可再生能源供电电网面对的挑战和解决方案分析

受环境和储量等因素的制约，在未来电网电源中，化石能源占比将逐步降低。与此同时，以风能和太阳能为代表的新能源(易变可再生能源)有很大的增长空间，并将逐步取代传统能源。截止2017年底，我国非水可再生能源装机达到16.5%，发电量占比约为6%(来自中电联统计数据)。预计到2020年、2035年和2050年，非水可再生能源电源装机占比可达17.53%、47.96%、71.75%，发电量占比可达8.78%、29.18%、53.35%(来自中科院咨询项目)。新能源本身具有较强的波动性和随机性，其产生的电能依靠电力电子设备接入电网。而电力电子设备的低抗扰、弱支撑、零惯量特性将使电网安全稳定问题日益突出，在量变积累下有可能引发电网运行特性的质变。那么新能源比重的增加会给电网带来哪些变化和挑战?系统特性的拐点将出现在哪里?我们又可以采用哪些技术来应对这些挑战，以最终实现100%可再生能源供电的电网呢?

1 电源的分类

电力系统的功能环节包括发输变配用，其中发电设备占有非常重要的地位，负责将其他形式的能源转化为电能。电网中用于发电的能源有多种形式，如图1所示。由于传统化石能源储量和环境等因素的制约，提高可再生能源占比已经成为未来电网的主要发展目标。

图1 电网电源分类

目前冰岛实现了100%的依靠地热和水电供电，挪威(97%)、哥斯达黎加(93%)、巴西(76%)和加拿大(62%)等国家可再生能源的比重也很高。可以看出这些可再生能源占比高的地区，水资源十分丰富，水电占比较高。但目前为止，水资源丰富地区的水电已经基本充分开发，水电的增长空间不大。而未来社会的电力需求仍在不断增长，可以预测新能源发电(如风电、光伏发电等)在电网中占比仍将不断增加。

新能源电站产生的电能依靠逆变器接入电网，由于其能量密度较低，在电网中多为分布式。如图2为传统电网与未来电网在形态上的对比示意图。

图2 传统电网与未来电网对比示意图

2新能源的随机性和波动性

风能、太阳能等新能源易受气候影响，其出力具有随机性和波动性。众所周知，电网中的发电和负荷要时刻保持电力平衡。发电侧注入电网功率随机易变不利于电网的稳定运行。由于新能源与天气有较强关联，新能源的消纳方案应密切结合天气预报来制定。为维持电网的稳定运行，目前采用的主要应对方式为弃风(弃光)。图3所示为低负荷、80%新能源渗透场景下，电网采用弃风措施调节网络功率平衡的过程示意图。

图3 弃风调节功率平衡过程示意图

高比例的弃风(弃光)会造成能源的浪费，并将限制新能源在电网能源占比(percentage of variable renewable energy，PVRE)的提升。目前，科学家也在探索其他方式，来应对新能源由于随机波动而消纳受限的问题。如增加新能源电站选址多样性，从而降低网络中新能源发电总值的波动幅度;建立跨区域互联大电网，使得新能源发电充足的区域能够及时向高负荷区域输电;增加网络中储能(抽蓄，压缩空气，电池等方式)，以达到削峰填谷的作用。同时，一定范围内的需求侧管理，如分时电价、电动汽车的充分利用等，也将有助于电网中功率平衡的控制调节。

3逆变器为主体的电网

与煤电、水电、核电等电源通过同步发电机接入电网不同，新能源产生的电能大多通过逆变器接入电网。逆变器是电力电子设备，其特性与同步发电机有很大不同，如下表所示。

表1 同步发电机和逆变器对比

当通过逆变器接入电网的电能超过电网电源的一半(percentage of variable renewable energy, PVRE>50%)时，电网就变成了以逆变器为主体的电网。由于新能源的发电功率随时间波动较大，PVRE会随时间变化，电网的运行状态可能在同步发电机为主和逆变器为主的状态中切换。如图4所示，为某地区电网在以同步发电机为主(50% VRE线和y轴线之间的点)和以逆变器为主(50% VRE线和100% VRE线之间的点)两种运行状态之间相互切换。

图4 电网在同步发电机为主和逆变器为主的不同运行状态切换

当网络运行在逆变器为主的状态时，网络中新能源逆变器的控制方法也要随表1所示内容做出相应的改变。

4电网的稳定性

电力系统的稳定性是指在给定运行条件下，电网在受到扰动后，重新恢复到运行平衡状态的能力。电力系统的稳定性可以分为功角稳定、频率稳定和电压稳定。传统的交流电网主要依靠同步发电机维持系统的稳定运行，网络中的同步发电机转子之间通过电气耦合达到同步，如图5所示。

图5 电网中的各个设备达到同步状态

电力系统的惯量为系统中所有发电机惯量之和，体现了系统抵抗干扰维持稳定的能力。而电力电子器件为物理零惯量器件，新能源发电比例的增加将降低系统惯量。传统电网以同步发电机为主体，新能源占比很小，系统的稳定性问题并不突出。随着新能源占比的不断提升，特别是当电网运行在以逆变器为主的状态时，系统的稳定运行将受到严峻挑战。电力系统的稳定性将成为限制新能源消纳的重要因素。

为保证系统的稳定运行，需要电网中发电机和负载提供各种类型的辅助作用。当前电力系统中，同步发电机和传统负载起主要辅助稳定作用。如果采取适宜的控制方法，新能源电站也可以提供电网稳定运行所需的各种辅助服务。由于逆变器可以单独控制有功和无功功率，通过合理设计控制器，可以使其具有类似传统同步风电机的惯性特征。例如，风机可以从其旋转的叶片和发电机中吸收动能来短时注入额外有功功率到电网;光伏逆变器结合弃光调节也可以提供惯量特征;储能装置可以通过调制有功功率输出来模仿惯量表现等。图6总结了不同类型的发电装置可以起到的维持电网稳定的作用。

图6 不同类型的发电装置所能提供的辅助作用

此外，由于新能源电站出力的波动性和随机性，电网在运行中需保有足够的备用容量(OperatingReserve)，以保证在突发功率不平衡事件时系统的频率稳定，如图7所示。

图7 电力系统备用容量分类

5电网保护

短路故障是最常见的电网故障。当电网中出现短路故障时，相应的线路会产生很大的短路电流，继电保护装置通过检测短路电流来触发保护动作。传统发电机可以输出高达六倍额定电流的短路电流。而逆变器输出的电流有限，在以逆变器为主体的电网中，短路电流相对较小。这会影响传统继电器的对故障的感知和动作，以至不能够及时将故障隔离。这种情况的解决方案有：在电网中加入同步调相机，提高短路电流;或者改变继电器对故障信号的检测方案，如将电流差分作为继电器动作的触发信号等。此外，依靠检测频率变化的继电器也需要重新设计。

另一方面，逆变器相比于传统同步发电机反应更加迅速。如果能够对网络中的扰动做出快速的感知和动作，逆变器可以提高电网故障穿越的能力。图8为对比了同步发电机、快速断开的逆变器以及提供七周波故障穿越的逆变器的短路电流。

图8 同步发电机、快速断开的逆变器以及提供七周波故障穿越的逆变器的短路电流

6黑启动

当遭遇大停电事故后，电力系统需要具备黑启动的能力。为实现黑启动需要发电设备作为电压源，为高启动电流设备(如发电机和变压器)提供足够能量。由于逆变器的输出电流有限，以逆变器为主体的电网在设计时，尤其需要考虑逆变器提供足够启动电流的能力。除此以外，也可以在电能恢复时将负载分开逐步启动，最终实现整个系统的黑启动。

未来电网中，以风能和太阳能为代表的新能源发电比例会持续增加，新能源发电成本将逐年降低，新能源将成为竞争性发电能源。按我国当前新能源发展趋势，新能源资源富集地区未来新能源电量占比将超过50%，高比例新能源场景必定会出现。本文对未来电网在此发展趋势下所面对的挑战和解决方案进行了分析，特别是提到了未来逆变器主导下的电力系统面临的问题与挑战。但本文对高比例新能源情景的分析还处于前期探索研究阶段，缺乏定量分析和过程研究，但相关思考和建议值得借鉴。在我国新能源快速发展形式下，仍需结合我国新能源发展规划和实际电网的运行情况，在规划分析、运行控制等方面做进一步实践性研究。笔者所在院士团队前期也做了相关的研究，在此抛砖引玉：

我国新能源出力与负荷需求在季节上具有一定的逆向分布特点;新能源电量占比为40%时，会带来电能消纳的季节性问题。

加强联网和建设灵活调节电源是解决新能源消纳最有效的措施;通过常规机组深度调峰、提升通道送出能力和应用储能三种措施可在一定程度上提升风电消纳能力，但代价大。

新能源机组将作为主力电源，应承担主力电源的“责权利”，加强新能源发电参与系统调节(一次调频、调压等)的能力，有助于提升其消纳水平。