新能源發(fā)電特點(diǎn)和并網(wǎng)影響

一直以來，國家電網(wǎng)有限公司全力服務(wù)新能源發(fā)展和消納，不斷加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，新能源消納矛盾持續(xù)緩解，新能源利用率不斷提高。2019年，國家電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)新能源發(fā)電持續(xù)快速增長，新能源利用率達(dá)到96.8%，青海、甘肅等8個(gè)省份新能源發(fā)電量占本省用電量的比例超過15%。

風(fēng)電出力隨風(fēng)速和風(fēng)向的變化而變化。根據(jù)測風(fēng)數(shù)據(jù)，風(fēng)速在一年中的大部分時(shí)間，在接近零到額定風(fēng)速之間變化，與此相對應(yīng)，風(fēng)電出力也在從零到額定出力之間變化。

風(fēng)電出力呈現(xiàn)明顯的季節(jié)特性。不同地區(qū)風(fēng)電年出力的季節(jié)特性不同，東北、華北地區(qū)風(fēng)電平均出力呈現(xiàn)冬春季較大、夏秋季較小的特點(diǎn)，西北則呈現(xiàn)冬春季較小、夏秋季較大的特點(diǎn)。

光伏電站日出力主要受天氣影響。在晴朗天氣，光伏電站在白天中午時(shí)分出力達(dá)到最大，且曲線比較平滑，出力分布較規(guī)律;在多云天氣，出力的白天時(shí)段分布沒有規(guī)律。

受光照強(qiáng)度和溫度影響，光伏電站一般在春季、冬季發(fā)電出力較大。從甘肅、青海地區(qū)光伏電站的年出力分布來看，平均出力呈現(xiàn)春秋季較大、夏冬季較小的特點(diǎn)。由于用電負(fù)荷一般在夏冬季較大，因此，光伏電站對于滿足高峰負(fù)荷的貢獻(xiàn)度有所降低。

風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電具有隨機(jī)性、波動(dòng)性等特點(diǎn)，新能源并網(wǎng)帶來的振蕩問題已對電力系統(tǒng)安全運(yùn)行產(chǎn)生顯著影響，未來，高比例新能源接入電網(wǎng)后，將會(huì)加劇振蕩問題。大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)，不僅對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來影響，而且顯著影響電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

新能源并網(wǎng)后大量常規(guī)同步發(fā)電機(jī)組被風(fēng)電、光伏發(fā)電機(jī)組替代，導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小、頻率調(diào)節(jié)能力降低。與常規(guī)火電設(shè)備相比，新能源設(shè)備涉網(wǎng)性能標(biāo)準(zhǔn)偏低，其頻率、電壓耐受能力較差，極易引發(fā)脫網(wǎng)問題。

由于新能源資源具有波動(dòng)性和隨機(jī)性，發(fā)電設(shè)備具有低抗擾性和弱支撐性，因此，新能源的有效消納和安全運(yùn)行是世界難題。

新能源并網(wǎng)技術(shù)及重點(diǎn)突破方向

新能源高精度功率預(yù)測技術(shù)。由于資源的隨機(jī)波動(dòng)性和不可存儲(chǔ)特性，新能源出力具有隨機(jī)性和波動(dòng)性。我國地形復(fù)雜，氣候類型多樣，新能源資源隨機(jī)波動(dòng)性更強(qiáng)、高精度功率預(yù)測更難。高比例新能源電力系統(tǒng)將發(fā)電跟蹤負(fù)荷的單向匹配轉(zhuǎn)變?yōu)楣┬桦p側(cè)的雙向動(dòng)態(tài)匹配，新能源發(fā)電功率預(yù)測是雙向動(dòng)態(tài)匹配的基礎(chǔ)，需研究空間分辨率更高、時(shí)間間隔更小、精度適用性更強(qiáng)的新能源發(fā)電功率預(yù)測技術(shù)，支撐電力供應(yīng)與需求的精準(zhǔn)雙向匹配。

新能源主動(dòng)支撐技術(shù)。高比例新能源電力系統(tǒng)中，新能源發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)需要從“被動(dòng)適應(yīng)”到“主動(dòng)支撐和自主運(yùn)行”轉(zhuǎn)變。未來高比例新能源接入電網(wǎng)后，將對電力系統(tǒng)形態(tài)及運(yùn)行機(jī)制產(chǎn)生深刻影響，需要新能源具備主動(dòng)支撐控制能力，具備接近或高于同步電源的控制特性，支撐系統(tǒng)的電壓、頻率穩(wěn)定以及提供備用容量。

電力氣象技術(shù)。氣象條件是高比例新能源電力系統(tǒng)最關(guān)鍵的外部影響因素，其影響范圍涵蓋“發(fā)”(風(fēng)、光、降水是新能源和水力發(fā)電的一次資源)、“輸”(氣象災(zāi)害對輸變電設(shè)備的損壞、氣象條件對輸電能力的影響)、“用”(溫度、濕度、降水等影響負(fù)荷行為，風(fēng)、光影響分布式新能源出力)全環(huán)節(jié)。國際電力研究機(jī)構(gòu)普遍認(rèn)為氣象原因是未來影響電網(wǎng)運(yùn)行的三大關(guān)鍵因素之一。為降低電力氣象災(zāi)害不利影響，需研究電力氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)，通過提前應(yīng)對極端天氣，支撐高比例新能源電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用。儲(chǔ)能技術(shù)通過裝置或物理介質(zhì)將能量儲(chǔ)存起來，以便需要時(shí)利用。目前，除抽水蓄能外，電化學(xué)儲(chǔ)能是發(fā)展最快且相對成熟的儲(chǔ)能技術(shù)。儲(chǔ)能將在高比例新能源電力系統(tǒng)電力電量平衡中起到重要的靈活調(diào)節(jié)作用，支撐供需雙側(cè)動(dòng)態(tài)匹配，促進(jìn)新能源有效利用。未來需解決低成本、大容量、長時(shí)間、高可靠的能量存儲(chǔ)問題，以及大規(guī)模、多類型儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)調(diào)控問題。

新能源并網(wǎng)技術(shù)成果

中國電力科學(xué)研究院聚焦新能源并網(wǎng)與調(diào)度運(yùn)行技術(shù)，取得了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)、新能源功率預(yù)測系統(tǒng)、新能源安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)等創(chuàng)新成果。

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)。應(yīng)用于新能源功率預(yù)測，預(yù)報(bào)時(shí)長72小時(shí)，水平網(wǎng)格3千米×3千米，刀片式服務(wù)器623個(gè)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力2.6PB，運(yùn)算能力230萬億次/秒。

新能源功率預(yù)測系統(tǒng)。在26個(gè)省級(jí)電力調(diào)控中心應(yīng)用，覆蓋我國約80%的新能源并網(wǎng)容量，預(yù)測容量居世界首位，新能源功率預(yù)測精度達(dá)到90%以上(按月統(tǒng)計(jì))。

新能源監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)。采用時(shí)序遞進(jìn)的優(yōu)化調(diào)度方法，滾動(dòng)修正新能源發(fā)電功率預(yù)測誤差，保障了資源變化及系統(tǒng)運(yùn)行約束條件下的新能源最大化消納。

新能源安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)。通過使用該系統(tǒng)，“三北”地區(qū)5省區(qū)(新疆、甘肅、青海、蒙東、河北)共提升新能源送出能力348萬千瓦。

甘肅省位于西北新能源基地群樞紐，新能源裝機(jī)占比42.6%。“風(fēng)電場、光伏電站集群控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)”由國網(wǎng)甘肅省電力公司牽頭，項(xiàng)目依托甘肅酒泉千萬千萬級(jí)風(fēng)電基地、百萬千瓦級(jí)光電基地，攻克了風(fēng)電場、光伏電站集群控制系統(tǒng)在線監(jiān)測控制、策略制訂、設(shè)計(jì)集成和運(yùn)行管理等關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了河西走廊800萬千瓦風(fēng)電場、300萬千瓦光伏電站的集群控制功能，有效提高了電網(wǎng)接納風(fēng)電、光伏發(fā)電能力。

【專訪】

圍繞新能源并網(wǎng)與消納，《亮報(bào)》對中國電力科學(xué)研究院副總工程師兼新能源研究中心主任王偉勝進(jìn)行了專訪。

《亮報(bào)》：未來，如何能更好地實(shí)現(xiàn)新能源消納?

王偉勝：新能源消納涉及電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、用多個(gè)環(huán)節(jié)，與發(fā)展方式、技術(shù)進(jìn)步、電力體制改革、市場交易機(jī)制、政策措施等密切相關(guān)，實(shí)現(xiàn)新能源高效消納，既要“源—網(wǎng)—荷”技術(shù)驅(qū)動(dòng)，也需要政策引導(dǎo)和市場機(jī)制配合。

促進(jìn)新能源消納，需要多措并舉、綜合施策。近期，應(yīng)加強(qiáng)電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度，充分挖掘系統(tǒng)潛力，優(yōu)先解決存量、嚴(yán)格控制增量，有效緩解棄風(fēng)棄光;建設(shè)完善市場機(jī)制，提高系統(tǒng)平衡能力，根本解決新能源消納問題。遠(yuǎn)期，應(yīng)突破前瞻性技術(shù)，適應(yīng)高比例大規(guī)模新能源發(fā)展需要。

在電源環(huán)節(jié)，加大技術(shù)改造力度，充分挖掘現(xiàn)有電源調(diào)節(jié)能力;加快調(diào)峰電源建設(shè)，提高靈活調(diào)節(jié)電源比例;控制新能源建設(shè)節(jié)奏，優(yōu)化電源布局;提高新能源功率預(yù)測精度。

在電網(wǎng)環(huán)節(jié)，加快跨省跨區(qū)通道建設(shè)，擴(kuò)大新能源消納市場;加強(qiáng)電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度，發(fā)揮大電網(wǎng)綜合平衡能力。

在用戶環(huán)節(jié)，推進(jìn)電能替代，增加新能源消納空間;引導(dǎo)用戶參與需方響應(yīng)，改善負(fù)荷特性。

在體制機(jī)制方面，著力打破省間壁壘，構(gòu)建全國電力市場體系，建立有利于新能源消納的市場機(jī)制。

來源：中國電力科學(xué)研究院、國網(wǎng)能源研究院、國網(wǎng)甘肅省電力公司、《國家電網(wǎng)有限公司服務(wù)新能源發(fā)展報(bào)告2020》等，楊亞迪、屈姬賢、袁偉、黃碧斌、葉小寧、張健美、周強(qiáng)、席家福對本文有貢獻(xiàn)。