卓振宇, 张宁, 谢小荣, 等/高比例可再生能源电力系统关键技术及发展挑战.
01、研究背景
为实现“双碳”目标，风电光伏等可再生能源需要在未来30年内实现跨越式的发展，为电力系统安全、经济、低碳运行带来巨大挑战。未来构建以新能源为主体的新型电力系统需要突破那些关键技术？各种技术之间的耦合关系与比较优势如何？需要从系统性的视角进行分析和回答。
本文着眼于高比例可再生能源电力系统中的技术问题，通过广泛总结不同发展阶段的挑战以及各项技术的技术经济性，分析了挑战出现的递进层次和各项技术方案的比较优势与未来发展定位。对各项解决方案的发展前景与经济成本进行了讨论。希望本文提供的观点与数据能够帮助研究人员在开展具体领域的深入研究之前获得一个“全景”概览。图1系统性梳理了不同可再生能源发展阶段可能面临的挑战与解决方案。
图1 可再生能源不同发展阶段的挑战与解决方案
02、高比例可再生能源电力系统挑战
高比例可再生能源电力系统挑战体现在稳定、运行规划各个方面。在可再生能源渗透率不断增高的过程中，系统的稳定问题由局部的电源脱网和电能质量问题逐步向全网的惯性与稳定问题扩展，最终将深刻改变全系统的稳定特性与机理。高比例可再生能源渗透对系统稳定与保护的挑战总结如图2所示。
图2 高比例可再生能源渗透对系统稳定与保护的挑战
在运行时间尺度上，可再生能源带来的一系列挑战源自于其固有波动性与随机性。风光可再生能源电源出力上限通常不可调度，系统调峰与电力市场组织问题，在中比例渗透阶段的时候便会出现，随着渗透率的增加，问题逐渐凸显。极端潮流模式与大发电力过剩的问题，在高比例与极高比例渗透阶段才会出现。高比例可再生能源渗透对系统经济安全运行的挑战总结如图3所示。
图3 高比例可再生能源渗透对系统经济安全运行的挑战
电力系统规划需要在保证系统安全运行的基础上，综合考虑可再生能源发展与相关消纳手段的成本与收益。高比例可再生能源渗透对系统规划与发展的挑战总结如图4所示。
图4 高比例可再生能源渗透对系统规划与发展的挑战
03、高比例可再生能源电力系统关键技术
针对高比例可再生能源并网在稳定、运行、规划各方面的新挑战，目前已有众多学者与工程人员在提出了各种解决方案。暂态短时间尺度上面临的挑战主要来自于风光电力电子设备高比例并网带来的稳定性问题。具体描述如图5所示。
图5 系统惯性与稳定控制技术成本对比
可再生能源出力的波动性与不确定性造成了多个时间尺度上的电力电量不平衡，为电力系统供需平衡带来了挑战，短期体现为电力不平衡，长期体现为电量的不平衡。应对这一挑战的根本方法是提高系统的灵活性，使系统出力可调节资源可以适应净负荷曲线的变化。具体描述如图6所示。
图6 电力电量的时序平衡技术成本对比
高比例可再生能源电力系统必然存在电力电量空间的不平衡。为此，需要通过电网的大范围互联与多能源形式之间的互济转化实现电力电量的空间平衡。具体描述如图7所示。
图7 电力电量的空间平衡技术成本对比
虽然当前新增可再生能源电力以风电与光伏为主，但其他可再生能源与清洁能源如光热、生物质能等的发展潜力亦不容忽视。依靠多类型电源的互补协同效应也是实现高比例乃至极高比例可再生能源电力系统的重要途径。具体描述如图8所示。
图8 其他清洁能源电力技术成本对比
04、观点与展望
图9 高比例可再生能源挑战与技术解决方案对应关系
高比例可再生能源并网是一项系统工程，各种挑战与解决方案并不是完全孤立的、一一对应的，对于同一类挑战有多种技术手段可以应对，一项技术或装备往往也能解决多方面问题。
解决高比例可再生能源并网的技术选择并不是唯一的，不同技术之间可能存在互补关系，也可能存在竞争关系。我国高比例可再生能源电力系统发展路径的技术选择，取决于国家及行业政策选择以及各类技术的综合技术经济性相对比较。
对于某一项技术而言，其对于高比例可再生能源并网的技术经济性往往体现在多个方面。
基于以上对高比例可再生能源电力系统挑战与技术解决方案的探讨，总结该领域值得关注的几个具体技术研究方向。
我国高比例可再生能源电力系统未来形态与转型路径
高比例可再生能源电力系统的稳定性机理
考虑系统复杂稳定机理的电力系统规划与运行技术
多时间尺度储能协同规划与运行优化技术
跨能源系统的可再生能源消纳
延伸阅读
1、康重庆，姚良忠. 高比例可再生能源电力系统的关键科学问题与理论研究框架[J]. 电力系统自动化, 2017, 41(9): 2-11.
2、谢小荣，刘华坤，贺静波，等. 直驱风机风电场与交流电网相互作用引发次同步振荡的机理与特性分析[J]. 中国电机工程学报, 2016, 36(9): 2366-2372.
3、鲁宗相，黄瀚，单葆国，等. 高比例可再生能源电力系统结构形态演化及电力预测展望[J]. 电力系统自动化, 2017, 41(9): 12-18.
4、姚良忠，朱凌志，周明，等. 高比例可再生能源电力系统的协同优化运行技术展望[J]. 电力系统自动化, 2017, 41(9): 36-43.
5、姜海洋,杜尔顺,朱桂萍,等.面向高比例可再生能源电力系统的季节性储能综述与展望[J].电力系统自动化,2020,44(19):194-207.
6、占颖,吴琛,谢小荣,等.风电并网系统次同步振荡的频域模式分析[J].电力系统自动化,2020,44(18):90-97.
