中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
當(dāng)能源安全遭遇“致命軟肋”
——多角度看西葡大停電
交通癱瘓、通信中斷、公共服務(wù)停滯、超市貨架3小時(shí)被搶空……就在西班牙電網(wǎng)首次實(shí)現(xiàn)100%可再生能源全天運(yùn)行的第6天，一場(chǎng)突如其來的事故打破了伊比利亞半島的平靜。當(dāng)?shù)貢r(shí)間4月28日，西班牙、葡萄牙及法國南部部分地區(qū)發(fā)生大規(guī)模停電事故，數(shù)以千萬計(jì)的民眾受到影響。據(jù)悉，歐洲上一次發(fā)生如此大規(guī)模停電事故還要追溯到2006年11月，彼時(shí)長(zhǎng)達(dá)兩小時(shí)的停電事故波及超1000萬人，而此次的持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了當(dāng)時(shí)。這場(chǎng)被稱為“歐洲十年來最嚴(yán)重的停電事故”，暴露出可再生能源占比過高、電網(wǎng)慣量不足、跨國輸電薄弱等致命短板，不僅敲響了全球能源體系變革的警鐘，也為我國能源轉(zhuǎn)型提供了鏡鑒。
西葡大停電時(shí)間線
4月28日
12:32
西班牙巴新克地區(qū)率先斷電，15分鐘內(nèi)蔓延至西班牙全境。
13:00
葡萄牙電網(wǎng)因西班牙電壓異常波動(dòng)而會(huì)面癱瘓。
13:45
西班牙國家電力公司相關(guān)負(fù)責(zé)人在新聞發(fā)布會(huì)上稱，本次停電歸因于“電網(wǎng)線路中產(chǎn)生的非常強(qiáng)烈的振蕩”，進(jìn)而導(dǎo)致“伊比利亞半島的電力系統(tǒng)已與歐洲其他電網(wǎng)解列”。對(duì)此，西班牙國家電力公司高管表示，會(huì)面恢電力供應(yīng)仍需6~10小時(shí)。
17:10
伊比利亞半島用電量達(dá)到1238 萬千瓦，這意味著當(dāng)時(shí)預(yù)測(cè)的2390萬千瓦電力需求已恢復(fù)了50%以上。
23:00
伊比利亞半島51%的電力負(fù)荷已經(jīng)恢復(fù)(1284.7萬千瓦)，輸電網(wǎng)中70%的變電站已恢復(fù)供電。接下來幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，電力部門計(jì)劃通過三個(gè)渠道恢復(fù)供電：與法國和摩洛哥互聯(lián)的電網(wǎng)系統(tǒng)、燃?xì)饴?lián)合循環(huán)電站以及水電站。
4月29日
0:00
伊比利亞半島61.35%的電力負(fù)荷已經(jīng)恢復(fù)(1407.4萬千瓦)，輸電網(wǎng)中78%的變電站已通電。
7:00
西班牙國家電力公司報(bào)告稱，已恢復(fù)99.95%的電力負(fù)荷(2579.4萬千瓦)。輸電網(wǎng)中全部680個(gè)變電站已恢復(fù)運(yùn)行。
11:00
西班牙電力供應(yīng)商說，該國電力系統(tǒng)運(yùn)行正常，幾乎所有用戶恢復(fù)供電。葡萄牙國家能源網(wǎng)公司說，該國所有用戶電力供應(yīng)恢復(fù)。
西葡大停電是偶然還是必然？
國網(wǎng)能源研究院有限公司 苗中泉 菅泳仿 毛吉康
4月28日，歐洲伊比利亞半島發(fā)生大規(guī)模停電事故。在全球能源轉(zhuǎn)型持續(xù)深入推進(jìn)的背景下，該事件究竟是偶然現(xiàn)象，還是帶有某種階段性的必然？
現(xiàn)代電網(wǎng)具有天然的脆弱性
作為現(xiàn)代社會(huì)最重要的能源基礎(chǔ)設(shè)施之一，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)乎國計(jì)民生，實(shí)為“國之大者”。但現(xiàn)代電網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展為由物理電力和信息通信構(gòu)成的復(fù)雜耦合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有與生俱來的脆弱性。
現(xiàn)代電網(wǎng)已經(jīng)成為有史以來規(guī)模最大的人造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而電網(wǎng)具有超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生的級(jí)聯(lián)故障風(fēng)險(xiǎn)。以我國為例，到2023年底，我國僅220千伏及以上的輸電線路就已超過92萬千米，電網(wǎng)運(yùn)營線路總里程超過350萬千米，形成多達(dá)數(shù)百萬節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。稍有不慎，高度互聯(lián)特性就會(huì)使得局部故障擴(kuò)散、放大至區(qū)域甚至跨區(qū)電網(wǎng)，造成不可估量的損失。
電網(wǎng)受實(shí)時(shí)平衡的物理約束，對(duì)電壓、頻率的擾動(dòng)極為敏感。為保障電力供應(yīng)，電力系統(tǒng)需遵循嚴(yán)格的能量守恒定律，發(fā)電與用電必須實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)動(dòng)態(tài)平衡。國內(nèi)外案例顯示，電壓偏差超過±10%或頻率偏差超過±0.5赫茲，都可能導(dǎo)致設(shè)備故障或系統(tǒng)不穩(wěn)定，嚴(yán)重者甚至可能導(dǎo)致部分電網(wǎng)解列或大面積停電。
電網(wǎng)設(shè)備絕大多數(shù)直接暴露于自然環(huán)境中，對(duì)環(huán)境變化的敏感性極高，倍增其系統(tǒng)的脆弱性。極端天氣、地質(zhì)災(zāi)害，以及高空電磁脈沖、山火等災(zāi)害，都可能導(dǎo)致輸電線路斷裂、設(shè)備損壞、系統(tǒng)失衡。這些環(huán)境災(zāi)害既會(huì)直接給輸電線路、桿塔、變電站等電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施造成物理破壞，也會(huì)因?yàn)楦邷亍⒗纂姷仍斐呻娋W(wǎng)設(shè)備過載或絕緣失效，增大運(yùn)行壓力，提升故障率，還會(huì)通過引發(fā)電網(wǎng)負(fù)荷的突變導(dǎo)致更頻繁的電網(wǎng)頻率和電壓的擾動(dòng)，威脅系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
能源綠色轉(zhuǎn)型進(jìn)一步加劇
現(xiàn)階段電網(wǎng)的脆弱性
歐美發(fā)達(dá)國家的電網(wǎng)普遍建成于20世紀(jì)70年代到90年代，新興經(jīng)濟(jì)體的電網(wǎng)系統(tǒng)主體建成于21世紀(jì)初。這意味著現(xiàn)階段全球主要的電網(wǎng)在設(shè)計(jì)、規(guī)劃、建造時(shí)主要著眼于火電、水電、核電等穩(wěn)定電源。隨著近些年電源側(cè)綠色革命的快速推進(jìn)，特別是可再生能源的大規(guī)模發(fā)展，電網(wǎng)正經(jīng)歷著深度的變革，同時(shí)面臨越來越復(fù)雜的挑戰(zhàn)。
可再生能源接入電網(wǎng)的比例越來越高，電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的難度飆升?？稍偕茉窗l(fā)電具有間歇性、波動(dòng)性。與傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電、水電乃至核電相比，風(fēng)、光等自然因素幾乎完全超出人類的控制。當(dāng)出現(xiàn)突變時(shí)，為確保系統(tǒng)平衡，電力調(diào)度中心必須能夠立刻找到替代電源，否則就可能出現(xiàn)失控風(fēng)險(xiǎn)。隨著可再生能源接入電網(wǎng)的比例不斷升高，風(fēng)電和太陽能發(fā)電的波動(dòng)性傳導(dǎo)給電網(wǎng)頻率和電壓的影響也就越來越大，調(diào)頻和穩(wěn)壓的難度呈指數(shù)級(jí)上升。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)午間時(shí)段云層遮擋導(dǎo)致光伏電站發(fā)電驟降30%時(shí)，附近變電站電壓瞬間下跌8.7%。如果缺乏可靠的調(diào)頻穩(wěn)壓能力，不僅電網(wǎng)自身的穩(wěn)定運(yùn)行會(huì)受到?jīng)_擊，而且接入電網(wǎng)的精密儀器也會(huì)因此損壞。
近年來，電網(wǎng)裝載了越來越多的電子設(shè)備，在提升智能化、靈活性的同時(shí)，也帶來了難以避免的“副作用”。首先是電網(wǎng)的系統(tǒng)慣量下降。傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備具備轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電力系統(tǒng)依靠大量的設(shè)備慣性維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性。但與可再生能源深度嵌合的電子設(shè)備無法提供旋轉(zhuǎn)備用慣量，使得電網(wǎng)在頻率振蕩時(shí)失去有效的緩沖能力，因頻率失控而導(dǎo)致崩潰的風(fēng)險(xiǎn)越來越大。其次是電子設(shè)備在運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生高頻諧波，與其他電網(wǎng)設(shè)備發(fā)生共振，導(dǎo)致設(shè)備損壞。再次是電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行依賴遠(yuǎn)程數(shù)字控制系統(tǒng)，物理設(shè)施與數(shù)字系統(tǒng)的深度融合為電網(wǎng)的安全運(yùn)行增加了新的風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景。數(shù)字控制系統(tǒng)響應(yīng)延遲、控制參數(shù)設(shè)置失配、控制系統(tǒng)遭受遠(yuǎn)程篡改等，都可能引發(fā)電網(wǎng)運(yùn)行失穩(wěn)。
大停電是西葡能源轉(zhuǎn)型失衡
發(fā)展的一種必然
解決能源綠色轉(zhuǎn)型給電網(wǎng)帶來的挑戰(zhàn)，最根本的是要依靠電網(wǎng)技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新突破，建立面向新形勢(shì)、應(yīng)對(duì)新挑戰(zhàn)的電網(wǎng)管理、運(yùn)行、監(jiān)管體制機(jī)制。當(dāng)務(wù)之急是要進(jìn)一步加大投資，加快電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能建設(shè)，把原本立足于接入集中式、穩(wěn)定電源的傳統(tǒng)電網(wǎng)，升級(jí)改造為新型韌性智慧電網(wǎng)，足以消納更大規(guī)模的、泛在的、波動(dòng)性強(qiáng)的兼具產(chǎn)消一體特征的可再生能源。國際能源署的研究顯示，為實(shí)現(xiàn)氣候目標(biāo)，到2030年全球電網(wǎng)投資規(guī)模需達(dá)到平均每年6000億美元，而配電網(wǎng)的數(shù)字化和現(xiàn)代化建設(shè)將是投資的重點(diǎn)。
在能源綠色轉(zhuǎn)型加快推進(jìn)的條件下，傳統(tǒng)電網(wǎng)具有不容忽視的結(jié)構(gòu)性脆弱，已成為影響能源轉(zhuǎn)型深入發(fā)展的關(guān)鍵問題。如果缺乏對(duì)電網(wǎng)建設(shè)的足夠投入，缺乏對(duì)建設(shè)新型電力系統(tǒng)的清晰認(rèn)識(shí)和準(zhǔn)確把握，則電網(wǎng)出現(xiàn)頻繁振蕩，引發(fā)供電失穩(wěn)，乃至出現(xiàn)不同程度的解列，導(dǎo)致局域甚至更大范圍的停電，不僅不是偶然事故，反而更是能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程中源網(wǎng)荷儲(chǔ)各環(huán)節(jié)發(fā)展失衡的必然結(jié)果。
至此，可以聚焦西葡兩國的具體情況從而回答開頭的問題。第一，兩國電力系統(tǒng)中，可再生能源的占比已經(jīng)超過八成，事故發(fā)生時(shí)接近100%，電網(wǎng)處于脆弱的頂點(diǎn)。第二，與歐洲電網(wǎng)整體水平相似，兩國電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行超過30年，老化嚴(yán)重，缺乏有效應(yīng)對(duì)可再生能源超高比例接入的物理保障。第三，傳統(tǒng)電源退出過快，而電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能規(guī)模不夠，電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)平衡能力下降。加上有待西葡兩國相關(guān)部門詳細(xì)調(diào)查的其他技術(shù)性原因，共同引發(fā)了此次事故。表面上看具有某種偶然性，但實(shí)際上恰是能源轉(zhuǎn)型失衡發(fā)展所醞釀的系統(tǒng)危機(jī)的一次集中體現(xiàn)。
此次大停電事故對(duì)我國具有不可多得的樣本意義。一是要重新審視能源快速轉(zhuǎn)型過程中傳統(tǒng)電源在電力系統(tǒng)運(yùn)行中的重要作用，先立后破的原則不能丟。二是要堅(jiān)持全局觀念和系統(tǒng)思維，從整體安全和全局最優(yōu)的角度，持續(xù)增強(qiáng)新能源發(fā)展與能源和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)型的匹配度。三是全球能源轉(zhuǎn)型已經(jīng)進(jìn)入“無人區(qū)”，出現(xiàn)的新問題、新挑戰(zhàn)沒有前車之鑒可以參考。要進(jìn)一步加快科技、監(jiān)管、市場(chǎng)機(jī)制、投融資等全方位創(chuàng)新，面向國家能源轉(zhuǎn)型遇到的問題探索創(chuàng)造性的解決方案，加快構(gòu)建新型能源體系、建設(shè)新型電力系統(tǒng)。在此過程中，以切實(shí)的成就，為全球能源轉(zhuǎn)型提供中國經(jīng)驗(yàn)、中國方案、中國智慧。
推進(jìn)可再生能源快速發(fā)展下的電網(wǎng)韌性建設(shè)
南方電網(wǎng)能源發(fā)展研究院有限責(zé)任公司 徐成 董英瑞 袁偉燦
4月28日，西班牙電網(wǎng)突發(fā)重大故障。這一事件不僅是歐洲近年來最嚴(yán)重的停電事故，更為全球能源轉(zhuǎn)型中的電網(wǎng)安全敲響了警鐘。西班牙作為可再生能源發(fā)展的先鋒，其電網(wǎng)暴露出的脆弱性折射出新能源高滲透率下的系統(tǒng)性挑戰(zhàn)，也為中國乃至全球的能源轉(zhuǎn)型發(fā)出了警示。
可再生能源“成長(zhǎng)痛”的全球共性
西葡大停電并非孤例。近年來，德國、美國加州等地均因新能源高滲透率遭遇電網(wǎng)穩(wěn)定性危機(jī)。例如，2022年德國因靜風(fēng)天氣導(dǎo)致風(fēng)電出力驟降，被迫重啟煤電機(jī)組；2021年美國得克薩斯州遭遇寒潮，當(dāng)?shù)匾话氲娘L(fēng)力發(fā)電機(jī)被凍住，引發(fā)大面積停電。
這些事件揭示出能源轉(zhuǎn)型中的共性挑戰(zhàn)。其一，可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性與慣性缺失問題突出，其出力受天氣影響而劇烈波動(dòng)，且缺乏傳統(tǒng)火電的旋轉(zhuǎn)慣量支撐，極易引發(fā)電網(wǎng)頻率失穩(wěn)。其二，調(diào)節(jié)資源結(jié)構(gòu)性短缺，儲(chǔ)能、燃?xì)獍l(fā)電等靈活性電源建設(shè)滯后，導(dǎo)致電網(wǎng)應(yīng)對(duì)突發(fā)功率波動(dòng)的“緩沖帶”嚴(yán)重不足。其三，跨區(qū)域電力互濟(jì)能力薄弱，現(xiàn)有輸電通道容量難以匹配新能源時(shí)空分布不均的特性，“余缺互濟(jì)”能力受限。這些問題共同構(gòu)成了高比例可再生能源接入下的電網(wǎng)脆弱性根源。
西葡大停電進(jìn)一步揭示了一個(gè)更深層次的矛盾——新能源裝機(jī)快速擴(kuò)張與電網(wǎng)適應(yīng)性升級(jí)嚴(yán)重脫節(jié)。數(shù)據(jù)顯示，西班牙2023年可再生能源發(fā)電占比已達(dá)51.5%，但同期電網(wǎng)投資卻逐年下滑，調(diào)節(jié)電源建設(shè)、數(shù)字控制系統(tǒng)升級(jí)等關(guān)鍵領(lǐng)域投入不足。這種“重電源、輕電網(wǎng)”的發(fā)展模式，導(dǎo)致系統(tǒng)備用容量?jī)H剩3%，在光伏突發(fā)脫網(wǎng)時(shí)毫無招架之力。
構(gòu)建“更智慧、更彈性”的新型電網(wǎng)
西葡大停電警示我們，能源轉(zhuǎn)型不能“一條腿走路”，必須同步推進(jìn)電網(wǎng)韌性建設(shè)。緊扣能源安全與轉(zhuǎn)型大局，我國需在四大核心環(huán)節(jié)協(xié)同突破。
強(qiáng)化靈活性資源的重要作用是提升電網(wǎng)韌性的核心路徑。一方面，需加快儲(chǔ)能規(guī)模化建設(shè)，重點(diǎn)推進(jìn)構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能、抽水蓄能電站建設(shè)，為系統(tǒng)提供快速響應(yīng)的調(diào)節(jié)能力。另一方面，需激活存量調(diào)節(jié)資源潛力，通過推動(dòng)煤電機(jī)組靈活性改造、探索氣電與新能源“打捆”運(yùn)行模式，充分挖掘傳統(tǒng)電源的調(diào)峰調(diào)頻價(jià)值，形成多能互補(bǔ)的調(diào)節(jié)體系。、
電網(wǎng)“神經(jīng)系統(tǒng)”的智能化升級(jí)是應(yīng)對(duì)復(fù)雜運(yùn)行挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。通過構(gòu)建基于數(shù)字孿生、智能傳感技術(shù)的全景感知體系，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光出力與負(fù)荷變化的秒級(jí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警，可大幅提升電網(wǎng)態(tài)勢(shì)感知能力。同時(shí)，推廣虛擬同步機(jī)、構(gòu)網(wǎng)型逆變器等主動(dòng)控制技術(shù)，增強(qiáng)新能源機(jī)組對(duì)電網(wǎng)頻率和電壓的主動(dòng)支撐能力，推動(dòng)新能源從“被動(dòng)并網(wǎng)”向“主動(dòng)參與”轉(zhuǎn)變。
織密跨區(qū)電力互濟(jì)“安全網(wǎng)”需在國內(nèi)與國際層面雙向發(fā)力。國內(nèi)層面，應(yīng)加快特高壓通道建設(shè)，提升跨省區(qū)輸電能力，破解新能源富集區(qū)外送瓶頸。國際層面，可深化與中亞、東南亞等地區(qū)的電力互聯(lián)合作，探索構(gòu)建“亞洲超級(jí)電網(wǎng)”，通過跨國互濟(jì)提升區(qū)域能源安全保障水平。
完善政策與市場(chǎng)機(jī)制是保障轉(zhuǎn)型可持續(xù)的基石。需健全輔助服務(wù)市場(chǎng)，通過容量補(bǔ)償、峰谷電價(jià)等市場(chǎng)化手段，激勵(lì)靈活性資源參與調(diào)峰調(diào)頻。同時(shí)，強(qiáng)化極端天氣應(yīng)對(duì)能力，建立新能源出力與氣象數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，制定分級(jí)應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，形成“預(yù)防—預(yù)警—處置”全鏈條管理體系，為新型電力系統(tǒng)筑牢制度防線。
