中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：在我國提出構(gòu)建新型電力系統(tǒng)重大戰(zhàn)略的背景下，具有電力電子特性的新能源逐漸取代機(jī)械特性的傳統(tǒng)能源，這一轉(zhuǎn)變深刻重塑了電力系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)、運(yùn)行機(jī)理與安全穩(wěn)定特性。新能源的發(fā)展和實(shí)踐，推動(dòng)電力系統(tǒng)走到了亟需建立新的理論和技術(shù)體系的歷史節(jié)點(diǎn)。“傳統(tǒng)電力理論體系正面臨前所未有的挑戰(zhàn)，理論的滯后已成為制約新型電力系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸，必須開展基礎(chǔ)理論的顛覆性創(chuàng)新，才能為新型電力系統(tǒng)的安全、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行保駕護(hù)航?！敝袊こ淘涸菏坷盍浦赋?。
新能源滲透率快速攀升
截至今年8月底，全國風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)達(dá)到17億千瓦。對(duì)照習(xí)近平主席9月在聯(lián)合國氣候變化峰會(huì)承諾的我國新一輪NDC目標(biāo)——2035年風(fēng)電和太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到2020年的6倍以上、力爭達(dá)到36億千瓦，未來十年風(fēng)電和太陽能發(fā)電裝機(jī)需要新增19億千瓦，年均新增裝機(jī)約2億千瓦裝機(jī)?！笆陜?nèi)要實(shí)現(xiàn)風(fēng)光裝機(jī)翻一番，對(duì)于電網(wǎng)挑戰(zhàn)極大，其中將有一半以上將是分布式新能源，能源結(jié)構(gòu)將發(fā)生革命性重塑?！崩盍票硎尽?/span>
當(dāng)前，電力系統(tǒng)高比例新能源已成為現(xiàn)實(shí)。目前全國已有22個(gè)省份新能源裝機(jī)占比超過30%，其中內(nèi)蒙古、河北、新疆、山東等地新能源裝機(jī)容量過億千瓦，新能源“隨機(jī)性、間歇性、波動(dòng)性”的“三性”問題更加凸顯。李立浧指出，在2024年春節(jié)期間，云南電網(wǎng)最高新能源滲透率達(dá)到63%，若不加以控制滲透率將超過70%。2025年春節(jié)期間，云南電網(wǎng)最高新能源滲透率達(dá)到69%，若不加以控制可達(dá)到100%。
“國家電網(wǎng)華東、華中、華北電網(wǎng)的電力電子化特征電源（新能源+直流）出力占負(fù)荷的最大比例已經(jīng)超過60%。沙戈荒新能源送出基地等將出現(xiàn)100%電力電子化電力系統(tǒng)?！崩盍浦赋?，“因此，如何駕馭新能源、如何發(fā)揮電力電子快速準(zhǔn)確控制特性、如何有效協(xié)調(diào)利用新型電力負(fù)荷如電動(dòng)汽車、算力負(fù)荷等資源，是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)中的重要課題?！?/span>
李立浧從以下方面分析新型電力系統(tǒng)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的區(qū)別：在動(dòng)態(tài)特性方面，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)間常數(shù)大（秒-分鐘級(jí)），呈現(xiàn)為“慢速”的系統(tǒng)機(jī)電特性，穩(wěn)定性高。新型電力系統(tǒng)呈現(xiàn)電力電子化特點(diǎn)，動(dòng)作時(shí)間常數(shù)?。ㄎ⒚爰?jí)），頻域分布廣（DC-數(shù)百Hz），波動(dòng)性和隨機(jī)性強(qiáng)。在安全穩(wěn)定理論方面，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行基于機(jī)電同步過程，其模型等效且高度依賴同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；而新型電力系統(tǒng)的運(yùn)行則是數(shù)據(jù)同步過程，由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，其本質(zhì)是數(shù)字化信息與物理系統(tǒng)的深度融合，形成以電力電量實(shí)時(shí)平衡為核心的新型系統(tǒng)平衡理論。在系統(tǒng)規(guī)模方面，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)表現(xiàn)為集中式結(jié)構(gòu)，電源單體規(guī)模大、數(shù)量少；而新型電力系統(tǒng)則呈現(xiàn)突出的分布式特征，表現(xiàn)為電源單體規(guī)模小、數(shù)量龐大。在系統(tǒng)形態(tài)和生態(tài)方面，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)是功能、界限分明的集中式架構(gòu)，其研究和運(yùn)行重點(diǎn)依賴以模型與預(yù)測為核心的仿真系統(tǒng)，長期面臨功能割裂、信息封閉、技術(shù)路徑受限等問題。相比之下，新型電力系統(tǒng)則呈現(xiàn)出“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”深度融合與靈活變換、“能量流與信息流”深度交織與實(shí)時(shí)互動(dòng)的全新生態(tài)。在負(fù)荷側(cè)格局和用戶方面，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的負(fù)荷可預(yù)測可計(jì)劃，相對(duì)穩(wěn)定，用戶是電力消費(fèi)者，新型電力系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)包括新能源和儲(chǔ)能，用戶從單純的消費(fèi)者轉(zhuǎn)變?yōu)椤吧a(chǎn)者+消費(fèi)者”，負(fù)荷不確定性強(qiáng)，用戶融入系統(tǒng)。在系統(tǒng)安全方面，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)確定性強(qiáng)，功能單一，易控制，新型電力系統(tǒng)不確定因素多，功能復(fù)雜，需要構(gòu)建起系統(tǒng)和元件的新型網(wǎng)絡(luò)安全體系。在電力系統(tǒng)架構(gòu)方面，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)是大電網(wǎng)、同步電網(wǎng)，新型電力系統(tǒng)則具有能源電力一體化、廣域電氣化特征，電網(wǎng)形態(tài)表現(xiàn)為大電網(wǎng)+主動(dòng)配電網(wǎng)+微電網(wǎng)?！霸谔贾泻颓榫跋碌男滦碗娏ο到y(tǒng)，系統(tǒng)特性將從剛性轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝钥煽?、智能靈活。電網(wǎng)可以‘無條件’接受新能源，系統(tǒng)有‘無限大’的功率、‘無限多’的能量，系統(tǒng)的安全穩(wěn)定依靠功率的動(dòng)態(tài)平衡、能量的動(dòng)態(tài)平衡，同時(shí)要建立新型故障防御體系和故障分析理論?！崩盍瓶偨Y(jié)道。
新能源應(yīng)成為電壓源
隨著新能源從補(bǔ)充電源邁向電力主體，其固有“電流源”特性與電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行需求間的矛盾日益凸顯。傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)通過轉(zhuǎn)子勵(lì)磁和機(jī)械轉(zhuǎn)速的控制，天然地具有電壓源的特性。而風(fēng)電、光伏等新能源本身產(chǎn)生的是隨機(jī)波動(dòng)的直流電或變頻交流電，無法直接接入電網(wǎng)，在高比例滲透下將影響系統(tǒng)安全。因此，新能源必須主動(dòng)轉(zhuǎn)型為“電壓源”，使風(fēng)電、光伏等新能源從“電網(wǎng)跟隨者”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸握摺?，這是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的必然要求。
“新能源要成為電壓源，這就需要通過電力電子變流器及其控制策略來‘構(gòu)建’一個(gè)電壓源。這個(gè)構(gòu)建過程的核心思想是，通過精密的控制算法，讓電力電子變流器構(gòu)建并形成電壓源的外特性，反映電壓源的內(nèi)在物理規(guī)律?！崩盍品治龅?。
李立浧進(jìn)一步指出，新能源成為電壓源，其硬件基礎(chǔ)在于電力電子變流器。新能源發(fā)電系統(tǒng)（如光伏逆變器、全功率變流風(fēng)機(jī)）的核心是電壓源型變流器。它由全控型電力電子器件組成，可以通過高頻開關(guān)動(dòng)作，將直流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同步的交流電。
控制策略在于兩個(gè)方面：外環(huán)決定變流器的“目標(biāo)”。對(duì)于電壓源，外環(huán)就是電壓控制環(huán)。它設(shè)定變流器需要輸出的交流電壓的幅值和頻率。內(nèi)環(huán)是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的“執(zhí)行者”，通常是電流控制環(huán)，它根據(jù)外環(huán)給出的電壓指令，快速、精確地控制變流器輸出的電流，以維持端口電壓的穩(wěn)定。由于新型電力系統(tǒng)中新能源占比高，從同步發(fā)電機(jī)主導(dǎo)變?yōu)樽兞髌鹘涌诳刂疲L(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能等）為主導(dǎo)，因此，系統(tǒng)運(yùn)行控制的理論和方法需要更新，以更加適應(yīng)變流器接口控制。通過先進(jìn)的電力電子變流器硬件，并采用構(gòu)網(wǎng)型控制技術(shù)，使風(fēng)電、光伏等新能源從“電網(wǎng)跟隨者”轉(zhuǎn)變?yōu)椤半娋W(wǎng)形成者/支撐者”，從而構(gòu)建出一個(gè)具有優(yōu)良外特性，甚至優(yōu)于傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的電壓源。“這是構(gòu)建高比例新能源新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，能夠極大地提升電網(wǎng)的穩(wěn)定性、可靠性和柔性?！崩盍浦赋?。
電力系統(tǒng)平衡理論亟需創(chuàng)新
電力系統(tǒng)正面臨有電一百多年以來技術(shù)上的重大變化，目前正由量變轉(zhuǎn)入質(zhì)變。大規(guī)模分布式新能源、需求側(cè)響應(yīng)、虛擬電廠、可控負(fù)荷等涌現(xiàn)，電力市場的實(shí)施，大電網(wǎng)、有源配電網(wǎng)、微電網(wǎng)的電力系統(tǒng)格局形成，呼喚電力系統(tǒng)新理論，引領(lǐng)基礎(chǔ)理論和技術(shù)全面發(fā)展。
李立浧分析道，同步機(jī)主導(dǎo)的穩(wěn)定范式正在逐步被顛覆，需構(gòu)建以電力電子裝備為主導(dǎo)的電力系統(tǒng)平衡理論體系。新增的電力電子裝備逐步替代同步機(jī)，重塑系統(tǒng)的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性。電力系統(tǒng)安穩(wěn)防御體系需要結(jié)合高比例新能源系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行工況與擾動(dòng)場景實(shí)現(xiàn)“在線精準(zhǔn)決策、實(shí)時(shí)技術(shù)策略”的智能化管理，將統(tǒng)計(jì)不確定性因素成為確定性決策。
“傳統(tǒng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定理論建立在同步機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣性之上，是一個(gè)相對(duì)‘緩慢’而‘剛性’的機(jī)電動(dòng)態(tài)過程，而新型電力系統(tǒng)的平衡理論以電力電量實(shí)時(shí)平衡為基礎(chǔ)，通過電力電子設(shè)備的快速控制和數(shù)字化智能決策，構(gòu)建了一個(gè)‘快速’而‘柔性’的主動(dòng)支撐體系。這一范式轉(zhuǎn)移不僅是技術(shù)的進(jìn)步，更是系統(tǒng)思維的深刻變革?！崩盍浦赋?。
李立浧表示，平衡理論的完善依賴于技術(shù)的發(fā)展。在新型電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)穩(wěn)定必須直接依賴于電力電量平衡的第一性原理。電力平衡指的是實(shí)時(shí)功率平衡，包括有功和無功平衡，保證系統(tǒng)頻率和電壓穩(wěn)定。電量平衡指的是能量供需在時(shí)間尺度上的平衡，涉及儲(chǔ)能充放電、跨區(qū)調(diào)度和負(fù)荷管理，是電力平衡的長期保障。在新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的平衡理論構(gòu)建中，其科學(xué)性在于基于能量守恒定律，直接從功率平衡角度確保系統(tǒng)穩(wěn)定，避免傳統(tǒng)慣性依賴的局限性。通過電力電子設(shè)備的快速控制，彌補(bǔ)了慣性缺失，使系統(tǒng)更靈活應(yīng)對(duì)擾動(dòng)。理論支持多時(shí)間尺度平衡，從秒級(jí)（有功平衡）到小時(shí)級(jí)（電量平衡），符合新能源波動(dòng)特性。其實(shí)用性在于可集成先進(jìn)技術(shù)，如智能電網(wǎng)、廣域測量系統(tǒng)、人工智能預(yù)測，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制。促進(jìn)儲(chǔ)能和需求響應(yīng)的應(yīng)用，通過市場機(jī)制或控制策略，調(diào)動(dòng)分布式資源參與平衡。
