电力系统直面新能源高比例并网挑战

“预计'十四五'时期，我国陆上风电和光伏发电将全面平价或低于火电，部分地区可实现低价。同时，随着大规模新能源接入电网，电力系统需要在随机波动的负荷需求与随机波动的电源之间实现供需平衡，其结构形态、运行控制方式和规划建设将发生根本性变革，形成新一代电力系统及新能源电力系统。” 中国工程院院士刘吉臻近日在中电联举办的“2020年中国电力技术经济高端论坛”上表示。

中电联日前发布的《2020年前三季度全国电力供需形势分析预测报告》（以下简称《报告》）显示，前三季度全国电源工程建设完成投资3082亿元，同比增长51.6%，其中“风光”发电投资分别增长138.4%、113.9%。全国全口径非化石能源发电装机容量合计8.9亿千瓦，占全口径发电装机容量的42.6%。

新能源高比例并网，将给电力系统带来哪些挑战？“十四五”时期，如何应对和解决这些挑战？成为专家热议的焦点。

电力结构将更“绿色”

清华大学气候变化与可持续发展研究院近日联合印发的《中国长期低碳发展战略与转型路径研究》提出，低碳路径下，我国能源消费总量在2030-2035年之间进入峰值，“十四五”期间非化石能源必须成为能源消费增量主体。

中国工程院院士郭剑波指出，为了构建清洁低碳、安全高效的能源体系，我国能源转型主要朝两个方向进行：终端消费侧，电能深度替代化石能源；能源生产侧，以电能形式开发利用新能源。

上述《报告》指出，截至今年9月，我国并网风电2.2亿千瓦，并网太阳能发电2.2亿千瓦，合计占全国全口径发电装机容量的21.05%；全口径并网风电和并网太阳能发电量合计5331亿千瓦时，占全国规模以上电厂总发电量的9.8%。

“根据预测，2030年全国新能源总发电量占比将达20%，2050年高达48%。未来高比例新能源电量的电力系统将从局部地区逐步向全国扩展。” 郭剑波指出。

中电联行业发展与环境资源部副主任张琳表示，“十四五”时期，“风光”将成为可再生能源开发的主题增量。“根据预测，2025年风电、太阳能发电装机均突破4亿千瓦，非化石能源装机占比将超过50%，电力碳排放强度将降低5%。”

水电水利规划设计院总院副长易跃春指出，按照努力争取2060年前实现碳中和的目标，经测算，可再生能源大约将占我国一次能源消费总量的75%左右。

经济和安全问题待解

根据中国人民大学应用经济学院教授郑新业提出的“能源不可能三角”理论，任何一种能源都无法做到既供给充足，又价格便宜、清洁环保。高比例的清洁电源并网后，“经济账”和“安全账”如何算？

对此，易跃春表示，近中期提升新能源消纳能力的主要障碍不是技术问题，而是经济和机制问题。“电力系统硬件结构决定了新能源消纳潜力，但政策和经济激励决定了消纳潜力能否充分发挥。近中期看，'挖潜'是促进新能源消纳最经济、有效的措施。”

目前，国家电网经营区域内大型新能源场站4000多个，西北新能源场站超1500个，分布式发电约170万个。郭剑波预测，未来我国新能源发电单位将达数千万，气象环境、运行控制等信号可达数十亿，系统调度运行极其复杂，控制配置措施和实施难度大。“以某省级电网为例，在火电最小技术出力50%条件下，新能源消纳问题十分突出。当新能源发电量占比达30%时，新能源限电率将达23%，且此时已出现全部由新能源供电的时段。

“2019年，国家电网公司经营区内，新能源日最大功率波动达1.07亿千瓦，占其装机的31%，预估2050年新能源日最大功率将超过10亿千瓦。”郭剑波说，“波动功率与届时常规电源火电、水电总装机容量相当，仅靠常规电源调节难以应对新能源日内功力波动，新能源消纳挑战巨大。” 

“同时，新能源尖峰出力功率大、电量小，保证尖峰出力需调动巨大的灵活性资源，但对全年发电量贡献极小。未来，高比例新能源电力系统中保证尖峰出力的全额消纳代价大。”郭剑波指出，2018年，新疆电网风电出力陡增至890.5万千瓦，占风电装机容量的46%，持续时间仅为5分钟，累计电量74万千瓦，但对应的电量仅占全天风电发电量的3.3%。

安全方面，郭剑波直言，新能源大规模接入挤占常规机组开机空间，或出现系统运转调频能力下降、无功支撑不足、电压稳定问题突出、越限风险增加等问题。

灵活电力系统是大势

对于高比例新能源电力系统情景下电力系统的变化，郭剑波认为可能会有两种演化方式：通过改造新能源电站，使其具有同步发电机的特性；改造传统发电站使其具有逆变器特性，在此方式下，系统的稳定性、分析理论和方法都将不同于传统电网。

而针对新能源既不参与电力平衡调节，也不参与电量平衡调节的“权责利”问题，郭剑波表示：“新能源发电因不确定性、边际成本低等特点，电力电量总量充盈与时空不平衡矛盾突出，将催生新的商业模式，市场和政策及只需考虑新能源与常规电源以及用户的配合，协调市场内多利益主体。”

易跃春指出，未来，数字化和信息化技术将被广泛应用，推动系统安全性和灵活性大幅提升。电力系统灵活性从目前的发电侧为主向发电侧、电网侧、用户侧并重转变，构建适应高比例可再生能源的智能电力系统。“另外，可再生能源加速发展面临的空间发展约束开始显现，'十四五'要关注其开发与国土空间规划的衔接。”