浅析｜新能源发电特点和并网影响

一直以来，国家电网有限公司全力服务新能源发展和消纳，不断加强技术创新，新能源消纳矛盾持续缓解，新能源利用率不断提高。2019年，国家电网经营区新能源发电持续快速增长，新能源利用率达到96.8%，青海、甘肃等8个省份新能源发电量占本省用电量的比例超过15%。

风电出力随风速和风向的变化而变化。根据测风数据，风速在一年中的大部分时间，在接近零到额定风速之间变化，与此相对应，风电出力也在从零到额定出力之间变化。

风电出力呈现明显的季节特性。不同地区风电年出力的季节特性不同，东北、华北地区风电平均出力呈现冬春季较大、夏秋季较小的特点，西北则呈现冬春季较小、夏秋季较大的特点。

光伏电站日出力主要受天气影响。在晴朗天气，光伏电站在白天中午时分出力达到最大，且曲线比较平滑，出力分布较规律；在多云天气，出力的白天时段分布没有规律。

受光照强度和温度影响，光伏电站一般在春季、冬季发电出力较大。从甘肃、青海地区光伏电站的年出力分布来看，平均出力呈现春秋季较大、夏冬季较小的特点。由于用电负荷一般在夏冬季较大，因此，光伏电站对于满足高峰负荷的贡献度有所降低。

风电、光伏发电等新能源发电具有随机性、波动性等特点，新能源并网带来的振荡问题已对电力系统安全运行产生显著影响，未来，高比例新能源接入电网后，将会加剧振荡问题。大规模新能源接入电网，不仅对电力系统安全稳定运行带来影响，而且显著影响电力系统运行经济性。

新能源并网后大量常规同步发电机组被风电、光伏发电机组替代，导致系统转动惯量减小、频率调节能力降低。与常规火电设备相比，新能源设备涉网性能标准偏低，其频率、电压耐受能力较差，极易引发脱网问题。

由于新能源资源具有波动性和随机性，发电设备具有低抗扰性和弱支撑性，因此，新能源的有效消纳和安全运行是世界难题。

新能源并网技术及重点突破方向

新能源高精度功率预测技术。由于资源的随机波动性和不可存储特性，新能源出力具有随机性和波动性。我国地形复杂，气候类型多样，新能源资源随机波动性更强、高精度功率预测更难。高比例新能源电力系统将发电跟踪负荷的单向匹配转变为供需双侧的双向动态匹配，新能源发电功率预测是双向动态匹配的基础，需研究空间分辨率更高、时间间隔更小、精度适用性更强的新能源发电功率预测技术，支撑电力供应与需求的精准双向匹配。

新能源主动支撑技术。高比例新能源电力系统中，新能源发电并网技术需要从“被动适应”到“主动支撑和自主运行”转变。未来高比例新能源接入电网后，将对电力系统形态及运行机制产生深刻影响，需要新能源具备主动支撑控制能力，具备接近或高于同步电源的控制特性，支撑系统的电压、频率稳定以及提供备用容量。

电力气象技术。气象条件是高比例新能源电力系统最关键的外部影响因素，其影响范围涵盖“发”（风、光、降水是新能源和水力发电的一次资源）、“输”（气象灾害对输变电设备的损坏、气象条件对输电能力的影响）、“用”（温度、湿度、降水等影响负荷行为，风、光影响分布式新能源出力）全环节。国际电力研究机构普遍认为气象原因是未来影响电网运行的三大关键因素之一。为降低电力气象灾害不利影响，需研究电力气象灾害预报预警技术，通过提前应对极端天气，支撑高比例新能源电力系统安全稳定运行。

储能技术应用。储能技术通过装置或物理介质将能量储存起来，以便需要时利用。目前，除抽水蓄能外，电化学储能是发展最快且相对成熟的储能技术。储能将在高比例新能源电力系统电力电量平衡中起到重要的灵活调节作用，支撑供需双侧动态匹配，促进新能源有效利用。未来需解决低成本、大容量、长时间、高可靠的能量存储问题，以及大规模、多类型储能的协调调控问题。

新能源并网技术成果

中国电力科学研究院聚焦新能源并网与调度运行技术，取得了数值天气预报系统、新能源功率预测系统、新能源安全稳定控制系统等创新成果。

数值天气预报系统。应用于新能源功率预测，预报时长72小时，水平网格3千米×3千米，刀片式服务器623个，数据存储能力2.6PB，运算能力230万亿次/秒。

新能源功率预测系统。在26个省级电力调控中心应用，覆盖我国约80%的新能源并网容量，预测容量居世界首位，新能源功率预测精度达到90%以上（按月统计）。

新能源监测与调度系统。采用时序递进的优化调度方法，滚动修正新能源发电功率预测误差，保障了资源变化及系统运行约束条件下的新能源最大化消纳。

新能源安全稳定控制系统。通过使用该系统，“三北”地区5省区（新疆、甘肃、青海、蒙东、河北）共提升新能源送出能力348万千瓦。

甘肃省位于西北新能源基地群枢纽，新能源装机占比42.6%。“风电场、光伏电站集群控制系统关键技术”由国网甘肃省电力公司牵头，项目依托甘肃酒泉千万千万级风电基地、百万千瓦级光电基地，攻克了风电场、光伏电站集群控制系统在线监测控制、策略制订、设计集成和运行管理等关键技术。该技术实现了河西走廊800万千瓦风电场、300万千瓦光伏电站的集群控制功能，有效提高了电网接纳风电、光伏发电能力。

【专访】

围绕新能源并网与消纳，《亮报》对中国电力科学研究院副总工程师兼新能源研究中心主任王伟胜进行了专访。

《亮报》：未来，如何能更好地实现新能源消纳？

王伟胜：新能源消纳涉及电力系统发、输、配、用多个环节，与发展方式、技术进步、电力体制改革、市场交易机制、政策措施等密切相关，实现新能源高效消纳，既要“源—网—荷”技术驱动，也需要政策引导和市场机制配合。

促进新能源消纳，需要多措并举、综合施策。近期，应加强电网统一调度，充分挖掘系统潜力，优先解决存量、严格控制增量，有效缓解弃风弃光；建设完善市场机制，提高系统平衡能力，根本解决新能源消纳问题。远期，应突破前瞻性技术，适应高比例大规模新能源发展需要。

在电源环节，加大技术改造力度，充分挖掘现有电源调节能力；加快调峰电源建设，提高灵活调节电源比例；控制新能源建设节奏，优化电源布局；提高新能源功率预测精度。

在电网环节，加快跨省跨区通道建设，扩大新能源消纳市场；加强电网统一调度，发挥大电网综合平衡能力。

在用户环节，推进电能替代，增加新能源消纳空间；引导用户参与需方响应，改善负荷特性。

在体制机制方面，着力打破省间壁垒，构建全国电力市场体系，建立有利于新能源消纳的市场机制。

来源：中国电力科学研究院、国网能源研究院、国网甘肃省电力公司、《国家电网有限公司服务新能源发展报告2020》等，杨亚迪、屈姬贤、袁伟、黄碧斌、叶小宁、张健美、周强、席家福对本文有贡献。