構(gòu)建100%可再生能源電力系統(tǒng)述評與展望
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)國際可再生能源署統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前已實(shí)現(xiàn)100% REPS的國家有４個，分別是巴拉圭、冰島、阿爾巴尼亞、剛果；且有較多國家或地區(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個省份。此外，包括丹麥、意大利、德國、葡萄牙、芬蘭、澳大利亞、巴西等眾多國家的政府或研究機(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；德國環(huán)境研究委員會提出在2050前建成風(fēng)電裝機(jī)高達(dá)69.9%的100% REPS。在我國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，我國四川、云南、青海、西藏4個水電資源豐富地區(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)動下，對100% REPS開展深入的理論研究，對推動能源消費(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100% REPS的國內(nèi)外研究進(jìn)展和相關(guān)實(shí)踐進(jìn)行述評與展望。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。而對于純清潔能源電力系統(tǒng)，各國機(jī)構(gòu)對于清潔能源的定義略有區(qū)別。在我國，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對這3類電力系統(tǒng)具體的構(gòu)成與聯(lián)系做了一個簡單劃分。可以看出，這3類系統(tǒng)其實(shí)對應(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中正式提出構(gòu)建全面利用可再生能源、核能的長期目標(biāo)。隨后不久，丹麥工程師協(xié)會提出“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家共有4個（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%的國家有10個。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，是一個水電主導(dǎo)、電能外送比極高的系統(tǒng)。而冰島相對于前者就是一個典型的水電主導(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三個省份?？傮w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)建的難度相對也越大。
雖然一些國家和地區(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)電滿足全國約500萬人口、長達(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)容量兩項(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?？稍偕茉吹牡貐^(qū)若實(shí)現(xiàn)100%可再生能源的升級轉(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)和政策多個角度的問題和應(yīng)對策略，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)際問題以及國家出臺的相關(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火電退出、支持分布式電源并網(wǎng)、激勵可再生能源消納、促進(jìn)核心技術(shù)裝備國產(chǎn)化、構(gòu)建新型電力市場、推動各能源行業(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)營成本、電價(jià)波動加劇風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)備改造成本。相關(guān)具體分析請見原文。
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)量優(yōu)化6個環(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個國家的100% REPS電源規(guī)劃方案。該研究結(jié)合各國2050年用電負(fù)荷預(yù)測及基于Gator-Gcmom氣候模型的可再生能源出力預(yù)測數(shù)據(jù)，考慮儲能和需求響應(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優(yōu)化配比，而對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優(yōu)化配置環(huán)節(jié)，從系統(tǒng)層面出發(fā)，對各區(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，將多場景優(yōu)化、區(qū)間優(yōu)化、魯棒優(yōu)化及機(jī)會約束優(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)荷波動場景的能力。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，并利用滾動窗口的形式對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)、儲能、需求響應(yīng)、主動配電管理等技術(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：一種是基于各類評價(jià)指標(biāo)找出源荷隨機(jī)波動系統(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，也可通過對光伏電站或風(fēng)電場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，輸出一定量無功，提升波動性電源并網(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)擾動后的動態(tài)行為。針對不確定因素給穩(wěn)定性分析帶來的影響，尚需研究更為有效和快速的評估方法以突破多重不確定因素“組合數(shù)爆炸”問題。而針對電力電子暫態(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)定性評估。另外，對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)受擾動時(shí)的慣性響應(yīng)，提升系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性；而對于系統(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。總體而言，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，其在模型中對預(yù)想功率擾動事件下的暫態(tài)頻率指標(biāo)進(jìn)行了嚴(yán)格限制，通過對系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量、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)量優(yōu)化：100% REPS形態(tài)下電源側(cè)出力高度不確定性會引起節(jié)點(diǎn)電壓和頻率波動頻繁、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)矩和虛擬勵磁對機(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。針對諧波含量過多問題，IEEE會士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)量優(yōu)化方法，對潛在的電能質(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)建難度相對不太大(國外已有多個實(shí)例系統(tǒng))。然而，對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，這里簡要舉例如下：
1）虛擬慣量控制策略引起的機(jī)組載荷波動加劇、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，其對極端天氣或氣候的敏感度更高。當(dāng)暴雨、臺風(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)急儲備，提升系統(tǒng)抵御各類自然災(zāi)害的能力。
4）應(yīng)對新能源出力強(qiáng)不確定性的新型備用準(zhǔn)則：對于新能源高占比的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)量優(yōu)化6個環(huán)節(jié)。最后，對未來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)述評與展望[J]. 中國電機(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)．
