中國儲能網(wǎng)訊：
1 研究背景
2023年7月11日,習近平總書記在中央全面深化改革委員會第二次會議上強調(diào)，要深化電力體制改革，加快構建清潔低碳、安全充裕、經(jīng)濟高效、供需協(xié)同、靈活智能的新型電力系統(tǒng)，更好推動能源生產(chǎn)和消費革命，保障國家能源安全。從新型能源體系的內(nèi)涵和要求來看，新型能源體系建設的出發(fā)點和落腳點仍是能源安全問題。傳統(tǒng)以交流電力系統(tǒng)穩(wěn)定為主的安全問題逐步演化為由電力供應安全、系統(tǒng)安全穩(wěn)定、非常規(guī)安全組成的“三位一體”的安全問題。
2 研究意義
甘肅新型電力系統(tǒng)的構建具有特殊性。甘肅電網(wǎng)作為西北電網(wǎng)的“總樞紐”，與陜、寧、青、新四省直接相連，在西北區(qū)域電力系統(tǒng)中起到關鍵作用。同時，甘肅在我國新型電力系統(tǒng)體系構建過程中“重基地”的戰(zhàn)略定位以及西電東送特高壓工程中的關鍵地理位置，決定了甘肅電力系統(tǒng)的規(guī)劃、建設和運行直接關系到全國能源安全供應。隨著新能源快速發(fā)展，特（超）高壓直流骨干網(wǎng)架建設加速，大規(guī)模電力電子化、數(shù)字化、互動式設備的接入給甘肅省電力系統(tǒng)帶來電力電量平衡、大電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定、極端事件彈性三大典型難題，進而引發(fā)電力可靠供應、安全穩(wěn)定運行和非常規(guī)安全等三大安全問題。以甘肅電力系統(tǒng)為例，研究省級新型電力系統(tǒng)構建進程中安全風險問題及應對措施，對全國新型電力系統(tǒng)建設與高比例新能源下電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行具有參考意義。
3 重點內(nèi)容
3.1 雙碳目標下甘肅應對措施
1）電源結構清潔低碳。
甘肅加速完成以煤電為主向以風光新能源為主體電源的根本性轉(zhuǎn)變。自2015年至今，甘肅省新增裝機4320萬千瓦，其中新增新能源3630萬千瓦，新能源裝機占比由40.1%提升至61.3%，新能源利用率由63.3%提升至95.6%。
圖1 2015年與2023年甘肅各類電源裝機容量
2）電網(wǎng)形態(tài)互聯(lián)互通。
甘肅電網(wǎng)作為西北電網(wǎng)的總樞紐，通過19回750千伏線路與陜西、寧夏、青海、新疆四省聯(lián)通，通過1條特高壓直流輸電線路輻射全國，跨省區(qū)輸電能力較十年前增長7倍。有效發(fā)揮了甘肅電網(wǎng)在全國新型電力系統(tǒng)建設中“大送端”作用、在西北區(qū)域電網(wǎng)中“跨省平衡互濟”作用。祁韶特高壓直流累積外送電量超過1500億千瓦時，有力支撐華中地區(qū)電力供應與電力結構轉(zhuǎn)型。
3）調(diào)節(jié)電源靈活可靠。
為保障電力供應的安全性，甘肅省克服水電資源受黃河流域防洪、防凌要求限制，調(diào)節(jié)受限的自然稟賦條件，深化火電靈活性改造、大力投資新型儲能建設。目前，省內(nèi)煤電機組平均調(diào)峰深度達到67%，創(chuàng)造調(diào)峰空間超過1600萬千瓦；電化學儲能投產(chǎn)總?cè)萘?13萬千瓦，晚高峰提供電力支撐能力207萬千瓦，有效緩解了尖峰負荷對系統(tǒng)運行的壓力。
4）監(jiān)控系統(tǒng)準確高效。
甘肅省針對新能源帶來的不確定性，在源、網(wǎng)、儲三側(cè)協(xié)同推進先進預測、調(diào)控技術的應用，建成國內(nèi)首套千萬千瓦級風電場光伏電站集群控制系統(tǒng)、首套全功能新能源場站全景監(jiān)控系統(tǒng)、首套電化學儲能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，新能源預測時長拓展至10天，準確率超過90%，實現(xiàn)了儲能設施與風電、光伏等電源的協(xié)調(diào)控制。
5）市場引領源荷互動。
甘肅省作為首批電力現(xiàn)貨市場建設試點地區(qū)之一，已建成空間上涵蓋省內(nèi)、省外，時間上覆蓋中長期、日前、實時的全方位電力交易體系，交易品種位居全國首位。同時，通過市場化電價機制引導用戶用電行為，將最大負荷由晚高峰轉(zhuǎn)移至午間谷段；建成新型電力負荷管理系統(tǒng)，注冊最大需求響應能力153萬千瓦。
3.2 雙碳目標下甘肅面臨的挑戰(zhàn)
1）新能源波動無序，電力供應充裕性面臨挑戰(zhàn)。
甘肅省新能源裝機占比已高達61.3%，新能源“有電量、無電力”的特點越發(fā)突出，難以實現(xiàn)對電力充裕供應的支撐性作用。2023年新能源最大出力2101萬千瓦，是最大負荷的107%，最小出力僅11萬千瓦。預計2030年，在“極熱無風、晚峰無光”情景下，省內(nèi)電力缺口可能會超過500萬千瓦；在風光大發(fā)情景下，電力盈余將超過2400萬千瓦。在全國煤電退減場景下，未來電力供應安全面臨較大風險。
2）新能源滲透率提高，系統(tǒng)控制穩(wěn)定性面臨難題。
①河西交流斷面運行穩(wěn)定性問題。西北聯(lián)網(wǎng)通道由甘肅河西敦煌變、莫高變、酒泉變、河西變與青海魚卡變等“四魚”斷面組成，受制于吉泉直流故障或“四魚”某一通道同桿故障后青海海西地區(qū)低電壓問題，甘肅河西新能源外送量與青海海西、新疆和吉泉直流外送電量相互制約，此消彼長。隨著新能源接入總量的爆發(fā)式增長，海西電壓穩(wěn)定問題將長期存在，新能源大規(guī)模受限問題可能再次出現(xiàn)。
②直流送端近區(qū)新能源暫態(tài)過電壓問題。特高壓直流輸電系統(tǒng)故障或近區(qū)交流電網(wǎng)短路故障時，會引起交流電網(wǎng)暫態(tài)過電壓偏大，引起新能源場站高壓脫網(wǎng)風險。新能源出力與直流輸送能力呈“蹺蹺板”關系，對新型電力系統(tǒng)大規(guī)模直流輸電及新能源廣域消納帶來挑戰(zhàn)。
(a)祁連山換流站交流母線電壓幅值
(b)近區(qū)部分風電場交流母線電壓幅值
圖2 祁韶直流換相故障下交直流系統(tǒng)特性
③電流超標與短路比過低雙向矛盾。甘肅新能源裝機集中在河西地區(qū)，常規(guī)電源支撐薄弱，部分直流近區(qū)新能源短路比低于2.0。同時，為滿足新能源上網(wǎng)，河西地區(qū)750千伏公網(wǎng)變電站增多、網(wǎng)架結構越來越緊密，導致部分公網(wǎng)變電站的短路電流接近或超過母線開關的遮斷容量。新能源滲透率提升導致短路電流超標與系統(tǒng)短路比過低雙向矛盾，給新能源進一步發(fā)展帶來難題。
3）輸電通道密集，非常規(guī)安全風險隱患大。
甘肅狹長地形形成多處密集輸電通道，總長超一千三百公里。特別是吉泉、天中、祁韶3條特高壓直流輸電線路并行515公里。局部惡劣天氣、地質(zhì)災害及外力破壞等可能引起三大直流同時閉鎖，引發(fā)西北電網(wǎng)頻率失穩(wěn)，進而對全國電力系統(tǒng)的運行帶來嚴重影響。同時，密集通道承載大量數(shù)據(jù)傳輸和共享任務，惡意入侵或攻擊可能造成時空協(xié)同的故障，形成跨越信息域與電力域的連鎖故障。
3.3 應對雙碳目標新型電力系統(tǒng)發(fā)展舉措
1）電力供應充裕性安全問題應對措施。
①持續(xù)加快煤電等支撐性電源建設。
②充分發(fā)揮儲能調(diào)節(jié)作用。
③深挖需求側(cè)響應能力。
2）電力系統(tǒng)穩(wěn)定性安全問題應對措施。
①強化省間互聯(lián)樞紐電網(wǎng)。
②優(yōu)化省內(nèi)網(wǎng)絡拓撲結構。
③提升電網(wǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)功能。
④推進分布式調(diào)相機建設。
⑤開展構網(wǎng)型風機試點應用。
3）非常規(guī)事件安全問題應對措施。
①構建密集通道安全防范體系。
②完善網(wǎng)絡安全防御機制。
4 結論
本文以甘肅為例，從電力充裕性風險、安全穩(wěn)定性風險、非常規(guī)安全風險等方面，分析了電力系統(tǒng)安全運行方面存在的主要問題和管控成效。
1）為應對新能源出力波動對電力供需調(diào)節(jié)帶來的挑戰(zhàn)，應加強煤電、新型儲能、抽水蓄能等靈活性調(diào)節(jié)資源建設，提升新能源預測技術。
2）為應對安全穩(wěn)定問題，應持續(xù)加強交流骨干網(wǎng)架建設、實施直流近區(qū)風電風機高電壓穿越改造和調(diào)相機建設，加強新能源集群控制等系統(tǒng)建設，試點風電場自同步構網(wǎng)型風機改造，提升頻率、慣量支撐能力，減少新能源脫網(wǎng)事故發(fā)生。
3）為降低自然災害、外部破壞和輸電線路密集通道帶來的風險，應強化各類氣象和自然災害預警，加強應急響應能力建設，實現(xiàn)密集通道全程監(jiān)控。為防范電源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的網(wǎng)絡攻擊，應推動網(wǎng)絡安全監(jiān)控裝置全覆蓋，打造網(wǎng)絡安全技術防御體系。
