新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題探討

金麗娜

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，蘭州 730021）

現(xiàn)代社會的發(fā)展離不開電力產(chǎn)業(yè)，隨著智能化生產(chǎn)的需求，工業(yè)、農(nóng)業(yè)和制造業(yè)等對電能的依賴正逐年增強。至今為止，火力發(fā)電依然是我國電力產(chǎn)業(yè)的主體，火力發(fā)電帶來的碳排放問題是現(xiàn)在全人類研究的課題，從圖1可以看出，電力生產(chǎn)和存儲、生產(chǎn)和制造大約各占碳排放總量的1/3，其中電力生產(chǎn)和存儲會影響生產(chǎn)制造業(yè)、取暖與制冷等其他行業(yè)，由此可以看出，優(yōu)化電力生產(chǎn)和存儲可以減小碳排放問題。

圖1 人類活動碳排放占比

1 優(yōu)化電力系統(tǒng)的必然性

通過電力生產(chǎn)和存儲實現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和不能一蹴而就，其是多個環(huán)節(jié)共同作用的結(jié)果?；鹆Πl(fā)電是電力生產(chǎn)碳排放的重要來源，故由新能源發(fā)電代替?zhèn)鹘y(tǒng)火力發(fā)電是降低碳排放問題的有力手段。目前中國各大電網(wǎng)公司也紛紛響應(yīng)國家“碳達(dá)峰、碳中和”發(fā)展規(guī)劃，正在逐步關(guān)閉碳排放問題突出的火電廠，加快以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的建設(shè)。

由于智能電網(wǎng)的需求，電力系統(tǒng)在運行安全、穩(wěn)定的前提下，需提高開關(guān)開斷速度與電源切換速度，提高電力系統(tǒng)電能輸送率，減小電能損耗。這就需要在輸、配電網(wǎng)絡(luò)中，加入大量電力電子設(shè)備。在用電側(cè)，加快設(shè)備電氣化改造，提高各個設(shè)備的用電率，降低傳統(tǒng)電力系統(tǒng)終端用能的碳排放問題，在電力系統(tǒng)發(fā)電側(cè)、供配電側(cè)與用電側(cè)的共同作用下，實現(xiàn)國家減碳需求，實現(xiàn)2060年的最終目標(biāo)。

2 新型電力系統(tǒng)存在的問題與實現(xiàn)路徑

2.1 新型電力系統(tǒng)存在的問題

由于大比例新能源系統(tǒng)的接入、大量電力電子元件的使用、大規(guī)模多能互補綜合能源的加入和清潔高效材料的轉(zhuǎn)型，使電力系統(tǒng)從電源與負(fù)荷的動態(tài)平衡向電源、電網(wǎng)、負(fù)荷與儲能的綜合動態(tài)平衡過度，使確定性電量的電力系統(tǒng)的有功平衡與無功平衡模式發(fā)生了改變。這些由新能源構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能具有一定的間歇性和隨機(jī)性，能源形勢也具有可變性，這給電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性帶來了很大的影響。由電力電子器件構(gòu)成的低轉(zhuǎn)動慣量替代了傳統(tǒng)的機(jī)械電磁轉(zhuǎn)動慣量，打破了原有的調(diào)節(jié)方式，給電力系統(tǒng)的可靠運行帶來了新的挑戰(zhàn)。

電力系統(tǒng)經(jīng)過多年的運行與優(yōu)化，已找到了影響系統(tǒng)頻率、功角和電壓穩(wěn)定性的安全因素，比如發(fā)電機(jī)組的類型及新能源發(fā)電機(jī)組的滲透率、系統(tǒng)運行工況及控制策略、電網(wǎng)環(huán)境因素及接入強度。新能源發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能具有一定的間歇性和隨機(jī)性，大量新能源發(fā)電機(jī)組的接入會改變原來電力網(wǎng)絡(luò)的潮流分布與結(jié)構(gòu)，破壞原有的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，使系統(tǒng)出現(xiàn)低頻振蕩與電壓偏移現(xiàn)象。在“雙碳”背景下，電力系統(tǒng)會逐步減少火電廠的數(shù)量，加入大量的新能源機(jī)組，使系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，電力設(shè)備運行點發(fā)生偏移，發(fā)生機(jī)電振蕩與低頻功率振蕩，電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性遭到破壞，進(jìn)而發(fā)生系統(tǒng)解列事件，這種現(xiàn)象在聯(lián)絡(luò)電力系統(tǒng)中會更加突出?？梢?，傳統(tǒng)的功角、電壓與頻率穩(wěn)定的分析方法已不再適合新型電力系統(tǒng)，需要科研人員與專業(yè)技術(shù)人員共同努力，開發(fā)出一套適合新型電力系統(tǒng)的分析方法。

2.2 實現(xiàn)路徑

為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，推動我國新型電力系統(tǒng)建設(shè)，需要考慮以下幾個途徑：一是充分開發(fā)并綜合利用太陽能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、核能與地?zé)崮艿确腔茉?，?gòu)建以非化石能源為電源結(jié)構(gòu)的新型電力系統(tǒng)，完成新型電力系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)型與應(yīng)用。二是努力加強與推進(jìn)煤電轉(zhuǎn)型，減少火電廠二氧化碳的排放量，提升煤電設(shè)備切除與投入的速度，為高比例可再生能源的智能化電力系統(tǒng)運行提供緊急備用和靈活調(diào)節(jié)能力，積極探索煤電碳資源綜合協(xié)調(diào)能力，實現(xiàn)煤電的低碳與無碳轉(zhuǎn)型。三是持續(xù)推進(jìn)電力系統(tǒng)終端用電設(shè)備的電氣化水平，實現(xiàn)多能互補電力結(jié)構(gòu)的改造，大幅度地提升能源綜合利用效率。四是加強電力電子和儲能等關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，通過電力參數(shù)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型推動新一代輸配電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，促進(jìn)高比例可再生能源的電力消納力度，確保電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。五是完善電力系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)型的各項政策，尋找電力市場化改革的方向，加快完善綠色電力與碳交易市場的建設(shè)，助力國家應(yīng)對氣候變化及碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)。

3 解決方法

3.1 運營管控智能化、精益化

積極發(fā)展電力網(wǎng)絡(luò)運營管控的智能化、精益化，滿足電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的規(guī)劃，是全世界電力行業(yè)共同的需求。從2009年起，國網(wǎng)公司就智能電網(wǎng)開展了研究實踐工作，在新能源發(fā)電并網(wǎng)方面研究出了多項關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了電力系統(tǒng)輸電過程的精益化管控和電網(wǎng)運行安全決策問題，完成了電力系統(tǒng)配電網(wǎng)的運行智能化改造，強化了電力系統(tǒng)的能耗雙控與能效管理，綜合運用信息化技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)理論與新技術(shù)，可以大幅度增強電網(wǎng)自愈的能力，加快有功功率與無功功率動態(tài)平衡的調(diào)節(jié)過程，優(yōu)化電力系統(tǒng)電壓、頻率與波形的質(zhì)量，滿足用戶對新型電力系統(tǒng)的需求，挖掘需求側(cè)響應(yīng)潛能，構(gòu)成具有可靠性、安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性的智能電網(wǎng)。

未來的新型電力系統(tǒng)是一個依托于互聯(lián)網(wǎng)的龐大系統(tǒng)，其由互聯(lián)網(wǎng)、云計算設(shè)備、電力系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)、天然氣系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)、智能交通網(wǎng)絡(luò)、交通系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)、輸氣網(wǎng)絡(luò)及加壓站、儲氣設(shè)備、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備、輸配電網(wǎng)絡(luò)、大型發(fā)電機(jī)組及分布式電源和儲能及可控負(fù)荷組成。人工智能技術(shù)是電力運營管控智能化、精益化的有效手段，人工智能技術(shù)可有效收集電網(wǎng)的數(shù)據(jù)化信息，并及時分析和有效地管理，使數(shù)字化電網(wǎng)向人工智能方向快速發(fā)展，這更加符合存在大比例新能源的電力系統(tǒng)的需求。通過專家系統(tǒng)控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和模糊控制技術(shù)等，可以快速控制智能電網(wǎng)運行，提前感知電網(wǎng)運行參數(shù)的變化，實現(xiàn)電力網(wǎng)絡(luò)的個性化定制，符合各個企業(yè)的多元化與互動化的不同需求。

3.2 能源生態(tài)數(shù)字化、多元化

新型電力系統(tǒng)是一個需要時刻分析大數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)分析的快速性、可靠性、實時性、靈敏性和全面性是新型電力系統(tǒng)安全運行的前提，能源生態(tài)數(shù)字化是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的必經(jīng)之路。隨著“云、大、物、移、智、鏈”等技術(shù)在電力領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)的穩(wěn)定運行越來越離不開大量的數(shù)字化信息。比如，獲取設(shè)備及線路運行狀態(tài)的傳感器、反饋電力系統(tǒng)運行參數(shù)的各類智能儀表。隨著超高壓、遠(yuǎn)距離輸電線路大容量與智能化發(fā)展，電力系統(tǒng)從發(fā)電到用電各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)也變得復(fù)雜化、多樣化，能源生態(tài)數(shù)字化變得非常重要。

截至2021年底，中國的全口徑火電的裝機(jī)容量為13.0億kW，占總發(fā)電裝機(jī)容量的46.7%，相比上一年單位數(shù)據(jù)，總體降低了2.3%。核電裝機(jī)總?cè)萘繛?326萬kW，相比上一年增長了6.8%。并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量為3.3億kW，增幅較大，為16.6%；其中，陸上風(fēng)電占主導(dǎo)地位，裝機(jī)容量為3.0億kW，海上風(fēng)電占比較小，容量為2639萬kW。太陽能發(fā)電漲幅為20.9%，裝機(jī)容量為3.1億kW；其中，集中式光伏發(fā)電2.0億kW，分布式光伏發(fā)電1.1億kW，光熱發(fā)電57萬kW。目前，電力系統(tǒng)智能化芯片并非全部來自國內(nèi)，部分電力設(shè)備缺乏加密手段，這使新型電力系統(tǒng)的運行安全受到威脅。因此，新型電力系統(tǒng)在頂層設(shè)計、整合資源和精準(zhǔn)體驗方面需要不斷探索，不斷加強數(shù)字化的引導(dǎo)與建設(shè)，助力新型電力系統(tǒng)生產(chǎn)、輸送與服務(wù)體系的全面開展。

3.3 資源技術(shù)靈活化、創(chuàng)新化

充分挖掘靈活性資源、加大煤電設(shè)備的靈活性改造，提高電力人員的創(chuàng)新能力是新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的后備保障。如表1所示，新型電力系統(tǒng)新技術(shù)創(chuàng)新城市數(shù)量正逐年上升，但上升速度不大，還需加大資金投入提高創(chuàng)新能力。如表2、表3所示，為提高新型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)采用空間自相關(guān)、基尼系數(shù)和空間計量模型等方法證實了新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)與創(chuàng)新能力的關(guān)系?？梢?，加大新技術(shù)創(chuàng)新、挖掘靈活性資源是新型電力系統(tǒng)發(fā)展必須跨過的門檻。

表1 新型電力系統(tǒng)新技術(shù)創(chuàng)新城市數(shù)量統(tǒng)計

3.3.1 發(fā)展經(jīng)濟(jì)、教育資源

新技術(shù)創(chuàng)新能力往往與當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展水平有直接的關(guān)系，經(jīng)濟(jì)水平高的城市資源配置和調(diào)動的能力較強，高水平人才數(shù)量多。如表2所示，國民經(jīng)濟(jì)（In GDP）每提高1%，新型電力系統(tǒng)的創(chuàng)新能力至少升高0.5個百分點。所以其創(chuàng)新能力與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展情況是有關(guān)的。城市的教育狀況也與當(dāng)?shù)貏?chuàng)新水平息息相關(guān)，當(dāng)?shù)亟逃剑↖n EDU）每增加1個百分點，新型能源創(chuàng)新能力也相應(yīng)提高0.127%和0.110%，發(fā)展當(dāng)?shù)亟逃龢I(yè)、提高當(dāng)?shù)厝丝诘奈幕刭|(zhì)是新型電力系統(tǒng)發(fā)展的有力保障。當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展會吸引大量產(chǎn)業(yè)發(fā)展，用電需求量自然升高，當(dāng)?shù)亟逃龣C(jī)構(gòu)也可提供充足的電力人才，進(jìn)而新型電力系統(tǒng)的創(chuàng)新能力也相應(yīng)增高。

表2 我國新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力影響因素

3.3.2 加大科技、創(chuàng)新水平

2019-2021年，我國在電力科技創(chuàng)新方面投入了很多，比如我國已構(gòu)建新型電力系統(tǒng)科技示范基地、強化儲能技術(shù)創(chuàng)新和高比例新能源送端調(diào)度控制技術(shù)等，也取得了較好的成就，但是還不能滿足新型智能化電力系統(tǒng)的需求。從表3可以看出，科技投入（In INS）對新能源技術(shù)創(chuàng)新能力的影響是非常大的，西北是國家重點的風(fēng)光能源基地，風(fēng)光資源條件優(yōu)越，科技投入應(yīng)適當(dāng)傾斜，各方統(tǒng)籌科研力量，充分考慮地方性電能消納、跨省送電、光伏與風(fēng)電開發(fā)等科技創(chuàng)新。

3.3.3 升級產(chǎn)業(yè)、提升需求

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和升級也是穩(wěn)定新型電力系統(tǒng)的重要途徑，其包含生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變與增長方式的轉(zhuǎn)變。如表3所示，工業(yè)化水平（In IND）對新型電力系統(tǒng)創(chuàng)新水平的直接效應(yīng)值均已通過1%的顯著性檢驗，發(fā)展工業(yè)經(jīng)濟(jì)與產(chǎn)業(yè)化改造還有很大的上升空間，各個地區(qū)應(yīng)充分考慮本地實際情況，結(jié)合本地特色與制約條件，大力開發(fā)資源，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級，加大用電需求（In ELE）。

表3 中國新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力影響因素的空間杜賓模型的直接效應(yīng)和間接效應(yīng)

3.3.4 吸引資本、拓展人力

人力資本（In CAP）對風(fēng)能技術(shù)創(chuàng)新的直接效應(yīng)有很大的影響，而間接效應(yīng)相對影響較小，從由3可知，人力資本對新型電力系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電的創(chuàng)新能力有推動的作用，所以提升人力資本也是新型電力系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

3.3.5 制定制度、規(guī)范要求

環(huán)境規(guī)制（In ER）對太陽能技術(shù)創(chuàng)新的直接效應(yīng)有很大的影響，通過制定嚴(yán)格的規(guī)章制度、加大環(huán)境保護(hù)宣傳和環(huán)境保護(hù)進(jìn)校園等方式，增強電力人員的環(huán)保意識。大量開發(fā)、使用新型清潔能源，都有利于新型電力系統(tǒng)的建設(shè)。

4 結(jié)束語

為了實現(xiàn)國家“雙碳”目標(biāo)，保護(hù)人類共同的家園，電力產(chǎn)業(yè)需要重新構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，為了滿足智能化與快速化的要求，新型電力系統(tǒng)還加入了大量的電力電子元件。新能源與電力電子的存在，使傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法不再適用，這就需要電力系統(tǒng)在運營管控方面、能源生態(tài)方面和資源技術(shù)方面進(jìn)行轉(zhuǎn)型，開發(fā)、推進(jìn)新理念與新技術(shù)。