新型电力系统的挑战与发展探讨.pdf

第 卷第 期红水河 年 月 电网技术新型电力系统的挑战与发展探讨李建霞，祁永超，柯 学，陈 彬，石晓蕊，蔡爱国，余全胜，袁拉麻加（国网青海省电力公司西宁供电公司，青海 西宁）摘 要：针对可再生能源、新型电力电子设备应用及需求侧响应等因素对新型电力系统的影响，笔者探讨了新型电力系统的特征、保供面临的挑战以及应对措施，从电源结构、电网形态、技术、体制机制等方面分析了新型电力系统多维度的特征，研判梳理了新型电力系统在规划、运行、市场方面所面临的挑战，并提出构建新型电力系统的发展路径。该研究成果可为新型电力系统的后续相关研究提供参考。关键词：新型电力系统；特征；挑战；发展；数字化转型中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：引言随着人类社会的发展，能源危机和环境污染等问题日益突出。新型电力系统是新型能源体系的重要组成部分，也是实现“双碳”目标的关键载体。新型电力系统的构建和落地，使得新能源占比逐渐提高，可再生能源在一次能源消费增量中的比重不断提高，加快新能源对传统化石能源的替代。目前，可再生能源装机容量已超过煤电装机容量，占总装机容量的。而在新型电力系统中，大量可再生能源接入、新型电力电子设备应用以及需求侧响应等造成较多源网荷储环节出现不确定性，给新型电力系统保供和安全带来很多挑战。可再生能源容易受到气候、地区、市场等外部因素的影响。用户主动响应和双向互动、需求侧响应负荷的比例显著增加，这对能源管理提出了新的要求，增加了电力需求侧的不确定性。新型电力系统受到负荷、储能、电动汽车等因素的显著影响；另外，还受到市场行为、政策趋势、日常生活和生产活动的影响。新型电力系统特征低碳、安全、高效是新型电力系统的核心内涵。与传统电力系统相比，可再生能源、电力电子 收稿日期：；修回日期：第一作者简介：李建霞（），女，甘肃天水人，硕士，主要从事电力系统分析及电网调度运行。：。红水河第 卷设备、分布式能源、电动汽车充电桩储能系统、智能配电网成为新型电力系统的主要组成部分。新型电力系统的主要要素及特征如图 所示。新型电力系统是以电源清洁低碳化、电网柔性智能化、负荷弹性多元化、储能安全经济化为主要特征，源网荷储多环节深度融合互动，在开放共享的电力市场体系下安全有效运行的电力系统。图 新型电力系统的主要要素及特征 ）电源结构方面。新型电力系统的发电结构与传统的以煤电为主的电力系统不同，其主要以新能源发电为主。预计到 年，新能源发电量占比将超过，成为电源结构的主体。）电网形态方面。电力系统由传统的“源随荷动”转变为“源网荷储的深度融合、灵活互动”。各种能源的定位发生变化，新能源将逐渐作为可靠的电力支撑能源，煤电将逐步作为灵活调节的能源；电网将以大电网为主导、多种电网形态并存。）技术方面。电力系统的结构和形态变化，离不开技术的发展和创新，有：多区域、源网荷储碳等联合规划技术，虚拟同步发电机技术，全环节精细碳排放统计核算技术，精细化、互补化协同调度控制技术，电源侧、电网侧、用户侧储能技术，数字化技术，等等。数字化转型是能源电力产业转型升级的关键抓手。）体制机制方面。新型电力系统要同时兼顾清洁低碳、安全高效、开放互动、智能友好，其相应的体制机制将不断创新。新型电力系统面临的挑战在新型电力系统中，供给侧将由风电、光伏发电等具有显著不确定性的新能源发电主导，采用大规模可再生能源的电网运行复杂且存在众多不确定性。在电力需求侧，主动响应和双向互动的用户增多，需求侧响应负荷的比例显著增加。新型电力系统受负荷、储能、电动汽车及市场行为等因素的影响。规划方面气候、天气条件、时间和地区对可再生能源发电有重大影响，新能源在空间上也相互作用，因此，电力负荷具有不确定性。工业、商业等的变化，以及消费者心理、经济表现、生产活动和突发事件的随机变化，都会对电力负荷产生显著影响。此外，地理位置、经济发展状况、区域政策和发展状况等因素也发挥着作用，随着电力系统新能源占比的不断提高，以电源和负荷不确定性为主的随机不确定性因素的影响愈加显著，多重不确定性因素的叠加与关联作用导致规划方面具有诸多挑战。为了提高保供能力考虑极端事件后的规划，在提高安全系数的同时，势必会增加设备投资，导致供电可靠性和投资经济性之间的矛盾，而概率很小、影响却很大的极端事件，在规划当中会带来一定的挑战。在系统规划当中，除考虑保供能力和经济性之外，还需统筹协调源网荷储各个环节的资源配置，而这几部分的响应能力以及运行方式均有差异，并存在关联耦合特性，导致规划各部分资源极具挑战性。运行方面气象因素极易影响新能源大规模接入的新型电力系统，如极热极寒天气，新能源出力和负荷都会出现较大变化，这种同时出现在电源侧和负荷侧的不确定性导致出力和负荷预测困难。电源侧可再生能源和用户侧的大峰谷差引起的功率差严重影响电网频率；大量电力电子设备的应用以及较稳定电源（如火电机组）的减少，使得系统惯性降低，对电网的频率、电压等造成很大影响；而大量分布式能源接入电网之后，在电网中增加了自控制、自调度的主体，对整个电力系统的可控性造成威胁，电网潮流更加复杂化，对安全控制策略的设备提出更高的要求。不同类型源网荷储灵活性资源的多时间尺度（秒级、分钟级、小时级、季节性）响应特性各不相同，实现精细化管理与灵活性资源多时间尺度有序协调也成为新型电力系统保供调控的新挑战。市场方面市场化发展是新型电力系统的特点之一。当前，燃煤电厂均已进入市场，而非市场化工商业用户则通过电网代理购电等方式进入电力市场。进入市场交易的工商业用户市场交易电量占全社会用电量的比例逐年增加，年，全国各电力交易中心累计完成市场交易电量较上年增长，占据全社会用电量的，市场化程度不断提高，这是一个包括中长期和现货市场建设、调度和交易 第 期李建霞，祁永超，柯 学，陈 彬，石晓蕊，蔡爱国，余全胜，袁拉麻加：新型电力系统的挑战与发展探讨机制协调的复杂过程。随着中长期交易的曲线化和现货市场建设的推广，电网调度将受到市场交易的直接影响，显著不同于当前的调度模式。另外，以清洁能源为主的电源结构给电网调度和交易带来了以下问题：成本和电价的矛盾，化石燃料和电力价格的不确定性。化石燃料（如煤、石油和天然气）的价格波动由供需关系、投资者情绪和可再生能源股票的存在决定。电力在电力市场中具有商品特征，其价格容易受到负荷需求、市场竞争、发电能力和发电成本等不确定性的影响。电价对发电计划、能源分配计划和电力系统规划都有影响。新能源占比的提高，以及随之而来的储能和调峰、备用需求，都使系统总体成本上升，与经济社会需要降低电价的总体需求矛盾；发用电两侧不确定性的增大，特高占比新能源的天然波动性，使得电力市场电价容易发生波动，特别是现货市场。而过大的电价波动不利于社会稳定和经济发展；面对发用电两侧不确定性的增加和电力市场规模的扩大，电网调度直接进行计划调节的空间反而减少了，这给电力交易过程中的安全校核和合同执行中的电网调度提出了很高的要求。构建新型电力系统的发展路径 规划阶段考虑对极端天气下随机变量相关性进行场景刻画，在极端天气情况下，各个不同随机变量之间常存在一定的关联性，而电源侧和负荷侧同时出现的不确定性更增加了极端事件的影响，使极端事件造成的后果更加严重，因此，考虑随机变量之间的相关性、影响后果的极端场景刻画显得尤为重要。）兼顾经济性与安全性。在规划模式上，需兼顾经济性与安全性进行平衡规划，虽然极端事件在电力系统出现的频次不多，但小概率的极端事件会给电力保供带来巨大冲击。规划一般都是建立在数据的基础上，因此，在保证电力系统安全性的基础上针对具体地区特点及自然条件对资源（降水量、光照、风速等）进行精细评估，减少根据最大负荷或最大资源量进行粗略规划。合理的资源规划是保证新型电力系统的安全性和经济性的基础。）电源结构统筹规划。在新型电力系统中，清洁能源风、光发电的重要性不言而喻，但风、光的不确定性也不可忽视，冷热电联、多能联供综合能源服务是促进能源转型的重要方式。目前，新型电力系统建设尚处于探索起步阶段，而煤、天然气等相对稳定且在极端条件下补充功率缺额的能力较强；另外，我国的水资源较丰富且技术相对成熟：因此，风、光、水、火协同规划是提高新型电力系统保供的保障。）加强互联大电网的建设。我国资源分布和需求呈逆向分布，东部缺电、西部多电，电力供需因地区、季节、极端天气等影响导致供需不平衡；而由于输电容量的限制，西部的电量难以送至华东、华中的重负荷区域：因此，加强互联大电网建设不仅能降低供需不平衡的矛盾，而且由于风、光波动性及不确定性不同会降低整个系统的不确定性和波动性，通过区域互联，将会提升电网灵活性和经济性。运行阶段 加强系统状态的感知与预测利用数字化技术进行物理能量融合的电网全景感知、源网荷储协同优化、分布式电源的柔性互联与协同管理、提升储能安全性，基于云、共享储能技术，建立储能应用的新业态，将源网荷储各个环节进行数字化转型。利用智能感知技术在新型电力系统中进行数据提取、电网故障定位、损伤监测、设备老化腐蚀监测、异物监测、环境状况监测等。电网状态的实时测量反馈和动态调整是保证新型电力系统稳定运行的基础。故障定位是对传感大数据的精确分析和深度挖掘，是电网正常运行的关键。损伤监测可以监测多种电力设备的使用年限和运行状态，可以实现主动更换故障发生前的设备或及时更换故障设备。腐蚀是造成设备老化、绝缘降低、设备使用寿命降低的主要原因之一，严重时甚至会引起短路，从而损坏设备，导致电力系统故障。智能传感器可以实时检测并有效消除潜在的安全隐患，保证电网安全稳定运行。在配电网运行过程中，生物或非生物异物接近配电网工作区域是不可避免的，这可能导致系统和异物损坏，因此，异物检测是保证系统安全稳定运行的关键环节。空气湿度、降雨量、风速、风向等环境因素对系统运行状态均有影响，且强风、暴雨等极端天气对系统有负面影响，监测系统的运行环境对于确保系统的稳定性至关重要。由此可见，利用智能感知技术对系统实时监测和动态调整是保证新型电力系统运行的关键一步。精细化、互补化协同调度）精细化协同有序调度。新型电力系统具有多重不确定性，传统的源网荷储调度策略已不再适用。电源侧的水电和火电一般具有一定的可调节灵红水河第 卷活性，但其响应速度和能力各有差异，负荷侧各个用户的用电特性各有差异，因此精细化协同有序调节，进行多时间尺度优化尤为重要。可将慢响应速度的灵活性资源纳入日前调度或周 月计划等，较快响应速度的资源集中参与日内短期调节。）多能互补协同调度。涵盖气、热、氢能等多能互补能够有效地提升新型电力系统的灵活性，如以电氢为核心的混合储能时序调度等多能互补发热能量管理调度，可为新型电力系统提供较大的灵活性和韧性空间。市场化阶段）提速电力市场的建设，健全电力市场体系。利用新能源经济性和环保性的特点，促进新能源与储能以及碳交易等的结合，同时挖掘跨省交易潜力，基于用户需求响应，让用户参与市场，构建源网荷储互动友好的电力市场体系。）采用多种电价结合模式，形成差异化的用电模式。基于电网供电压力和用户多样化用电模式及对电价的敏感程度，可采用分时电价、实时电价以及可靠性增量电价、电价套餐等方式调节源网荷储的灵活性资源。）促进分布式能源交易。针对灵活多源的分布式能源，根据其发电量上网方式，制定合理的交易机制和电费价格，促进用户侧自主交易。同时，分布式电源出力和负荷特性较为一致的用户在同一台区内将提升经济性，制定合理的互动策略，利用用户的调节能力提升分布式发电的经济性和系统实时平衡。合理采用完全分布式 交易的能源交互机制、基于社区主体的 交易的能源交互机制、混合 交易的能源交互机制，挖掘用户的自主选择性和互动性。）考虑多种能源的交易市场。目前，主要以电能为主，随着市场化水平的不断提高，能源市场可能会涉及气、热等能源，将冷热电联供一体化进入市场，构建合理可靠的能源运营机制，建立紧急情况下各市场主体的相互保障机制，完善交易模式。结语本文针对新型电力系统的特征、保供面临的挑战以及应对措施进行探讨。首先，从电源结构、电网形态、技术、体制机制等方面分析了新型电力系统多维度的特征；其次，研判梳理了新型电力系统在规划、运行、市场方面所面临的挑战，并提出了提升新型电力系统保供能力的应对措施。提升新型电力系统保供能力需要从电网规划、运行、市场交易等各个环节着手，期望本文的研究成果能为新型电力系统的后续相关研究提供参考。参考文献：苏南，杨晓冉电网加速构建新型电力系统中国能源报 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