电力行业 碳中和的实施方式和障碍

大电网消纳方式的现实障碍和解决方案

2019年8月9日，英国伦敦发生了2003年以来最严重的停电事故。虽然导致这次事故的原因有很多，但其中最重要的原因是高比例风光发电的电网转动惯量不足，异常扰动导致频率异常波动，风电机组群对频率波动抗干扰能力不足而脱网，系统备用不足造成的联锁反应。此次停电事故，给我们敲响了警钟，需要我们认真思考电网实现高比例风光发电消纳的技术和经济约束，以及可行的解决方案。

高比例风光发电接入系统影响转动惯量的问题及解决方案

电网的安全稳定运行需要足够的转动惯量。电网频率是交流电网运行的重要参数，需要保持在恒定范围内。电网转动惯量就是系统内同步发电机转子旋转过程中，根据自身转速信号实现的一次调频功能来保持电网频率稳定的能力。目前世界范围内，低转动惯量或无转动惯量电网的运行经验是完全没有的，对于低转动惯量的电网，一旦出现短时电力不平衡问题（扰动），将出现电网频率大幅波动，对系统的频率稳定是极为不利的，继而形成连锁事故。所以对交流电网的稳定能力而言，系统必须配置足够的转动惯量。

高比例风光发电明显影响系统转动惯量。目前主流的风力发电机组是变速恒频机组，其基本并网原理是将异步发电机发出频率不定的交流电整流为直流电，再由逆变器逆变为与电网同频率的交流电后与系统并列。光伏发电由发电板直接发出直流电后，由逆变器逆变为与电网同频率的交流电后与系统并列。经过整流器和逆变器等电子系统转换的电力，缺失了同步发电机大重量转子维持系统频率稳定的能力。随着风光发电接入系统，直接造成系统转动惯量下降，风光发电比例越高，在线运行的其他同步机组越少，转动惯量下降越快，严重威胁系统的运行稳定。

高比例风光发电接入系统的可行解决方案。高比例风光发电机组会造成系统转动惯量下降，为了防范大电网转动惯量下降过多，威胁系统安全，现阶段高比例风光发电影响系统转动惯量问题，可采用两个技术方案解决，但是经济代价均较为高昂。

一是运行足够比例的火电机组。为了碳中和目标，电量的生产并不需要大量的火电机组，但是为了保证转动惯量足够，必须保证足够比例火电机组在线。即利用大电网消纳风光发电时，为了保障交流电网频率的稳定能力，电网运行中必须有一定比例的同步发电机。考虑到水电机组的季节性和核电机组调节空间不足的问题，系统中必须运行与风光发电机组容量合理比例的煤电机组和燃气机组，以保证足量的转动惯量和调节能力，最终造成风光发电消纳成本大幅上升。

二是采用虚拟同步机实现风光发电可调节的“合理弃电”。

为了提高风光发电的可控性，在风光发电中应用虚拟同步机技术模拟转动惯量的一次调节，可减少对系统的不平衡影响，提高系统频率稳定性。虚拟同步机是在风光发电并网逆变器内的控制器中，加入一种模拟同步发电机的运行机制和外特性的控制算法，在系统供应短缺时增加风光发电出力，系统供应过剩时减少发电出力，以自动控制方式维持平衡。虚拟同步机会造成风光发电响应系统需要时自动“合理弃电”，实现自然资源的可调节性，增加系统的平衡能力和频率稳定能力。但是虚拟同步机技术毕竟不是真实的同步机组，能够提供的转动惯量和可调节范围有限。

高比例风光发电接入系统影响备用问题及解决方案

电网的安全稳定运行对备用的要求。电网安全稳定运行，要求系统必须满足电力平衡，任意时刻必须满足三个条件：总发电能力必须大于负荷且有一定冗余，总发电功率必须等于总负荷功率+损耗功率，局部输送能力必须大于局部净需求并有一定冗余。这就要求系统内必须有足够的备用容量以应对系统内的故障、发电减出力和负荷波动。按照GB/T38969-2020《电力系统技术导则》规定，系统备用容量为最大负荷的2%～5%，事故备用容量为最大负荷的10%，不小于系统一台最大机组或馈入最大容量直流的单级容量。

高比例风光发电对系统备用的影响。由于风光新能源出力的随机性、波动性和间歇性，造成系统内总的发电能力不可控。按照GB/T38969-2020《电力系统技术导则》规定，风电、太阳能等新能源装机较多的地区，需结合风光发电出力特性和参与平衡的比例，额外设置一定的负荷备用容量。

根据30·60目标的推算，未来风光新能源装机规模要达到40%～70%，如此高比例的风光发电接入系统，将迫使系统预留备用的比例大大增加。光伏能源随着太阳光照强度波动，风电随着自然来风变化，如果两者在同一时期叠加，会造成风光发电出力大幅波动，甚至在极端情况下会造成风光发电出力从最大负荷突减至零，严重威胁系统运行安全，使得系统备用容量需求大大增加。欧盟28国传统电源的容量一直保持与最大负荷相当，作为其他发电的备用容量，为了满足电网的安全，系统备用容量大大增加。

高比例风光发电接入系统的解决方案。为了减小风光新能源出力的不确定性对大电网备用容量需求的影响，适应未来“30·60目标”的高比例风光发电要求，需要在以下四个方面加大技术投入：

一是提高风光出力预测的准确性。目前国内风光预测24小时准确率为70%，而美国风光预测24小时准确率已达90%以上。提高风光出力预测的准确性可以有效较少系统对备用负荷的影响。

二是提高风光新能源安全稳定性。风电光伏在发电过程中大量使用整流、逆变器等电子设备，其对于系统波动的抗干扰能力较常规机组严重不足，特别是需要提高其低电压穿越能力，风光发电安全性的提高可以有效减少系统对备用负荷的需求。

三是保持可调节电源足够容量并进行灵活性改造。利用大电网系统内部可调节性机组的调峰能力实现风光发电消纳，需要加大可调节电源的灵活性改造，提高可调节性机组的顶峰压谷能力，特别是提高机组负荷调整速率，提高电网消纳风光发电能力和有效备用负荷，需要强调的是必须保持具备该特性的机组足够的容量。

四是加快智能电网技术的发展。未来智能电网的发展，将利用通讯网络技术、传感和测量技术、先进的控制方法以及决策支持系统技术，有效预测风光发电发电能力和备用预留，确定资源配置最佳地理范围，提升电力设备利用效率，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好的目标。