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新 型 电 力 系 统 New Type Power Systems V ol. 1 No. 1 Jun. 2023 第 1 卷 第 1 期 2023 年 6 月 新型电力系统面临的挑战及应对思考 郭剑波 1 ，王铁柱 2 ， 罗魁 2 ， 秦晓辉 2 ， 荆逸然 2 ， 赵兵 2 ， 马士聪 2 （ 1. 国家电网有限公司 ， 北京 100031 ； 2 . 中国电力科学研究院有限公司 ， 北京 100192 ） Development of New Power Systems Challenges and Solutions GUO Jianbo 1 , WANG Tiezhu 2 , LUO Kui 2 , QIN Xiaohui 2 , JING Yiran 2 , ZHAO Bing 2 , MA Shicong 2 1. State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China ； 2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China ABSTRACT The construction of new power systems is the key solution to realize the carbon peak and carbon neutrality targets and energy transformation. With the deepening revolution of the energy structure, the power system structure and characteristics will also experience profound changes. The existing technology cannot satisfy the requirements of ensuring power supply, grid security and energy consumption in the whole stage of energy transformation, and therefore, the construction of the new power systems faces a series of challenges. This paper briefly introduces the energy and power scenarios under the “dual carbon ” target, systematically analyzes the challenges of sufficiency, security, economy and institutional mechanisms facing by the new power systems, and puts forward key technologies. Finally, compared with the existing power systems, this paper summarizes the main innovations of the new power systems. KEY WORDS new power systems; energy and electric power scenario; sufficiency challenge; security challenge; economic challenge; key technology; system revolution 摘要 构 建 新 型 电 力 系 统 是 我 国 实 现 双 碳 目 标 和 能 源 转 型 的 重 要 途 径 。 随 着 能 源 结 构 变 革 的 深 入 推 进 ， 电 力 系 统 的 结 构 和 特 性 也 将 发 生 深 刻 变 化 ， 安 全 ‒ 经 济 ‒ 环 境 “ 矛 盾 三 角 形 ” 是 构 建 新 型 电 力 系 统 将 面 临 的 长 期 挑 战 。 该 文 简 要 介 绍 了 我 国 “ 双 碳 ” 目 标 下 的 能 源 和 电 力 场 景 ， 系 统 分 析 了 我 国 新 型 电 力 系 统 面 临 的 充 裕 性 、 安 全 性 、 经 济 性 和 体 制 机 制 挑战，提出了值得关注的关键技术 ，最后总结提炼了新型电力系统相对于传统电力系统的主要变革 。 关键词新型电力系统； 能源电力场景； 充裕性挑战；安全性挑战；经济性挑战 ；关键技术；系统变革 0 引言 为 应 对 气 候 变 化 ， 落 实 巴 黎 协 定 ， 中 国 承 诺 2030 年 左 右 二 氧 化 碳 排 放 达 到 峰 值 ，2060 年 实 现 碳 中 和 [1] 。2021 年 中 央 财 经 委 员 会 第 九 次 会 议 提 出 要 构 建 清 洁 低 碳 安 全 高 效 的 能 源 体 系 ， 控 制 化 石 能 源 总 量 ， 着 力 提 高 利 用 效 能 ， 实 施 可 再 生 能 源 替 代 行 动 ， 深 化 电 力 体 制 改 革 ， 构 建 以 新 能 源 为 主 体 的 新 型 电 力 系 统 。 党 的 二 十 大 报 告 强 调 确 保 粮 食 、 能 源 资 源 、 重 要 产 业 链 供 应 链 安 全 ； 立 足 我 国 能 源 资 源 禀 赋 ， 坚 持 先 立 后 破 ， 有 计 划 分 步 骤 实 施 碳 达 峰 行 动 ； 加 快 规 划 建 设 新 型 能 源 体 系 。 能 源 结 构 由 高 碳 向 低 碳 转 型 ， 是 实 现 “ 双 碳 ” 目 标 的 关 键 ， 而 电 力 又 是 其 主 战 场 。 能 源 结 构 转 型 需 要 在 生 产 侧 进 行 清 洁 替 代 ， 在 消 费 侧 进 行 电 能 替 代 。 生 产 侧 用 清 洁 能 源 替 代 化 石 能 源 ， 清 洁 能 源 目 前 主 要 以 电 能 形 式 开 发 利 用 ； 消 费 侧 通 过 电 能 替 文章编号2097-2784202301-0032-12 中图分类号TM 721 文献标识码A 基金项目 中 国 工 程 院 战 略 研 究 与 咨 询 项 目 “ 高 比 例 新 能 源 系 统 构建与战略研究 ”2021-JJZD-03 。 Project Supported by Chinese Academy of Engineerings Strategic Research and Consulting Program 2021-JJZD-03.郭剑波等新型电力系统面临的挑战及应对思考 第 1 期 代 ， 可 降 低 终 端 用 能 部 门 直 接 碳 排 放 ， 并 降 低 全 社 会 整 体 碳 排 放 [2] 。 电 力 系 统 将 成 为 能 源 供 应 、 消 费 以 及 传 输 转 换 的 主 要 环 节 ， 需 要 支 撑 清 洁 能 源 的 消 纳 、 保 障 终 端 多 种 用 能 的 需 求 ， 形 成 可 支 撑 多 种 能 源 品 种 交 叉 转 换 的 现 代 能 源 体 系 枢 纽 和 平 台 。 美 国 、 英 国 、 欧 盟 等 发 达 国 家/ 地 区 在 政 府 主 导 下 持 续 推 动 能 源 低 碳 转 型 和 电 力 系 统 变 革 ， 在 新 能 源 本 文 中 新 能 源 特 指 风 、 光 新 能 源 ， 下 同 发 电 和 并 网 、 电 力 市 场 运 营 、 火 电 机 组 灵 活 性 改 造 等 方 面 取 得 了 一 系 列 进 展 ， 丹 麦 2021 年 新 能 源 发 电 量 占 比 超 过 50， 德 国 和 英 国 可 再 生 能 源 发 电 量 占 比 约 40 。 与 此 同 时 ， 近 年 来 国 外 高 比 例 新 能 源 电 力 系 统 事 故 频 发 ， 如 英 国 2019 年 “89” 大 停 电 事 故 、 美 国 得 州 2021 年 2 月 的 电 力 短 缺 、 澳 大 利 亚 2022 年 6 月 中 旬 的 电 力 市 场 停 摆 事 件 [3-5] 。 因此 ， 必须加快新型电力系统的研究和建设 。 本 文 从 我 国 “ 双 碳 ” 目 标 下 的 能 源 和 电 力 场 景 出 发 ， 分 析 我 国 新 型 电 力 系 统 所 面 临 的 充 裕 性 、 安 全 性 、 经 济 性 和 体 制 机 制 挑 战 ， 提 出 应 对 措 施 和 关 键 技 术 建 议 ， 并 总 结 提 炼 新 型 电 力 系 统 相 对 于 传 统 电 力 系 统 的 主 要 变 革 。 以 期 为 能 源 电 力 行 业从业人员提供有益参考 。 1 能源电力发展场景 我 国 是 全 球 新 能 源 装 机 规 模 最 大 、 发 展 速 度 最 快 的 国 家 。 截 至 2022 年 底 ， 我 国 风 电 、 光 伏 发 电 装 机 容 量 分 别 达 到 3.7 亿 kW 和 3.9 亿 kW ， 新 能 源 装 机 占 我 国 电 源 总 容 量 的 27.3， 新 能 源 已 成 为 我 国 第 二 大 电 源 [6] 。 我 国 “ 三 北 ” 地 区 已 建 成 8 个 千 万 千 瓦 级 风 电 基 地 、8 个 太 阳 能 发 电 基 地 ， 部 分 省 份 新 能 源 已 成 为 第 一 大 电 源 ， 其 中 青 海 占 比 超 过 60 ， 甘 肃 占 比 接 近 50。2022 年 ， 西 北 电 网 新 能 源 发 电 量 占 比 达 到 23.56， 超 过 同 等 规 模 的 欧 盟 电 网 1.26。2022 年 ， 西 北 电 网 新 能 源 单 日 最 大发电量占比达35、 瞬时最大出力占比达48 。 过 去 几 十 年 电 力 系 统 的 快 速 发 展 满 足 了 新 能 源 快 速 发 展 需 求 ， 满 足 了 国 民 经 济 和 社 会 发 展 需 求 。 在 “ 双 碳 ” 目 标 、 能 源 转 型 和 新 型 电 力 系 统 构 建 的 多 重 驱 动 下 ， 我 国 能 源 电 力 系 统 仍 将 快 速 发 展 。 1 ） 我国2030 年能源场景预测 。 据 预 测 [7] ，2030 年 全 国 一 次 能 源 消 费 总 量 不 超 过 60 亿 t 标 煤 。2030 年 前 ， 我 国 能 源 消 费 增 速 逐 渐 放 缓 ， 从 近 十 年 3.0 的 年 均 增 速 降 到 1.5。 能 效 逐 渐 提 升 ，2030 年 单 位 GDP 能 耗 较 2021 年 下 降 近 1/4。 终 端 电 气 化 水 平 由 2021 年 的 27 上 升 至 2030 年的39 。 2 ） 我国2030 年电力场景预测 。 据 预 测 [7] ，2030 年 全 社 会 用 电 量 将 达 到 11.8 万 亿 kWh ， 电 源 装 机 总 量 将 达 到 40 亿 kW ， 风 光 发 电 装 机 超 过 煤 电 成 为 第 一 大 电 源 ， 但 煤 电 仍 然 是 电 力电量 供应主 体 ， 如表1 所示 。2030 年前电 力系统 碳 排 放 达 峰 ， 预 计 峰 值 约 49 亿 t ， 电 力 行 业 将 承 接 其 他 行 业 转 移 的 碳 排 放 ， 碳 减 排 任 务 和 压 力 更 大 。 3 ） 我国2060 年能源场景预测 。 据 预 测 [7] ，2060 年 我 国 一 次 能 源 消 费 总 量 较 2030 年 下 降1/4 左 右 ， 约 为46 亿t 标 准 煤 ， 如 图1a 所 示 ， 其 中 非 化 石 能 源 占 比 将 达 到 80 以 上 ， 其 中 风 、 光 成 为 主 要 能 源 ； 非 化 石 能 源 发 电 量 占 90 以 上 ； 终 端 能 源 消 费 方 面 ， 交 通 、 建 筑 、 工 业 等 行 业 纷 纷 将 电 气 化 作 为 实 现 双 碳 目 标 的 重 要 举 措 ， 电 能 占 终 端 能 源 消 费 比 例 将 超 过 70 ， 如 图1b所示电力行业是实现双碳目标的主战场 。 4 ） 我国2060 年电力场景预测 。 据 预 测 [7] ，2060 年 全 社 会 用 电 量 达 到 约 15.7 万 亿 kWh， 电 源 装 机 将 超 过 67 亿 kW 。 如 表 2 所 示 ， 非 化 石 能 源 装 机 占 比 和 发 电 量 占 比 均 超 过 80 ； 风 光 装 机 将 超 过 40 亿 kW ， 装 机 占 比 超 过 60， 发 表1 2030年中国不同电源装机量及发电量预测 Table 1 Power installed capacity and power generation forecast in 2030, China 电 源 种 类 煤 电 气 电 核 电 生 物 质 水 电 风 电 太 阳 能 新 型 储 能 其 他 装 机/ 万kW 140 000 21 000 11 100 5 700 54 016 61 091 94 021 12 000 5 750 电 量/ 亿kW ⋅h 58 278 6 000 8 547 2 618 15 760 13 445 11 860 0 2 632 33新 型 电 力 系 统 第 1 卷 电 量 占 比 超 过 50， 成 为 电 量 供 应 主 体 ， 但 在 电 力 平 衡 中 占 比 仍 然 较 低 ； 化 石 能 源 电 量 占 比 小 于 7 ， 考 虑 碳 捕 获 、 利 用 与 封 存 carbon capture ， utilization and storage ，CCUS 技 术 ， 电 力 行 业 实 现 净零排放 。 据 测 算 ，2030 年 同 步 机 规 模 大 于 最 大 负 荷 ， 同 步 机 出 力 占 总 负 荷 之 比 大 于 50 的 累 计 时 段 为 100 ；2060 年 同 步 机 规 模 约 占 最 大 负 荷 的 80 ， 同 步 机 出 力 占 总 负 荷 之 比 大 于 50 的 累 计 时 段 仍 约 占 全 年 时 长 的 一 半 见 图 2。 考 虑 到 存 量 资 产 巨 大 、 发 展 的 渐 进 性 、 大 型 电 源 送 出 以 及 特 高 压 输 电 的 需 要 等 因 素 ，2060 年 前 主 干 电 网 仍 以 交 流 同 步机制为主 ，系统安全稳定问题将更加突出 。 2 新型电力系统面临的挑战 新 能 源 发 电 出 力 具 有 随 机 性 、 波 动 性 ， 电 力 电 量 时 空 分 布 极 度 不 均 衡 ， 丰 饶 和 短 缺 交 织 ， 带 来 充 裕 性 挑 战 ； 新 能 源 发 电 大 规 模 替 代 常 规 机 组 ， 新 能 源 的 弱 支 撑 性 导 致 电 网 “ 空 心 化 ” 加 剧 ， 故 障 造 成 打 击 强 度 增 加 ， 新 能 源 调 节 和 耐 受 能 力 相 对 于 同 步 机 又 不 足 ， 带 来 安 全 性 挑 战 ； 新 能 源 发 电 成 本 下 降 ， 但 系 统 匹 配 的 调 节 和 安 全 成 本 大 幅 增 加 ， 新 能 源 高 电 量 场 景 需 要 多 行 业 、 多 系 统 协 调 实 现 ， 需 要 政 策 机 制 的 引 导 和 保 障 ， 带 来 经 济 性 和 体 制 机 制 挑 战 。 安 全 ‒ 经 济 ‒ 环 境 “ 矛 盾 三 角 形 ” 将 长 期 存 在 ， 也 是 新 型 电 力 系 统 面 临 的 长 期 挑战 。 2.1 充裕性挑战 新 能 源 具 有 高 装 机 、 低 电 量 、 弱 保 障 特 性 ， 与 同 容 量 火 电 相 比 ， 新 能 源 可 发 电 量 约 为 火 电 的 1/31/4， 保 证 出 力 约 为 火 电 的 1/20 新 能 源 最 低 同 时率见图3， 功率波动与火电可调出力相当 。 2021 年 ， 我 国 全 社 会 用 电 量 达 8.3 万 亿 kWh ， 同 比 增 长 10.3 。 如 表 3 所 示 ， 按 照 “ 十 四 五 ” 期 间 5 、 “ 十 五 五 ” 期 间 4 的 年 均 增 速 预 测 ， “ 十 四 五 ” 和 “ 十 五 五 ” 末 的 总 用 电 量 将 分 别 达 到 约 10 万 亿 和 12 万 亿 kWh ，2022 2030 年 平 均 每 年 新 增 用 电 量 约 4430 亿 kWh， 约 为 当 前 全 部 已 有 新 能 源 年 发 电 量 的 452021 年 全 国 新 能 源 装 机 约 6.4 亿 kW ， 新 能 源 发 电 量 9815 亿 kWh 。 在 现 有 一次能源需求量/ 亿t 标准煤 0 10 20 30 40 50 60 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060 终端能源需求/ 亿t 标准煤 0 5 10 15 20 25 30 35 40 煤 油 气 核 水 风 光 其他 煤 天然气 热力 电力 氢 其他 油 a 我国一次能源结构演变过程 b 我国终端能源结构演变过程 年份 年份 图 1 我国20202060年能源场景 Fig. 1 Energy scenarios of 20202060 in China 表 2 2060年中国不同电源装机量及发电量预测 Table 2 Power installed capacity and power generation forecast in 2060, China 电 源 种 类 煤 电 气 电 核 电 生 物 质 水 电 风 电 太 阳 能 新 型 储 能 其 他 装 机/ 万kW 60 000 30 000 40 000 17 000 73 900 181 000 237 500 32 000 2 600 电 量/ 亿kW ⋅h 6 320 3 802 32 200 6 640 21 830 45 461 40 095 0 1 067 小时数 0 2 000 4 000 6 000 8 000 10 000 同步机出力占 总负荷的比值 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 图2 2060年同步机出力大于对应负荷占比的累积持续小时数 Fig. 2 Cumulative duration hours that synchronous machine output is greater than the corresponding load proportion in 2060 34郭剑波等新型电力系统面临的挑战及应对思考 第 1 期 技 术 条 件 下 ， “ 保 供 应 ” 和 “ 促 消 纳 ” 需 要 常 规 装 机增长同步于负荷和新能源装机增长 。 据 预 测 ， 到 2030 年 ， 新 增 常 规 装 机 与 新 增 负 荷 和 新 增 新 能 源 装 机 之 比 分 别 为 11.8 和 11.6， 保 供 应 和 保 消 纳 压 力 将 逐 渐 增 大 。 而 且 ， 随 着 新 能 源 电 量 占 比 的 提 高 ， 常 规 火 电 效 率 效 益 随 之 下 降 。 安全 保供应 ‒ 环境促消纳‒经济矛盾更加突出 。 2.1.1 时间尺度平衡 根 据 图 4 所 示 的 测 算 结 果 ，2030 年 新 能 源 出 力 占 系 统 总 负 荷 之 比 为 551 ，2060 年 为 16 142 [8] 。 新 能 源 出 力 大 波 动 需 要 系 统 具 备 相 应 的 灵 活 调 节 能 力 。 新 能 源 长 时 间 低 出 力 目 前 晚 高 峰 保 证 出 力 仅 为 装 机 容 量 的 4.8 需 要 常 规 电 源 及 其 一 次 能 源 保 证 电 力 供 应 ； 新 能 源 长 时 间 高 出 力 则 给 系 统 消 纳 、 安 全 和 能 源 转 储 利 用 带 来 挑 战 。 新 能 源 各 时 间 尺 度 波 动 需 要 系 统 匹 配 相 应 时 间 尺 度 的 灵 活 调 节 能 力 ， 还 需 要 电 力 系 统 、 能 源 系 统 甚 至社会系统 用电行为 、需求侧响应等 协同 。 2.1.2 空间尺度平衡 我 国 中 东 部 风 、 光 资 源 技 术 可 开 发 量 总 计 20 亿 kW 以 上 陆 上 风 能 8.96 亿 kW ， 海 上 风 能 4 亿 kW ， 集 中 式 光 伏 3.58 亿 kW ， 分 布 式 光 伏 5.31 亿 kW [9] ， 据 估 算 年 发 电 量 仅 为 约 2.5 万 亿 kWh ， 远 不 能 满 足 当 地 负 荷 用 电 需 求 ， 仍 需 依 赖 我 国 西 北 地 区 、 东 北 地 区 的 跨 区 输 送 电 量 。 如 表 4 所 示 ， 据 预 测 ，2060 年 西 北 地 区 年 外 送 电 量 将 达 到 6481 亿 kWh， 作 为 对 比 ， 西 北 地 区 2021 年 的 外 送 电 量 约 2750 亿 kWh ；2060 年 西 北 地 区 约 有 1.6 亿 kW 新 能 源 电 力 外 送 需 求 峰 值 电 力 可 达 2.2 亿 kW， 而 当 前 西 北 跨 区 外 送 直 流 规 模 为 7071 万 kW ，2060 年 时 需 扩 充 为 当 前 的 23 倍 。 能 源 电 力 空 间 平 衡 的 需 求 和 挑 战 大 ， 需 解 决 能 源 经 济 社 会 统 筹 、 输 电 走 廊 规划 、 系统安全保障等问题 。 2.2 安全性挑战 2.2.1 系 统 惯 量 降 低 、 调 频 能 力 下 降 ， 频 率 越 限 风 险增加 新 能 源 大 规 模 接 入 ， 挤 占 常 规 机 组 开 机 空 间 ， 系 统 转 动 惯 量 降 低 、 调 频 能 力 下 降 ， 导 致 频 率 变 化 加 快 、 波 动 幅 度 增 大 、 稳 态 频 率 偏 差 增 大 ， 越 8 4 2 4 3 4 6 9 4 6 6 2 7 4 6 1 3 3 1 2 3 5 1 2 2 2 2 2 0 2 4 6 8 10 公司 华北 华东 华中 东北 西北 西南 公司及各区域电网 春 夏 秋 冬 最低同时率/ 图3 国网公司及各区域电网不同季节晚高峰新能源最低 同时率 Fig. 3 New energy lowest simultaneity factor in evening peak hours with different seasons of State Grid Corporation and regional power grids 表 3 我国总用电量及增速情况统计和预测 Table 3 Total electricity consumption, increment statistics and its forecast 时 间 十 二 五 十 三 五 十 四 五 预 测 十 五 五 预 测 平 均 增 速/ 6.3 5.7 5 4 总 用 电 量/ 亿kW ⋅h 56 933 75 100 101 043 122 934 年 平 均 新 增 用 电 量/ 亿kW ⋅h 3 640 5 180 4 380 年份 0 20 60 80 100 120 140 160 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060 最小值 平均值 最大值 新能源出力占系统总负荷比例/ 40 1 4 5 6 8 10 12 14 16 10 14 18 23 28 35 44 51 58 31 42 51 65 82 103 123 136 142 线性 最小值 线性 最大值 图4 新能源出力占系统总负荷比例的最小值、平均值和 最大值 Fig. 4 Minimum, average and maximum proportion of new energy output to the total load 表4 2060年西北、东北新能源发电量及消纳情况 Table 4 Generation and consumption of new energy in Northwest and Northeast China in 2060 电 量 类 型 负 荷 风 电 光 伏 水 电 火 电 核 电 外 送 电 量 不 同 地 区 的 数 值/ 亿kW ⋅h 西 北 17 669 6 635 13 260 1 588 2 667 0 6 481 东 北 9 590 3 530 4 276 142 776 2 687 1 821 35新 型 电 力 系 统 第 1 卷 限 风 险 增 加 。 以 我 国 某 区 域 电 网 为 例 进 行 仿 真 分 析 ， 在 相 同 的 损 失 350 万 kW 发 电 出 力 故 障 下 ， 风 电 出 力 1200 万 kW 情 况 下 系 统 频 率 下 跌 幅 度 比 无 风电情况下增加0.3 Hz ， 仿真结果如图5 所示 。 新 能 源 发 电 参 与 一 次 调 频 可 缓 解 稳 态 频 率 偏 差 和 暂 态 最 大 频 率 偏 差 ， 但 因 未 改 善 故 障 初 期 的 系 统 惯 量 及 频 率 变 化 率 ， 低 惯 量 系 统 越 限 风 险 仍 然 存 在 不 同 电 源 提 供 转 动 惯 量 的 对 比 如 表 5 所 示 。 需 保 持 一 定 惯 量 水 平 、 增 强 新 能 源 调 频 能 力， 加强系统频率监测和优化提升 。 2.2.2 新能源低压并网 ， 电压支撑和调节能力弱 随 着 新 能 源 大 量 替 代 常 规 电 源 ， 电 力 系 统 的 电 压 支 撑 变 弱 ， 在 系 统 发 生 扰 动 时 ， 电 压 失 稳 风 险 增 加 。 其 原 因 在 于 一 是 常 规 控 制 模 式 下 电 力 电 子 型 电 源 提 供 短 路 容 量 和 电 压 支 撑 能 力 弱 ， 新 能 源 大 量 替 代 常 规 电 源 导 致 系 统 动 态 无 功 支 撑 能 力 不 足 ； 二 是 新 能 源 电 源 通 过 逐 级 升 压 与 主 网 相 连 ， 电 气 距 离 是 常 规 机 组 的 23 倍 ， 对 主 网 的 电 压 支撑能力差 ，主网电压支撑呈现 “空心化 ”状态 。 对 我 国 某 省 级 受 端 电 网 的 仿 真 分 析 表 明 ， 在 分 布 式 光 伏 高 渗 透 率≥30 情 况 下 ， 由 于 分 布 式 光 伏 对 主 网 电 压 支 撑 能 力 弱 ， 且 耐 频 耐 压 能 力 较 差 ， 在 主 网 发 生 严 重 故 障 时 分 布 式 光 伏 低 穿 失 败 而 大 规 模 脱 网 ， 导 致 该 省 级 电 网 电 压 失 稳 ， 仿 真 曲线如图6 所示 。 2.2.3 功角稳定特性复杂 ， 不确定性增加 新 能 源 的 运 行 工 况 、 控 制 策 略 等 都 会 影 响 系 统 功 角 稳 定 ， 耦 合 关 系 复 杂 ， 且 可 能 引 发 新 的 稳 定 问 题 ； 惯 量 下 降 导 致 稳 定 问 题 时 间 缩 短 、 暂 态 过 程 加 快 。 新 能 源 大 规 模 接 入 使 功 角 稳 定 特 性 复 杂 、 不 确 定 性 增 加 ， “ 预 案 ” 式 安 控 策 略 配 置 困 难， 失配风险增大 ， 影响电网安全 。 2.2.4 宽频带振荡等问题出现 基 于 电 力 电 子 装 置 的 新 能 源 发 电 设 备 具 有 快 速 响 应 特 性 ， 电 力 电 子 设 备 及 其 控 制 系 统 、 锁 相 环 等 与 交 直 流 电 网 中 的 电 感 、 电 容 相 互 作 用 ， 会 使 电 力 电 子 设 备 与 系 统 之 间 发 生 多 个 非 基 频 下 的 能 量 交 换 ， 从 而 引 发 宽 频 振 荡 ， 带 来 了 电 力 电 子 装置涉网稳定新问题 [10-11] 。 近 年 来 ， 我 国 风 电 汇 集 地 区 相 继 出 现 振 荡 现 象 。 张 北 柔 直 是 世 界 上 首 个 新 能 源 通 过 柔 直 电 网 孤 岛 送 出 的 工 程 。2021 年 11 月 ， 张 北 柔 直 端 对 端 康 保 丰 宁 单 极 运 行 ， 康 保 站 新 能 源 场 站 接 入 出 现 6 Hz44 Hz 电 流 功 率 振 荡 ， 录 波 结 果 见 图 7 ， 工 程 现 场 通 过 参 数 优 化 以 及 合 理 安 排 运 行 方 式 解 决 了 该 振 荡 问 题 。 但 电 力 电 子 装 置 涉 网 引 发 的 宽 频 振 荡 机 理 、 判 据 、 分 析 和 控 制 方 法 仍 需 进 一 步 深化研究 ， 以期系统性攻克该问题 。 时间/s 49.0 49.2 49.6 49.8 50.0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 系统频率/Hz 49.4 无风电 风电1200 万kW 0.3 Hz 图5 某区域电网故障后频率曲线对比 Fig. 5 Comparison of system frequency with WT and without WT after the failure 表 5 不同电源提供转动惯量对比 Table 5 Comparison of moment of inertia provided by different power sources 传 统 机 组 火 电 T J 5.89.0 s 核 电 T J 7.68.6 s 水 电 T J 4.08.0 s 常 规 控 制 新 能 源 双 馈 风 机 几 乎 不 提 供 惯 量 直 驱 风 机 不 提 供 惯 量 光 伏 发 电 不 提 供 惯 量 风 电 虚 拟 惯 量 控 制 与 同 步 机 转 子 转 速 变 化 范 围 0.951.05 pu 相 比 ， 变 速 风 机 转 速 范 围 约0.71.2 pu 更 大 ， 具 备 潜 在 的 惯 量 支 撑 能 力 。 存 在 的 问 题 转 速 恢 复 过 程 吸 收 能 量 ， 可 能 导 致 频 率 二 次 跌 落 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 母线电压/pu 时间/s 图6 某高分布式光伏渗透率省级电网的故障后电压曲线 Fig. 6 Post-failure voltage of provincial grids with high distributed PV power 36郭剑波等新型电力系统面临的挑战及应对思考 第 1 期 宽 频 振 荡 问 题 严 重 危 害 设 备 安 全 和 电 网 运 行 安 全 ， 需 要 加 强 稳 定 机 理 研 究 和 新 型 控 制 方 法 和 装置的研发 。 2.3 经济性和体制机制挑战 2.3.1 新能源发电边际成本低 、 系统成本高 相 比 火 电 ， 新 能 源 运 行 边 际 成 本 低 。 为 了 应 对 新 能 源 给 电 力 系 统 带 来 的 充 裕 性 和 安 全 性 挑 战 以 及 促 进 新 能 源 消 纳 ， 需 要 额 外 增 加 系 统 成 本 。 以 火 电 灵 活 性 改 造 为 例 ， 火 电 机 组 存 量 高 ， 灵 活 性 改 造 后 可 为 系 统 提 供 大 量 调 节 容 量 和 支 撑 能 力 ， 但 火 电 机 组 的 改 造 成 本 、 改 造 后 运 行 效 率 效 益 下 降 的 沉 没 成 本 ， 需 要 通 过 市 场 电 价 机 制 设 计 进 行 补 偿 。 新 能 源 绿 色 、 低 边 际 成 本 、 高 辅 助 服 务 需 求对市场机制设计带来挑战 。 2.3.2 新能源发电开发门槛低 、 建设快 新 能 源 发 电 开 发 门 槛 低 ， 建 设 周 期 短 ， 开 发 模 式 多 样 。 目 前 风 电 和 光 伏 建 设 周 期 短 ， 规 模 在 50 MW 以 下 的 风 电 项 目 建 设 周 期 为 几 个 月 到 一 年 ， 地 面 兆 瓦 级 光 伏 电 站 施 工 期 一 般 在 46 个 月 ， 与 电 网 规 划 建 设 周 期 不 匹 配 。 众 筹 、 互 联 网 金 融 、 实 物 融 资 租 赁 等 开 发 模 式 推 动 了 新 能 源 快 速 发 展 。 市 场 主 体 多 元 化 与 无 序 建 设 对 市 场 机 制 和 运 行 管 理带来挑战 。 2.3.3 利益主体庞杂交织 随 着 新 能 源 装 机 比 例 的 提 高 ， 参 与 市 场 主 体 数 量 快 速 增 长 、 平 均 体 量 快 速 下 降 骨 干 企 业 主 导 地 位 降 低。 产 消 者prosumer、 虚 拟 电 厂 、 电 动 车 以 及 源 ‒ 网 ‒ 荷 ‒ 储 互 动 技 术 等 使 得 市 场 参 与 主 体 同 时 具 有 “ 供 方/ 需 方 ” 属 性 特 征 。 各 市 场 参 与 主 体 功 用 复 杂 多 变 、 利 益 交 织 耦 合 ， 以 及 交 易 品 种 的 多 样 性 需 求 ， 对 市 场 交 易 和 管 理 机 制 、 政 策 引 导 机制的设计提出了更高要求 [12] 。 2.3.4 多目标协同难度大 在 能 源 转 型 过 程 中 ， 安 全 ‒ 经 济 ‒ 环 境 协 同 难 度 大 。 目 标 的 多 样 性 、 基 础 能 源 稳 定 性 需 求 与 新 能 源 不 确 定 性 的 矛 盾 ， 以 及 利 益 主 体 庞 杂 和 多 属 性 特 征 ， 政 府 和 市 场 “ 两 只 手 ” 的 关 系 及 协 同 ， 都 增 大 了 制 度 设 计 对 目 标 可 控 性 的 难 度 ， 体 制 机 制设计难度大 。 3 应对措施及关键技术 安 全 ‒ 经 济 ‒ 环 境 “ 矛 盾 三 角 形 ” 是 新 型 电 力 系 统 面 临 的 长 期 挑 战 ， 需 要 通 过 科 技 创 新 、 政 策 改 进 等 措 施 不 断 缓 解 三 者 矛 盾 ， 使 其 在 新 平 衡 态 下 支 撑 能 源 转 型 和 “ 双 碳 ” 目 标 的 实 现 ， 支 撑 国 民 经 济 健 康 发 展 。 应 对 思 路 如 图 8 所 示 ， 下 面 推 荐 若干关键技术供参考 。 3.1 灵活能力建设 按 照 新 能 源 规 划 发 展 规 模 ， 以 新 能 源 全 额 消 纳 测 算