郭劍波院士：新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)以及有關(guān)機制思考

新能源利用小時數(shù)低。截至2020年底，我國新能源發(fā)電裝機達到5.43億千瓦，發(fā)電量7270億千瓦時，利用小時數(shù)1340小時，每1億千瓦新能源裝機的發(fā)電量僅占當(dāng)年電量的1.8%。新能源利用小時數(shù)遠低于負荷利用小時數(shù)，新能源要獲得高電量占比，其裝機容量需大于負荷。預(yù)計2060年，我國電源裝機將超過70億千瓦，遠大于當(dāng)年26~28億千瓦的最大負荷。電力電量時空分布的極度不均衡必將催生商業(yè)模式、以及物質(zhì)鏈、信息鏈和價值鏈重塑。

新能源保證出力低。我國新能源最小日平均出力處于較低水平，各省、各區(qū)域、國網(wǎng)經(jīng)營區(qū)的新能源1天最小日平均出力水平分別為3.6%、8.0%和10.7%；3天最小日平均出力水平分別為5.9%、9.1%、11.6%。新能源最小保證出力水平低，供電保障難度大，需要與大電網(wǎng)、兜底電源和其他類型靈活調(diào)節(jié)資源等配合實現(xiàn)供電保障，需要額外的成本和投資。

新能源出力分布大。新能源出力波動持續(xù)時間長、分布大。2018年新疆風(fēng)電大波動最長持續(xù)時間超過2天，風(fēng)電低于裝機容量20%的低出力最長持續(xù)時間超過8天。據(jù)預(yù)測，2030年新能源出力占系統(tǒng)總負荷之比為5%~61%，2060年新能源出力占系統(tǒng)總負荷之比為11%~187%(需要考慮儲能技術(shù)和棄風(fēng)棄光)。新能源低出力時段，電力系統(tǒng)需要常規(guī)電源等非新能源機組實現(xiàn)功率平衡；新能源長時間高出力則給系統(tǒng)消納、安全和儲能技術(shù)帶來巨大挑戰(zhàn)。

新能源日內(nèi)功率波動大。2019年，國家電網(wǎng)公司經(jīng)營區(qū)新能源日最大功率波動達1.07億千瓦，占其裝機的31%。據(jù)預(yù)測，2060年全國范圍內(nèi)新能源日內(nèi)最大功率波動將超過16億干瓦，超過當(dāng)年常規(guī)電源(火電、水電、核電)總裝機容量，約占日峰荷的60%~75%；新能源15分鐘最大功率波動可達峰荷的10%左右，1小時可達25%左右。常規(guī)電源調(diào)節(jié)能力難以應(yīng)對新能源功率波動，需要大規(guī)模儲能技術(shù)加以應(yīng)對。

新能源出力存在季節(jié)性偏差。風(fēng)、光資源的間歇性、不確定性大，影響新能源可信容量的確定，增大系統(tǒng)規(guī)劃難度。風(fēng)電發(fā)電量主要集中在春冬兩季（約占60%），光伏發(fā)電量主要集中在夏秋兩季（約占60%）；大小風(fēng)年的風(fēng)電利用小時數(shù)相差超過20%，光伏利用小時數(shù)相差約10%。

新能源日前功率預(yù)測絕對誤差大。我國地形復(fù)雜，氣候類型多樣，隨機波動性強，高精度功率預(yù)測更難；風(fēng)電省級出力15分鐘波動變化率大于3%的比例超過10%，較歐美國家高7個百分點以上；新能源日前功率預(yù)測相對誤差已由2011年的約14%降至2019年的10%以下，但絕對誤差由約677萬干瓦增長到約4147萬干瓦。預(yù)計2060年新能源預(yù)測絕對誤差將達2億干瓦以上，占日峰荷的10%左右，大大增加發(fā)電計劃制定的難度或儲能容量的需求(需求側(cè)管理用于電力裝機平衡要適度)。

以新能源最大消納為目標(biāo)進行生產(chǎn)模擬測算，2030年同步機組出力占總負荷之比大于50%、80%的累計時段將分別達到全年時長的100%和約61%；2060年同步機組出力占總負荷之比大于40%、50%的累計時段仍達全年時長的84%和53%。新型電力系統(tǒng)仍主要以交流同步機制運行。安全穩(wěn)定問題會更加突出、市場機制設(shè)計難度增大。

系統(tǒng)慣量降低，調(diào)頻能力下降，頻率越限風(fēng)險增加。新能源大規(guī)模接入，擠占常規(guī)機組開機空間，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量降低、調(diào)頻能力下降，導(dǎo)致頻率變化加快、波動幅度增大、穩(wěn)態(tài)頻率偏差增大，越限風(fēng)險增加。

新能源參與一次調(diào)頻可改善頻率響應(yīng)特性。新能源參與一次調(diào)頻可降低穩(wěn)態(tài)頻率偏差和暫態(tài)最大頻率偏差，但因未改善系統(tǒng)慣量，頻率變化率未能改善，低慣量系統(tǒng)越限風(fēng)險仍然存在。通過采用虛擬慣量控制等可使新能源提供一定慣量支撐，但由于一次能源輸入的可控性差，可能導(dǎo)致頻率二次跌落等次生事故。

無功支撐不足，電壓穩(wěn)定問題突出。新能源機組動態(tài)無功支撐能力較常規(guī)電源弱，且新能源發(fā)電逐級升壓接入電網(wǎng)，與主網(wǎng)的電氣距離是常規(guī)機組的2~3倍。隨著新能源占比快速提高，系統(tǒng)動態(tài)無功儲備及支撐能力急劇下降，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題突出。

新能源高占比地區(qū)暫態(tài)過電壓嚴(yán)重。新能源大規(guī)模接入導(dǎo)致系統(tǒng)短路容量下降，電壓支撐能力降低，使暫態(tài)過電壓問題突出，可能超過設(shè)備耐受水平，造成新能源大規(guī)模脫網(wǎng)或設(shè)備損壞。

功角穩(wěn)定特性復(fù)雜，不確定性增加。新能源的控制方式、故障穿越策略、接入位置等都會影響系統(tǒng)功角穩(wěn)定，耦合關(guān)系復(fù)雜，且可能引入新的穩(wěn)定內(nèi)涵；慣量下降導(dǎo)致穩(wěn)定問題時間尺度縮短，暫態(tài)過程加快。新能源大規(guī)模接入使功角穩(wěn)定特性復(fù)雜、不確定性增加，“預(yù)案”式安全調(diào)控策略配置困難，失配風(fēng)險增大，影響電網(wǎng)穩(wěn)定。

寬頻振蕩現(xiàn)象相繼出現(xiàn)?；陔娏﹄娮友b置的新能源發(fā)電設(shè)備具有快速響應(yīng)特性，在傳統(tǒng)同步電網(wǎng)以工頻為基礎(chǔ)的穩(wěn)定問題之外(功角穩(wěn)定、低頻振蕩等問題)，出現(xiàn)了中頻帶、高頻帶的電力電子裝置涉網(wǎng)穩(wěn)定性問題。近年來，我國河北和新疆等風(fēng)電匯集地區(qū)相繼出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。寬頻振蕩問題嚴(yán)重危害設(shè)備安全和電網(wǎng)運行安全。

新能源發(fā)電邊際成本低、輔助服務(wù)需求高。新能源與常規(guī)機組的成本構(gòu)成、設(shè)備特性及支撐作用差異大。新能源場站運行時無需燃料，運行成本只包括人員成本、維護成本和材料費等，相比火電，運行成本很低，導(dǎo)致新能源邊際成本極低，新能源大發(fā)時段，在電力市場交易中甚至?xí)霈F(xiàn)負電價。新能源清潔綠色、低邊際成本、高輔助服務(wù)需求對市場機制設(shè)計帶來挑戰(zhàn)。

利益主體龐雜交織。隨著新能源裝機比例的提高，參與市場的利益主體快速增長(可達數(shù)十億計)、平均體量快速下降(骨干企業(yè)主導(dǎo)地位降低)。產(chǎn)銷者(prosumer)、虛擬電廠、電動車以及源—網(wǎng)—荷—儲互動技術(shù)等使得利益主體同時具有“供方/需方”屬性特征。各主體間的利益平衡發(fā)生變化且交織耦合，對市場交易和管理機制、政策引導(dǎo)機制的設(shè)計提出了更高要求。

多目標(biāo)協(xié)同難度大。在能源轉(zhuǎn)型過程中，環(huán)境—安全—經(jīng)濟協(xié)同難度大。目標(biāo)的多樣性、基礎(chǔ)能源穩(wěn)定性需求與新能源不確定性的矛盾，以及利益主體龐雜和多屬性特征，增大了制度設(shè)計對目標(biāo)可控性的難度(行政力向市場力轉(zhuǎn)換)，體制機制設(shè)計難度大。

基礎(chǔ)理論和技術(shù)支撐體系仍需完善。電力系統(tǒng)構(gòu)建條件隨新能源出力時空分布變化，輔助服務(wù)需求多樣性、難量化；多種能源參與市場交易和競爭的建模、算法和出清技術(shù)尚不成熟；市場模式設(shè)計與新型電力系統(tǒng)建設(shè)運營之間的交互影響缺乏有效評價機制。當(dāng)前技術(shù)尚無法為市場模式設(shè)計和運營機制設(shè)計提供全面支持，給機制體制的長遠規(guī)劃和統(tǒng)一設(shè)計帶來挑戰(zhàn)。