陳碩翼1, 朱衛(wèi)東1, 唐明生2, 李建福3

　　(1.科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心;2.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所;3.北京鑒衡認(rèn)證中心有限公司)

　　大規(guī)模新能源與可再生能源電力友好接入技術(shù)是當(dāng)前能源技術(shù)領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)之一。我國新能源與可再生能源資源豐富，大力發(fā)展風(fēng)力和太陽能發(fā)電等新能源是我國的戰(zhàn)略舉措。隨著新能源占比不斷提高，實(shí)現(xiàn)友好并網(wǎng)接入將是新能源發(fā)電面臨的主要挑戰(zhàn)。本文對大規(guī)模新能源電力友好接入技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢進(jìn)行了梳理分析，并提出了我國的進(jìn)一步發(fā)展重點(diǎn)與對策建議。

　　一、關(guān)于大規(guī)模新能源與可再生能源電力友好接入技術(shù)

　　新能源與可再生能源主要指風(fēng)能、太陽能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿确腔茉?，可再生能源發(fā)電主要有水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等。風(fēng)力和太陽能發(fā)電是目前技術(shù)最成熟、最有規(guī)?；_發(fā)前景的新能源發(fā)電方式，大規(guī)模新能源與可再生能源發(fā)電友好接入技術(shù)主要是針對風(fēng)力和太陽能等新能源發(fā)電的并網(wǎng)接入技術(shù)。

　　由于資源的天然特性，風(fēng)電和太陽能發(fā)電呈現(xiàn)出強(qiáng)隨機(jī)波動性，加之發(fā)電裝備中電力電子元件的弱電網(wǎng)適應(yīng)性，新能源發(fā)電與傳統(tǒng)常規(guī)電源形成鮮明反差，其并網(wǎng)問題突出表現(xiàn)在預(yù)測難、控制難、調(diào)度難等方面。大規(guī)模新能源并網(wǎng)接入帶來的挑戰(zhàn)貫穿電能生產(chǎn)、輸送和消費(fèi)的全部環(huán)節(jié)。大規(guī)模新能源電力友好接入系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及新能源資源監(jiān)測評估、發(fā)電功率預(yù)測、調(diào)度運(yùn)行與控制、并網(wǎng)仿真、實(shí)證分析等眾多技術(shù)，是新能源發(fā)電友好接入電力系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)，旨在提升新能源并網(wǎng)性能、保障大規(guī)模安全運(yùn)行與高效消納。

　　隨著技術(shù)提升和成本下降，電力系統(tǒng)中新能源占比將不斷提高，新能源發(fā)電面臨的挑戰(zhàn)將主要集中在友好并網(wǎng)接入方面。新能源并網(wǎng)接入技術(shù)的突破，對于推進(jìn)能源革命、加快能源技術(shù)創(chuàng)新、構(gòu)建清潔低碳和安全高效的現(xiàn)代能源體系具有重大意義。

　　二、國際發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

　　當(dāng)前國際上對于大規(guī)模新能源與可再生能源電力友好接入技術(shù)的研究重點(diǎn)，主要在以下幾方面：

　　1. 新能源資源模擬與功率預(yù)測技術(shù)

　　新能源資源模擬與功率預(yù)測技術(shù)一直是世界熱點(diǎn)研究方向，國外上世紀(jì)90年代已開始相關(guān)研究與應(yīng)用。

　　近年來，大規(guī)模新能源集中并網(wǎng)對電網(wǎng)運(yùn)行的影響逐漸顯現(xiàn)，國外研究主要針對復(fù)雜地形、極端天氣及海上風(fēng)電的預(yù)測，提出基于中小尺度氣象模式耦合預(yù)測、多數(shù)值天氣預(yù)報(bào)源集合預(yù)測、大氣模式與海洋模式耦合的海上風(fēng)電功率預(yù)測等方法。歐盟“適用于大規(guī)模風(fēng)電的下一代功率預(yù)測系統(tǒng)研發(fā)(ANEMOS)項(xiàng)目”和后續(xù)ANEMOS.plus項(xiàng)目持續(xù)支持風(fēng)電功率預(yù)測技術(shù)研究，重點(diǎn)集中在概率預(yù)測、事件預(yù)測和高精度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)等技術(shù)。美國Xcel公司與國家大氣研究中心(NCAR)合作開發(fā)了新能源電站監(jiān)測與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)在線互動一體化監(jiān)測—預(yù)測系統(tǒng)。

　　新能源資源模擬與功率預(yù)測技術(shù)將向資源詳細(xì)模擬與定制化預(yù)報(bào)、多時(shí)空尺度功率預(yù)測及概率預(yù)測與事件預(yù)測方向發(fā)展。

　　2. 新能源并網(wǎng)仿真技術(shù)

　　德國、丹麥等國的新能源一般都接入比較強(qiáng)的電網(wǎng)，且風(fēng)能/太陽能資源與負(fù)荷分布均勻，沒有大規(guī)模的新能源基地集中接入末端電網(wǎng)的情況，因此主要開展單個(gè)新能源發(fā)電單元的特性和控制策略研究。國外已在風(fēng)電機(jī)組和光伏逆變器機(jī)電和電磁暫態(tài)建模技術(shù)方面獲得突破，并主要用于研究單個(gè)發(fā)電單元的輸出特性和控制方法。

　　目前，新能源發(fā)電單元的機(jī)電和電磁暫態(tài)建模、暫態(tài)響應(yīng)和故障穿越控制策略、虛擬同步機(jī)等并網(wǎng)仿真技術(shù)是國外新能源發(fā)電控制技術(shù)研究熱點(diǎn)，新能源發(fā)電并網(wǎng)安全穩(wěn)定與運(yùn)行狀態(tài)破壞機(jī)理、發(fā)電單元電網(wǎng)適應(yīng)性主動控制、發(fā)電實(shí)證方法等是新能源并網(wǎng)仿真技術(shù)的未來主要研究方向。

　　3. 新能源調(diào)度控制技術(shù)

　　丹麥、德國、西班牙等國新能源比重大，新能源與常規(guī)電源均需遵守電力市場規(guī)則，參與市場調(diào)度運(yùn)行，通過多時(shí)間尺度逐級市場滾動交易及相應(yīng)價(jià)格機(jī)制將新能源不確定性風(fēng)險(xiǎn)控制在安全范圍。目前丹麥、德國、西班牙的靈活調(diào)節(jié)電源容量遠(yuǎn)大于新能源并網(wǎng)容量，且可協(xié)調(diào)相鄰國家或地區(qū)的電力資源，通過有效的電力市場機(jī)制實(shí)現(xiàn)新能源最大化消納，棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象較少。此外，國外也非常關(guān)注電池儲能、電動汽車等技術(shù)，通過儲能與新能源聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行實(shí)現(xiàn)新能源波動平抑及最大化消納。

　　三、我國發(fā)展現(xiàn)狀與水平

　　我國新能源資源豐富，風(fēng)能和太陽能可開發(fā)資源分別超過25億、27億kW，預(yù)計(jì)未來20年我國能源需求仍將繼續(xù)增長，大力發(fā)展風(fēng)力和太陽能發(fā)電等新能源是保障我國能源安全、應(yīng)對氣候變化、實(shí)現(xiàn)減排承諾的戰(zhàn)略舉措。

　　為使新能源發(fā)電接近常規(guī)電源特性，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，提高新能源資源利用效率，在科技部的支持下，我國針對功率預(yù)測、多時(shí)空尺度調(diào)度、電站集群控制、多能協(xié)調(diào)控制等大規(guī)模新能源與可再生能源電力友好接入關(guān)鍵技術(shù)，在智能電網(wǎng)分析與優(yōu)化運(yùn)行、風(fēng)光儲輸示范工程、含高比例間歇式能源的區(qū)域型智能電網(wǎng)集成綜合示范、風(fēng)/光/水/氣多種能源發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行控制、電網(wǎng)側(cè)提升可再生能源消納能力等方向，開展了大量研究工作，形成一批自主知識產(chǎn)權(quán)科技創(chuàng)新成果，促進(jìn)了新能源發(fā)電向可接入、可消納、可預(yù)測、可調(diào)控方向發(fā)展，產(chǎn)業(yè)核心競爭力不斷提升，逐步縮小了與世界先進(jìn)技術(shù)水平的差距。

　　1. 新能源資源模擬與功率預(yù)測技術(shù)

　　我國新能源發(fā)展快、數(shù)據(jù)積累少，棄風(fēng)、棄光頻發(fā)，且地形復(fù)雜、氣候類型多樣，國外研究成果難以直接應(yīng)用。

　　中國氣象局、中國電力科學(xué)研究院、清華大學(xué)等針對我國新能源特點(diǎn)開展了大量研究工作，提出基于多實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)預(yù)測、基于電站線性升尺度區(qū)域預(yù)測等方法。

　　中國電力科學(xué)研究院提出了基于微尺度計(jì)算流體力學(xué)模型的物理方法和自適應(yīng)組態(tài)耦合統(tǒng)計(jì)方法等風(fēng)電功率預(yù)測技術(shù)，以及基于雙向漸進(jìn)的凈空模型構(gòu)建方法等光伏功率預(yù)測技術(shù)，提高了新能源功率預(yù)測方法的普適性。

　　2. 新能源并網(wǎng)仿真技術(shù)

　　我國新能源發(fā)電以大規(guī)模集群接入高電壓等級輸電網(wǎng)、遠(yuǎn)距離外送的發(fā)展模式為主，近年來中國電力科學(xué)研究院、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)等取得了一系列創(chuàng)新性成果。

　　中國電力科學(xué)研究院建設(shè)了風(fēng)光儲試驗(yàn)基地、全數(shù)字仿真平臺ADPSS等研究條件，開展了大規(guī)模新能源發(fā)電與電力系統(tǒng)交互影響研究，基于實(shí)際故障數(shù)據(jù)分析和事故仿真復(fù)現(xiàn)的、大規(guī)模風(fēng)電連鎖故障脫網(wǎng)原因分析及抑制措施研究，以及利用儲能技術(shù)改善新能源發(fā)電電網(wǎng)適應(yīng)性方法研究等工作。

　　3. 新能源調(diào)度控制技術(shù)

　　我國靈活調(diào)節(jié)電源缺乏、電力市場機(jī)制不健全，新能源消納的客觀條件和調(diào)度運(yùn)行機(jī)制與國外差別巨大，國內(nèi)開展了大量研究工作。

　　針對我國電力系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制和電源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，中國電力科學(xué)研究院提出了時(shí)序遞進(jìn)的新能源運(yùn)行不確定區(qū)間調(diào)度方法，將新能源發(fā)電功率預(yù)測納入調(diào)度運(yùn)行;研發(fā)了基于功率預(yù)測的多時(shí)間尺度新能源優(yōu)化調(diào)度模型和技術(shù)支持系統(tǒng)，并在“三北”地區(qū)推廣應(yīng)用;開展了風(fēng)光儲發(fā)電單元有功、無功控制及風(fēng)光儲電站與電網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行控制技術(shù)研究，建成了世界領(lǐng)先的國家風(fēng)光儲輸示范工程。

　　我國電源和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了高比例新能源調(diào)度運(yùn)行技術(shù)有待進(jìn)一步優(yōu)化，考慮新能源不確定性的隨機(jī)規(guī)劃方法有待進(jìn)一步突破。

　　四、我國進(jìn)一步發(fā)展重點(diǎn)

　　我國新能源并網(wǎng)比例不斷增加，電力系統(tǒng)運(yùn)行面臨的不確定性越來越大，并呈現(xiàn)電力電子化形態(tài)，我國需加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)研究，保障新能源電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和高效消納利用。

　　1. 新能源資源模擬技術(shù)

　　新能源資源準(zhǔn)確模擬和評估是為了解掌握風(fēng)能、太陽能等的資源特性與變化趨勢，準(zhǔn)確評價(jià)長期變化過程，發(fā)現(xiàn)新能源調(diào)度運(yùn)行存在問題，是實(shí)現(xiàn)新能源優(yōu)化運(yùn)行管理的重要基礎(chǔ)，可為新能源技術(shù)發(fā)展和政策制定提供支撐。

　　常規(guī)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)存在邊界層資源數(shù)值模擬精度不高、新能源發(fā)電多種類型預(yù)測需求適應(yīng)性差、同化周期長等不足，未來重點(diǎn)研究任務(wù)是建立面向新能源功率預(yù)測、定制化的資源數(shù)值模擬與預(yù)報(bào)技術(shù)體系。

　　2. 新能源并網(wǎng)仿真技術(shù)

　　新能源發(fā)電并網(wǎng)容量不斷擴(kuò)大，對新能源發(fā)電模型精確度和大型風(fēng)電場、光伏電站等值建模技術(shù)等的需求越來越迫切;大量電力電子接口的新能源技術(shù)層出不窮，制約新能源發(fā)電并網(wǎng)接入系統(tǒng)的安全穩(wěn)定問題，也逐步由局部、短時(shí)間尺度的暫態(tài)穩(wěn)定問題，發(fā)展為全局、長時(shí)間尺度的中長期安全穩(wěn)定問題，需要研究電力電子接口通用化建模技術(shù)、新能源與電力系統(tǒng)中長期交互影響并網(wǎng)仿真分析方法等。

　　未來，新能源并網(wǎng)仿真技術(shù)將向通用化、在線應(yīng)用以及多時(shí)間尺度發(fā)展，大規(guī)模海上風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)是新能源發(fā)電接入的新趨勢，需重點(diǎn)研究各類型新能源發(fā)電建模及新能源中長期準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)仿真技術(shù)，大規(guī)模新能源和高滲透分布式新能源/儲能接入電網(wǎng)的新能源發(fā)電接入及電網(wǎng)適應(yīng)性分析技術(shù)，大規(guī)模海上風(fēng)電場群建模與并網(wǎng)仿真技術(shù)等。

　　3. 新能源功率預(yù)測技術(shù)

　　新能源比重增大，新能源功率預(yù)測絕對偏差將遠(yuǎn)大于負(fù)荷預(yù)測不確定性帶來的電力需求偏差，新能源預(yù)測不確定性將成為電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)主要因素，需進(jìn)一步提高新能源功率預(yù)測建模靈活性、適應(yīng)性和預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確性。新能源發(fā)電功率預(yù)測技術(shù)將向多時(shí)空尺度功率預(yù)測及概率預(yù)測與事件預(yù)測發(fā)展。

　　4. 新能源優(yōu)化調(diào)度技術(shù)

　　優(yōu)化調(diào)度是新能源并網(wǎng)安全消納的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有助于協(xié)調(diào)新能源與常規(guī)電源，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行前提下新能源的最大化利用，促進(jìn)源-網(wǎng)-荷協(xié)調(diào)發(fā)展。

　　目前，新能源消納壓力不斷增大，棄風(fēng)棄光日益嚴(yán)峻，新能源發(fā)電優(yōu)化調(diào)度技術(shù)需更加完善，未來需重點(diǎn)研究大規(guī)模新能源隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度、大規(guī)模新能源短期及中長期調(diào)度、多種能源聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行、新能源發(fā)電運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)與主動防御等技術(shù)。

　　5. 新能源智能控制技術(shù)

　　我國多數(shù)大型新能源基地均位于電網(wǎng)末端，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)脆弱，短路容量小，易形成大規(guī)模新能源發(fā)電接入末端弱電網(wǎng)的局面。當(dāng)前新能源電站控制多為被動式且性能參差不齊，電網(wǎng)運(yùn)行中新能源占比日益增加，其大規(guī)模接入弱電網(wǎng)會改變原有電網(wǎng)運(yùn)行方式，帶來電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、次同步振蕩和諧波諧振等多種問題。新能源發(fā)電控制技術(shù)是新能源并網(wǎng)接入技術(shù)研究的重要方向。

　　新能源發(fā)電智能控制技術(shù)將充分挖掘新能源自身調(diào)節(jié)能力，使之具備靈活的有功、無功控制能力，并可根據(jù)電網(wǎng)電壓、頻率和指令實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電場站對電網(wǎng)的新型主動控制，保障電網(wǎng)穩(wěn)定性。

　　未來，新能源發(fā)電將具備“精確預(yù)測、靈活控制、智能調(diào)度”的先進(jìn)控制能力及常規(guī)電源并網(wǎng)控制性能，需重點(diǎn)研究復(fù)雜電網(wǎng)條件下發(fā)電單元控制策略等新能源發(fā)電新型控制技術(shù)、新能源電站與儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)等。

　　6. 新能源實(shí)證分析技術(shù)

　　新能源并網(wǎng)容量快速增長，其并網(wǎng)特性對電網(wǎng)的影響越來越大。為保障大規(guī)模新能源并網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，克服仿真手段在大規(guī)模新能源發(fā)電單元相互作用和海上風(fēng)電并網(wǎng)特性研究的局限性，需開展并網(wǎng)安全穩(wěn)定機(jī)理、智能控制及海上運(yùn)行特性的實(shí)證方法研究，建立電網(wǎng)運(yùn)行特征模擬環(huán)境、功率匯集實(shí)證平臺及海上風(fēng)電試驗(yàn)平臺，驗(yàn)證新能源發(fā)電協(xié)調(diào)控制策略及海上風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)性能。

　　五、對策建議

　　1. 加強(qiáng)公共研發(fā)投入及國家級新能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

　　建立穩(wěn)定的科技投入機(jī)制，合理配置資源，實(shí)施專項(xiàng)計(jì)劃，加強(qiáng)和完善國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，有效推動新能源并網(wǎng)接入技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

　　2. 全面發(fā)揮現(xiàn)有國家級創(chuàng)新平臺作用

　　突出國家級新能源科技平臺的創(chuàng)新主體地位，依托國家級新能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、工程研究中心等創(chuàng)新平臺，大力開展科技創(chuàng)新研究和成果轉(zhuǎn)化。

　　3. 加快人才隊(duì)伍建設(shè)

　　吸收海外優(yōu)秀學(xué)者，充實(shí)國內(nèi)人才隊(duì)伍。充分利用國家公共研發(fā)及示范基地，加強(qiáng)人才梯隊(duì)建設(shè)。打破傳統(tǒng)學(xué)科和學(xué)歷界限，將人才隊(duì)伍建設(shè)與學(xué)科、創(chuàng)新體系建設(shè)緊密結(jié)合，形成多學(xué)科交叉的完善培養(yǎng)體系和選拔機(jī)制。

　　4. 加強(qiáng)國際交流與合作

　　進(jìn)一步加大國際項(xiàng)目合作，及時(shí)把握世界新能源發(fā)電并網(wǎng)科技發(fā)展的新動向、新趨勢，充分利用全球技術(shù)資源，加強(qiáng)與國外新能源技術(shù)研究計(jì)劃的合作，促進(jìn)我國新能源并網(wǎng)技術(shù)與世界接軌和可持續(xù)發(fā)展。

　　本報(bào)告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項(xiàng)項(xiàng)目“重點(diǎn)科技領(lǐng)域發(fā)展熱點(diǎn)跟蹤研究”(編號：ZLY2015072)研究成果之一。中國電力科學(xué)研究院王偉勝教授級高級工程師參與了本研究。

　　本文特約編輯：姜念云