中國儲能網(wǎng)訊：伴隨高比例新能源接入并網(wǎng)，源網(wǎng)荷儲四側正發(fā)生著特性變化，電力系統(tǒng)將面臨安全穩(wěn)定方面的六大核心問題——電力電量平衡、短路電流、同步穩(wěn)定、寬頻振蕩、電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定。
這六大核心問題是如何引起的？新型電力系統(tǒng)又是如何解題的呢？
本期，先對電力電量平衡相關內容進行解析。
一、電力電量平衡是什么？
由于電能無法被大量存儲，因此電力系統(tǒng)具有即發(fā)即用的特性。這種特性使得電網(wǎng)需要實時滿足發(fā)電與用電的平衡，即電力電量平衡。
電力平衡是一種瞬時平衡，指在某一時刻，用電功率與發(fā)電功率保持平衡。
簡單化至家庭場景，家里配備了一臺小型發(fā)電機，若某一時刻這臺發(fā)電機所發(fā)的電，能滿足同時工作的所有電器用電，這家就達到了電力平衡。
而電量平衡是一種過程平衡，指某一段時間內，用戶需求的電能量與發(fā)電廠發(fā)出的電能量之間的平衡。
電力電量平衡屬于電力系統(tǒng)的基本安全穩(wěn)定問題。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，衡量電力電量是否平衡的標準一般看最大負荷時刻。發(fā)電機組若能滿足最高負荷的用電需求，即可實現(xiàn)實時平衡。而在新型電力系統(tǒng)中，卻有了不一樣的平衡標準。
二、電力電量平衡面臨的挑戰(zhàn)
在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，負荷側以剛性、純消費型的用電負荷為主，負荷預測準確度較高。電源側以火電和水電裝機為主，發(fā)電可控且出力連續(xù)、穩(wěn)定。因此可較準確地預測電網(wǎng)用電負荷和發(fā)電能力，維持電力電量平衡難度較小。
而隨著新型電力系統(tǒng)建設的推進，新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)，浙江電源結構將發(fā)生深刻變化。根據(jù)《浙江省可再生能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》中“風光倍增計劃”，到“十四五”末，浙江光伏裝機達到2750萬千瓦以上，風電裝機達到640萬千瓦以上，風、光新能源裝機占比超過裝機總量的23%。
電源將由火電、水電、核電的傳統(tǒng)旋轉發(fā)電機為主，轉變?yōu)橛尚履茉礊榇淼撵o止發(fā)電機與傳統(tǒng)旋轉發(fā)電機共同主導。此類變化使得電力電量平衡有多場景特征，即使最大負荷時刻可達到平衡，但在某些時刻新能源大發(fā)或無出力情況下可能無法平衡。
電力電量平衡面臨新的挑戰(zhàn)。
1.“虛胖”導致可信出力有限
新能源裝機容量雖大，卻都是“虛胖體質”，可信出力有限?？尚懦隽κ侵?，在電力負荷需求最大時，新能源能夠提供的電力供應能力。
火電、水電等常規(guī)電源的出力可控性強，可以做到“源隨荷動”。而新能源出力受到天氣影響，出力與負荷需求無法實時匹配。
相同電量供應下，不同類型機組所需裝機容量對比
據(jù)統(tǒng)計，相同裝機容量下，新能源發(fā)電年平均利用小時數(shù)遠小于火電機組。以2021年為例，浙江火電平均發(fā)電利用小時4762小時，風電平均發(fā)電利用小時2165小時，而光伏僅1122小時。在浙江夏季午間用電高峰時刻，光伏的可靠出力僅占裝機容量的16%，而風電的可靠出力僅占裝機容量的6%。
新能源與負荷的“錯峰”現(xiàn)象，以及新能源出力的不確定性，導致在負荷高峰時段，電力電量平衡支撐能力較弱。
2.新能源開發(fā)利用受技術限制
在風電開發(fā)利用方面，目前我國已開發(fā)的海上風電以近海風電為主。受生態(tài)環(huán)境保護、交通航道占用等因素影響，近海風電項目的站址資源日趨緊張。
相比之下，中遠海具有更廣闊的海域資源，風能資源豐富，風速更穩(wěn)定，因此大家對海上風電開發(fā)的目光逐漸轉向中遠海。
目前對于與陸地距離80千米以下的近海風電，主要采用50赫茲交流海纜進行輸電。但受到交流海纜特性影響，距離80千米以上的中遠海風電送出在技術上存在問題。如何實現(xiàn)大容量中遠海風電跨海輸送成為中遠海風電開發(fā)的關鍵技術難題。
在光伏開發(fā)利用方面，分布式光伏的大規(guī)模開發(fā)給電網(wǎng)的運行帶來了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)內只有負荷，沒有電源，配網(wǎng)的主要職責只是保障配網(wǎng)內負荷電力的可靠供應。
隨著分布式光伏的開發(fā)和接入，配電網(wǎng)將轉變?yōu)楹写罅糠植际诫娫吹挠性磁潆娋W(wǎng)，在保障電力供應的同時，還需實現(xiàn)分布式光伏的可靠消納，配電網(wǎng)運行管理變得更加復雜。因此，亟需對配電網(wǎng)進行智能化升級和改造，以此促進分布式光伏的消納能力。
3.短期調節(jié)能力有限
由于新能源出力具有波動性且不可控制，傳統(tǒng)電源的出力需要配合新能源出力變化進行實時調節(jié)，以滿足電力電量平衡的需求。傳統(tǒng)電源需要滿足的調節(jié)需求也稱為“凈負荷”，即為總用電負荷扣除新能源出力后的負荷。受大規(guī)模光伏接入的影響，電網(wǎng)的短期（日內）電力電量平衡調節(jié)難度日益增大。
電網(wǎng)的日內凈負荷呈現(xiàn)“鴨子曲線”特征。早上，隨著光伏開始發(fā)電，凈負荷下降(鴨尾巴)。當中午太陽最強的時候，凈負荷達到最低點(鴨的腹部)。在傍晚時分，隨著光照的下降，凈負荷迅速上升(鴨脖子)。夜間用電負荷需求逐漸下降，凈負荷也開始下降(鴨頭)。
電網(wǎng)凈負荷低谷從以往的單一夜間時段低谷變?yōu)槲玳g光伏大發(fā)時段和夜間時段的雙低谷。隨著光伏裝機占比的不斷增加，鴨肚子會越來越深，鴨脖子越來越長。
目前，煤電在電源結構中仍占主導地位，因此燃煤機組承擔了最主要的調節(jié)任務。根據(jù)“鴨子曲線”特性，在午間時段，光伏大量發(fā)電，煤電需要降低出力。但為保證鍋爐的穩(wěn)定燃燒，降低出力具有一定下限（浙江燃煤機組的最小技術出力限制為40%額定功率），可能出現(xiàn)調節(jié)不足的問題。
而在晚高峰時段，失去光照后的光伏出力快速下降，煤電出力需要快速爬坡增長。因此亟需全面提高燃煤機組靈活調節(jié)能力，實現(xiàn)“上得去、下得來、爬得快”，來應對新能源出力變化帶來的短期調節(jié)需求。
4.中長期調節(jié)能力有限
新能源“靠天吃飯”的屬性明顯，給中長期（周、月、年）電力電量平衡也帶來新挑戰(zhàn)。
在極冷無光、極熱無風等極端天氣，或是梅雨季節(jié)影響下，新能源出力不足的時間持續(xù)數(shù)天或數(shù)周，可能造成長時間尺度的新能源部分供電缺口。
雨季時新安江水電站九孔泄洪
2022年1至2月，浙江出現(xiàn)長期陰雨天氣，全省1700萬千瓦裝機容量的光伏，最大出力維持在400萬千瓦以下，最低時只有100萬千瓦，對電力可靠供應的支撐有限。
在國慶、春節(jié)等假日期間，工廠、寫字樓等休假停工，出現(xiàn)極端小負荷情況，這時新能源的消納也是一個難題。部分時段新能源出力大發(fā)時，可能導致燃煤機組出力需低于40%的情況，給相關機組的穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)。隨著新能源的進一步大規(guī)模接入，未來部分時段新能源出力甚至有可能超過負荷總量，新能源消納難度增大。
目前電力系統(tǒng)中雖已配置了抽水蓄能、電化學儲能等儲能設備，但此類儲能電力電量調節(jié)時間尺度一般為小時級，面對新能源中長期出力不足或出力過大時，難以滿足幾天甚至幾十天中長時段的電力電量平衡的調節(jié)需求。
三、破題思路
新型電力系統(tǒng)的建設使得源網(wǎng)荷儲四側涌現(xiàn)了大量新技術、新設備，也給針對因新能源接入而加劇的電力電量平衡問題，帶來了新的解題思路。
以浙江電網(wǎng)為例：
在應對新能源“虛胖”方面，國網(wǎng)浙江電力正開展新能源多時空尺度功率高精度技術的研究，降低電網(wǎng)調度難度、增加新能源并網(wǎng)友好性，減少新能源出力運行波動性和不確定性對電網(wǎng)運行帶來的沖擊。目前，已構建了“點-線-面”分布式新能源多時空尺度功率預測體系，搭建基于云計算與人工智能的智能化預測服務，同時為全省11地市的600余個分布式光伏站點提供多尺度功率預測，實現(xiàn)面向綠色調度的分布式新能源功率精準態(tài)勢感知。
供電員工正利用源網(wǎng)荷儲協(xié)調控制系統(tǒng)，對海寧全市源、網(wǎng)、荷、儲四側資源狀態(tài)進行實時監(jiān)控｜吳亦冰 攝
為了提高新能源開發(fā)利用水平，國網(wǎng)浙江電力正開展大規(guī)模新能源柔性接入優(yōu)化技術研究，利用柔性低頻輸電、多電壓等級直流電網(wǎng)新技術，提高中遠距離規(guī)?；Ｉ巷L電開發(fā)和送出能力；同時開展高比例分布式光伏靈活并網(wǎng)技術研究，增強高密度光伏的開發(fā)利用能力。目前已在臺州開展世界首個柔性低頻輸電示范工程的建設，可實現(xiàn)80-185公里范圍內風電的經(jīng)濟高效送出，為中遠海風電的開發(fā)利用提供了解決方案。
大陳島上的風力發(fā)電場｜吳俊華 攝
在提高短期調節(jié)能力方面，國網(wǎng)浙江電力從源荷儲多側協(xié)同發(fā)力，構建多元靈活調節(jié)體系。源側，開展火電靈活性改造，降低煤電機組最小出力限制，實現(xiàn)20%-30%額定出力下安全運行。負荷側，不斷擴充需求響應資源池，通過可中斷負荷、虛擬電廠、負荷聚合商等提供輔助服務，積極參與電網(wǎng)調節(jié)互動，實現(xiàn)“源荷互動”。儲能側，積極布局抽水蓄能及其他新型儲能，充分發(fā)揮多類型儲能資源的靈活調節(jié)能力。
麗水綠色能源虛擬聚合電廠構成示意
在提高中長期調節(jié)能力方面，國網(wǎng)浙江電力正開展氫能、電能、熱能等異質能源互聯(lián)互通技術的研究。在新能源發(fā)電大量盈余的時段，通過新能源制氫、甲醇和氫衍化物等進行消納。在長時間新能源發(fā)電不足時，通過將氫能、甲醇等異質能源轉換為電能實現(xiàn)電力供應保證。目前，已在寧波慈溪、杭州、麗水縉云、臺州大陳島建設氫電耦合能源樞紐示范工程，工程投運后將創(chuàng)新電能與氫能的協(xié)同運行方式，為中長期電力可靠供應提供解決方案。
供稿：電科院 董煒 華文 唐雅潔 江航
