中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：構(gòu)建新型電力系統(tǒng)對(duì)省級(jí)電網(wǎng)調(diào)度的挑戰(zhàn)及建議
國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司 王靖然
2021年3月15日，在中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議上，習(xí)近平總書(shū)記提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，指明了為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)我國(guó)能源電力的轉(zhuǎn)型發(fā)展方向。
此后，國(guó)家電網(wǎng)有限公司在2021年7月13日發(fā)布了《構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)行動(dòng)方案（2021~2030年）》，明確建設(shè)以堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)為樞紐平臺(tái)、以源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)與多能互補(bǔ)為支撐，具有清潔低碳、安全可控、靈活高效、智能友好、開(kāi)放互動(dòng)基本特征的電力系統(tǒng)。
截至2021年10月底，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到2.99億千瓦，太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到2.82億千瓦，部分省區(qū)風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量已經(jīng)超常規(guī)火電，成為第一大電源。到2030年，我國(guó)風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上。
在國(guó)、分、省、地、縣五級(jí)調(diào)度體系中，省級(jí)電網(wǎng)調(diào)度既是電網(wǎng)平衡控制的主體，也是新能源調(diào)度運(yùn)行控制的主體，隨著新能源裝機(jī)的快速增長(zhǎng)并逐漸成為提供電力和電量的主體，省級(jí)電網(wǎng)調(diào)度將直面新型電力系統(tǒng)的各項(xiàng)挑戰(zhàn)。
構(gòu)建新型電力系統(tǒng)對(duì)省調(diào)體系的挑戰(zhàn)
構(gòu)建新型電力系統(tǒng)對(duì)省級(jí)電網(wǎng)調(diào)度體系帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，具體體現(xiàn)在三個(gè)“變化”上。
平衡模式發(fā)生顯著變化
1.從“省級(jí)平衡”到“多級(jí)平衡”。
在我國(guó)，省級(jí)電網(wǎng)作為獨(dú)立平衡區(qū)的控制模式已經(jīng)持續(xù)幾十年，這是由省級(jí)電網(wǎng)的規(guī)模決定的，又與行政區(qū)劃相一致。對(duì)于地市電網(wǎng)而言，不存在平衡調(diào)節(jié)問(wèn)題，裝機(jī)和負(fù)荷的規(guī)?？赡芟嗖詈艽?。分布式電源的發(fā)展改變了這一現(xiàn)狀，以整縣推進(jìn)分布式光伏為例，一個(gè)市或一個(gè)縣的分布式電源裝機(jī)規(guī)?；九c其負(fù)荷水平相當(dāng)，市、縣級(jí)電網(wǎng)本身即可實(shí)現(xiàn)功率平衡。同時(shí)，以園區(qū)為主體的微電網(wǎng)和虛擬電廠不斷涌現(xiàn)，對(duì)于連接在地市電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的一些微電網(wǎng)，其依靠自身冷熱電聯(lián)供、分布式光伏、儲(chǔ)能儲(chǔ)熱等實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的功率平衡，只在個(gè)別時(shí)段和主網(wǎng)進(jìn)行功率交換。因此，新型電力系統(tǒng)將是“省-地-縣-微網(wǎng)”的多級(jí)平衡，電網(wǎng)中的潮流分布、電壓分布等將發(fā)生顛覆性變化。
2.從“源隨荷動(dòng)”到“源荷互動(dòng)”。
在傳統(tǒng)的平衡模式下，負(fù)荷是自變量，各類電源的出力都是根據(jù)負(fù)荷的變化而調(diào)整變化，是因變量。而新能源出力具有間歇性、波動(dòng)性和時(shí)變性的特點(diǎn)，無(wú)法像火電等傳統(tǒng)電源出力跟隨負(fù)荷變化，可能出現(xiàn)負(fù)荷高峰時(shí)段新能源出力很小或負(fù)荷低谷時(shí)段新能源出力很大的情況。因此，在新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建過(guò)程中，必須充分挖掘負(fù)荷側(cè)的調(diào)節(jié)潛力，一方面充分利用市場(chǎng)機(jī)制引導(dǎo)負(fù)荷側(cè)自發(fā)調(diào)整，另一方面要大力發(fā)展可調(diào)節(jié)負(fù)荷，將可調(diào)節(jié)負(fù)荷、儲(chǔ)能等納入電力電量平衡，實(shí)現(xiàn)可控負(fù)荷、儲(chǔ)能和各類電源的協(xié)調(diào)互動(dòng)。電源出力不必嚴(yán)格跟蹤負(fù)荷曲線，二者實(shí)現(xiàn)解耦。
3.從“分散預(yù)測(cè)”到“融合預(yù)測(cè)”。
與電網(wǎng)平衡模式相適應(yīng)，傳統(tǒng)的新能源功率預(yù)測(cè)是以省調(diào)為主體，負(fù)荷預(yù)測(cè)也是在地市負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行加總，得到省網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線，從而進(jìn)行機(jī)組發(fā)電計(jì)劃安排。在新型電力系統(tǒng)下，從個(gè)體來(lái)看，微網(wǎng)或虛擬電廠的運(yùn)營(yíng)商作為市場(chǎng)參與主體，需要對(duì)內(nèi)部的新能源和負(fù)荷分別進(jìn)行預(yù)測(cè)，并將并網(wǎng)點(diǎn)的凈功率交換計(jì)劃提交給調(diào)度部門。從地縣調(diào)來(lái)看，大量分散式風(fēng)電和分布式光伏的接入使負(fù)荷曲線的形狀發(fā)生根本性改變，單純進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)已失去意義，必須對(duì)新能源和負(fù)荷進(jìn)行分別預(yù)測(cè)，并將預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行融合分析。對(duì)省調(diào)而言，為了更精確地制定日前計(jì)劃，集中式新能源、分布式電源和負(fù)荷的預(yù)測(cè)也將進(jìn)一步融合。
運(yùn)行控制發(fā)生顯著變化
1.從控制傳統(tǒng)電源到控制新型電源（源荷儲(chǔ)）。
傳統(tǒng)的電網(wǎng)運(yùn)行控制對(duì)象是火、水、核等電源，近年來(lái)風(fēng)電、光伏也被納入控制體系，控制方式是通過(guò)有功控制系統(tǒng)、無(wú)功電壓控制系統(tǒng)等下發(fā)指令，直接控制機(jī)組有功和無(wú)功出力。在新型電力系統(tǒng)下，隨著源網(wǎng)荷儲(chǔ)各類資源的涌現(xiàn)，新型控制對(duì)象除了傳統(tǒng)的電源類型外，還包括新型儲(chǔ)能、可控負(fù)荷、微電網(wǎng)、虛擬電廠等。其中，新型儲(chǔ)能將作為一類特殊電源參與到電網(wǎng)運(yùn)行控制中，分散配置的儲(chǔ)能可以和火電、風(fēng)電、光伏等作為一個(gè)整體接收調(diào)度指令，集中式大規(guī)模的儲(chǔ)能電站可單獨(dú)接收調(diào)度指令，參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)。這里值得一提的是虛擬電廠，其可以按照事先設(shè)定的發(fā)電計(jì)劃曲線運(yùn)行，也可作為獨(dú)立的控制對(duì)象接收調(diào)度機(jī)構(gòu)下發(fā)的有功、無(wú)功指令，對(duì)電網(wǎng)頻率、電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2.從集中控制到分散協(xié)同控制。
電網(wǎng)運(yùn)行的傳統(tǒng)控制方式是分層分級(jí)集中控制，國(guó)-網(wǎng)-省-地-縣五級(jí)調(diào)度中心大致按照設(shè)備等級(jí)分工協(xié)作，國(guó)調(diào)負(fù)責(zé)跨區(qū)域聯(lián)絡(luò)線路和變電設(shè)備的調(diào)度管理以及跨區(qū)域送電機(jī)組的出力控制；網(wǎng)調(diào)負(fù)責(zé)省間聯(lián)絡(luò)線路及變電設(shè)備的運(yùn)行管理，控制網(wǎng)內(nèi)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)送電的機(jī)組出力；省調(diào)負(fù)責(zé)省內(nèi)輸配電設(shè)備和省內(nèi)機(jī)組出力的控制。隨著各類分布式電源、微電網(wǎng)、可控負(fù)荷的大量接入，以省調(diào)為主體的集中控制模式將導(dǎo)致控制成本急劇上升，因此必須采取分散協(xié)同的控制模式。對(duì)于每一個(gè)虛擬電廠或微電網(wǎng)，都有自己的控制中心，負(fù)責(zé)控制內(nèi)部的各類可調(diào)節(jié)資源。對(duì)于整縣開(kāi)發(fā)的分布式光伏，也要建立縣域的控制中心，根據(jù)接入電壓等級(jí)，省調(diào)或地調(diào)對(duì)于每個(gè)控制中心下發(fā)總的控制指令，實(shí)現(xiàn)分散下的集中控制，如果條件成熟，在不同的控制中心之間也可以開(kāi)展數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的自愈控制。
3.從應(yīng)對(duì)簡(jiǎn)單事件到復(fù)雜嚴(yán)重事件。
電力系統(tǒng)發(fā)生極端嚴(yán)重故障的概率并不高，沿用多年的“N-1”和“N-2”可靠性標(biāo)準(zhǔn)確保了電網(wǎng)在經(jīng)受簡(jiǎn)單預(yù)想故障時(shí)的安全運(yùn)行。大量新能源的接入可能放大常規(guī)事件對(duì)電網(wǎng)的影響，事實(shí)上放大了系統(tǒng)的脆弱性。例如全網(wǎng)性的小風(fēng)天氣將導(dǎo)致風(fēng)電出力偏低，在風(fēng)電占比不高時(shí)，對(duì)電網(wǎng)的影響并不顯著；但在高比例風(fēng)電接入的條件下，可能導(dǎo)致供電能力不足，威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行。極端天氣也會(huì)使嚴(yán)重故障越來(lái)越多，這種影響很容易突破“N-2”，導(dǎo)致多重故障的發(fā)生。電網(wǎng)運(yùn)行必須做好面對(duì)更加復(fù)雜嚴(yán)重事件的準(zhǔn)備。
體制機(jī)制發(fā)生顯著變化
1.從計(jì)劃到市場(chǎng)。
當(dāng)前部分省份正在試點(diǎn)進(jìn)行電力現(xiàn)貨市場(chǎng)改革，市場(chǎng)化改革的推進(jìn)將使得電網(wǎng)生產(chǎn)組織方式發(fā)生根本變化。對(duì)于省級(jí)電網(wǎng)調(diào)度而言，在建立中長(zhǎng)期、現(xiàn)貨、輔助服務(wù)等省級(jí)各類市場(chǎng)有序銜接的市場(chǎng)體系基礎(chǔ)上，如何建立促進(jìn)新能源消納的市場(chǎng)機(jī)制，充分發(fā)揮新能源發(fā)電邊際成本低的優(yōu)勢(shì)，并實(shí)現(xiàn)電力市場(chǎng)和碳交易市場(chǎng)的協(xié)調(diào)配合，還有很多地方需要進(jìn)一步研究。同時(shí)，面對(duì)新能源大規(guī)模接入后電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻需求，應(yīng)推動(dòng)省間和省內(nèi)輔助服務(wù)市場(chǎng)建設(shè)，調(diào)動(dòng)儲(chǔ)能、分布式、可調(diào)節(jié)負(fù)荷等各類資源提供服務(wù)的積極性。
2.從調(diào)度大電網(wǎng)到輸配電網(wǎng)協(xié)同調(diào)度。
隨著高比例新能源的接入，尤其是分布式電源的大規(guī)模并網(wǎng)，對(duì)配電網(wǎng)的調(diào)度管理提出了更高要求。在技術(shù)手段上，地、縣調(diào)要通過(guò)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行信息的感知，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式電源的可觀、可測(cè)、可調(diào)、可控，實(shí)現(xiàn)對(duì)可調(diào)節(jié)負(fù)荷的精準(zhǔn)控制，配電網(wǎng)將變得更加友好和透明。在調(diào)度管理上，分布式電源外送的輸變電設(shè)備也將納入調(diào)度管理范圍，在檢修計(jì)劃、方式安排、應(yīng)急處置等方面，省調(diào)與地、縣調(diào)的聯(lián)系將更加緊密，實(shí)現(xiàn)輸配電網(wǎng)的協(xié)同調(diào)度。
3.從以省調(diào)作為新能源調(diào)度主體到省地兩級(jí)調(diào)度作為新能源調(diào)度主體。
集中式新能源場(chǎng)站接入的電壓等級(jí)從35千伏到220千伏，這一組電壓等級(jí)恰好是省、地兩級(jí)調(diào)度的調(diào)管范圍。實(shí)際運(yùn)行中，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組和光伏單元，往往是由省調(diào)牽頭負(fù)責(zé)從前期并網(wǎng)手續(xù)到后期運(yùn)行管理的各項(xiàng)工作，并直接調(diào)度其有功出力，地調(diào)負(fù)責(zé)新能源站內(nèi)升壓設(shè)備的調(diào)度和管理。分布式電源多采用自發(fā)自用模式，調(diào)度很少進(jìn)行干預(yù)。隨著新能源并網(wǎng)規(guī)模的增加，一方面大量集中式新能源項(xiàng)目并網(wǎng)和運(yùn)行已超過(guò)省調(diào)的業(yè)務(wù)承載能力，部分集中式新能源場(chǎng)站的調(diào)度管理業(yè)務(wù)需要下放給地調(diào)。另一方面，分布式和微電網(wǎng)的發(fā)展強(qiáng)化了地調(diào)對(duì)新能源的管理，地調(diào)在分布式電源的調(diào)度管理上應(yīng)承擔(dān)更多的責(zé)任。因此，省、地兩級(jí)調(diào)度都會(huì)成為新能源調(diào)度的主體。
相關(guān)建議
1.嚴(yán)守安全底線，充分發(fā)揮省調(diào)在保障新型電力系統(tǒng)安全運(yùn)行方面的支撐作用。
在保障電力供應(yīng)方面，省級(jí)電網(wǎng)作為獨(dú)立控制區(qū)的運(yùn)行模式將長(zhǎng)期存在，省級(jí)電網(wǎng)調(diào)度作為電網(wǎng)平衡控制的主體，承擔(dān)著保障供需平衡和電力供應(yīng)的職責(zé)。應(yīng)以省調(diào)為主體，構(gòu)建源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同控制體系，完善平衡支撐手段，將現(xiàn)有平衡模式轉(zhuǎn)變?yōu)槿婵紤]各類資源的一二次能源綜合平衡。在保障安全穩(wěn)定方面，深化對(duì)大電網(wǎng)穩(wěn)定機(jī)理的認(rèn)識(shí)，尤其要考慮大規(guī)模集中式和分布式新能源、可控負(fù)荷、儲(chǔ)能接入后對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定特性的影響，改變傳統(tǒng)上只考慮高電壓等級(jí)、忽視低電壓等級(jí)的不足，實(shí)現(xiàn)輸配電網(wǎng)、源荷儲(chǔ)的精細(xì)化建模，形成對(duì)新型電力系統(tǒng)的態(tài)勢(shì)感知和控制決策能力。
2.加強(qiáng)地縣調(diào)管理，打造省地縣融合的新型調(diào)度體系。
隨著整縣分布式光伏的建設(shè)推進(jìn)和微電網(wǎng)、虛擬電廠的接入，地縣調(diào)將在新能源調(diào)度運(yùn)行中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。地縣調(diào)應(yīng)加快建設(shè)適應(yīng)有源配電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行的技術(shù)支持系統(tǒng)，并因地制宜探索各類數(shù)據(jù)接入方式，實(shí)現(xiàn)分布式、負(fù)荷、微網(wǎng)等各類可控資源的可觀、可測(cè)、可調(diào)和可控，并與省調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)、新能源功率預(yù)測(cè)、有功/無(wú)功自動(dòng)控制等技術(shù)支持系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)銜接。在管理上也要建立省、地、縣一體化的運(yùn)行管控體系，實(shí)現(xiàn)各級(jí)調(diào)度業(yè)務(wù)的深度融合。
3.提升系統(tǒng)韌性，做好應(yīng)對(duì)極端事件和極端情況的準(zhǔn)備。
隨著新能源逐漸成為電力和電量供應(yīng)的主體，之前對(duì)電網(wǎng)影響較小或只有局部影響的事件可能成為嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全的事件。例如，強(qiáng)烈低溫寒潮天氣會(huì)導(dǎo)致大量風(fēng)機(jī)因氣溫過(guò)低而停機(jī)，對(duì)于一個(gè)省級(jí)電網(wǎng)而言，短時(shí)間內(nèi)的功率波動(dòng)可能達(dá)到風(fēng)電裝機(jī)的50%~70%，輕則影響電網(wǎng)供電平衡，重則威脅到電網(wǎng)的安全運(yùn)行。部分地區(qū)夏季“極熱無(wú)風(fēng)”特性明顯，對(duì)于目前的電力系統(tǒng)這種影響并不顯著，而一旦新能源成為電量主體，這種影響極可能導(dǎo)致電網(wǎng)供電能力不足。面對(duì)可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果的小概率事件，省級(jí)調(diào)度必須提升電力系統(tǒng)的韌性，做好應(yīng)對(duì)極端事件的準(zhǔn)備，這也是未來(lái)必須面對(duì)和解決的課題。
