中國儲能網(wǎng)訊：傳統(tǒng)認(rèn)知中，負(fù)荷被視為是被動響應(yīng)電力系統(tǒng)的“乘客”——其行為受制于氣溫、時間等因素。然而，人工智能（AI）技術(shù)發(fā)展的“血液”數(shù)據(jù)中心等新興大型負(fù)荷正在顛覆這一基本假設(shè)。
在一個模擬的高慣量、系統(tǒng)強度充裕的電網(wǎng)中，沒有發(fā)生線路故障，也沒有發(fā)電機組跳閘，僅因一個數(shù)據(jù)中心啟動了模型訓(xùn)練，負(fù)荷便在幾秒內(nèi)從50兆瓦激增至175兆瓦，隨后數(shù)次波動。這些負(fù)荷變化完全由算法自動決策。這并非系統(tǒng)異常，而是新常態(tài)的“前奏”。
AI訓(xùn)練負(fù)荷的邏輯自主性、動態(tài)突發(fā)性和表后不可見性，使其對系統(tǒng)頻率擾動呈現(xiàn)出“看不見、預(yù)測不到、無法干預(yù)”的特征。當(dāng)AI的這些行為成為系統(tǒng)擾動的源頭時，傳統(tǒng)的電網(wǎng)規(guī)劃、調(diào)度、平衡管理乃至電力市場的資源配置效用將被削弱。
在未來低慣量、高比例可再生能源滲透的背景下，類似擾動可能成為頻率崩潰乃至系統(tǒng)解列的“導(dǎo)火索”。電力行業(yè)需要重新理解“誰在駕馭系統(tǒng)節(jié)奏”，并反思現(xiàn)有機制是否還能操控新興大型負(fù)荷這輛正在加速的列車。
AI模型訓(xùn)練的影響
2025年7月，北美電力可靠性公司（NERC）發(fā)布了其大型負(fù)荷工作組首份白皮書[1]，該白皮書提到，加拿大電力設(shè)備供應(yīng)商Edge Tune Power公司通過高速記錄儀采集了AI模型訓(xùn)練與推理應(yīng)用的電力需求（圖1）。數(shù)據(jù)顯示，在快速爬坡階段，負(fù)荷以每秒1.9標(biāo)幺值（p.u.）的速率持續(xù)變化約250毫秒。訓(xùn)練過程中會出現(xiàn)高頻抖動型尖峰（圖1中360-660秒?yún)^(qū)間）。此類劇變既出現(xiàn)在“空閑與峰值利用率”狀態(tài)切換時，也發(fā)生于“工作負(fù)荷正常運行期間”，主要歸因于訓(xùn)練步驟中計算密集型與網(wǎng)絡(luò)密集型階段的交替出現(xiàn)[2]。
圖1：某人工智能訓(xùn)練數(shù)據(jù)中心啟動訓(xùn)練任務(wù)
（來源：EdgeTunePower）
英國特許電力系統(tǒng)工程師Dlzar Al Kez嘗試建模復(fù)現(xiàn)了NERC白皮書中負(fù)荷對某一系統(tǒng)強度充裕電網(wǎng)系統(tǒng)的影響（圖2）。模擬結(jié)果顯示系統(tǒng)出現(xiàn)了明顯的頻率變化率（RoCoF）脈沖。脈沖幅度雖小，但在低慣量電網(wǎng)中，這樣的脈沖可能被進(jìn)一步放大，并模擬出發(fā)電機組跳閘的效果。系統(tǒng)中的其他同步發(fā)電機組將對這一變化做出響應(yīng)。所有這一切并非由系統(tǒng)異常或調(diào)度指令引發(fā)，而是數(shù)據(jù)中心自身業(yè)務(wù)邏輯觸發(fā)的正常運行結(jié)果。
圖2：系統(tǒng)強度充裕電網(wǎng)中AI負(fù)荷行為模擬[3]
AI數(shù)據(jù)中心類大型負(fù)荷的正常行為導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)負(fù)荷的快速變化，影響了現(xiàn)有系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)資源的使用模式。當(dāng)前系統(tǒng)安全穩(wěn)定機制是否充分考慮了此類潛在的穩(wěn)定性影響因素？
2023年8月，得克薩斯州電力可靠性委員會（ERCOT）的系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)為行業(yè)提供了警示案例[3]。大型柔性負(fù)荷（Large Flexible Load,LFL）在深夜時段的上調(diào)爬坡最大需求超出了當(dāng)時系統(tǒng)運營商采購的上調(diào)資源數(shù)量。其中，22時觀測到的實際爬坡最大值達(dá)到當(dāng)前上調(diào)采購數(shù)量的4倍之多。在正午至傍晚時段（12時-17時），下調(diào)爬坡需求也多次超出采購的下調(diào)數(shù)量。
圖3：2023年8月ERCOT的系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)
大型柔性負(fù)荷的市場機制設(shè)計與可靠性的協(xié)同
大型柔性負(fù)荷參與電力輔助服務(wù)責(zé)任共擔(dān)的市場設(shè)計，本意在于緩解系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)資源短缺。然而，在市場激勵機制與可靠性運行要求的雙重約束下，市場主體行為的自主響應(yīng)導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)復(fù)雜性進(jìn)一步提升。
2023年9月6日傍晚，得州ERCOT電網(wǎng)進(jìn)入緊急能源警報（EEA）狀態(tài)（圖4）。其核心原因之一是：大型柔性負(fù)荷為履行其輔助服務(wù)義務(wù)，在系統(tǒng)物理響應(yīng)能力（PRC）不足時段反而快速拉升“出力”。負(fù)荷拉升與太陽能出力下降相疊加，導(dǎo)致系統(tǒng)可調(diào)容量PRC驟降并接近警戒水平。最終，ERCOT被迫緊急調(diào)用響應(yīng)式備用服務(wù)（RRS）才挽回PRC下降趨勢。
圖4：2023年9月6日ERCOT緊急能量警報（EEA）事件
表1：關(guān)鍵時間線（18:00–20:00）
新興大型負(fù)荷的故障穿越能力及其影響
新興大型負(fù)荷不僅重塑了系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)資源的使用，其故障穿越能力的新特征更與標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)電側(cè)故障穿越要求形成鮮明對比，給系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來了新的挑戰(zhàn)。
2024年7月10日約19:00（美東時間），東部互聯(lián)電網(wǎng)一條230千伏輸電線路因避雷器故障發(fā)生永久性接地，引發(fā)線路閉鎖，并在82秒內(nèi)經(jīng)歷六次重合閘故障擾動（圖5）。同期，區(qū)域電壓波動劇烈（0.25--0.4標(biāo)幺值），約1500兆瓦數(shù)據(jù)中心負(fù)荷因用戶側(cè)保護(hù)動作脫網(wǎng)（圖6），系統(tǒng)頻率升至60.053Hz。事件中大型負(fù)荷脫網(wǎng)顯著影響了大型電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定?？梢灶A(yù)見，這類負(fù)荷脫網(wǎng)事件給低慣量和平衡調(diào)節(jié)能力較弱的電網(wǎng)帶來的風(fēng)險更高。
圖5：網(wǎng)側(cè)負(fù)荷曲線
圖6：2024年7月10日東部互聯(lián)電網(wǎng)1500兆瓦大型負(fù)荷損失/轉(zhuǎn)移事件頻率響應(yīng)曲線
（數(shù)據(jù)來源：田納西大學(xué)諾克斯維爾分校研究團(tuán)隊）
大型負(fù)荷日常運行與自我保護(hù)機制，正在引發(fā)新的系統(tǒng)可靠性風(fēng)險。當(dāng)這些可靠性風(fēng)險疊加大型負(fù)荷對電價激勵的差異（圖7），系統(tǒng)運行人員在負(fù)荷管理與預(yù)測方面面臨著更大的不確定性。
圖7：不同電價觸發(fā)的大型負(fù)荷削減占比（2023年9月到2024年2月）。不同的大型靈活負(fù)荷（LFL）在價格響應(yīng)性方面差異顯著[4]
在可再生能源高滲透率背景下，市場激勵機制若與系統(tǒng)實時運行需求脫節(jié)，將可能誘發(fā)本可避免的系統(tǒng)風(fēng)險。未來市場設(shè)計應(yīng)慎重考量大型柔性負(fù)荷的運行模式，使其在系統(tǒng)最脆弱的時刻發(fā)揮支撐作用。
新興大型負(fù)荷超出現(xiàn)有市場機制和可靠性框架的特性，已對電力系統(tǒng)的可靠性構(gòu)成威脅，并降低了市場的資源配置效率。如今，驅(qū)動電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的因素，已不僅限于可再生能源滲透率的提升。面對不斷增長的新興大型負(fù)荷，系統(tǒng)亟需思考和推進(jìn)有效適應(yīng)與應(yīng)對的改革措施。
