繼碳達峰、碳中和目標提出后，總書記于氣候雄心峰會上提出2030年非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億千瓦以上。2020年新能源裝機創(chuàng)1.2億歷史新高，相關(guān)消息也顯示國家能源局提出2021年我國風電、太陽能發(fā)電合計新增1.2億千瓦的目標。更大規(guī)模新能源發(fā)展已是大勢所趨，但新能源的發(fā)展絕非坦途，關(guān)于實現(xiàn)高比例新能源的有序接入，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的現(xiàn)實路徑始終爭論不休。
當前各界熱議的新能源平價、調(diào)峰和并網(wǎng)安全等問題，本質(zhì)上是同一問題的一體幾面，可表述為：在電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定、社會經(jīng)濟承受能力、電力市場環(huán)境等約束邊界內(nèi)，如何實現(xiàn)新能源發(fā)展最優(yōu)解的問題。隨著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定裕度逐步降低，新能源發(fā)展成為一個系統(tǒng)性問題，即如何通過技術(shù)、管理等手段擴大電力系統(tǒng)安全邊界，保證接入更多的新能源，本文試圖從系統(tǒng)分析的角度做一些粗淺的嘗試。
01
新能源與交流電網(wǎng)的適應性問題
雖然技術(shù)發(fā)展日新月異，但在2030年碳中和之前，當前以交流為主的電力系統(tǒng)仍是新能源發(fā)展的主要載體，電力系統(tǒng)的發(fā)用電實時平衡和安全穩(wěn)定約束仍是需要遵循的客觀規(guī)律。新能源之所以會對電網(wǎng)運行帶來沖擊，主要有兩方面原因：
一是老調(diào)重彈的調(diào)峰問題，風光資源具有隨機性、間歇性和分散性，成為電力平衡過程中的不確定因素。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，負荷具有隨機性、分散性，但由于負荷數(shù)量足夠大，呈現(xiàn)出統(tǒng)計規(guī)律，為負荷預測提供了基礎，從而由集中可控的電源進行負荷跟蹤，就能確保發(fā)用電平衡。在實踐中，大機組的一次調(diào)頻、二次調(diào)頻和實時調(diào)度三級平衡機制，有效控制了發(fā)用電過程中的不平衡量。而新能源在電源側(cè)也引入了不確定性，使發(fā)用電平衡由確定性問題變成一個隨機數(shù)學問題，但并非毫無規(guī)律可循并且風光各有特點：光伏的規(guī)律性很強，但由于光伏的高同時性導致了更大的調(diào)峰壓力；風電更無序，但放到一個更大的區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)，也許能為發(fā)用電平衡做出貢獻。
二是風電光伏發(fā)電系統(tǒng)作為直流系統(tǒng)，無法與交流電磁場進行強耦合，也就無法對電網(wǎng)安全穩(wěn)定形成正的影響。從功角平衡來說，交流系統(tǒng)通過交流電磁場彼此耦合在一起，就像多人綁腿跑的游戲，人就像機組，捆繩就像電網(wǎng)，如果有人落后、超前或摔倒，會通過綁繩拉回一致，而直流系統(tǒng)雖然與交流系統(tǒng)存在功率交互，但并沒有形成強耦合關(guān)系，無法成為電力系統(tǒng)功角和頻率穩(wěn)定的平衡器。從電壓角度來說，短路電流是衡量電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的綜合指標（無功突變造成的電源變化與短路電流成反比），直流系統(tǒng)并不能提供短路電流，反而需要交流電網(wǎng)提供電壓支撐，其電壓耐受能力也較低，電網(wǎng)波動時容易發(fā)生脫網(wǎng)等問題，對電壓起到反向調(diào)節(jié)作用。
上述第一個問題已受到廣泛重視，被大部分人視為解決新能源發(fā)展的核心問題，也催生了電化學儲能、虛擬電廠、電動汽車有序充電等技術(shù)的發(fā)展。個人預計到2030年，常規(guī)電源裝機容量仍會略高于最大負荷，也略高于新能源裝機，通過調(diào)峰手段的有效組合，并建立合適的市場機制，全網(wǎng)發(fā)用電平衡仍具有一定的基礎。而對于第二個問題，隨著直流系統(tǒng)比例越來越大，對于交流系統(tǒng)頻率、電壓和慣量的考驗，將是對電力系統(tǒng)更加嚴峻的挑戰(zhàn)，而且這個危機的腳步越來越近，這可能是新能源大規(guī)模發(fā)展面臨的更加本質(zhì)的問題。提升新能源與電網(wǎng)的協(xié)同勢在必行，新版《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》中，對新能源的電壓和頻率耐受能力，一次調(diào)頻、電壓調(diào)節(jié)能力提出了要求，也要求新能源并網(wǎng)發(fā)電比重較高的地區(qū)，新能源場站應提供必要慣量與短路容量支撐。按照導則要求，重構(gòu)新能源與電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)關(guān)系，將是需要更多專業(yè)研究和技術(shù)創(chuàng)新的問題。
02
新能源發(fā)展的約束邊界
隨著新能源比例快速攀升，電力系統(tǒng)原有安全邊界被打破，新能源發(fā)展已從電站建設擴展到系統(tǒng)性問題，亟需系統(tǒng)性的研究方法和思維。借鑒專業(yè)的電力系統(tǒng)理論，將新能源發(fā)展歸納為：在電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定、社會經(jīng)濟承受能力、電力市場環(huán)境等約束邊界內(nèi)，實現(xiàn)新能源發(fā)展最優(yōu)解的問題，下面僅根據(jù)個人淺薄的知識，試圖搭建一個粗淺且不全面的框架。
（一）電力系統(tǒng)約束
從電力系統(tǒng)客觀規(guī)律出發(fā)，新能源需滿足的約束大致可以分為以下幾大類：
1.全網(wǎng)發(fā)用電平衡
盡管儲能等技術(shù)飛速發(fā)展，但發(fā)用電平衡仍是電力系統(tǒng)最重要的規(guī)律。發(fā)用電平衡包括有功和無功的平衡，而有功具有全局特性，更被人廣泛認知，由于有功平衡是頻率穩(wěn)定的基礎條件，所以隱含著頻率穩(wěn)定要求。
2.潮流平衡
電網(wǎng)中每一個節(jié)點必須滿足潮流平衡的原則，特定電源、負荷和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，電力系統(tǒng)潮流具有可行解，是討論電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提條件。在高比例新能源接入狀態(tài)下，滿足潮流可解才具有可行性。
3.輸電斷面穩(wěn)定限額
輸電斷面（包括線路通道、變壓器等原件）最大輸送容量受原件載流量、送受端電網(wǎng)強度等因素影響，在核定穩(wěn)定限額的時候，需要綜合考慮《導則》中各種故障情況下，滿足功角、頻率、電壓穩(wěn)定的限制，是反映電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的重要約束。輸電斷面穩(wěn)定限額約束是影響重點地區(qū)新能源上馬的重要原因。
4.并網(wǎng)點承受能力
表現(xiàn)為并網(wǎng)點電壓范圍和新能源短路容量要求。給定并網(wǎng)點正常電壓范圍，新能源耐受電壓水平處于并網(wǎng)點電壓范圍內(nèi)，不因為電壓過高或過低造成脫網(wǎng)。新能源場站短路比衡量并網(wǎng)點短路容量與接入的新能源容量之比，短路比過低，表明交流電網(wǎng)強度不足以支持新能源接入，發(fā)生電壓波動甚至小擾動情況下，會發(fā)生電壓失穩(wěn)。
5.機組限額
包括機組的調(diào)節(jié)范圍和調(diào)節(jié)速率：機組有功（無功）出力上下限體現(xiàn)了電源的調(diào)節(jié)（調(diào)相或進相）范圍，反映了機組對于全網(wǎng)發(fā)用電平衡進行調(diào)節(jié)的總能力。機組的調(diào)節(jié)速率（爬坡速率），反映機組響應電網(wǎng)要求，維持發(fā)用電平衡的動態(tài)特性。機組爬坡速率不足，將導致頻率的臨時性波動。
上述電力系統(tǒng)約束條件中，1、2條屬于等式約束，3、4、5條屬于不等式約束，彼此之間存在較強聯(lián)系。不等式約束邊界即將被突破時，如果校正控制不及時，不等式約束被突破后可能對等式約束進行破壞。如機組調(diào)節(jié)能力或機組爬坡速率不足，達到機組限額極值，將對發(fā)用電平衡造成影響。而如果聯(lián)絡線容量越限，轉(zhuǎn)變?yōu)榫€路潮流約束進而影響機組出力，需要進行分區(qū)平衡，在電力市場環(huán)境下將造成阻塞盈余等問題。整體來看，等式約束被破壞將造成全局影響，需要采取緊急控制措施，如發(fā)電不足采取限電、切負荷，發(fā)電過剩進行棄風棄光，聯(lián)絡線潮流越限采取分區(qū)控制等措施。
（二）政策及市場約束
6.棄風棄光比例
近年來，通過多方努力，棄風棄光率降低，但隨著新能源建設加快，5%的棄風棄光率雖然能保障新能源業(yè)主權(quán)益，但也限制了電網(wǎng)企業(yè)和地方政府接受增量項目的積極性。
7.市場規(guī)律
建立健全的現(xiàn)貨市場、輔助服務市場、容量市場，有利于激活電力系統(tǒng)中間的靈活性資源，公允的市場環(huán)境下，棄風、棄光或高電價也可以作為電力電量平衡的可選解，發(fā)用電平衡手段更加豐富，有利于接入更多的新能源。但參與市場給新能源又帶來一定的風險，表現(xiàn)為電價和電量難以保障，特別是如果引入偏差考核，新能源場站需要在儲能等方面進行額外投資，其經(jīng)濟性受到一定沖擊。
8.全社會碳排放強度
碳排放約束是碳達峰、碳中和的整體性約束，逐步完善碳配額基礎上，碳資產(chǎn)價值將逐步提升，有效促進新能源經(jīng)濟效益的提升。
9.產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與用能成本
由于我國以高耗能、低附加值的產(chǎn)業(yè)為主，在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)完成較好調(diào)整之前，我國的能源轉(zhuǎn)型始終要滿足低能源成本約束，不管是建立輔助服務市場，還是建立碳市場，都將傳導至終端用戶。如果國家仍要求終端用能成本只降不升，那么輔助服務市場也好、碳市場也罷，也只能是在電費收入上切份額。
03
策略及啟示
通過上述分析，新能源發(fā)展面臨的問題可以抽象為高維非線性空間求最優(yōu)化，目標函數(shù)可以是新能源裝機最大，也可以是新能源發(fā)電成本最優(yōu)，視具體情況而定。新能源并網(wǎng)規(guī)模日益加大，電網(wǎng)安全裕度快速下降，如何用經(jīng)濟、可行的手段擴大新能源發(fā)展的約束邊界，是完成30/60目標亟需破解的問題。雖然很多問題仍無確切答案，但仍可以形成以下思路：
1.形成更廣泛的共識。新能源發(fā)展是大勢所趨，但清晰的發(fā)展路徑仍是見仁見智，由于專業(yè)分工不同，對于新能源與電網(wǎng)協(xié)同的問題，不同主體都有一葉障目不見泰山之感；同時由于利益主體多元，很多客觀規(guī)律有意無意中被忽視。當前電源結(jié)構(gòu)和電力體制同時發(fā)生深刻變化，需要設備企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)和政府協(xié)同一致，形成系統(tǒng)意識和安全穩(wěn)定意識，就新能源并網(wǎng)標準、涉網(wǎng)技術(shù)和系統(tǒng)信息共享達成廣泛共識，搭建新能源健康發(fā)展的社會環(huán)境。
2.以更靈活的市場手段促進新能源消納。強制性控制棄風棄光比例雖然有利于既有電站的消納，但限制了電網(wǎng)企業(yè)和地方政府接受增量項目的積極性，也不利于新能源資源價值的開發(fā)。隨著各地降低新能源保障小時數(shù)，新能源廣泛參與中長期交易、現(xiàn)貨市場交易是大趨勢。盡快完善現(xiàn)貨市場交易機制并擴容，實現(xiàn)其價格發(fā)現(xiàn)作用，與中長期交易風險規(guī)避作用相結(jié)合，新能源才能真正進入平價的快車道。
3.以更開放的視野看待電力系統(tǒng)調(diào)峰問題。電網(wǎng)調(diào)峰手段多種多樣，以新能源強制配儲能的方式，也許能快速提升新能源的調(diào)節(jié)性能，也能快速培育和壯大電化學儲能行業(yè)，但容易造成資源錯配，造成新能源發(fā)電成本高企。長期來看，利用輔助服務市場、容量市場促進虛擬電廠、火電靈活性改造等靈活性資源盤活；同時在市場環(huán)境下將新能源電站納入偏差考核，促進新能源電站通過配置儲能設備、加強出力預測或開展發(fā)電權(quán)交易進行自我平衡，更有利于降低新能源發(fā)電的系統(tǒng)平衡成本。
4.能源價格市場化，倒逼能源轉(zhuǎn)型?？陀^尊重能源轉(zhuǎn)型需要付出成本的事實，國外經(jīng)驗和國內(nèi)研究成果均表明，新能源比例提升，將導致零售價格的上升。建立輔助服務市場、碳市場并形成良性循環(huán)，需要向用戶側(cè)進行成本疏導，以往在發(fā)電企業(yè)之間的“零和游戲”沒有出路，打破能源價格政策限制，形成市場化的能源順價機制，是實現(xiàn)新能源發(fā)展的重要條件。
5.開展新能源與電網(wǎng)適應性改造和技術(shù)研發(fā)。電網(wǎng)企業(yè)優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和開機組合，挖掘電力系統(tǒng)的安全裕度，提升新能源接入容量，同時完善并出臺新能源并網(wǎng)的安全穩(wěn)定細則。新能源企業(yè)充分重視并網(wǎng)安全，統(tǒng)籌安排對既有電站的涉網(wǎng)改造，加強新建電站并網(wǎng)標準管理。設備和技術(shù)企業(yè)加強技術(shù)攻關(guān)，形成提升新能源慣量、短路容量、有功和無功支撐的整體解決方案，降低新能源并網(wǎng)的技術(shù)成本。
