新型电力系统电力电量供需平衡和系统稳定新思路

传统电力系统基于化石能源等常规能源，电源侧发电单元容量较大、单元数量有限、集中可控，输电侧主干网架电压等级高、输送规模大，配电侧以无源网络为主，负荷以消费电力为主。在传统电力系统基础上发展起来的电力电量平衡方法、电力系统安全稳定运行与控制技术已经较为成熟，电力系统大多数情况处于确定可控的安全状态下。随着风光等新能源大规模接入电网，电力系统电源由确定可控的常规电源装机为主，转变为具有不确定性的、弱可控性的新能源装机为主；由于分布式等新能源的发展，配电网由无源网络转变为有源网络，需求侧的不确定性也大大提高。大量电力电子元器件接入系统带来新型安全稳定问题和电能质量问题，电力系统在理论和实践上都面临着重大挑战。

（文章来源 微信公众号：中能传媒研究院 作者：蒋德斌（中国电力企业联合会统计与数据中心））

一、挑战：电力系统的新型供需平衡与新型系统稳定问题

一定时期内的电能供应总量应满足电能需求总量，实时电力系统需求与供应应始终保持平衡。电力系统实时运行中，时刻受到需求波动、设备操作与故障、外部冲击等多种扰动因素的影响，而电力系统应是一个稳定平衡的系统，在受到各种干扰影响的情况下都能够自主恢复稳定或者过渡到新的稳定运行状态，且在整个过程中能够保障电力供应的可靠性和电能质量，这就是电力系统安全稳定运行问题。无论是传统电力系统，还是新型电力系统，保障电力电量平衡、确保电力系统安全稳定都是电力系统运行中需要处理的重要问题。

能源转型改变了传统电力电量平衡和电力系统安全稳定的性质条件。

电力电量平衡方面，由于传统电力系统中每一个发电单元都具有较大容量且特征突出、易于控制，以发电跟随用户变化的思路对系统中的发电单元及其上游进行调整控制，可以较好地实现电力电量各个时间尺度的精准平衡，系统调度管理与控制的技术比较成熟。新型电力系统中，新能源发电单元容量小但是数量巨大，风光等新能源随机性强、难以预测，波动性大、跟踪控制难，时间序列上出力具间歇性，晚峰无光、极热无风，导致系统调峰困难。系统平衡机制由确定性发电跟踪不确定性负荷，转变为不确定性发电与不确定性负荷双向匹配。这使得在任何时间尺度上都能精准保障供需平衡变得十分困难。

电力系统安全稳定方面，传统电力系统以交流为主运输、配送电能，直接并入同一系统的旋转器件越多，系统转动惯量越大，就具有更好的稳定平衡特性，小规模的外部冲击和系统内部故障不会对电力系统带来致命影响，在经历较大规模冲击或者连续冲击的情况下，由于惯性特征，也较易于采取控制措施以恢复系统稳定。新型电力系统中，大量风电、光伏所发电能通过换流装置接入系统，系统容量规模增大的同时，转动惯量随着传统电源逐步退出而逐渐减少，电力系统安全稳定性能降低。功角稳定、电压稳定、频率稳定等问题由于新能源的扩张而更加突出。另外，电力电子器件具有强非线性、切换性、离散性特征，而新型电力系统中高比例电力电子换流设备的应用，大大增加了传统功角稳定、频率稳定和电压稳定发生机理、运行控制的复杂性，还给电力系统带来新的稳定问题，例如由电力电子元器件特性引发的新型振荡问题、多馈入直流在负荷中心引发的电压稳定问题等，以及谐波污染、电压闪动等电能质量问题。新型电力系统建设过程中，不仅要从技术上解决传统高惯量电力设施比例越来越小带来的惯性稳定问题，还要发展新的稳定理论以指导解决因高比例新能源和高比例电力电子设备接入带来的新型稳定问题。

在从传统电力系统向新型电力系统转变过程中，新型供需平衡和新型系统稳定问题都十分突出，如果不能够很好地解决这些问题，新型电力系统将无法实现安全可靠的基本目标。

二、思路：储能在解决新型供需平衡与新型稳定问题中的运用

对于新型供需平衡问题，目前主流的方法，一方面是在系统中规划建设足够的满足爬坡需求的灵活性电源，尽可能实现多能互补以减少对单一能源的依赖，同时加强网间互济能力，在需求侧采取必要措施等；另一方面，是加强系统运行管理，完善调度管理机制，提升预测预警水平，优化调度策略并提升调度技术。这些措施可以提高电力电量平衡适应的概率，但是不能保证在全时间尺度实现精准的电力电量平衡。同时，将煤电作为主力灵活性资源，不仅成本高，长远看还面临资源稀缺、枯竭的风险，而大规模建设锂基短时电化学储能等也面临关键资源约束、能量密度限制、安全稳定性不足等问题。

对于新型系统稳定问题，除传统安全稳定控制措施外，在风电光伏场站侧利用虚拟惯量控制、虚拟同步机、下垂控制等主动支撑技术，提高风电光伏场站对电力系统动态支撑能力。在调度侧，装备智能电网调度控制系统，集成和共享电网信息，提升多级调度协作效率，在线分析评估安全稳定水平，提升安全预警能力。在电网侧，规划建设更加坚强的网架结构，建设抽水蓄能电站和共享电化学储能电站，建设满足新型电力系统稳定需求的高惯量同步调相机、储能同步调相机等，或将退役机组改造成调相机，在支撑系统电压的同时，增加系统惯量、参与系统调频，提高系统稳定水平。在需求侧，实现多能互补、多元聚合等各种应用场景，以保障高比例新能源接入情况下电能持续安全供应，同时尽可能实现对大系统的主动支持。

当前，针对新型电力系统相关稳定问题尚未形成完整的理论体系和成熟的解决方案。但可以确定的是，无论是解决新型供需平衡问题还是解决新型系统稳定问题，储能的运用都不可或缺。

在电力电量平衡方面，将储能作为灵活性调节资源，平抑新能源的随机性、波动性和间歇性，实现削峰填谷、冷热备用、市场调节等，利用储能协助能量时移的能力，实时填补或削减新能源出力与用电负荷的偏差（功率）、填补或削减一定时段内新能源能量与用电需求能量的偏差（能量），维持系统实时的电力平衡和一定时期内的电量平衡。

在安全稳定运行方面，无论是场站侧的主动支撑，还是需求侧的多元聚合，都依赖于储能协助能量时移的特性，以及各种储能类型的控制特性。如抽水蓄能、压缩空气储能容量大，并能为系统提供转动惯量；电化学储能转换效率高、反应速度快，易于实现快速控制；熔盐储能容量大、供能时间长，可利用场景多。综合利用多种储能技术，通过协调和优化控制，实现储能应用功能的多目标集成，在系统中参与快速调频、自动发电控制（AGC）和自动电压控制（AVC）、抑制低频振荡、抑制过电压、黑启动等。

仍需注意，当前尽管储能特别是电化学储能在新型电力系统建设过程中得到高度重视，但是一些新型储能在接入系统时，也会将更多的电力电子设备带入系统，从而造成电力系统稳定问题的复杂化。

三、思考：降维思路处理新型平衡和新型稳定问题

新型平衡和新型系统稳定问题是新型电力系统建设征途上的必过关口。目前业内主流的思路，是发展新型平衡理论去解决新型平衡问题、发展新型稳定性理论去解决新型稳定问题。这些理论，不仅需要对相关问题的发生机理、产生概率、海量数据、复杂计算、应用验证等深入开展工作，也需要在气候气象变化、自然环境影响、社会经济发展、资源要素流通等各方面做出准确预测分析并无缝衔接。即使理论上认为可以通过复杂的监测系统全面感知电力系统及相关各方面影响要素的变化，并有足够快速的在线计算能力和速度，面对多个复杂系统、海量数据和庞大运算规模，面对供需双侧的不确定性，以及监测控制设备本身可能存在的故障概率，在具体工程实践上，也有可能发生系统平衡和稳定相关问题。

技术发展的路径是从简单到复杂、从低维到高维，而解决技术难题的路径恰好相反，应是将复杂问题分解为简单问题、将高维问题降为低维问题。“双高”新型电力系统比传统电力系统复杂得多、高维得多。解决新型电力系统的问题，可以考虑将新型电力系统转化成传统电力系统的模式，再利用传统电力系统已有的成熟理论、技术和方法去处理，最终实现电力电量平衡保障和电力系统安全稳定运行。

从这个意义上看，可以拓展新型平衡和新型系统稳定问题的解决思路，即通过物理层面的主动规划设计，将新型电力系统降维成为传统电力系统，从而将新型平衡问题和新型系统稳定问题降维成为传统平衡和传统稳定问题，再利用传统电力系统的平衡理论和方法、传统电力系统的稳定控制方法，去实现系统的电力电量平衡和系统安全稳定运行。这个思路的关键，是通过主动规划设计，实现新型电力系统降维。

一个方法是就地将风光等新能源转换成其他可以长期储存的能源，例如将人造天然气（如甲烷）作为大规模燃气发电的气源，将天然气发电机组并入电力系统，以此，新能源发电设施接入的人造燃气设施及燃气发电厂设施一体构成长时储能设施。为新能源发电基地大规模配套这样的长时储能设施，可以降低直接接入电力系统中的新能源比例，维持电力系统中化石能源和新能源发电的合理结构，在确保大规模消纳新能源的同时，使电力系统保有传统特性。

这个思路的主要优点，一是复杂问题简单化，概念清晰、技术简单、安全可靠。其中技术上的难点在于人造天然气，该技术目前已有多种路线，只是成本尚高，如能实现规模化生产，成本可以下降到可承受的程度。同时，还要动态研究电力系统中传统能源和新能源的合理比例结构。二是燃气机组可以为系统大规模增加转动惯量和灵活性调节能力，更好地提升系统的安全稳定性。三是可以大幅度减少直接接入电力系统的电力电子器件，有效降低新型稳定问题的发生概率。四是燃气易于运输和存储，可以直接在终端能源消费中利用，有利于综合能源系统建设。五是可以较好地化解一次能源资源短缺风险，特别是煤电作为单一兜底电源可能带来的巨大风险。六是为未来拓展深远海能源资源开发利用做足技术储备。当然，这种思路和当前主流的新型平衡和新型系统稳定问题研究思路可以并行不悖、良好兼容。

四、场景：以人造天然气作为长时储能载体的应用构想

目前，国内外对于长时储能（LDES）并没有统一定义，有的机构认为放电持续时间超过4小时、寿命不低于20年的储能技术为长时储能，也有的机构将放电持续时间规定为超过8小时或者10小时。笔者认为，以10小时以上放电持续时间作为长时储能的界定较为合理，因为这个时间可以基本覆盖正常一日无光时段。从这个定义看，部分抽水蓄能、压缩空气储能等物理储能设施，以及氢储能、熔盐储能等电化学储能均可归类为长时储能。将新能源电力转换成氢并进一步与二氧化碳反应，制成甲烷，再利用天然气发电、掺烧发电或者直接燃烧利用，实现电碳循环。这种方法特别适合于将来在深远海建设能源基地并回供陆地的能源生产模式，也适用于附近有充足水源的陆上新能源发电基地。

图 以人造天然气作为长时储能载体的应用构想