高比例新能源

高比例新能源电网挑战与应对

这个数据大家都知道，到去年年底全国全国的风光大概的各自的装机容量2亿千瓦。我们国家总的利润去年年底20个亿，2019年我国电源结构风光各占10%左右，那么左边这个图，历年风机装机的一个趋势，从这里可以看出来，它实际上从2006年开始，咱们国家重点的开始大的发展方式和战略规划的发布，知识产权的发展，当时的时候，我们国家有一个实验的规划，就是到2020年，工业装机一直到2000万千瓦，但实际上我们现在已经突破了两个亿，实际的发展规模远远超过规划。

这个光伏是2011年开始大概10年的发展时间，包括增长的数量，

我国新能源发电量逐年递增，2019年我国风电、光伏发电量分别为405.7TWh和224.3TWh,分别占我国总发电量的5.5%和3.0%。所以从全国来看质量确实不错。所以还不能叫高比例的新能源，但是我们从全国来讲，实际上局部来看，2019年，我国6个省(区）大新疆、内蒙古、河北等等，新能源装机占比超过30%，7个电网新能源发电量占比超过20%，所以说局部地区可以认为是形成了一个高水平的新能源的电网，从电量占比上面来看，蒙东最多的47.3%，跟丹麦45%相差不多，剩下其他的就是青海、河北、宁夏，德国的新能源电量的占比是27%，西班牙20%，

咱们国家是局部地区新能源占比跟欧洲的一些国家是相似的，2030年，全国新能源总发电量占比将超过20%，部分省(区)新能源装机将是传统同步电源装机的2倍; 2050年，全国新能源总发电量占比在50%左右，全国新能源装机将超传统同步电源装机的2倍。

第二个方面新能源的特性与挑战

第一个，2019年，我国风电、太阳能发电平均满负荷利用小时数分别为2082小时和1285小时，然后左边这个图就是从2012~2019年风电光伏可利用小时数的一个全国的数据。风电大概就是在2000左右，光伏的话在1000~1200左右，海上风电利用小时数约3000小时，不到负荷年利用小时数的一半(2019年江苏最大负荷利用小时数约6070小时)。由于新能源利用小时数低，高比例新能源电需要数倍于负荷的新能源装机。

右边这个图是预测的2050年典型日小时及全国发电机组出力与电力负荷匹配调度情况，在2050年的某一天全国发电技术出力的一个典型的功率曲线，中午大概12:00 1:00左右的时候，主要的90%以上的都是光伏行业，还有少部分煤电，水电、核电。

第二个就是特点随机性强，日前功率预测绝对偏差大，增加发电计划制定难度。我国地形复杂,气候类型多样，随机波动性强，高精度功率预测更难;风电省级出力15分钟波动变化率大于3%的比例超过10%，较欧美国家高7个百分点以上;新能源日前功率预测相对误差已由2011年的约14%降至2019年的10%以下，但绝对偏差由约677万千瓦增长到约4147万千瓦。未来，新能源预测绝对偏差将进一步扩大,大大增加发电计划制定的难度。

第三个就是日内的功率波动，去年国网是大概一个亿，我们也预估了一下全国2050年按照现在的波动性来算一下，新能源工业的最大功率波动达到10倍以上。

第4个就是高出力持续时间长,部分时段出力极低。新能源出力大波动持续时间长、电量大;但部分时段出力极低。2018年新疆风电大波动最长持续时间超

过2天，低于风电装机容量20%的低出力最长持续时间超过8天;2018年陕西电网低于光伏装机容量20%的低出力最长持续时间超过4天。未来高比例新能源电力系统中，新能源长时间、高出力给系统消纳、安全和储能技术带来巨大挑战;在新能源低出力时段,电力系统需要常规电源实现功率平衡。

第5个就是支撑性弱,抗扰能力低;单体容量小，数量多，与常规同步电源相比，新能源发电具有弱支撑性、弱惯量和抵抗扰性。由于风光资源的低密度特性，新能源发电单体容量小、数量多。目前，西北新能源场站超1500个，国家电网公司大型新能源场站超4000个、低压接入的分布式发电系统约170万个【新彊哈密宽频振荡事故】2015年至今，新疆哈密风电汇集地区发生次/超同步振荡100余次，频率覆盖10-90Hz,2015年7月1日哈密的振荡事故，导致3台直流配套火电机组跳机，直流功率紧急下调150万干瓦,电网电压大幅波动。

【澳大利亚9.28大停电事故】2016年9月28日，台风和暴雨等极端天气袭击了澳大利亚南部地区电网，事故发生时南澳电网新能源发电占比高达48.36%，由于多条联络线故障跳闸、风机连续低压穿越失败以及高比例新能源系统的低惯量特性,最终致使南澳电网因频率崩溃全停。

澳大利亚2.8大停电事故】2017年2月8日，南澳地区遭遇极端高温天气,且实际温度高于气象部门预告值,导致实际用电负荷超出日前预测值。南澳电网风电出力占比超过30%，运行时因风电出力低于预测且网内备用严重不足，造成大量用户非计划停电事故,损失负荷30万千瓦。

【美国加州分区轮流停电】2020年8月中旬,持续高温天气席卷美国加州，电力需求剧增，8月14日晚,由于光伏发电夜间出力为零、风电出力受天气影响明显下降，加州可再生能源发电出力仅3257MW(2019年底加州光伏装机

27.4GW)，引发电力短缺，导致超40万用户断电,持续时间约一小时;8月15日,超20万用户被轮流限电。

第三个方面汇报一下新能源适应高比例的探索，科技创新是应对高比例新能源挑战的关键。为此，应认识新能源发电特性，研究新能源并网技术，提高预测精度、控制能力和消纳水平。一个是认识特性，认识特性分为资源特性、设备特性，资源特性是随机性、波动性，设备特性是低抗扰，弱支撑。一个是提升能力，提升能力分为准确预测、灵活可靠、高效消纳，准确预测分为:功率预测、电量预测，灵活可靠分为：故障穿越、功率控制、振荡抑制，高效消纳：优化规划、在线调度。

第一个方面就是发电控制，一是故障穿越，建立了新能源发电单元仿真模型及参数库和场站详细仿真模型，仿真复现了大规模风电脱网事故,明确了新能源发电并网稳定边界条件与技术要求。研制了高/低电压穿越、电网适应性等并网试验核心装备，为风电/光伏制造商提供了技术研发与试验研究服务,并网性能大幅提高。

二是我们在张北建设了一个试验生产基地，试验设备有所提升。还有是发出电能，电能的质量，包括他的谐波，电压波动，包括他的高电压，低电压穿越等各种信息；。另外还需一些的试验和工业产业融合在一起，等我们去认识和启发。

第二个方面就是发电预测，一是功率预测，揭示了新能源波动过程与预测误差的关联关系，结合我国气候、地形及新能源特点，提出了基于波动过程聚类与辨识、交互校验与融合的预测方法，研发了新能源功率预测系统，应用于27个省级及以上电力调控中心,预测容量超过100GW,预测场站数量超过1000座。