近兩年，風(fēng)光等新能源裝機(jī)和發(fā)電量占比逐漸攀升，光伏在中國(guó)已經(jīng)成為第二大電源。新能源滲透率的不斷提升，給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

未來(lái)，電力系統(tǒng)高比例新能源和高比例電力電子設(shè)備的“雙高”特性凸顯，新能源通過(guò)電力電子設(shè)備變流后接入交流電網(wǎng)，難以提供慣量支撐。隨著新能源大量替代常規(guī)電源，維持同步穩(wěn)定的物理基礎(chǔ)將被不斷削弱，給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)一定風(fēng)險(xiǎn)。

在第15屆中美綠色能源論壇上，中美兩國(guó)的能源監(jiān)管機(jī)構(gòu)、電力企業(yè)以及研究機(jī)構(gòu)專家就“雙高”特征下如何保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要攻關(guān)哪些關(guān)鍵技術(shù)，以及電力系統(tǒng)未來(lái)將如何發(fā)展等問(wèn)題分別提出了建議。

加強(qiáng)電力系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)控制和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防能力

華北電力大學(xué)副校長(zhǎng)、新能源電力系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任畢天姝指出，中國(guó)的電力系統(tǒng)構(gòu)建了以預(yù)防控制為核心，以三道防線為屏障的安全防御體系。新能源為主體的電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)理和并網(wǎng)方式與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)不同，運(yùn)行特性、控制特性和故障特性會(huì)發(fā)生很大變化，給電力系統(tǒng)安全帶來(lái)挑戰(zhàn)。

“首先亟須突破的技術(shù)是，在線運(yùn)行的短周期安全穩(wěn)定分析技術(shù)?！?/p>

據(jù)畢天姝介紹，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的預(yù)防控制主要針對(duì)相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)行點(diǎn)，通過(guò)窮舉典型運(yùn)行方式或極端方式來(lái)排除電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)預(yù)防控制。但新型電力系統(tǒng)運(yùn)行方式變化多樣，電子控制響應(yīng)、連鎖反應(yīng)非常靈活，依靠原有方法很難完全排除電子系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。

與此同時(shí)，新能源功率波動(dòng)性強(qiáng)，系統(tǒng)運(yùn)行變化快且幅度大，以往針對(duì)相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析和控制的做法也面臨挑戰(zhàn)。因此，當(dāng)前亟須開(kāi)發(fā)在線運(yùn)行的短周期安全穩(wěn)定分析技術(shù)。

畢天姝認(rèn)為，研發(fā)不依賴大型同步機(jī)特性保護(hù)的新技術(shù)是保障新型電力系統(tǒng)安全的另一關(guān)鍵。

據(jù)她介紹，發(fā)生故障時(shí)，大型同步機(jī)能提供20倍的負(fù)荷電流。故障態(tài)和正常態(tài)邊界清晰，容易形成繼電保護(hù)。但新能源機(jī)組耐過(guò)流能力弱，當(dāng)電網(wǎng)故障引發(fā)低電壓或高電壓時(shí)都會(huì)引發(fā)換流器過(guò)流，易造成新能源機(jī)組脫網(wǎng)。故障時(shí)新能源機(jī)組只能提供兩倍多的負(fù)荷電流，與負(fù)荷電流差異較小，依賴同步機(jī)特性的保護(hù)原理將不適用。

她指出，電力電子器件雖有耐壓通流能力弱的問(wèn)題，但控制靈活，因此可以挖掘電子裝置的可控性，讓電子裝置構(gòu)造新的保護(hù)原理。

此外，她認(rèn)為研發(fā)根據(jù)事件和響應(yīng)驅(qū)動(dòng)的安全穩(wěn)定控制技術(shù)同樣重要。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)通過(guò)預(yù)防控制、緊急控制和校正控制，可實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)故障的時(shí)空協(xié)調(diào)綜合防御。但新型電力系統(tǒng)的故障形態(tài)發(fā)生變化，連鎖反應(yīng)已成常態(tài)，原本預(yù)案式的緊急控制防御體系的適配風(fēng)險(xiǎn)較高。

“發(fā)展根據(jù)事件驅(qū)動(dòng)、能快速準(zhǔn)確測(cè)量的同步動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)極具挑戰(zhàn)性，也是非常重要的研究方向”，畢天姝表示。

多方案解決低慣量電力系統(tǒng)難題

現(xiàn)代電網(wǎng)輸送的是交流電，輸送電流需要保持一定的頻率（50Hz或60Hz）。而頻率穩(wěn)定性是由電網(wǎng)慣性來(lái)維持的，由發(fā)電渦輪機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生。渦輪機(jī)即是慣性的產(chǎn)生裝置，只要輸出是同步的，慣性會(huì)對(duì)任何變化產(chǎn)生阻力，從而穩(wěn)定電網(wǎng)。

對(duì)比傳統(tǒng)大型同步機(jī)，風(fēng)光發(fā)電單機(jī)容量小，且主要依靠變流器等電力電子設(shè)備并網(wǎng)，這使得新能源送出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、故障特性均發(fā)生了根本變化，新能源發(fā)電對(duì)于系統(tǒng)電力平衡的貢獻(xiàn)極小。

因此，隨著新能源不斷增加（風(fēng)機(jī)是因?yàn)檩敵霾煌剑夥鼊t由于不通過(guò)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，都無(wú)法獨(dú)立提供適合電網(wǎng)運(yùn)行的慣性），同步機(jī)數(shù)量減少，電網(wǎng)慣性就越來(lái)越小。在新能源占比高的地區(qū)，由于慣性缺失，保障穩(wěn)定性成為電網(wǎng)亟須解決的問(wèn)題。

為提升電力系統(tǒng)抗擾水平，保障電網(wǎng)安全高效運(yùn)行，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商正在使用多種技術(shù)來(lái)穩(wěn)定電網(wǎng)。

美國(guó)前能源部長(zhǎng)、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者朱棣文談到，在能源部長(zhǎng)任內(nèi)，他曾要求電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商采購(gòu)部署了數(shù)千個(gè)同步相量測(cè)量器（synchrophasor）。同步相量測(cè)量器具有高頻率采集、高精度測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)每秒三次測(cè)量機(jī)組發(fā)電時(shí)的電壓，并通過(guò)高速無(wú)線電通信網(wǎng)絡(luò)不斷向變電站的控制器報(bào)告。

如果控制器發(fā)現(xiàn)相鄰傳感器之間突然出現(xiàn)電壓差，就會(huì)命令最近的繼電器隔離可疑部位并切斷其電源，通常用時(shí)不到半秒。在配合機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能技術(shù)使用時(shí)，該設(shè)備發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障的時(shí)間會(huì)大大提升。

據(jù)他介紹，近年來(lái)美國(guó)加州的非水可再生能源發(fā)電量占比很高，限電時(shí)有發(fā)生。為了從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)解決穩(wěn)定性問(wèn)題，加州正在探索借助更多技術(shù)來(lái)提供慣量，穩(wěn)定輸電網(wǎng)絡(luò)。

“近兩年，加州的光伏發(fā)電占比增長(zhǎng)顯著，棄光率也相應(yīng)提升，著名的‘鴨子曲線’（凈負(fù)荷曲線，即總用電負(fù)荷扣除新能源出力后的負(fù)荷）正變得越來(lái)越深，更需要依靠同步相量測(cè)量器以及機(jī)器學(xué)習(xí)，在早期快速發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的故障。”

他指出，電力系統(tǒng)也可能會(huì)遇到級(jí)聯(lián)崩潰導(dǎo)致的大規(guī)模停電事故，因此部署同步調(diào)相機(jī)配套飛輪裝置，以及不同類型的儲(chǔ)能對(duì)電力系統(tǒng)至關(guān)重要。

此外，在他看來(lái)，新型電力系統(tǒng)的核心是電力電子設(shè)備，需要改進(jìn)電力電子設(shè)備材料，提升性能，以提高系統(tǒng)的整體可靠性。

“碳化硅、氮化鎵、金剛石是電力電子設(shè)備的理想晶體管材料，美國(guó)已經(jīng)開(kāi)始補(bǔ)貼促進(jìn)這些材料的生產(chǎn)，大力研發(fā)這些材料?！?/p>

朱棣文認(rèn)為，碳化硅是電力電子設(shè)備的關(guān)鍵材料，提高其性能讓其具有高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性和高電壓耐久性，從而降低電力傳輸損耗，更好、更經(jīng)濟(jì)地控制電力電子設(shè)備。

“科學(xué)家們知道，這些材料是制造寬帶隙、高功率電子器件的關(guān)鍵因素，我認(rèn)為中國(guó)也應(yīng)考慮在投資基礎(chǔ)材料方面下功夫”，他表示。

（本文根據(jù)論壇嘉賓發(fā)言內(nèi)容整理，未經(jīng)本人審閱）