(dòng)事件下的暫態(tài)頻率指標(biāo)進(jìn)行了嚴(yán)格限制，通過對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、旋轉(zhuǎn)備用容量及其分布進(jìn)行合理優(yōu)化，可將事故后暫態(tài)頻率指標(biāo)控制在可接受范圍內(nèi)。針對(duì)含高比例風(fēng)電的低慣性電力系統(tǒng)，目前已有部分該類模型的研究開展，但其建模精度和求解效率還需重點(diǎn)突破。此外，現(xiàn)有研究得到的調(diào)度方案難以滿足100%可再生能源形態(tài)下電力系統(tǒng)的各種調(diào)節(jié)能力和穩(wěn)定裕度需求，未來還需開展大量相關(guān)研究工作。
6）100% REPS的電能質(zhì)量?jī)?yōu)化：100% REPS形態(tài)下電源側(cè)出力高度不確定性會(huì)引起節(jié)點(diǎn)電壓和頻率波動(dòng)頻繁、諧波含量增加等電能質(zhì)量問題，給供電品質(zhì)帶來一定挑戰(zhàn)。目前已有眾多用于提升電能質(zhì)量的裝備和方法，對(duì)于優(yōu)化100%可再生能源形態(tài)下的電能質(zhì)量具有重要參考價(jià)值。此外，有學(xué)者提出對(duì)可再生能源機(jī)組施加虛擬同步機(jī)控制策略，通過設(shè)置虛擬轉(zhuǎn)矩和虛擬勵(lì)磁對(duì)機(jī)組的有功和無功出力實(shí)現(xiàn)雙向調(diào)節(jié)，達(dá)到同時(shí)抑制電壓和頻率波動(dòng)的效果；除傳統(tǒng)的利用機(jī)組和加裝設(shè)備的電能質(zhì)量控制外，也有學(xué)者提出將電動(dòng)汽車和負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)納入調(diào)頻、調(diào)壓環(huán)節(jié)中，使二者都能夠響應(yīng)系統(tǒng)的頻率和電壓變化。針對(duì)諧波含量過多問題，IEEE會(huì)士F. Blaabjerg等人提出在并網(wǎng)變流器的控制環(huán)節(jié)中，附加虛擬阻抗控制策略，以減少系統(tǒng)電流中的諧波含量。通過進(jìn)一步研究電能質(zhì)量?jī)?yōu)化方法，對(duì)潛在的電能質(zhì)量問題加以改善，是100%可再生能源電力系統(tǒng)構(gòu)建路徑中的最后一環(huán)，這對(duì)保障負(fù)荷供電品質(zhì)是非常有必要的。
5、未來100%可再生能源電力系統(tǒng)的展望
總體而言，100% REPS的構(gòu)建不可一蹴而就。對(duì)于水電為主、風(fēng)光為輔的100% REPS，由于同步發(fā)電機(jī)組占主導(dǎo)，規(guī)劃和運(yùn)行不確定性程度相對(duì)較小，在資源和政策條件允許下，其技術(shù)層面的構(gòu)建難度相對(duì)不太大(國(guó)外已有多個(gè)實(shí)例系統(tǒng))。然而，對(duì)于新能源和電力電子高滲透的100% REPS，其構(gòu)建難度往往要大得多。為使100%可再生能源發(fā)電形態(tài)的構(gòu)建更具實(shí)踐可行性，未來還需在系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行和控制研究中探索多方面的前瞻性科學(xué)與技術(shù)問題，這里簡(jiǎn)要舉例如下：
1）虛擬慣量控制策略引起的機(jī)組載荷波動(dòng)加劇、壽命減少問題：目前已有大量關(guān)于虛擬慣量控制的研究及應(yīng)用，但虛擬慣量控制可能引起設(shè)備疲勞載荷增大，造成有效使用壽命縮短、噪聲增大等問題。如何在控制機(jī)組參與虛擬慣量和頻率支撐的同時(shí)，保證機(jī)械損耗在可接受范圍內(nèi)，還需進(jìn)一步開展研究工作。
2）系統(tǒng)電力電子化程度過高導(dǎo)致現(xiàn)有過流保護(hù)裝置失效：當(dāng)系統(tǒng)由原來的同步電源主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏﹄娮訐Q流器主導(dǎo)后，由于基于換流器的電源不具有與同步發(fā)電機(jī)相同的故障特征，它們通常只能提供略高于額定值的故障電流且維持時(shí)間極短，極易引起系統(tǒng)中的繼電保護(hù)裝置由于故障電流消失而失去故障感知能力的問題。
3）系統(tǒng)在極端天氣和氣候環(huán)境下運(yùn)行的能力：100% REPS相較傳統(tǒng)火電主導(dǎo)電力系統(tǒng)或者高比例可再生能源電力系統(tǒng)來說，其對(duì)極端天氣或氣候的敏感度更高。當(dāng)暴雨、臺(tái)風(fēng)、干旱等天氣或氣候出現(xiàn)時(shí)，將直接影響風(fēng)、光、水電機(jī)組的發(fā)電能力，導(dǎo)致系統(tǒng)持續(xù)供電能力大幅下降。為此，應(yīng)基于各地多尺度氣象條件，對(duì)概率性的極端天氣和氣候，提前制定適當(dāng)?shù)姆罏?zāi)調(diào)度和應(yīng)急儲(chǔ)備，提升系統(tǒng)抵御各類自然災(zāi)害的能力。
4）應(yīng)對(duì)新能源出力強(qiáng)不確定性的新型備用準(zhǔn)則：對(duì)于新能源高占比的100% REPS，必須革新傳統(tǒng)以同步發(fā)電機(jī)備用為主的備用準(zhǔn)則，擴(kuò)展利用儲(chǔ)能、需求響應(yīng)以及風(fēng)、光機(jī)組輔助調(diào)頻等方法來提供新型系統(tǒng)所需的備用容量。在構(gòu)建新型備用準(zhǔn)則時(shí)如何克服風(fēng)、光機(jī)組出力強(qiáng)不確定性的問題，仍需進(jìn)一步研究和分析。
5）建立系統(tǒng)慣性和備用容量在線評(píng)估與配置體系：目前電力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度中一般不考慮系統(tǒng)慣性需求，備用設(shè)置也非常粗略(如以系統(tǒng)峰荷的8%~10%或者單機(jī)最大容量作為系統(tǒng)備用容量需求)。這種經(jīng)驗(yàn)方法會(huì)造成新能源和電力電子高滲透的100% REPS慣性與備用容量匱乏狀況的出現(xiàn)。因此，有必要建立一套系統(tǒng)慣性與備用容量需求在線評(píng)估和配置體系，以更好指導(dǎo)調(diào)度運(yùn)行，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
6、結(jié)論
目前全球范圍內(nèi)許多政府和研究機(jī)構(gòu)正在著力開展100% REPS形態(tài)與構(gòu)建方面的相關(guān)研究，我國(guó)部分水電極為豐富的地區(qū)也存在著進(jìn)一步構(gòu)建100%可再生能源發(fā)電形態(tài)的可行性。為使電力系統(tǒng)在未來100%可再生能源發(fā)電形態(tài)下仍能夠安全可靠運(yùn)行，前瞻性地揭示其面臨的挑戰(zhàn)性問題并探索一套較為完整的研究框架具有重要意義。本文從100% REPS的基本概念出發(fā)，介紹了其主要構(gòu)成以及與其他相似概念的區(qū)別，對(duì)目前有關(guān)100% REPS所提出的構(gòu)想及實(shí)踐狀況進(jìn)行了廣泛綜述和分析，探討其主要特征以及實(shí)現(xiàn)要素。然后，基于現(xiàn)有研究成果提出構(gòu)建100% REPS在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、政策3方面將面臨的主要挑戰(zhàn)，進(jìn)而提出一套面向100% REPS的研究框架，該框架覆蓋了電源規(guī)劃、網(wǎng)架規(guī)劃、無功配置、運(yùn)行調(diào)度、穩(wěn)定性分析與控制、電能質(zhì)量?jī)?yōu)化6個(gè)環(huán)節(jié)。最后，對(duì)未來100% REPS的應(yīng)用實(shí)踐與探索進(jìn)行了展望。
引文信息
文云峰, 楊偉峰, 汪榮華, 胥威汀, 葉希, 李婷. 構(gòu)建100%可再生能源電力系統(tǒng)述評(píng)與展望[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2020, 40(6): 1843-1856.
WEN Yunfeng, YANG Weifeng, WANG Ronghua, et al. Toward 100% Renewable Energy Power Systems: Review and Prospect[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(6): 1843-1856(in Chinese)．
