可再生能源供电电网面对的挑战和解决方案分析-北极星储能网

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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。

原标题：如何实现100%可再生能源供电的电网

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