摘要 随着全球能源转型深入推进，新能源快速发展，新能源高占比电力系统供应保障问题日益凸显，近期已成为部分国家关注的焦点。为此，首先详细分析了新能源出力特性以及在电力平衡、负荷支撑度等方面对电力供应保障的挑战；其次选取德国、美国和日本等新能源发展较早占比较高的典型国家，从政策法规、监测预警、调度运行管理等方面，深入研究了其在新能源高占比电力系统中采取的保障电力安全可靠供应的实践经验；最后结合中国新型电力系统建设的实际情况，提出了对中国新能源发展的启示，为中国电力供应保障提供一定的参考借鉴。

  1 新能源高占比对电力供应保障的挑战

  全球新能源快速发展，已进入增量替代阶段，并将逐步向存量替代过渡，预计2020—2030年期间，全球新能源新增发电量占全部新增发电量的比重超过80%。“双碳”目标下中国新能源也将持续快速增长，预计“十四五”期间年均新增装机规模超过1亿kW，实现倍增发展，2025年发电量占比将达到20%，2030年、2060年将分别超过25%和50%。新能源高占比给电力供应保障带来较大挑战，主要体现在以下5个方面。

  1）高比例新能源并网的发展态势使得电力系统电力电子化趋势凸显。相比传统电源形式的旋转机械接口，风电、光伏等形式的电力电子接口具有响应快、惯量低的特点，使得系统的频率响应能力下降，最大频率偏差增大，显著影响系统的频率稳定性。

  2）新能源在电力平衡中有效容量远低于常规电源，供应保障能力偏低。新能源在系统平衡或容量充裕性分析中所考虑的能够等效替代常规电源发电容量，称作新能源的有效容量或保证容量。新能源出力的波动性与不确定性导致其参与系统平衡的有效容量远低于常规电源。在美国得州电力可靠性委员会冬季容量充裕性分析中，100 MW的陆上风电在系统平衡中仅等效为19 MW的常规电源容量。

  3）新能源对负荷支撑能力偏弱。新能源负荷支撑度是指新能源实际出力占对应时刻系统负荷的比例。2022年，中国新能源平均负荷支撑度不足15%，全年近四分之三的时段新能源处于低负荷支撑度，高负荷支撑度时段不足1%。由于新能源出力与负荷匹配性差，新能源负荷支撑度在晚高峰最低，并呈现“春高冬低”的季节性特征。

  4）负荷高峰保供应和负荷低谷保消纳的“两难”矛盾日益突出。随着新能源占比持续快速提升，新能源小发期间电力供应不足和大发期间消纳困难的问题将频繁交替出现。在火电装机规模一定的情况下，较大的开机方式有利于保障电力稳定可靠供应，但会挤占新能源发电空间，加大弃电风险；反之，要保证新能源高水平消纳，就需要适当减小火电开机容量，减弱保供能力。

  5）新能源出力不确定性叠加对系统的弱支撑能力，加重了极端天气下新能源高占比电力系统的脆弱性。近年来，国际上与新能源相关的电力供应安全事故频发，如表1所示。在这些事故中，新能源受极端天气影响，出力不确定性显著增加，在用电负荷急速增长时，新能源出力跟不上，加剧了电力平衡压力。

表1 近年来新能源相关电力供应安全事故汇总

Table 1 Summary of new energy-related power supply security accidents in recent years

  根据IEA研究报告，当新能源发电量占比超过40%，新能源对电力供应的影响将成为电力系统面临的最主要问题。

  2 国外新能源高占比电力供应保障的研究与实践

  2.1 德国

  2.1.1 德国在保障电力安全可靠供应方面的实践经验

  截至2022年底，德国新能源装机占比高达58%，发电量占比高达33%。作为典型新能源高占比国家与全球能源转型先行者，德国在保障电力安全可靠供应方面取得了重要的实践经验，主要体现在以下3个方面。

  1）建立电力供应安全评估监测机制，及时预警能源转型带来的电力供应安全风险。为保障能源转型的安全性，德国依据《能源工业法》建立了电力供应安全评估监测机制，由德国联邦经济事务和能源部至少每2年对电力供应安全进行评估，由联邦审计院每3年对评估结果进行监测和审查。德国联邦经济事务和能源部采用的电力供应安全评估方法如图1所示，先基于欧洲电力市场分析模型确定未来电力供应典型场景，后利用电力供应安全分析模型开展未来典型场景下电力供应安全评估。

图1 德国电力供应安全评估方法

Fig.1 German electricity supply security assessment method

  德国联邦经济事务和能源部最新发布的评估报告为《电力供应安全报告（2019年）》。2022年3月，联邦审计院发布了最新审查报告《能源转型中的电力供应安全和价格承受能力》，审查结论指出：电力供应安全应包括电力市场供应安全、供电可靠性和系统运行安全三大方面，安全评估须充分考虑退煤、弃核、极端气候、氢能发展等多因素的共同作用，滞后的电网建设将危及电力安全可靠供应，并阻碍气候目标实现。

  2）依托欧洲同步电网和统一电力市场，发挥电网互联互通和跨国交易的重要支撑作用。邻国电力支援是德国应对新能源出力波动性的有效手段。德国与邻国电网互联互通，同周边9个国家之间输电容量约达2000万kW，占全年最大负荷的近30%。在新能源出力较小时，邻国输入电力、支撑电力供应；在新能源大发时，向邻国输送电力、减轻调峰压力。根据预测，欧洲互联电网将是德国未来电力供应安全的重要保障，德国也将从电力净出口国变为电力净进口国。德国 2020~2035 年电源结构变化预测如图2所示。

图2 德国2020~2035年电源结构变化预测

Fig.2 Forecast of power supply structure change in Germany from 2020 to 2035

  3）保留一定的常规电源发电容量，发挥常规电源兜底保障作用。根据《德国2035电网发展规划》预测，虽然到2035年德国风电、光伏发电装机容量占比将达到75%左右，但仍有接近25%的燃气、水电等常规机组用以保证系统平衡，发挥兜底保障作用。德国2020—2035年电源结构变化如图3所示。

图3 输电网运营商平衡偏差调整机制

Fig.3 Balance deviation adjustment mechanism of power transmission grid operator

  2.1.2 德国基于平衡组的电力行业管理机制

  德国极具特色的基于平衡组的电力行业管理机制在保障电力安全可靠供应方面也发挥了重要作用。

  平衡组是德国电网运行管理和市场组织的基本单元。电网中的生产者（电源）和消费者（用户）均须隶属于某一平衡组，并由某一主体担任平衡组管理人。平衡组是一个虚拟的组合单元，成员之间无须通过电网连接，但必须处于同一个输电网运行商的调度区域。

  平衡组制定“自平衡”的发供电计划，实时运行中各平衡组偏差由输电网运营商在系统层面进行统一平衡。平衡组基于每日发、用电量预测和市场交易组织，以“进出电量相等”为原则制定自平衡计划，上报输电网运营商，如表2所示。实时运行中，平衡组均可能偏离其自平衡计划，此时由输电网运营商调用预留的平衡备用容量在系统层面进行统一平衡，如图3所示。平衡备用容量包括一次、二次和三次备用容量，各类备用容量在目标、响应时间、启动方式及价格组成方面各有不同。输电网运营商配置和调用平衡备用容量产生的平衡成本将根据各平衡组的平衡偏差情况分摊至各平衡组，作为惩罚费用。

表2 15 min间隔内某个平衡组电量平衡案例

Table 2 Power balance case of a balance group within a 15 min interval

  平衡组机制强化了平衡组管理主体的平衡责任，是一种“自下而上”的平衡管理机制，可大大降低系统平衡压力。近年来，在新能源发电量逐年提升的背景下，德国输电网运营商平衡发电和用电的备用容量非但没有增加，反而有所下降。主要原因在于：1）平衡组机制有效激励了新能源预测技术水平的提升，减少了因新能源出力波动造成的系统平衡误差；2）平衡组拥有“自调度”空间，可实现组内资源的最佳调度，充分挖掘灵活性潜力，进而提升了系统灵活性水平。

  2.2 美国

  2.2.1 美国可再生能源国家实验室相关研究

  美国可再生能源国家实验室研究了未来新能源高占比对电力平衡的影响。研究指出，未来美国新能源高占比电力系统平衡将呈现3个特点：1）因新能源预测误差导致的系统平衡备用需求将显著增加；2）储能与需求侧资源将逐步成为平衡备用的主要提供者；3）加强电网建设，提高跨区输电能力是实现新能源高占比的重要途径。测算表明，在未来新能源发电量占比接近40%的情景下，建设全国范围高压直流互联通道，可降低约5%的系统平衡装机需求。

  2.2.2 美国得州和加州的相关举措

  得州和加州是美国新能源发展的典范，近年来均出现过因极端天气等原因造成的电力供应短缺。新能源虽非直接诱因，但因其出力的不确定性，加重了事件严重程度。事后，得州和加州采取了相应防范措施。

  得州是美国新能源发电量占比最高的地区，其新能源发电量占比已超过20%。2021年2月，极寒天气下得州出现严重电力短缺，超过450万用户电力供应中断。为防止类似事件再次发生，得州政府于2021年6月签署了系列法案推动电力系统改革，保障未来电力供应安全。1）加强极端天气防御能力，对新能源等电源、输电和输气管道防寒改造做出强制要求，违规罚金高达100万美元；2）完善电力应急事件监测预警体系，建立电力-气象联动预警系统，要求预警系统实时预测分析天气对电力系统运行的影响，全面、及时地向公众发布电力应急事件预警信息。

  加州是美国新能源发电发展最为激进的地区，其新能源发电量占比也超过了20%，2030年可再生能源发电量占比目标为60%，2045年实现净零排放。2020年8月，高温天气下加州发生限电事件，超过24万人供电中断。事后，加州加快储能大规模配置，提升系统灵活调节与顶峰能力。截至2022年底，加州储能总容量已近500万kW。

  2.3 日本

  按照当前能源转型计划，日本2050年可再生能源发电占比将达到50%~60%。由于可再生能源发电多为非同步电源，不具备转动惯量，未来日本将面临系统惯量水平持续降低，进而危及电力系统供应安全的问题。

  日本提出维持惯量水平、修改电网导则、完善电力市场设计等一系列措施保障电网安全。1）通过确保水电机组安全运行、维持同步电源运行、加装同步调相机等方式维持惯量水平；2）修改电网导则，包括完善系统运行管理标准，如提升新能源发电机组故障穿越能力；制定技术规范，对新能源发电提供调频、转动惯量等能力做出具体要求；3）完善电力市场设计，包括在容量市场中增设同步电源占比及容量价格，在辅助服务市场中进一步细化调频等交易品种，丰富交易时间尺度；4）开展虚拟同步机、虚拟同步实时控制等技术研发。

  3 相关启示与建议

  本文系统分析了德国、美国和日本等新能源发达国家在新能源高占比的电力系统下，采取的电力供应保障措施。通过分析，将国外新能源高占比国家在电力供应保障技术支撑能力、电网基础设施、市场机制、行业管理等方面的研究和实践经验进行了总结。结合中国新能源发展和新型电力系统建设实际情况，对解决中国未来新能源跨越式增长后的电力供应保障问题，提出如下建议。

  1）持续加强电网互联互通。美国研究成果与德国实践经验均表明，电网互联互通将是新能源高占比电力系统的重要特征，对保障电力安全可靠供应意义重大。建议中国持续加强电网互联互通，提升电网资源优化配置能力，夯实电力供应安全基础。优化电网调度运行模式，充分利用跨省跨区输电通道能力，实现更大范围调节能力互济。

  2）从供需双侧发力。从德国未来电网规划来看，在退煤弃核背景下，燃气等常规发电机组对保障电力供应仍不可或缺。美国相关研究和举措表明需求响应、储能等灵活调节资源将是未来保障系统平衡的重要支撑。建议结合中国国情，高度重视发挥火电的基础支撑和兜底保障作用。强化需求侧管理，将需求侧资源作为常态化资源纳入电力系统运行管理，完善电力需求响应机制，充分挖掘需求侧资源的潜力。

  3）充分发挥市场机制作用。从德国经验来看，依托欧洲统一电力市场，通过跨国交易实现电力资源在更大范围内共享互济，是德国未来保障电力供应的重要手段。建议中国优化电力市场总体设计，实现电力资源在中国更大范围内共享互济和优化配置，加快形成统一开放、竞争有序、安全高效、治理完善的电力市场体系。推动中长期市场、现货市场和辅助服务市场有机衔接。

  4）建立安全监测预警机制。从法律层面建立电力供应安全评估监测机制是德国能源转型中保障电力供应安全的重要经验。美国得州寒潮后也建立了电力应急事件监测预警体系。建议中国在相关法律法规中进一步明确电力系统中网源荷储等各类主体的电力供应保障责任，建立电力安全监测与预警机制，定期开展中国电力供应安全评估，及时发布预警信息。

  4 结语

  通过研究发现国外针对新能源迅速发展采取的电力安全保供措施与经验主要有4个方面。1）在电网侧要加强电网互联互通，增强电网安全保供能力；2）要加强供给侧的保障能力，同时加强需求侧资源管理；3）要通过电力市场来实现资源的优化配置；4）要建立和完善安全预警机制对电力供应情况实施监督和预警。

  注：本文内容呈现略有调整，如需要请查看原文。