中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
本文選自中國(guó)工程院院刊《中國(guó)工程科學(xué)》2022年第6期
作者：石文輝，屈姬賢，羅魁，李欽淼，何永君，王偉勝
來(lái)源：高比例新能源并網(wǎng)與運(yùn)行發(fā)展研究[J].中國(guó)工程科學(xué),2022,24(6):52-63.
編者按
積極發(fā)展以風(fēng)電、光伏發(fā)電為代表的新能源，加快能源體系綠色低碳轉(zhuǎn)型，是世界各國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化、加強(qiáng)能源安全的一致選擇。新能源已成為我國(guó)的主力電源，部分地區(qū)（送端）形成了高比例新能源并網(wǎng)格局。新能源資源的隨機(jī)波動(dòng)性、間歇性，新能源發(fā)電并網(wǎng)設(shè)備的低抗擾性、弱支撐性客觀存在，新能源高比例并網(wǎng)將給電力系統(tǒng)的運(yùn)行控制帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。
中國(guó)工程院院刊《中國(guó)工程科學(xué)》2022年第6期刊發(fā)中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司王偉勝教授級(jí)高級(jí)工程師研究團(tuán)隊(duì)的《高比例新能源并網(wǎng)與運(yùn)行發(fā)展研究》一文。文章在調(diào)研分析我國(guó)新能源發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，展望了我國(guó)中期（2030年）、遠(yuǎn)期（2060年）高比例新能源并網(wǎng)場(chǎng)景；闡述了高比例新能源并網(wǎng)與運(yùn)行面臨的高效消納與能源保障難題并存、安全穩(wěn)定運(yùn)行難度劇增、電力市場(chǎng)機(jī)制不適應(yīng)等挑戰(zhàn)；從電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)、儲(chǔ)能及基礎(chǔ)支撐4個(gè)方面，全面分析了高比例新能源并網(wǎng)與運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)體系。著眼我國(guó)高比例新能源并網(wǎng)與運(yùn)行的長(zhǎng)期穩(wěn)健發(fā)展，文章提出了加強(qiáng)協(xié)調(diào)規(guī)劃、提升靈活平衡能力，強(qiáng)化技術(shù)攻關(guān)、突破關(guān)鍵技術(shù)體系，建立銜接機(jī)制、支撐新能源參與市場(chǎng)，深化市場(chǎng)設(shè)計(jì)、適應(yīng)新能源消納場(chǎng)景等建議，可為電力領(lǐng)域規(guī)劃、電力技術(shù)研究提供參考。
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一、前言
積極發(fā)展以風(fēng)電、光伏發(fā)電為代表的新能源，加快能源體系綠色低碳轉(zhuǎn)型，是世界各國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化、加強(qiáng)能源安全的一致選擇。歐盟、英國(guó)、日本相繼頒布了《歐洲綠色協(xié)議》《綠色工業(yè)革命十點(diǎn)計(jì)劃》《綠色增長(zhǎng)戰(zhàn)略》，引導(dǎo)新能源發(fā)展，提高新能源發(fā)電和消費(fèi)的比例。2017—2021年，可再生能源在全球新增發(fā)電量中的占比達(dá)到60%。
近年來(lái)，我國(guó)新能源發(fā)展迅猛，碳達(dá)峰、碳中和（“雙碳”）戰(zhàn)略目標(biāo)也為風(fēng)電、光伏發(fā)電的加速發(fā)展賦予了新動(dòng)能。《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》（2021年）提出開展能源綠色低碳轉(zhuǎn)型行動(dòng)、構(gòu)建新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng)，從而明確了新能源在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)過(guò)程中的重要地位?！丁笆奈濉笨稍偕茉窗l(fā)展規(guī)劃》（2022年）指出，2025年可再生能源消費(fèi)總量約為1×109 tce，風(fēng)電和光伏發(fā)電量實(shí)現(xiàn)翻倍；2030年的風(fēng)電和光伏發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)1.2×109 kW。為了實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，新能源還需加速發(fā)展，在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高比例甚至超高比例的并網(wǎng)。
新能源資源的隨機(jī)波動(dòng)性、間歇性，新能源發(fā)電并網(wǎng)設(shè)備的低抗擾性、弱支撐性客觀存在，新能源高比例并網(wǎng)將給電力系統(tǒng)的運(yùn)行控制帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。相關(guān)問(wèn)題得到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注：從高比例新能源的協(xié)調(diào)規(guī)劃技術(shù)、優(yōu)化調(diào)度技術(shù)、控制運(yùn)行技術(shù)等具體技術(shù)方面開展了系列研究；以新能源高占比的省級(jí)電網(wǎng)為例，探討了技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展路徑；立足電力電量平衡的視角，從實(shí)際數(shù)據(jù)出發(fā)來(lái)分析新能源替代面臨的潛在問(wèn)題，進(jìn)而提出了高比例新能源的演進(jìn)路徑。
也要注意到，現(xiàn)有研究或聚焦具體技術(shù)，或聚焦省級(jí)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行，或從單一視角出發(fā)，而就高比例新能源并網(wǎng)與運(yùn)行體系開展的全視角剖析與宏觀探討仍有待加強(qiáng)。針對(duì)于此，本文結(jié)合我國(guó)新能源發(fā)展現(xiàn)狀，展望中期（2030年）、遠(yuǎn)期（2060年）高比例新能源并網(wǎng)場(chǎng)景和關(guān)鍵技術(shù)、市場(chǎng)機(jī)制需求；從電力電量平衡、穩(wěn)定運(yùn)行、市場(chǎng)機(jī)制方面分析高比例新能源并網(wǎng)引發(fā)的挑戰(zhàn)并梳理應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)體系；提出規(guī)劃、技術(shù)、機(jī)制、市場(chǎng)等發(fā)展建議，以期為行業(yè)規(guī)劃、技術(shù)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)合作提供基礎(chǔ)參考。
二、我國(guó)新能源供給和消納態(tài)勢(shì)分析
（一）我國(guó)新能源發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)
近年來(lái)，我國(guó)新能源（風(fēng)電、光伏發(fā)電）發(fā)展迅猛，2017—2021年的風(fēng)電、光伏發(fā)電年增長(zhǎng)率分別為17.3%、32.1%。2021年，全國(guó)新能源發(fā)電裝機(jī)容量約占全國(guó)電源總?cè)萘康?6.6%，其中風(fēng)電裝機(jī)容量為3.28×108 kW，光伏發(fā)電為3.06×108 kW；全國(guó)新能源發(fā)電量為9.785×1011 kW·h，約占總發(fā)電量的11.7%，其中風(fēng)電發(fā)電量為6.526×1011 kW·h，光伏發(fā)電量為3.259×1011 kW·h；青海、內(nèi)蒙古、河北等12個(gè)省份的新能源裝機(jī)占比超過(guò)30%，青海、蒙東、寧夏等5個(gè)省級(jí)電網(wǎng)的新能源發(fā)電量占比超過(guò)20%；新能源繼續(xù)保持高利用率水平，風(fēng)電平均利用率為96.9%，光伏發(fā)電平均利用率為98%。整體來(lái)看，新能源已成為我國(guó)的主力電源，部分地區(qū)（送端）形成了高比例新能源并網(wǎng)格局。
新能源在實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量躍升發(fā)展的同時(shí)，呈現(xiàn)了新的發(fā)展動(dòng)向和趨勢(shì)。
① 大型荒漠風(fēng)光基地建設(shè)再提速。國(guó)家鼓勵(lì)在荒漠發(fā)展大型風(fēng)電光伏基地項(xiàng)目，2022年年初主管部門印發(fā)了兩批以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為重點(diǎn)的大型風(fēng)電、光伏發(fā)電基地建設(shè)項(xiàng)目清單，總裝機(jī)規(guī)模超過(guò)4.55×108 kW。
② 整縣分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目蓬勃發(fā)展。自整縣屋頂分布式光伏發(fā)電開發(fā)試點(diǎn)工作啟動(dòng)以來(lái)，分布式光伏發(fā)電開發(fā)明顯加速，2021年新增光伏發(fā)電裝機(jī)中的分布式規(guī)模為2.928×107 kW（占比為55%），歷史上首次超過(guò)集中式電站。分布式光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量突破1×108 kW，約占全部光伏發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)容量的1/3。
③ 大規(guī)模海上風(fēng)電發(fā)展異軍突起。我國(guó)2015年的海上風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量?jī)H為3.6×105 kW，而2021年受海上風(fēng)電退補(bǔ)搶裝的驅(qū)動(dòng)，海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量約為1.69×107 kW、累計(jì)裝機(jī)容量約為2.639×107 kW?！笆奈濉睍r(shí)期，全國(guó)海上風(fēng)電規(guī)劃總裝機(jī)量約為1×108 kW。
④ 新能源參與電力市場(chǎng)化交易工作穩(wěn)步推進(jìn)。我國(guó)新能源仍以“保量保價(jià)”的保障性收購(gòu)為主，剩余電量參與市場(chǎng)化交易；以大用戶直接交易、省間外送與發(fā)電權(quán)交易等中長(zhǎng)期交易為主，部分現(xiàn)貨市場(chǎng)試點(diǎn)正逐步引入新能源。2021年，啟動(dòng)了綠色電力交易，引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)以全面記錄新能源電量的生產(chǎn)、交易、傳輸、消費(fèi)、結(jié)算等環(huán)節(jié)信息，實(shí)現(xiàn)了綠電交易全流程可信溯源；國(guó)家電網(wǎng)有限公司經(jīng)營(yíng)區(qū)內(nèi)的新能源市場(chǎng)化交易電量為2.451×1011 kW·h，占新能源總發(fā)電量的30.1%。
（二）我國(guó)新能源發(fā)展展望
新能源的中長(zhǎng)期發(fā)展情景，受到管理政策、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、技術(shù)發(fā)展、資源環(huán)境等多重因素影響。目前，多家研究機(jī)構(gòu)對(duì)未來(lái)我國(guó)新能源裝機(jī)規(guī)模、發(fā)電量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，雖然每種預(yù)測(cè)考慮的邊界條件有所不同，但都認(rèn)為新能源具有極大的增長(zhǎng)空間。值得指出的是，新能源的出力和設(shè)備特性相比常規(guī)機(jī)組有很大的不同，其裝機(jī)和電量比例的量變將逐步引起系統(tǒng)特性的質(zhì)變；在不同的新能源并網(wǎng)比例下，電力系統(tǒng)的特征也將有所差異。
1. 中期（2030年）
綜合各研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)結(jié)果，2030年全國(guó)新能源裝機(jī)容量約為1.2×109~1.6×109 kW，裝機(jī)占比約為30%~40%，新能源發(fā)電量占比約為17%~25%；新能源逐步成為裝機(jī)主體，在西北、東北、河北、山西、山東、江蘇等地優(yōu)先形成高比例并網(wǎng)格局。
在裝機(jī)布局方面，將呈現(xiàn)“三北”地區(qū)風(fēng)光大基地、中東部地區(qū)分布式新能源協(xié)同發(fā)展的特點(diǎn)。目前，第一批大型風(fēng)電光伏基地項(xiàng)目陸續(xù)開工，主要分布在內(nèi)蒙古、青海、甘肅等省份，總規(guī)模為9.705×107 kW；第二批大型風(fēng)電光伏基地建設(shè)方案已明確；2030年規(guī)劃建設(shè)的風(fēng)光基地裝機(jī)容量約為4.55×108 kW（含外送容量3.15×108 kW）。與此同時(shí)，因靠近負(fù)荷中心、便于就近消納的優(yōu)勢(shì)，中東部地區(qū)的分布式新能源（尤其是分布式光伏發(fā)電）將繼續(xù)快速發(fā)展；隨著技術(shù)進(jìn)步、成本下降、經(jīng)驗(yàn)積累，海上風(fēng)電將迎來(lái)高速發(fā)展期，具備建設(shè)條件的海上風(fēng)電項(xiàng)目將全面開工，成為東部沿海省份的重要電源。
在電力電量平衡方面，隨著新能源裝機(jī)容量的增加，2030年全國(guó)新能源出力日內(nèi)最大波動(dòng)將達(dá)4×108 kW，新能源出力的隨機(jī)波動(dòng)性、間歇性必然對(duì)電力系統(tǒng)的靈活性資源保障提出需求。在此階段，系統(tǒng)電力電量平衡仍以常規(guī)電源調(diào)節(jié)為主，輔以抽水蓄能、化學(xué)儲(chǔ)能、負(fù)荷側(cè)響應(yīng)等形式。
在安全穩(wěn)定運(yùn)行方面，2030年全國(guó)范圍內(nèi)的同步機(jī)組出力占總負(fù)荷之比大于50%的累計(jì)時(shí)段將達(dá)100%，新型電力系統(tǒng)仍以交流同步機(jī)制運(yùn)行為主。隨著新能源及電力電子設(shè)備占比的提高，系統(tǒng)運(yùn)行特性將出現(xiàn)顯著變化：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及強(qiáng)度不斷下降，系統(tǒng)脆弱性將有所增加。這些因素將加劇連鎖故障風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定問(wèn)題更為突出，進(jìn)而對(duì)新能源、儲(chǔ)能等新型并網(wǎng)設(shè)備的調(diào)節(jié)與支撐能力提出更高要求。
在電力市場(chǎng)方面，市場(chǎng)環(huán)境逐漸成熟，省內(nèi)中長(zhǎng)期交易機(jī)制基本完善，現(xiàn)貨交易逐漸擴(kuò)展到全國(guó)范圍。新能源補(bǔ)貼全面取消，與化石能源電力共同參與現(xiàn)貨市場(chǎng)，以綠色電力交易等市場(chǎng)化手段發(fā)現(xiàn)并傳導(dǎo)綠色環(huán)境價(jià)值。為適應(yīng)分布式新能源、需求側(cè)資源、虛擬電廠、電動(dòng)汽車等新興主體的發(fā)展，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的個(gè)體對(duì)個(gè)體（P2P）交易等新型電力交易模式開始涌現(xiàn)，零售市場(chǎng)初步形成，電力交易靈活性將進(jìn)一步提升。
2. 遠(yuǎn)期（2060年）
2060年，預(yù)計(jì)全國(guó)新能源裝機(jī)容量為2.7×109~3.4×109 kW，裝機(jī)和發(fā)電量占比均將超過(guò)60%；新能源將成為主體電源，在全國(guó)范圍內(nèi)形成高比例新能源電量系統(tǒng)。
在裝機(jī)布局方面，由于我國(guó)“三北”地區(qū)風(fēng)能資源、土地條件優(yōu)勢(shì)明顯，風(fēng)電仍將以“三北”地區(qū)的集中式開發(fā)為主；光伏發(fā)電的開發(fā)場(chǎng)景將繼續(xù)呈現(xiàn)多元化趨勢(shì)，大型地面光伏電站與分布式發(fā)電協(xié)同發(fā)展。整體來(lái)看，新能源主要分布在“三北”地區(qū)，為實(shí)現(xiàn)空間上的供需匹配（負(fù)荷中心分布在中東部地區(qū)），需要更大的跨區(qū)域輸電容量來(lái)傳輸新能源電力電量。
在電力電量平衡方面，2060年全國(guó)新能源出力日內(nèi)最大波動(dòng)將超過(guò)1×109 kW，與當(dāng)年常規(guī)電源的總裝機(jī)容量相當(dāng)，所帶來(lái)的巨大儲(chǔ)能與負(fù)荷側(cè)響應(yīng)需求，甚至無(wú)法僅在電力系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)平衡，需要擴(kuò)展到涵蓋冷、熱、電、氣等多種能源的綜合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平衡。在全國(guó)范圍內(nèi)出現(xiàn)超高比例甚至全部由新能源供電的時(shí)刻，新能源穿透率將超過(guò)100%，系統(tǒng)電力電量供應(yīng)總體豐裕，但時(shí)空不匹配現(xiàn)象加劇，新能源、常規(guī)電源的利用小時(shí)數(shù)均將降低。
在安全穩(wěn)定運(yùn)行方面，2060年電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)多類型電源接入、交 / 直流電網(wǎng)混聯(lián)、多元負(fù)荷響應(yīng)等特征，同步機(jī)組在維持系統(tǒng)構(gòu)建和穩(wěn)定方面仍發(fā)揮重要作用；根據(jù)推算，同步機(jī)組出力占總負(fù)荷之比大于40%的累計(jì)時(shí)段將達(dá)84%，大于50%的累計(jì)時(shí)段將達(dá)53%。電力系統(tǒng)構(gòu)建機(jī)制將涉及傳統(tǒng)同步機(jī)制、新型電力電子運(yùn)行機(jī)制或者兩者相結(jié)合的機(jī)制，構(gòu)建的技術(shù)邊界條件與技術(shù)特征更加多變；新能源發(fā)電并網(wǎng)與組網(wǎng)兩種模式共存，控制切換更加頻繁，穩(wěn)定機(jī)理及控制方式更為復(fù)雜。需要明確多類型機(jī)組的組網(wǎng)運(yùn)行機(jī)制，量化系統(tǒng)構(gòu)建條件，針對(duì)源、網(wǎng)、荷提出相應(yīng)的技術(shù)要求。
在電力市場(chǎng)方面，市場(chǎng)機(jī)制將進(jìn)一步完善，現(xiàn)貨市場(chǎng)、輔助服務(wù)市場(chǎng)、容量市場(chǎng)、零售市場(chǎng)相繼成熟；新能源全電量參與電力市場(chǎng)，最終形成包括電能、容量、輔助服務(wù)、金融衍生品、輸電權(quán)等交易品種，涵蓋源、網(wǎng)、荷側(cè)各類主體的完備市場(chǎng)體系；與碳市場(chǎng)形成順暢銜接，市場(chǎng)成為提升電力系統(tǒng)靈活性的重要手段。
三、高比例新能源并網(wǎng)與運(yùn)行面臨的挑戰(zhàn)
（一）電力電量平衡
由于風(fēng)、光資源的隨機(jī)波動(dòng)性和不可存儲(chǔ)性，新能源發(fā)電出力具有隨機(jī)波動(dòng)性、間歇性、低可調(diào)度性；大量接入電力系統(tǒng)后，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)以確定性發(fā)電跟蹤負(fù)荷的平衡機(jī)制將不再適用，電力電量平衡面臨極大挑戰(zhàn)。需要源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)等靈活性資源協(xié)調(diào)運(yùn)行，共同維持系統(tǒng)電力電量平衡，如靈活性資源不足將導(dǎo)致局部地區(qū)消納困難。因新能源保證出力低，在極端情況下系統(tǒng)面臨供電可靠性不足的風(fēng)險(xiǎn)。
2019年，美國(guó)加利福尼亞州的風(fēng)電、光伏發(fā)電（含屋頂光伏）裝機(jī)總量為3.34×107 kW，占比超過(guò)34%（接近2030年中國(guó)新能源裝機(jī)容量占比的預(yù)測(cè)值），高比例而具有波動(dòng)性的新能源接入給當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的調(diào)度運(yùn)行與可靠供電帶來(lái)挑戰(zhàn)。2020年8月中旬，持續(xù)高溫導(dǎo)致加利福尼亞州電力需求劇增；8月14日晚，因光伏發(fā)電出力為零、風(fēng)電出力受天氣影響明顯下降，新能源出力僅為3.257×106 kW（不及新能源裝機(jī)容量的10%）而引發(fā)電力短缺，超過(guò)40萬(wàn)用戶斷電，持續(xù)時(shí)間約1 h；8月15日，超過(guò)20萬(wàn)用戶被輪流限電。
在我國(guó)，以新能源高占比的西北地區(qū)某省級(jí)電網(wǎng)為對(duì)象，進(jìn)行了2030年電力電量平衡仿真分析。為了達(dá)到新能源電量目標(biāo)，該省級(jí)電網(wǎng)2030年新能源裝機(jī)容量占比將大于50%，新能源滲透率（裝機(jī)容量與全年最大負(fù)荷的比值）超過(guò)200%。在日內(nèi)運(yùn)行時(shí)，部分時(shí)段的新能源大發(fā)，全年有約1000 h全部由新能源供電，有約1800 h新能源電力過(guò)剩；全年新能源限電率超過(guò)10%，其中約60 h的新能源限電功率超過(guò)其裝機(jī)容量的30%。部分時(shí)段新能源出力偏低，出力小于裝機(jī)容量10%的時(shí)段超過(guò)4200 h，疊加負(fù)荷高峰會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)緊平衡甚至出現(xiàn)電力缺額。需要常規(guī)電源靈活調(diào)節(jié)、西北電網(wǎng)省間互濟(jì)、大容量?jī)?chǔ)能來(lái)共同維持電力電量平衡。由此分析可見，在新能源裝機(jī)容量占比達(dá)到50%的條件下，系統(tǒng)電力電量平衡面臨極大挑戰(zhàn)，將出現(xiàn)能源電力供過(guò)于求（棄電）、供不應(yīng)求（限電）并存的狀況；而且一天內(nèi)即可面臨棄電、限電狀態(tài)的多次轉(zhuǎn)換，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換周期急劇縮短。
未來(lái)，隨著新能源接入比例的不斷提高，電力系統(tǒng)的供需失配現(xiàn)象將更為顯著，同時(shí)面臨高效消納與能源保障并存的難題。
（二）安全穩(wěn)定運(yùn)行
電力系統(tǒng)呈現(xiàn)新能源發(fā)電占比高、電力電子化程度高、交 / 直流耦合度高的特征，電網(wǎng)運(yùn)行特性趨于復(fù)雜，調(diào)控難度不斷增加，對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行構(gòu)成直接影響。
采用電力電子變流器接口的設(shè)備，缺乏傳統(tǒng)意義上的“慣性”。新能源在大規(guī)模接入后將擠占常規(guī)機(jī)組的開機(jī)空間，使得系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低、調(diào)頻能力下降，也就導(dǎo)致系統(tǒng)頻率穩(wěn)定問(wèn)題突出且越限風(fēng)險(xiǎn)增加。新能源并網(wǎng)頻率耐受能力偏低，遇到大的擾動(dòng)之后更易因頻率異常而大規(guī)模脫網(wǎng)，從而引發(fā)連鎖事故。
新能源發(fā)電與變流器在穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)過(guò)程中的電壓 ? 無(wú)功響應(yīng)特性，決定了對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響特征。新能源設(shè)備動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力較常規(guī)發(fā)電機(jī)組弱，對(duì)短路電流的貢獻(xiàn)不足；新能源設(shè)備通常接入電網(wǎng)末端，電網(wǎng)短路比較低，易出現(xiàn)電壓穩(wěn)定問(wèn)題。隨著新能源占比的快速提高，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備及支撐能力急劇下降，系統(tǒng)強(qiáng)度降低，電壓穩(wěn)定及暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}將更為突出。
新能源發(fā)電的滲透率、機(jī)組類型、接入位置、控制參數(shù)、運(yùn)行工況等，均會(huì)影響系統(tǒng)功角穩(wěn)定性。新能源大規(guī)模接入將使功角穩(wěn)定特性復(fù)雜、不確定性增加，以往“預(yù)案”式安全控制策略配置困難，失配風(fēng)險(xiǎn)增大，影響電網(wǎng)安全。變流器的控制特性使其與同步發(fā)電機(jī)具備不同的功角同步穩(wěn)定性，將引入新的穩(wěn)定內(nèi)涵，帶來(lái)新能源發(fā)電與系統(tǒng)之間的同步失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。
一些寬頻振蕩現(xiàn)象相繼出現(xiàn)。電力電子裝備的控制主導(dǎo)、寬頻帶動(dòng)態(tài)、交互作用復(fù)雜等特性，使得新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定不再局限于傳統(tǒng)工頻和機(jī)電時(shí)間尺度，而是帶來(lái)了電磁時(shí)間尺度的電力電子裝備涉網(wǎng)穩(wěn)定新問(wèn)題，相應(yīng)的頻率范圍擴(kuò)展至0.1~1000 Hz。近年來(lái)，河北、新疆等省份的風(fēng)電匯集地區(qū)相繼出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，危害了設(shè)備安全與電網(wǎng)運(yùn)行安全。
（三）市場(chǎng)機(jī)制
當(dāng)前，新能源計(jì)劃電量仍占較高比例?？紤]到優(yōu)先發(fā)購(gòu)電的匹配性，未來(lái)在高比例新能源接入電力系統(tǒng)后，現(xiàn)有保障性收購(gòu)政策將無(wú)法與市場(chǎng)化交易充分銜接。風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)容量不斷擴(kuò)大，出力的隨機(jī)性與波動(dòng)性將導(dǎo)致優(yōu)先發(fā)電（保量保價(jià)）與優(yōu)先購(gòu)電在電量、曲線、價(jià)格方面都無(wú)法匹配，形成大量不平衡資金，影響電力市場(chǎng)運(yùn)行和新能源消納。
為了適應(yīng)新能源的間歇性特征，一方面，電力市場(chǎng)發(fā)展需要轉(zhuǎn)向更精細(xì)的時(shí)間維度、更精確的空間顆粒度。當(dāng)前電力市場(chǎng)設(shè)計(jì)適合以傳統(tǒng)能源為主的電力系統(tǒng)，而在新能源占比大幅提高后，系統(tǒng)對(duì)靈活性資源的需求將大幅提升，而與之配套、能夠挖掘靈活性資源價(jià)值的市場(chǎng)機(jī)制有待形成。另一方面，未來(lái)高比例新能源電力市場(chǎng)將呈現(xiàn)低邊際成本、高系統(tǒng)成本的特點(diǎn)，新能源在市場(chǎng)中的責(zé)任和權(quán)利沒有進(jìn)行清晰界定，系統(tǒng)成本的市場(chǎng)化疏導(dǎo)機(jī)制尚未建立，增加市場(chǎng)設(shè)計(jì)的難度。
現(xiàn)有電力市場(chǎng)沒有完全反映新能源的綠色屬性，導(dǎo)致市場(chǎng)資源的優(yōu)化配置僅能考慮電價(jià)屬性而無(wú)法合理體現(xiàn)高比例新能源的綜合價(jià)值。當(dāng)前盡管存在消納量交易市場(chǎng)、自愿綠證交易市場(chǎng)、碳市場(chǎng)，但各類市場(chǎng)與電力市場(chǎng)的協(xié)調(diào)銜接不夠完善，存在交叉補(bǔ)貼等問(wèn)題；各類市場(chǎng)對(duì)能源電力發(fā)展綜合影響的量化測(cè)算尚未開展，各項(xiàng)機(jī)制的實(shí)際效果難以預(yù)估。
四、高比例新能源并網(wǎng)與運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)體系分析
（一）電源側(cè)
1. 新能源多時(shí)間尺度高精度功率預(yù)測(cè)技術(shù)
新能源功率預(yù)測(cè)分為風(fēng)電功率預(yù)測(cè)、光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)，使用新能源場(chǎng)站基礎(chǔ)信息、功率、氣象信息（風(fēng)速、太陽(yáng)輻照度）等數(shù)據(jù)，建立氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)與功率數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系（即功率預(yù)測(cè)模型）；進(jìn)而根據(jù)氣象預(yù)報(bào)或?qū)崪y(cè)功率等輸入數(shù)據(jù)，提前預(yù)知未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)（七天、日前、日內(nèi)、超短期等）逐時(shí)刻的新能源功率。
新能源功率預(yù)測(cè)將隨機(jī)波動(dòng)的風(fēng)電、光伏發(fā)電功率變?yōu)榛疽阎獏⒘?，可降低新能源功率的不確定度；在計(jì)劃市場(chǎng)中，有助于電網(wǎng)企業(yè)調(diào)整機(jī)組的組合方案，優(yōu)化常規(guī)電源機(jī)組發(fā)電計(jì)劃，根據(jù)超短期預(yù)測(cè)結(jié)果滾動(dòng)調(diào)整日發(fā)電計(jì)劃，優(yōu)化旋轉(zhuǎn)備用，達(dá)到系統(tǒng)安全性約束條件下的最佳經(jīng)濟(jì)性。在電力市場(chǎng)中，調(diào)度方可根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)確定備用市場(chǎng)中所需購(gòu)買的備用容量并在實(shí)時(shí)市場(chǎng)中根據(jù)超短期預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)買進(jìn)或賣出差額備用電量，發(fā)電企業(yè)可根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果參與市場(chǎng)競(jìng)價(jià)。因此，新能源功率預(yù)測(cè)精度直接影響市場(chǎng)參與者的經(jīng)濟(jì)收益。
中國(guó)氣象局、中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司、清華大學(xué)、華北電力大學(xué)等機(jī)構(gòu)開展了較多研究，針對(duì)我國(guó)新能源特點(diǎn)，在超短期、短期、中長(zhǎng)期等時(shí)間尺度上建立了相對(duì)完善的新能源功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)；預(yù)測(cè)模型涵蓋基于多數(shù)據(jù)源的統(tǒng)計(jì)方法、基于微尺度氣象與計(jì)算流體力學(xué)的物理方法、自適應(yīng)組態(tài)耦合風(fēng)電功率預(yù)測(cè)方法等。目前，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新能源功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)已覆蓋各網(wǎng)的省級(jí)電力公司、新能源場(chǎng)站，預(yù)測(cè)精度達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。未來(lái)可融合數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等技術(shù)，不斷提高新能源功率預(yù)測(cè)精度。
2. 新能源主動(dòng)支撐控制技術(shù)
現(xiàn)有的新能源發(fā)電并網(wǎng)設(shè)備缺乏對(duì)系統(tǒng)頻率、電壓的快速響應(yīng)與主動(dòng)支撐能力。隨著電力系統(tǒng)中新能源占比的不斷提高，系統(tǒng)頻率和電壓穩(wěn)定問(wèn)題突出，應(yīng)發(fā)展具有主動(dòng)支撐能力的電網(wǎng)友好型新能源發(fā)電控制技術(shù)，主要包括兩方面：有功頻率動(dòng)態(tài)支撐技術(shù)，通過(guò)留有備用容量、轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制、配置儲(chǔ)能等方式，實(shí)現(xiàn)頻率主動(dòng)支撐能力；慣量支撐技術(shù)，通過(guò)附加虛擬慣量控制，利用儲(chǔ)存在旋轉(zhuǎn)質(zhì)量中的動(dòng)能來(lái)響應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化，提供快速慣量支撐。
我國(guó)開展了新能源發(fā)電機(jī)組、場(chǎng)站接入電網(wǎng)的主動(dòng)支撐控制技術(shù)理論研究，涵蓋無(wú)功電壓、有功頻率、慣量支撐，在多個(gè)新能源場(chǎng)站進(jìn)行了工程應(yīng)用。在頻率主動(dòng)支撐方面，已對(duì)新能源場(chǎng)站涉網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，如《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定 第1部分：陸上風(fēng)電》（GB/T 19963.1—2021）提出，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)在一定條件下具備參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻的能力。為新能源發(fā)電提供的慣量支撐主要分為基于旋轉(zhuǎn)并網(wǎng)裝備、電力電子裝備的慣量支撐技術(shù)：前者指同步旋轉(zhuǎn)并網(wǎng)裝備與電網(wǎng)直接耦合，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)功率擾動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)裝備釋放出轉(zhuǎn)子存儲(chǔ)動(dòng)能用于抵抗系統(tǒng)頻率偏移并向電網(wǎng)提供轉(zhuǎn)動(dòng)慣量支撐；后者指通過(guò)電力電子裝置的柔性調(diào)控，模擬同步發(fā)電機(jī)的機(jī)電搖擺過(guò)程，抵抗電網(wǎng)頻率變化并實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電的虛擬慣性支撐。
風(fēng)電機(jī)組慣量控制主要針對(duì)變速風(fēng)電機(jī)組，利用靈活可變的變流器控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)慣量響應(yīng)并抑制電網(wǎng)頻率的深度跌落。光伏發(fā)電的備用功率、逆變器側(cè)直流電容儲(chǔ)存的能量，也可在動(dòng)態(tài)過(guò)程中為系統(tǒng)提供慣量支撐。未來(lái)可重點(diǎn)發(fā)展大規(guī)模新能源集群通過(guò)直流送出系統(tǒng)的新能源主動(dòng)支撐關(guān)鍵技術(shù)、新能源場(chǎng)站暫態(tài)主動(dòng)支撐協(xié)調(diào)控制技術(shù)等。
3. 電網(wǎng)構(gòu)建型新能源發(fā)電技術(shù)
當(dāng)前的新能源發(fā)電主要采用電流源控制模式，依賴鎖相環(huán)同步，跟隨電網(wǎng)頻率和電壓運(yùn)行，幾乎沒有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；即使通過(guò)附加控制環(huán)節(jié)以具備一定的頻率支撐和故障電壓支撐能力，但在遠(yuǎn)期新能源比例不斷提升、電網(wǎng)無(wú)法提供穩(wěn)定參考電壓的情況下，電流源型新能源的穩(wěn)定運(yùn)行仍將受到挑戰(zhàn)。新能源亟待突破目前依賴鎖相同步的電流源控制模式，盡快實(shí)現(xiàn)從“電網(wǎng)跟隨型”到“電網(wǎng)構(gòu)建型”任務(wù)角色的轉(zhuǎn)變，成為維持電網(wǎng)頻率和電壓的主要載體。
電網(wǎng)構(gòu)建型新能源發(fā)電技術(shù)采用適當(dāng)?shù)目刂扑惴ǎ陨⒕W(wǎng)內(nèi)電勢(shì)，使得采用電力電子變換裝置的新能源發(fā)電具有慣量、阻尼、一次調(diào)頻、無(wú)功調(diào)壓等特性，進(jìn)而具備自主建立電網(wǎng)頻率和電壓的能力。目前，國(guó)內(nèi)在電網(wǎng)構(gòu)建型新能源發(fā)電技術(shù)方面的研究主要分為電壓源型虛擬同步機(jī)技術(shù)、自同步電壓源型新能源發(fā)電技術(shù)。雖然相關(guān)技術(shù)起源自國(guó)外，但國(guó)外尚處于理論研究與樣機(jī)研制階段，未有工程應(yīng)用。我國(guó)企業(yè)開展了電網(wǎng)構(gòu)建型新能源發(fā)電技術(shù)的工程化應(yīng)用，如2013年開發(fā)了50 kW虛擬同步發(fā)電機(jī)，2016年新建了容量為1.4×105 kW的集中式虛擬同步機(jī)。未來(lái)可重點(diǎn)關(guān)注電網(wǎng)構(gòu)建型新能源集群寬頻帶穩(wěn)定特性與振蕩抑制、電網(wǎng)構(gòu)建型新能源集群故障穿越等技術(shù)。
（二）電網(wǎng)側(cè)
1. 新能源消納能力評(píng)估及預(yù)警技術(shù)
基于時(shí)序生產(chǎn)模擬，綜合考慮碳排放、棄電成本、綜合效益等因素，分析目標(biāo)電網(wǎng)的新能源消納能力，為電網(wǎng)的新能源新增裝機(jī)規(guī)劃、新能源合理利用率提升等提供建議。
新能源電力系統(tǒng)時(shí)序生產(chǎn)模擬（見圖1），以新能源發(fā)電量最大或系統(tǒng)綜合成本最小為目標(biāo)，綜合考慮系統(tǒng)平衡、電網(wǎng)安全、備用、電量、機(jī)組運(yùn)行，聯(lián)絡(luò)線交換計(jì)劃、檢修計(jì)劃、新能源功率預(yù)測(cè)曲線、系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線、母線負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、機(jī)組發(fā)電能力、電廠運(yùn)行等約束條件，建立數(shù)學(xué)模型；通過(guò)優(yōu)化求解模型，得到常規(guī)機(jī)組和新能源的出力計(jì)劃，特別是新能源消納能力的評(píng)估結(jié)果。
圖1 新能源電力系統(tǒng)時(shí)序生產(chǎn)模擬示意圖
時(shí)序生產(chǎn)模擬在電力系統(tǒng)的應(yīng)用可追溯到20世紀(jì)70年代，美國(guó)西屋電氣公司實(shí)現(xiàn)了以成本最小為目標(biāo)、用于光伏發(fā)電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化計(jì)算；20世紀(jì)90年代末，波羅的海地區(qū)的電力企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)了基于混合整數(shù)線性規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型，可進(jìn)行小時(shí)級(jí)的電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬，隨后在歐洲獲得廣泛應(yīng)用。在我國(guó)，20世紀(jì)80年代起開展了互聯(lián)電力系統(tǒng)的生產(chǎn)模擬研究。針對(duì)我國(guó)新能源消納評(píng)估面臨的迫切問(wèn)題，中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司提出了基于時(shí)序生產(chǎn)模擬的新能源年度消納能力評(píng)估方法，建立了考慮電力系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)約束條件的新能源電力系統(tǒng)時(shí)序生產(chǎn)模擬模型，采用混合整數(shù)線性規(guī)劃方法對(duì)模型進(jìn)行求解；開發(fā)了新能源生產(chǎn)模擬系統(tǒng)，滾動(dòng)開展年度、季度消納能力評(píng)估及預(yù)警，據(jù)此優(yōu)化裝機(jī)時(shí)序和重大檢修安排，已應(yīng)用于27個(gè)省級(jí)以上電網(wǎng)。
未來(lái)，隨著多種儲(chǔ)能形式在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，電動(dòng)汽車、可調(diào)負(fù)荷、可中斷負(fù)荷等帶來(lái)的負(fù)荷特性將出現(xiàn)顛覆性的改變；電力系統(tǒng)規(guī)模更大、復(fù)雜程度更高，需要更為完善、精細(xì)化程度更高的電源模型、負(fù)荷模型、儲(chǔ)能模型、電網(wǎng)模型等。隨著電力市場(chǎng)化改革的推進(jìn)，電力交易結(jié)果成為發(fā)電計(jì)劃的重要組成部分，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和調(diào)度運(yùn)行思路也會(huì)隨之發(fā)生變化，因而需重視電力市場(chǎng)、電力交易結(jié)果的模擬與應(yīng)用。
2. 新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定機(jī)理及構(gòu)建條件量化分析技術(shù)
新型電力系統(tǒng)具有高比例新能源、高比例電力電子設(shè)備的“雙高”特征，其安全穩(wěn)定機(jī)理及特性較傳統(tǒng)電力系統(tǒng)均有較大變化。分析“雙高”系統(tǒng)的穩(wěn)定機(jī)理，提取量化評(píng)估指標(biāo)，提出未來(lái)系統(tǒng)構(gòu)建的最低邊界條件，從而量化新能源的頻率支撐、電壓支撐等技術(shù)需求，對(duì)保障新型電力系統(tǒng)構(gòu)建及安全穩(wěn)定運(yùn)行具有關(guān)鍵作用。
當(dāng)前，已經(jīng)形成了針對(duì)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定等不同穩(wěn)定形態(tài)的認(rèn)知，涵蓋穩(wěn)定機(jī)理、失穩(wěn)表現(xiàn)、關(guān)鍵影響因素等方面。然而，有關(guān)新型電力系統(tǒng)失穩(wěn)形態(tài)、關(guān)鍵影響因素等穩(wěn)定機(jī)理的認(rèn)知不夠充分，針對(duì)主導(dǎo)失穩(wěn)形態(tài)的判別方法尚未建立；新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建條件及其量化分析方法還未明確，以高比例新能源及變流器為主的系統(tǒng)對(duì)新能源頻率電壓支撐的需求量化不足，相應(yīng)系統(tǒng)構(gòu)建及運(yùn)行的邊界條件缺乏。雖有機(jī)構(gòu)針對(duì)“雙高”電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題提出了短路比、系統(tǒng)慣量等評(píng)價(jià)指標(biāo)，但尚未形成統(tǒng)一的穩(wěn)定機(jī)理、頻率支撐、電壓支撐量化分析體系。
在新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定機(jī)理分析及判別方法方面，基于電力電子裝備與系統(tǒng)之間、多裝備之間、裝備與發(fā)電機(jī)之間的動(dòng)態(tài)交互機(jī)理，研究大 / 小擾動(dòng)后失穩(wěn)的主導(dǎo)動(dòng)態(tài)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)的大 / 小擾動(dòng)失穩(wěn)形態(tài)；開展新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定域估計(jì)、穩(wěn)定邊界特性研究成為發(fā)展趨勢(shì)。
在新型電力系統(tǒng)頻率支撐分析及量化評(píng)估技術(shù)方面，綜合考慮水電、火電機(jī)組特性的系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型建立及完善是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在線監(jiān)測(cè)和評(píng)估技術(shù)的發(fā)展方向；隨著新能源占比的不斷提高，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量需求與新能源滲透率的定量關(guān)系研究有待展開。
在新型電力系統(tǒng)電壓支撐分析及量化評(píng)估技術(shù)方面，新能源多場(chǎng)站短路比計(jì)算過(guò)程需引入新能源機(jī)組電壓控制模型、靜止無(wú)功補(bǔ)償器模型、靜止無(wú)功發(fā)生裝置模型，由此體現(xiàn)不同類型電力電子設(shè)備對(duì)短路電流貢獻(xiàn)的影響；新能源多場(chǎng)站短路比和其他電壓支撐評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的關(guān)系以及多維度電網(wǎng)電壓強(qiáng)度評(píng)估指標(biāo)等研究也顯迫切。
3. 新型電力系統(tǒng)全頻段振蕩分析與抑制技術(shù)
新型電力系統(tǒng)中多種電力電子設(shè)備與傳統(tǒng)發(fā)輸電設(shè)備間存在復(fù)雜的交互作用，隨著新能源、電力電子設(shè)備比例不斷提高，電力電子設(shè)備、傳統(tǒng)裝備、交流網(wǎng)絡(luò)三者之間可能產(chǎn)生超低頻、低頻、次 / 超同步、高頻等多頻段振蕩現(xiàn)象，存在振蕩分析和抑制方面的技術(shù)需求。
目前，低頻 / 超低頻振蕩、汽輪機(jī)組次同步振蕩方面的分析抑制技術(shù)相對(duì)成熟，而新能源及柔性直流等引發(fā)的次 / 超同步振蕩、高頻振蕩仍處于研究階段；提出了狀態(tài)空間法、阻抗法等并用于振蕩機(jī)理研究，但振蕩風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)估技術(shù)尚不成熟；提出了參數(shù)優(yōu)化、附加阻尼控制等振蕩抑制方法，但工程應(yīng)用不足。國(guó)內(nèi)部分地區(qū)因大規(guī)模風(fēng)電接入引發(fā)了次 / 超同步振蕩，導(dǎo)致近區(qū)汽輪機(jī)組軸系扭振；基于狀態(tài)空間法及阻抗法等明確了振蕩機(jī)理，采取的風(fēng)機(jī)參數(shù)優(yōu)化等措施有效緩解了振蕩。未來(lái)，基于精細(xì)化仿真及在線分析預(yù)警的量化分析、基于寬頻帶阻尼控制的抑制等技術(shù)將是應(yīng)對(duì)全頻段振蕩問(wèn)題的主攻方向。
（三）負(fù)荷側(cè)
1. 負(fù)荷側(cè)響應(yīng)技術(shù)
高比例新能源的可靠并網(wǎng)，需要大量的靈活調(diào)節(jié)資源參與電力電量平衡及調(diào)頻 / 調(diào)峰。隨著電源側(cè)靈活資源比例的不斷下將，負(fù)荷側(cè)靈活調(diào)節(jié)資源的重要性趨于提升。負(fù)荷側(cè)響應(yīng)技術(shù)指電力用戶根據(jù)價(jià)格信號(hào)或激勵(lì)措施，暫時(shí)改變其習(xí)慣的用電模式，能夠減少或推移某時(shí)段的用電負(fù)荷以保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
感知、預(yù)測(cè)、聚合大量的可調(diào)節(jié)負(fù)荷并評(píng)估其可調(diào)節(jié)潛力，有助于支持提高可調(diào)節(jié)負(fù)荷的響應(yīng)規(guī)模與速率，充分發(fā)揮需求響應(yīng)的調(diào)節(jié)作用，但針對(duì)典型行業(yè)可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源潛力分析技術(shù)和研究方法有待驗(yàn)證。截至2021年9月，國(guó)家電網(wǎng)有限公司的經(jīng)營(yíng)區(qū)內(nèi)共有14個(gè)省份（覆蓋15個(gè)省級(jí)公司）發(fā)布了需求響應(yīng)支持政策，建立了可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源庫(kù)；共簽約削峰負(fù)荷約5.85×107 kW，遠(yuǎn)程控制負(fù)荷約占削峰負(fù)荷的20%；共簽約填谷負(fù)荷約1.49×107 kW，遠(yuǎn)程控制負(fù)荷約占填谷負(fù)荷的6%。可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源參與電網(wǎng)互動(dòng)，構(gòu)建了“云、管、邊、端”技術(shù)支撐體系，研發(fā)了主站、終端等設(shè)備并成功應(yīng)用于示范項(xiàng)目。也要注意到，這些設(shè)備依然欠缺檢驗(yàn)測(cè)試規(guī)范、負(fù)荷資源互聯(lián)互通方面的試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境。
我國(guó)需求側(cè)靈活負(fù)荷資源規(guī)模龐大（2030年的測(cè)算值為1.08×108 kW），但每年實(shí)際利用負(fù)荷資源參與源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)互動(dòng)的容量較少。面對(duì)能源電力發(fā)展的新形勢(shì)，亟需推動(dòng)需求側(cè)可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源應(yīng)對(duì)電網(wǎng)高峰電力缺口、需求側(cè)資源參與電力市場(chǎng)交易、基于峰谷分時(shí)電價(jià)的負(fù)荷調(diào)節(jié)等場(chǎng)景下的靈活高效應(yīng)用，促進(jìn)需求響應(yīng)業(yè)務(wù)的市場(chǎng)化、常態(tài)化、規(guī)?；_展。在技術(shù)研究方面，可調(diào)節(jié)負(fù)荷潛力分析、負(fù)荷控制、檢驗(yàn)測(cè)試等是重點(diǎn)攻關(guān)方向。
2. 虛擬電廠參與系統(tǒng)調(diào)頻及能力評(píng)估技術(shù)
虛擬電廠能夠聚合各類分布式電源、需求側(cè)響應(yīng)資源，也是高比例新能源發(fā)電并網(wǎng)狀態(tài)下補(bǔ)充靈活調(diào)節(jié)資源、解決系統(tǒng)調(diào)頻問(wèn)題的新思路。虛擬電廠將電網(wǎng)中的分布式資源、可控負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置聚合為虛擬的可控集合體，共同參與電網(wǎng)的調(diào)度和運(yùn)行，因聚合了分布式電源、多種需求側(cè)響應(yīng)資源（如儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車、居民 / 商用暖通空調(diào)負(fù)荷等）而具有快速精確的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力以及良好的調(diào)頻效果。應(yīng)用需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)對(duì)虛擬電廠進(jìn)行控制，在提高系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻能力、保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定、提升電網(wǎng)運(yùn)行可靠性及安全性等方面將發(fā)揮顯著作用。
近年來(lái)，利用虛擬電廠參與電網(wǎng)調(diào)頻的相關(guān)技術(shù)受到電力行業(yè)的廣泛關(guān)注，國(guó)外已投建多個(gè)虛擬電廠參與電網(wǎng)調(diào)頻示范項(xiàng)目，如德國(guó)中北部的RegModHarz可再生能源項(xiàng)目，英國(guó)Limejump公司開展的平衡計(jì)劃虛擬電廠項(xiàng)目、Anesco公司開發(fā)的10兆瓦級(jí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)項(xiàng)目，日本東京電力公司推廣與虛擬電廠系統(tǒng)連接的電動(dòng)車應(yīng)用等。在我國(guó)，代表性的大容量?jī)?chǔ)能電池示范工程有張北風(fēng)光儲(chǔ)示范基地、深圳寶清儲(chǔ)能電站、上海漕溪能源轉(zhuǎn)換綜合展示基地、上海黃浦區(qū)商業(yè)建筑虛擬電廠項(xiàng)目等，初步測(cè)試了參與系統(tǒng)調(diào)頻功能，但尚處起步階段。未來(lái)，聚合虛擬電廠內(nèi)的調(diào)頻資源并對(duì)調(diào)頻能力進(jìn)行量化評(píng)估，發(fā)展虛擬電廠靈活性刻畫與聚合方法、參與市場(chǎng)方法，充分挖掘內(nèi)部需求側(cè)資源的調(diào)度潛力，是技術(shù)發(fā)展的重要方面。
（四）儲(chǔ)能及基礎(chǔ)支撐
1. 儲(chǔ)能技術(shù)及應(yīng)用
電網(wǎng)中的儲(chǔ)能技術(shù)主要指電能的存儲(chǔ)，在高比例新能源電力系統(tǒng)中起到靈活調(diào)節(jié)作用。我國(guó)應(yīng)用廣泛的儲(chǔ)能技術(shù)有抽水蓄能、化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能等形式，但除了抽水蓄能，目前沒有一種技術(shù)在效率、規(guī)模化、成本、安全性、穩(wěn)定性等指標(biāo)上均占有明顯優(yōu)勢(shì)。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的提升，儲(chǔ)能將在電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電、用電等環(huán)節(jié)中得到應(yīng)用。例如，在發(fā)電側(cè)，鋰離子電池、液流電池具有可短時(shí)大功率輸出、快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，可有效平抑新能源發(fā)電出力波動(dòng)、靈活跟蹤發(fā)電計(jì)劃出力曲線；在電網(wǎng)側(cè)，抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、容量大、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，可為電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓等多種輔助服務(wù)。
截至2020年年底，我國(guó)抽水蓄能裝機(jī)容量約為3.2×107 kW，在建約為5.2×107 kW。新一輪抽水蓄能中長(zhǎng)期規(guī)劃資源站點(diǎn)普查（2020年12月啟動(dòng)）共篩選出站點(diǎn)1529個(gè)，潛在總裝機(jī)容量可達(dá)1.6×109 kW，分布范圍較廣。預(yù)計(jì)2030年抽水蓄能裝機(jī)容量約為1.2×108~2×108 kW。我國(guó)具有完備的抽水蓄能全產(chǎn)業(yè)鏈體系，國(guó)產(chǎn)600 m及以下水頭段、大容量、高轉(zhuǎn)速抽蓄機(jī)組達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，710 m水頭段、3.5×105 kW機(jī)組在浙江長(zhǎng)龍山抽水蓄能電站獲得裝機(jī)應(yīng)用。目前，抽水蓄能的綜合效率一般為70%~85%，度電成本為0.21~0.25元，相對(duì)于其他儲(chǔ)能形式具有成本優(yōu)勢(shì)。截至2020年年底，我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)容量為3.27×106 kW，預(yù)計(jì)2060年的非抽蓄儲(chǔ)能容量在5×108 kW以上。鋰離子儲(chǔ)能是最有競(jìng)爭(zhēng)力的化學(xué)儲(chǔ)能形式之一，目前的能量密度為150~250 W·h/kg，循環(huán)次數(shù)為4000~5000次，度電成本為1.9~2.5元；未來(lái)的成本下降是重點(diǎn)突破方向。
為了應(yīng)對(duì)高比例新能源接入伴生的挑戰(zhàn)，應(yīng)推進(jìn)抽水儲(chǔ)能技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用，研究適用于電網(wǎng)儲(chǔ)能的長(zhǎng)壽命、低成本、大容量?jī)?chǔ)能用鋰離子電池，開展非鋰基化學(xué)電池的研究與示范應(yīng)用。
2. 電力氣象技術(shù)及應(yīng)用
電力氣象技術(shù)指電力系統(tǒng)在發(fā)電、輸電、配電、變電、用電以及前期規(guī)劃設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)中應(yīng)對(duì)外部氣象環(huán)境影響的方法及手段，分為能源開發(fā)與氣候變化影響分析、跨區(qū)大電網(wǎng)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警、電力關(guān)鍵氣象要素精準(zhǔn)預(yù)報(bào)等。
氣象條件是高比例新能源電力系統(tǒng)最為關(guān)鍵的外部影響因素。風(fēng)、光、降水是新能源發(fā)電和水電的一次資源，影響新能源發(fā)電和水電出力；氣象災(zāi)害會(huì)損壞輸變電設(shè)備，氣象條件影響輸電能力，溫度、濕度、降水等影響負(fù)荷行為。然而，公共氣象服務(wù)提供的氣象信息與電力實(shí)際需求差距明顯，主要反映在觀測(cè)站點(diǎn)遠(yuǎn)離電力設(shè)備、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)定制化程度及精度不足、電力氣象關(guān)鍵要素欠缺等方面。針對(duì)電力需求開展的定制化氣象研究，可為電力生產(chǎn)、設(shè)備運(yùn)維、新能源消納等提供必要的技術(shù)服務(wù)支撐（見圖2）。隨著新能源并網(wǎng)比例的提高、電網(wǎng)規(guī)模的增長(zhǎng)，具有波動(dòng)特性的氣象風(fēng)光資源、頻發(fā)的氣象災(zāi)害將對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生更為明顯的影響，使得電力氣象技術(shù)的重要性進(jìn)一步顯現(xiàn)。
圖2 電力氣象災(zāi)害精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)框架
美國(guó)的一些公司具有面向新能源功率預(yù)測(cè)、覆冰災(zāi)害預(yù)警等提供商業(yè)化服務(wù)的能力。歐洲、加拿大、日本等地的企業(yè)也不同程度地開展了電力氣象相關(guān)的災(zāi)害預(yù)警、新能源功率預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)。在我國(guó)，國(guó)家電網(wǎng)有限公司、中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司正在逐步建設(shè)和完善輸電線路通道的氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)能力，啟動(dòng)了電網(wǎng)氣象災(zāi)害主動(dòng)防御系統(tǒng)研制，將為重要輸電線路通道的氣象災(zāi)害防御提供科學(xué)手段。未來(lái)，可著重解決氣候變化及新能源大規(guī)模開發(fā)影響下的資源稟賦演變問(wèn)題，降低雷電、大風(fēng)、強(qiáng)降雨等電力氣象災(zāi)害的不利影響，提升新能源消納水平并支撐電網(wǎng)安全運(yùn)行。
五、高比例新能源并網(wǎng)與運(yùn)行體系發(fā)展建議
（一）加強(qiáng)協(xié)調(diào)規(guī)劃，提升靈活平衡能力
在新能源高比例并網(wǎng)的場(chǎng)景下，新能源因自身平衡能力嚴(yán)重不足而帶來(lái)龐大的靈活調(diào)節(jié)需求，可著重從兩方面進(jìn)行解決。一是加強(qiáng)新能源與靈活性資源的協(xié)調(diào)規(guī)劃。合理規(guī)劃、充分協(xié)調(diào)廣泛接入的新能源與具有深度調(diào)峰能力的火電機(jī)組、負(fù)荷側(cè)響應(yīng)資源、不同時(shí)間尺度的儲(chǔ)能等靈活性資源；根據(jù)新能源資源的波動(dòng)性與互補(bǔ)性，優(yōu)化新能源裝機(jī)配比和布局，優(yōu)化靈活性資源配置類型及容量，合理安排并網(wǎng)時(shí)序，突破新能源與靈活性資源集群協(xié)調(diào)控制難題。二是加強(qiáng)網(wǎng)、源協(xié)調(diào)發(fā)展，提升新能源跨區(qū)輸送能力?？茖W(xué)規(guī)劃直流輸送容量、新增直流落點(diǎn)，完善送受端的交流網(wǎng)架，提升新能源大范圍優(yōu)化配置、承受擾動(dòng)等能力；維持系統(tǒng)的靈活平衡能力，保證新能源高效消納和能源供應(yīng)的充裕度及安全性。
（二）強(qiáng)化技術(shù)攻關(guān)，突破關(guān)鍵技術(shù)體系
為了應(yīng)對(duì)高比例新能源并網(wǎng)引發(fā)的電力平衡、安全穩(wěn)定等挑戰(zhàn)，需從源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)能及基礎(chǔ)支撐方面綜合發(fā)力，突破高比例新能源并網(wǎng)運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)體系。考慮技術(shù)發(fā)展的階段性特征，需根據(jù)技術(shù)的有效性、發(fā)展?jié)摿?、?jīng)濟(jì)性、與其他技術(shù)的互補(bǔ)性、市場(chǎng)發(fā)展階段等因素綜合考慮技術(shù)攻關(guān)布局。加強(qiáng)自主創(chuàng)新，集聚優(yōu)勢(shì)力量，重點(diǎn)攻關(guān)包括電網(wǎng)構(gòu)建型新能源發(fā)電、新型電力系統(tǒng)全頻段振蕩分析與抑制、新能源資源精細(xì)化數(shù)值模擬與預(yù)報(bào)預(yù)警、新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定機(jī)理分析、新能源與多元儲(chǔ)能協(xié)同規(guī)劃與運(yùn)行控制在內(nèi)的一批關(guān)鍵核心技術(shù)。注重前沿技術(shù)的儲(chǔ)備和培育，如新能源規(guī)?；_發(fā) / 氣候變化的交互影響機(jī)理及變化趨勢(shì)分析、非鋰基離子電池等技術(shù)。
（三）建立銜接機(jī)制，支撐新能源參與市場(chǎng)
我國(guó)正處于保障性收購(gòu)轉(zhuǎn)向市場(chǎng)化交易的過(guò)渡期，應(yīng)建立健全新能源政策與市場(chǎng)銜接機(jī)制。一是按照新能源項(xiàng)目類型，分類建立高比例新能源發(fā)展政策和電力市場(chǎng)的銜接機(jī)制。對(duì)于存量的補(bǔ)貼項(xiàng)目，在保障小時(shí)數(shù)以內(nèi)確保收購(gòu)，超出部分則進(jìn)入市場(chǎng)；對(duì)于新增項(xiàng)目，保障性收購(gòu)小時(shí)隨可再生能源消納責(zé)任而動(dòng)態(tài)調(diào)整，逐步縮減。二是建立可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重機(jī)制與市場(chǎng)化交易的銜接機(jī)制。合理確定不同地區(qū)可再生能源的消納責(zé)任權(quán)重，可再生能源消納責(zé)任承擔(dān)范圍由發(fā)電側(cè)向售電公司、大用戶等用戶側(cè)主體延伸，實(shí)現(xiàn)可再生能源消納責(zé)任權(quán)重與新能源發(fā)電在電力市場(chǎng)中價(jià)格優(yōu)勢(shì)的有效關(guān)聯(lián)。
（四）深化市場(chǎng)設(shè)計(jì)，適應(yīng)新能源消納場(chǎng)景
深化電力市場(chǎng)頂層設(shè)計(jì)，建立適應(yīng)高比例新能源的電力市場(chǎng)體系。一是近、中期繼續(xù)加強(qiáng)全國(guó)統(tǒng)一電力市場(chǎng)頂層設(shè)計(jì)，探索“雙軌制”條件下以新能源為主體的電力市場(chǎng)模式設(shè)計(jì)；遠(yuǎn)期建成高比例新能源“統(tǒng)一市場(chǎng)、兩級(jí)運(yùn)作”的市場(chǎng)模式和運(yùn)作機(jī)制。二是適時(shí)開展容量市場(chǎng)機(jī)制探索，逐步建立容量成本回收機(jī)制；激勵(lì)各類資源提供系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，構(gòu)建兼顧電力可靠供應(yīng)和新能源發(fā)展的市場(chǎng)體系。三是完善輔助服務(wù)市場(chǎng)機(jī)制，逐步豐富和細(xì)化各類輔助服務(wù)交易品種，建立調(diào)頻、備用等市場(chǎng)，適時(shí)引入爬坡、慣量等交易品種；進(jìn)一步豐富調(diào)節(jié)資源，除傳統(tǒng)電源以外，鼓勵(lì)需求側(cè)響應(yīng)、虛擬電廠等新興市場(chǎng)主體以及具有靈活調(diào)節(jié)能力的新能源參與輔助服務(wù)市場(chǎng)；合理疏導(dǎo)系統(tǒng)調(diào)節(jié)成本，保障系統(tǒng)調(diào)節(jié)資源的積極性。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。
