高比例可再生能源电力系统的关键科学问题与理论研究框架
发布时间：2021-12-13
摘要：大力发展可再生能源是应对能源危机和环境问题的重要手段，高比例可再生能源并网将成为未来电力系统的基本特征。文中从高比例可再生能源接入带来的强不确定性和高度电力电子化带来的稳定机理变化两个方面，分析了高比例可再生能源电力系统面临的关键科学问题。在此基础上，从中国未来电力系统结构形态分析与电力预测、含高比例可再生能源的输电系统规划、含高渗透率可再生能源的配电系统规划、电力电子化电力系统稳定性分析、含高比例可再生能源交直流混联系统的优化运行等5个方面，提出了高比例可再生能源电力系统的研究框架，重点阐述了这5个方面的相互关系。最后，对未来高比例可再生能源电力系统的研究进行了总结和展望。
关键词：高比例可再生能源;电力系统规划;优化运行;稳定分析;负荷预测;输电网;配电网
0 引言
在当前全球能源安全问题突出、环境污染问题严峻的大背景下，大力发展风电、太阳能发电、水电等可再生能源，实现能源生产向可再生能源转型，是中国乃至全球能源与经济实现可持续发展的重大需求[1]。中国可再生能源近年来发展迅猛，2030年前中国 可 再 生 能 源 的 发 电 量 占 比 将 达 30% 以 上[2]。一方面，目前中国可再生能源消纳面临严峻局面，大量弃风弃光，造成了极大的浪费;另一方面，高比例可再生能源并网将成为中国电力系统的必然发展趋势和未来重要特征。在可再生能源革命驱动下，对高比例可再生能源电力系统开展深入的理论研究，为中国大型可再生能源电站并网和高比例可再生能源电力系统规划与运行奠定理论基础，对促进高比例可再生能源消纳，减少弃水、弃风、弃光电量，提高整个能源系统效率等具有重要意义。
传统的电力系统规划设计主要考虑常规火电、水电或者核 电 的 接 入，负荷也呈现一定的规律性。在低比例可再生能源接入下，电力系统仅需要考虑如何为可再生能源电力系统的随机性提供备用等问题。而随着集中式和分布式可再生能源并网比例的进一步提高，电网的源端和荷端呈现较大的不确定性，电力系统的运行形态将更加复杂;另外，可再生能源并网使得电力系统的电力电子接口更多，电力系统惯性更小，稳定机理将发生变化[3]。
目前，国内外学者对可再生能源并网相关问题的研究很多，包括电力系统的优化运行、规划、保护、稳定分析等各个方面。文献[4]定量分析了中美两国整体风力资源、平均理论容量因子等，并从提高电力系统灵活性等方面提出了应对弃风等问题的措施;文献[5]从 源—网—荷端电力电子装备显著增加的视角，分析了不同时间尺度下电力电子化电力系统电压、功角稳定问题，并提出了一种幅相动力学分析方法;文献[6]利用电力规划和生产模拟模型对中国可再生能源发展情景进行了分析，预期中国2050年可再生能源装机占比将达到60%左右;文献[7]定量分析了高比例风电对系统调频体系的影响;文献[8]建立了高比例风电爬坡事件模型，定量表示爬坡事件表征量与风电功率曲线之间的关系，构建了评估系统运行充裕性的指标体系;文献[9]构建了小时级别的调度模型，指出在当前并网电价水平下，通过有效的电力体制改革，到2030年中国的并网风电总量可达到电力总供应量的26%左 右。文 献[10]从运行的角度提出了一种考虑风电波动性和随机性的电力系统灵活性评估指标体系。在此基础上，文献[11]从电力系统灵活性角度出发，对含高比例可再生能源 电 力 系 统 的 规 划 进 行 了 综 述 和 展 望。文献[12]从规划的角度对国内外关于风电容量可信度的评估方法进行了综述，总结了影响风电容量可信度的重要因素。
除上述研究之外，与高比例可再生能源电力系 统相关的其他领域研究也很多，包括多能源系统融合促进可再生能源消纳、可再生能源并网下的电力系统保护与控制、能源互联网时代下的信息物理系统等。为了聚焦电力系统本身，本文主要关注电力系统的规划、运行等方面的基础问题。另外，由于水电规划和运行技术成熟，且水电与风电、光伏等间歇性可再生能源的不确定性特征有显著差异，因此后文的可再生能源主要是指“非水可再生能源”。本文首先分析总结了高比例可再生能源电力系统的若干基本特性;在此基础上提出了高比例可再生能源电力系统面临的主要科学问题;然后，给出了未来高比例可再生能源电力系统的理论研究框架;最后，对高比例可再生能源电力系统的关键技术进行了展望。
1 高比例可再生能源电力系统基本特征
表1给出了2015年中国部分省市区可再生能源装机容量和发电量占比的统计结果，可以看出，当前中国甘肃、新疆、宁夏、内蒙古、青海等局部地区的非水可再生能源装机容量占比已超过或接近30%，非水可再生能源发电量占比已经超过或接近10%。
未来中国风电和太阳能发电的装机容量将呈现持续上升趋势。预计高比例场景下，2030年和2050年 中 国 风 电、太阳能发电总装机容量分别高达2.2TW 和5.1TW，局部地区非水可再生能源发电量占比将超过30%。
高比例可再生能源接入后，电力系统将呈现以下几个方面的特征。
1)电力电量平衡概率化。当可再生能源发电占比较低时，传统的火电、水电、核电等机组能够完全满足电力电量平衡要求，可再生能源出力仅作为电力系统的补充;而电力系统接纳高比例可再生能源的一大重要标志在于：可再生能源将承担一部分负荷平衡的责任，传统机组不再独立满足负荷需求，在电力电量平衡中，可再生能源将由“锦上添花”的角色变为与常规能源“平分秋色”。电力系统电力电量平衡以及容量充裕度的概念与方法将由目前确定性的思路向概率性的思路转化。
2)电力系统运行方式多样化。在较少可再生能源并网时，由于负荷变化相对有规律，整个电力系统的运行方式相对固定，例如在电力系统规划时，只需要选取不同季节的典型负荷曲线;而在高比例可再生能源电力系统中，由于在源端和荷端存在较大的不确定性，电力系统的“边界条件”将更加多样化，未来的电网结构形态需要具有更大的“可行域”以满足整个系统的安全性。另外，传统方法(如确定性预测方法、确定性规划方法和运行方法)无法指导系统规划和运行，需要充分引入并评估源端和荷端的不确定性[13]。
3)电网潮流双向化。在配电网中，分布式可再生能源并网将成为未来重要发展趋势，当局部地区可再生能源的瞬时出力大于负荷时，配电网将会发生潮流反转，向主网倒送功率，可能产生严重的过电压问题[14];在输 电 网 中，正 常 情 况 下 联 络 线 传 输 功率保持相对恒定，而为了跨区消纳可再生能源，联络线潮流可能要“随风而动”，导致联络线功率波动或双向流动，形成跨区电网互济。可见，在高比例可再生能源接入下，电网不仅仅承担电能传输的作用，而且将更多地承担电能互济、备用共享的职能。
4)电力系统稳定机理复杂化。高比例可再生能源大力发展，意味着系统中电力电子装备将不断增加，导致系统惯性降低，其稳定机理发生变化。一方面，风电、光伏等可再生能源通过电力电子变换装置接入电网;另一方面，柔性直流输电技术、直流配电技术、负荷 侧 电 力 电 子 装 置 也 在 不 断 涌 现。在 源— 网—荷不同 环 节 电 力 电 子 元 件 的 普 及 程 度 不 断 提高，特性不一，导致电力系统的暂态特性难以用现有的经典理论解释与分析[6]。
5)电力系统灵活资源稀缺化。当可再生能源占比较高时，扣除可再生能源出力后的电力系统“净负荷”短时波动将非常明显，光伏比例大的电力系统可能出现“鸭型曲线”等，对于调频、负荷跟踪能力的需求大大增加。为了实现实时平衡，需要传统机组、储能、需求响应等多方面资源进行灵活的调节[15]。传统机组需要实现从“主要能源供应者”向“灵活性资源提供者”的转变。
6)电力系统源荷界限模糊化。未来可再生能源将逐步从集中式为主的发展方式转变为集中式、分布式并举，电动汽车、分布式储能、需求响应在需求侧不断普及。系统中传统的电能消耗者也可能成为电能的提 供 者，出 现 所 谓 产 销 者(prosumer)，电 力系统将变得 更 加 扁 平 化[16]，源—荷 的 界 限 也 更 加 模糊。在未来电力系统运行和规划过程中需统筹考虑源—网—荷特性。
2 高比例可再生能源电力系统科学问题
高比例可再生能源并网，将会改变电力系统的基本形态，主要有两方面原因：①可再生能源本身出力具有强不确定性;②可再生能源的并网、传输和消纳在源—网—荷端 引 入 了 更 多 电 力 电 子 装 置。由 此产生高比例可再生能源电力系统的两个科学问题： ①电力系统多时空耦合的强不确定性问题;②电力系统电力电子化趋势问题。
相关期刊推荐：《电力系统及其自动化学报》(月刊)创刊于1989年，由全国高等学校电力系统及其自动化专业学术年会和天津大学共同主办，向国内外公开发行的学术刊物。学报刊登电力系统及其自动化领域的基础理论研究、重要设备研究开发方面的学术论文和研究成果报告，也发表高校教学和科研方面的经验交流和国内外学术动态报道及相关企业的生产和研究工作的介绍等。
针对高比例可再生能源并网带来的多时空强不确定性和电力系统电力电子化趋势，现有电力系统必须实现从“被动适应可再生能源并网带来的不确定性”的 模 式，到 主 动 构 建“强 不 确 定 性—交 互 性 耦合”的友好互动模式的转变。这种转变对于大型可再生能源电站并网和高渗透率可再生能源发电集群灵活并网、提高电网消纳可再生能源的能力具有重要意义。下面具体阐述这两个科学问题。
2.1 多时空强不确定性与电力系统形态演化科学
问题1：高比例可再生能源并网对电力系统形态演化的影响机理和源—荷强不确定性约束下输配电网规划和运行问题。如图1所示，以绿色发展为目标，中国即将步入可再生能源大规模集群并网、高渗透率分散接入并重的发展阶段，电力系统形态将发生巨大变化。在源端强波动性、随机性与荷端大量含源负荷的共同作用之下，输配电网络的规划与运行特征也将发生根本性变化。
具体地，对于源端和荷端，通常需要对中长期和短期的可再生能源出力和负荷进行预测，可再生能源出力多时空耦合具有较大的不确定性，分布式可再生能源的接入对“净负荷”的预测技术也带来了极大的挑战。另外，电力系统的形态发生了较大的变化，包括交直流混联等，需要适应电网边界条件的多样化、分散化和差异化，解决电网的分析和规划所面临的挑战[17]。因此需要革新电力系统传统的预测、规划等理论与方法，以适应高比例可再生能源引起的多时空强不确定性。
2.2 电力系统电力电子化
科学问题2：源—网—荷 高 度 电 力 电 子 化 条 件 下电力系统多时间尺度耦合的稳定机理与协同运行问题。
如图2所示，高比例可再生能源电力系统中，网架结构发生变化，可再生能源通过电力电子装置并网，通过交直流线路进行传输，负荷侧也出现了多样化的电力电子装置。电力电子技术广泛应用于可再生能源并网、能量路由器、电能传输和负荷接入，使源—网—荷都将呈 现 高 度 电 力 电 子 化 的 趋 势。电 力电子装置具有低惯性、弱抗扰性和多时间尺度响应特性，导致电力电子化电力系统的稳定性分析理论和优化运行方法将出现根本性变化。
具体地，火 电、水电等传统机组具有较强的惯性，现有稳定性分析方法如派克变换、等面积定则主要适用于这类机组的分析[18]，而对于含大量电力电子装置的弱惯性系统，需要考虑不同电力电子设备的运行特性、控制策略等。另外，电力电子化的电力系统也需要对稳定域、系统短路比[19]等指标重新进行定义，以适应未来电力系统的稳定性分析和优化运行。
3.高比例可再生能源电力系统研究体系
3.1 研究主线
围绕多时空强不确定性与电力系统形态演化、电力系统电力电子化这两个科学问题，本文提出了未来高比例可再生能源电力系统的研究脉络，如图3所示。首先，多时空强不确定性 和 电 力 系 统 电力电子化2条 主 线 贯 穿“源—输 电 网—配 电 网—负 荷(发输配用)”4个环节始终;在此基础上，将这2条主线和4个环节划分为“电力系统结构形态与预测” “输电网规划”“配电网规划”“高度电力电子化电力系统稳定分析”“交直流混联系统优化运行”这5个着眼点开展研究。
本章将围绕高比例可再生能源电力系统，从电力系统的“形态、结构、预测”到输配电网络规划，最后到运行的层次逐级递进;其时间尺度是从电力系统“形态、结构”的长时间尺度，过渡到输配电网络规划的中长期时间尺度，最后到输配电网络稳定分析与优化运行的短时间尺度。
3.2 研究框架
本文提出的未来高比例可再生能源电力系统的研究框架如图4所示。首先，研究电力系统结构形态演化模型与电力预测方法，提供源—网—荷结构形态和各种运行场景，以及不同可再生能源渗透率下的电力电量预测结果，作为电力系统规划和运行研究的输入边界条件。在此基础上，其他研究点从规划和运行两个方面展开，为电力系统形态和结构的研究提供系统安全经济运行边界以及可再生能源消纳能力评估结果。
输配电网络规划在整个研究框架中起到了承上启下的作用：一方面规划要基于“电力系统形态和预测”研究得到的能源电源负荷场景，并将其对输配电网络的技术需求转化成具体的规划方案;另一方面，输配电网规划的研究成果为后续输配电网优化运行和稳定机理相关的研究提供基础数据和场景;同时，输电网规划和配电网规划需要相互协调，实现输配电系统的协同规划。
电力电子化电力系统稳定理论和电力系统优化运行研究共同在优化运行领域展开研究，紧扣大规模可再生能源并网后源—网—荷电力电子化趋势，分别从稳定机理探索、输配电网优化运行两个子领域进行研究。其中，稳定机理分析可以为电力系统优化运行的研究提供基础与支撑。稳定分析和优化运行的研究将为输配电系统规划的研究提供安全和稳定判据。
4 高比例可再生能源电力系统的核心技术
下面将分别从“电力系统形态与预测”“输电网优化规划”“配电网优化规划”“电力电子化电力系统稳定性分析”“输配电网优化运行”这5个方面对未来高比例可再生能源电力系统的核心技术进行具体阐述。
4.1 未来电力系统结构形态与电力预测
高比例可再生能源电力系统结构形态和电力预测理论的研究框架如图5所示。
可再生能源出力和负荷是电力系统规划和运行的重要边界条件，提高可再生能源出力和负荷预测的精度能够有效降低电网规划和运行成本。在高比例可再生能源，特别是分布式可再生能源并网情况下，需求侧出现了大量储能、电动汽车、需求响应等灵活性资源。这些灵活性资源与可再生能源出力以及实际用电需求一起可以称为广义负荷。首先，研究广义 负 荷 的 耦 合 联 动 特 性，包 括 辨 识 其 组 成 结构[20]，探索复杂多重不确定性场景下广义负荷对经济、气象、电价等外界因素的响应特性[21]，研究负荷的多时空尺度演变与转移规律，建立广义负荷的动态关联模型与响应特性以及高比例可再生能源与电力需求的互动耦合模型。在此基础上，需要研究面向用户—馈线—母线—系统，包含实时—短期—中期—长期的可再生能源与需求互动的电力预测与评估理论。针对可再生能源的强随机性，探索不同时空尺度下可再生能源和负荷不确定性的描述方法，研究考虑预测误差相关性的区间预 测 与 概 率 预 测 方法[22]。最后，对所 提 出 的 电 力 预 测 技 术，建 立 面 向高比例可再生能源消纳的电力预测评估方法，与传统基于误差数值统计不同，需要充分考虑预测误差对系统规划和运行成本造成的影响[23-24]，进而根据预测评价结果动态取舍和优化预测技术，将多种预测技术进行优化组合以提高预测精度。
在电力系统结构形态方面，未来中国可再生能源的发展主要是受节能减排、低 碳 发 展 的“外 力 驱动”的影响，其电网发展的机理与顺应电力系统“内在需求”的发展机理可能存在较大的区别。所以，需要探索以清洁低碳化为目标的未来能源、电力格局变化趋势及其演化机理，在低碳清洁发展和技术创新驱动下的电力系统输电网和配电网结构形态及其演化机理。在此基础上，进一步研究面向中远期可再生能源的发展规划和电源规划模型，构建中国能源—电源系统典 型 结 构 形 态 及 布 局 场 景，进 而 研 究输电网和配电网结构形态的标准特征集及评估方法，构建适应高比例可再生能源集群送出的输电网结构形态、高渗透率分布式电源和储能接入的配电网形态[25]。
4.2 高比例可再生能源输电网优化规划.
高比例可再生能源输电网规划理论研究框架如图6所示。对于输电网，高比例可再生能源接入将使电力系统运行方式多样化、电网交直流连接复杂化。具体表现在：①电源和电网规划耦合更加紧密，需要揭示源网协同的机理，研究源网协同规划方法;②可再生能源的多时空不确定性对电力系统运行机理影响较为复杂，现有的规划模型难以有效考虑这些复杂的时空特性;③未来交直流混联系统本质地改变了电力系统运行的优化和控制方式，这些运行层面的优化和控制需要在规划中进行考虑;④最后，传统的电力系统规划可以通过若干种典型的运行场景进行评估，而未来电力系统在强不确定性环境下，系统运行方式多样化，需要对系统运行方式进行全面评估，才能掌握电网规划方案的安全性、经济性和适用性。——论文作者：康重庆1，姚良忠2
