浅析高比例新能源电力系统主要特性及关键技术

浅析高比例新能源电力系统主要特性及关键技术

庄华龙

广东电网有限责任公司广州供电局 广东广州 510000

摘要:在全球碳排放形势日益严峻的背景下，构建以新能源为主体的新型电力系统，是电力行业实现双碳目标的重要途径。随着新型电力系统建设的推进，其趋于“三高双峰”的运行特征给电网调节调度、灵活运行带来前所未有的挑战。高比例新能源电力系统需在智能电网框架思想的影响下向数字化、智能化发展，打造以坚强智能电网为枢纽平台，以源网荷储互动与多能互补为支撑，大力发展集中式与分布式电力结构，最终实现电力系统“脱碳”。基于此，本文针对高比例新能源电力系统主要特性及关键技术展开探索。

关键词:高比例可再生能源；新型电力系统；关键技术

风电、光伏等随机性、波动性电源大量替代火电等确定性可控电源，新能源为主的电源结构、高比例电力电子设备的大面积应用将给电力系统的运行特性、安全控制和生产模式带来根本性转变。在确保能源电力安全前提下，改善和优化传统电力系统运营模式，通过绿色能源助推经济社会发展，成为可持续发展的必经之路。

1高比例新能源电力系统的主要特性

1.1低碳清洁

   在我国“3060双碳”政策背景下，电力系统将逐渐由可控连续出力的煤电装机占主导转向强不确定性及弱可控出力的新能源发电装机为主导，最终实现以风电、光伏等新能源发电为主，化石能源为辅的电源端结构。由于风光资源与地区气候环境相关，新能源出力具有随机性、波动性、间歇性的特点，且具有较为显著时空相关性，大规模分布式能源的接入也让电源趋于分散化，高比例新能源电力系统通过构建新能源供给消纳体系、优化各类生产及传输技术，保障新能源“发得出”、“送得走”，提高能源的利用率，助力能源绿色低碳转型。

1.2安全坚韧

高比例新能源电力系统适应各类新技术、新设备以及多元负荷大规模接入，改变了传统电力系统“电从远处来”的既有局面，逐步实现“电从身边来”的分层分群体系结构，这种结构使得电网发生扰动时能做出自愈的响应，在紧急状态下可以实现电网自动分区分片、孤岛运行，最终在调度员指挥下快速恢复全系统的正常运行。这种韧性、弹性、防御性将成为高比例新能源电力系统的特征，能将故障损失降至最低，确保电力系统安全稳定运行。

1.3灵活互动

传统电力系统是“源随荷动”的实时平衡模式，属于大电网一体化控制模式，高比例新能源电力系统的形态和功能呈现多样化，是“源网荷储”协同互动的非完全实时平衡模式，具备灵活互动的特性，系统负荷也由传统的刚性、纯消费性向柔性、生产与消费兼具型改变。高比例新能源电力系统通过依托电力数字平台，以电为中心，多种能源相互补充、灵活转化，与电力市场紧密融合，实现大电网与微电网协同控制模式，使得各类市场主体广泛参与、充分竞争、主动响应、双向互动。

1.4智能可视

高比例新能源电力系统通过先进数字技术与业务深度融合，引入“云大物移智”等现代信息通信技术优势，以建立高度智能化和广泛分布的能量交换网络为目标，覆盖电网全环节、贯穿业务全流程、辐射产业链上下游，实现电力和信息的双向流动，发电端和用户端的信息共享。在高比例新能源电力系统中，电网形态由单向逐级输电为主的传统电网，向包括交直流混联大电网、微电网、局部直流电网和可调节负荷的能源互联网转变，呈现出数字与物理系统深度融合的特征，在电力系统中以数据流引领和优化业务流、能量流。

2高比例新能源电力系统关键技术探索

2.1CCUS是实现净零碳排放的重要手段

   新能源发电占比上升会导致电力供应的波动性增大，除了从源头构建柔性、市场化的电力系统，同时还需要保留一定原有的灵活电源。火电在保障电力安全稳定供应中发挥着兜底保供、灵活调节的作用，是支撑电力系统的“压舱石”。建设高比例新能源电力系统需加速火电灵活性改造，其核心就是碳捕获、利用和封存技术（CCUS）。CCUS能捕获火力发电厂在生产过程中排放的二氧化碳，提纯后进行封存或投入到新的生产过程中进行循环再利用，是目前实现大规模化石能源零排放利用的有效技术，也是服务碳达峰碳中和行动方略下保持电力系统灵活性的重要手段。

2.2推动源网荷储一体化建设

新能源的快速发展，对电网实时调节能力提出更高要求。新型储能具有响应速度快、装机灵活、建设周期短等优点，适合大规模应用于系统中，发挥调峰调频、顶峰发电、快速爬坡、黑启动等多种作用，已成为构建高比例新能源电力系统的关键一环。因此，需要积极推动新型储能技术在源网荷三端发展，鼓励覆盖发输变配用全环节的储能应用，并接入调度自动化系统进行电网监控和调度。电源端储能可以促进新能源消纳，“可再生能源+储能”发展模式能平抑机组出力波动、增加惯量响应、提升机组调节响应速度，并为系统提供事故备用、黑启动等功能；电网端储能可以有效改善电力设备、重要断面重过载问题，提升极端情况下的电网保障能力；用户端储能可以参与需求侧响应、调峰调频等辅助服务，在用电低谷时消纳电网富余电能，实现削峰填谷、降低用户用电成本的目的，并为用户设施应急供电保障。

2.3解决低惯量电力系统的频率控制难题

随着可再生能源在电力系统占比的提升，同步发电机占比相对减少，系统惯量随之减小，这让电力系统的调压调频能力弱化，其安全性、可靠性受到威胁。面对新能源占比高引发系统的频率控制难题，主要考虑从电源端入手，为了保证电力系统具备足够转动惯量，可通过结合逆变器与虚拟惯量控制算法，例如采用虚拟同步机技术起到近似于同步发电机调频调压的作用；还可从改善一次调频性能、挖掘新型快速调频方面着手，其中快速频率响应(FFR)可以发挥重要作用，FFR作用在一次调频前，能弥补同步机惯性和一次调频备用容量的不足，通过快速注入有功限制频率下降速率，以实现频率偏差的控制。

2.4虚拟电厂优化调度关键技术

   新能源机组并网引发的系统稳定性问题是制约其大规模开发利用的瓶颈。虚拟电厂通过配套技术将分散的光电、风电、储能和各类灵活调节负荷聚合，可视为一个灵活电源，既能作为电厂向电网供电削峰，也可作为用户消纳电力填谷。虚拟电厂通过数字化手段存储、处理大量的电力数据，分析、预测、调控电力负荷，接受调度的控制指令实现高效响应分配，并将接入的资源深度参与电网交互，例如需求侧响应、辅助调频服务、电力现货交易等。辅助电力系统运行与广泛参与电力市场，是虚拟电厂在高比例新能源电力系统中能提供的主要服务，虚拟电厂的发展适应经济社会发展对电力的多样化需求，为传统“源随荷动”调度模式向“源荷互动”新模式的转化提供了解决方案。

结语:

现阶段，电力作为基础能源的作用和地位愈加凸显，新型电力系统的发展承载着我国实现双碳目标的能源改革承诺，是大势所趋、刻不容缓。高比例新能源电力系统的建设将是一个非常庞大而繁杂的工程，对各类技术、运作模式、体制机制等都提出了更高的要求，我们需要持续、全方位地投入当中，探索出一条具有中国特色的大规模清洁能源发展道路。

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