瞬时电力平衡管理技术已然成熟

中国非水可再生能源装机目前占总装机容量的21%，贡献了 10.2%的发电量。这些比例都将继续上升，并且如第二章节所述示，其电力供应的成本也将更具竞争力。但中国电力系统一直以来存在的观点和顾虑是，从某种意义上说，将可再生能源比例在当前基础上大幅提高，在技术上是不可能的，或者说其高昂的成本是系统无法承担的。 

放眼全球许多其他国家，当非水可再生能源增长到类似阶段时往往也出现同样的顾虑。但是有些国家的非水可再生能源占能源供应的比例在一些时候已经超过了50%，峰值时段占比甚至更高。 

在德国，可再生能源电力占净电力供应的比例在2019年4月22 日当天高达70%，其中风电40%，光伏20%，其他17%。在 整个欧盟，可再生能源电力占总发电量比例在2020年5月11日 和24日分别达到了54%和55%。在美国加利福尼亚州，风电和光伏发电量占电力需求总量的比例在2017年3月23日上午 11:20时刻达到了49.2%。而英国在2020年8月26日凌晨 1:30，风力发电占电力供应总量的比例几乎达到了60%。

这些例子充分说明运行一个非水可再生能源比例远高于中国当前水平，甚至高于“零碳投资情景”下28%水平的电力系统在技术上是完全可行的。同时，这也有力地证明了当前有足够的方案来解决以下在讨论提高非水可再生能源比例问题时经常被提起的四大技术性挑战： 

• 频率控制 

• 电压控制 

• 故障穿越 

• 远距离高压直流输电线路的利用

频率控制

一些中国行业专家表示的最大担忧是，非水可再生能源比例的不断上升将增大频率控制的难度。但其他国家已经开发了一系列解决方案来确保高比例非水可再生能源电力系统的稳定运行。 稳定的系统运行需要供需的瞬时平衡以维持频率在可接受的范围内。如果供需严重不平衡，频率偏差就会导致发电机组脱网。在传统以火电为主的系统中，转动惯量提供了一种灵活的手段来减缓频率波动，直调电厂也可以灵活地快速调整出力以跟踪负荷变化。 相反，非水可再生能源不具备随意调度的能力，并且无法准确预测其未来出力。因此，随着非水可再生能源比例的上升，频率控制的难度会越来越大。但这些挑战可以通过以下四种方式的结合来解决： 

1.提高对可再生能源出力的预测 

非水可再生能源出力的不确定性越大，对备用容量和灵活性资源的需求就越大，这样才能应对预料之外的出力波动。如果 能够提高预测的准确性，即便非水可再生能源比例增加，对 “调节能力”（即快速增加或减少出力的能力）或备用容量的需求也会降低。 

以加利福尼亚州独立系统运营商（CAISO）为例，非水可再生能源发电比例在2015-2019年间从12.2%上升到了20.9%，但由于日前和实时预测的平均绝对百分误差（MAPE）显著改善， 对调节能力和备用容量的需求基本上没有发生变化（图13）。 

中国目前的日前预测平均绝对百分误差（约10%-20%）远高于CAISO（4%-6%）。因此，提高预测准确性是当前的优先任务。以下信息框A提供了一些关键的最佳实践做法。

2. 预测并减少短期可再生出力极端变化 

即便预测准确性得到改善，但突发性或不可预知的天气变化仍会造成非水可再生能源发电量的迅速变化，特别是对风电而 言。这种情况对频率控制造成的危险可通过以下方式规避： 

• 大规模功率变化事件的探测与预测。例如，德克萨斯州电 力管理委员会（ERCOT）开发了ERCOT大型功率变化警报系统（ERLAS），生成不同严重程度和不同持续时间的功率变化事件的概率分布，可每15分钟提供未来六小时内区域性和整个系统范围的天气预测。这可以用来警告系统运营商 风电发电量可能发生大幅度快速变化。 

• 降低风电功率变化产生的影响。可以通过调整风机的设计和操作方式来避免因风速的瞬间变化而造成出力同等幅度 的突然变化。多家系统运营商都要求风电场限制风机功率 变化的最大速度（图14）。 

3. 使用非水可再生能源和其他非火电资源来提供频率控制服务

包括中国在内的许多国家，非水可再生能源提供一次频率调节已成为一种常见要求，但中国目前仍依赖火电厂提供二次频率调节（也称为自动发电控制服务）。然而，在其他国家，逆变器或管理系统的变化现在已经使非水可再生能源能够提供自动发电控制。例如，美国科罗拉多州的Xcel Energy公司现在要求风机具备自动发电控制能力，而在该公司运营的地区内，有三分之二的风电场已经具备了这种能力。电厂的经验还表明，光伏电站可以通过结合使用智能逆变器和先进的控制策略来提供自动发电控制。CAISO已对此进行了测试，并证明是可行的。

飞轮和电池储能也可以提供调频服务：事实上，它们对频率控制信号的响应速度比传统的火电机组快17倍。因此，使用电池 进行频率控制越来越普遍： 

• 在澳大利亚，电池储能目前可提供6秒、60秒和300秒调频服务。2017年12月和2018年1月澳大利亚发生的两次发电机组脱网事件中，电池快速响应显著缩短了恢复时间。 

• 在美国，联邦电力监管委员会从2013年起允许与电网相连 的电池可作为小型发电机组提供电力供应服务。到2015 年，PJM、CAISO、纽约独立系统运营商（NYISO）、中部电力 系统运营商（MISO）和新英格兰电力系统运营商（ISONE） 地区的调频市场均在使用电池储能。 同时，在德克萨斯州ERCOT市场中，一些满足分时计量和遥 测等特定要求的工业负荷可以作为受控负荷资源（CSR）提供 调频服务。 

4.提高系统惯量监控并应用新的监控方式

系统惯量的监测和预测越准确，对惯量资源的需求就越低。 因此，德克萨斯州ERCOT开发了一种惯量监测工具，它可以计算所有在线同步发电机的总惯量贡献，并通过循环滚动方式 预测未来七天的惯量情况。然后，系统操作人员可以在必要时调度同步发电机来增加惯量，进而降低对额外惯量的需要。

此外，系统惯量还可以通过非火电资源提供，例如： 

• 同步调相机或同步补偿器 

• 带有旋转设备的储能，如飞轮储能 

• 光热发电（CSP）

• 具备能提供该功能逆变器的风机、太阳能光伏和电池

• 需求侧旋转机械电压控制

电压控制

有时会被认为是非水可再生能源比例上升的潜在挑战，但技术解决方案已经存在。其中，无功功率和电压谐波是需要解决的两大问题： 

• 无功功率必须立即得到局部补偿，以保持功率因数在允许的范围内。与其他国家类似，中国对非水可再生能源的功率因数的要求在-0.95 至 +0.95之间。这可以通过部署静止无 功补偿器（SVC）、静止无功发生器（SVG）、静止同步补偿 器（STATCOM）或晶闸管控制串联电容器（TCSC）等设备来实现。 

• 电压需要保持在安全范围内，以确保系统的稳定性。谐波不可避免地会影响电压的稳定性。应采用滤波器处理电压中的谐波，提高电能质量。 

因此，应在非水可再生能源电源侧和电网侧部署电压控制装 置。即使是在非水可再生能源比例非常高的情景下，也将会有 充足的资源来提供电压控制。 

故障穿越 

短期电压变化是电力系统中常见现象，如果系统突然失去一台发电机组，这种变化会被放大。在系统恢复正常之前，发电机组必须具备穿越电压扰动的能力，这一点至关重要。非水可再生能源发电机组的耐受电压范围常常比传统的火电机组要窄，更容易脱网，一旦脱网，电压波动将进一步增加，甚至导致连锁故障。 

然而，这种危险可以通过要求非水可再生能源机组配备高电压穿越（HVRT）能力来规避。对于现有电厂来说，这可以通过改造逆变器来实现。因此，大多数发达国家现在都在其电网 规范中明确了高电压穿越要求。图15展示了一些案例。 

中国自2012年起实施低电压穿越（LVRT）改造，系统的可靠性 得到了显著提高。虽然当前也已经制定了严格的高电压穿越标准，但是该标准尚未作为现有非水可再生能源机组并网的强制性要求。 

因此，对现有电厂进行改造以满足高电压穿越标准，以及对所有未来的非水可再生能源机组落实这些标准，应该是目前的首要任务。

高压直流输电的利用 

中国拥有丰富的太阳能和风能资源，但其中一些与主要负荷 中心的距离非常遥远。高压/特高压输电线路能够将可再生电 力远距离传输到负荷中心，而高压直流传输在远距离送电上 的成本优势更明显。因此，高压直流线路在中国广泛部署，对支持偏远地区非水可再生能源发展发挥了关键作用。 

仅靠非水可再生能源自身并不能保证高压直流输电的高效和 稳定运行，因此在某些情况下，可能需要在可再生能源电厂周 边建设火电厂，以便在非水可再生能源出力较低时，可以用火 电来“填满线路”。 

不过，对于此类火电厂的实际需求其实远小于当前的假设，并将随着其他可行方案的出现而继续下降： 

• 高压直流线路并不需要以固定的功率运行，目前中国部署的主要高压直流输电形式——基于电网换相整流器高压直 流输电——在运行时要求技术利用率必须高于最小值，而该数值通常仅为铭牌容量的10%。因此，并不存在需要火电机组“填满线路”的技术需求。低于100%的利用率显然 会增加每度电的传输成本，但考虑到偏远地区非水可再生 能源具备的显著成本优势，即使高压直流线路没有得到充 分利用，其开发也仍具备经济可行性。此外，风能和光伏组 合打捆可以提高平均利用率，且随着时间的推移，储能（如 电池或氢能）成本的下降将创造出新的替代方式来稳定并 提高输电线路的平均利用率。因此，尽管现有火电装机在 将利用率保持在10%以上方面可以发挥有益的作用，但没有必要通过新建煤电投资来匹配大规模非水可再生能源项 目投资。 

• “换相失败”的技术挑战也可以在以非水可再生能源为主的 电力系统中得到解决。扰动会增加直流电流并导致电力传 输的暂时中断，这时就会出现换相失败。目前，火电机组为 系统提供调节和惯量，以降低任何换相失败时的瞬态传输 中断的影响。但是，在高比例非水可再生能源系统中，适用 于提供频率调节和电压调节的同一套技术解决方案（例如， 同步调相机、电池储能、非火电的转动惯量提供者和无功功 率补偿器等）也可以降低换相失败的影响。 

• 此外，现在的新一代电压源换流器高压直流输电（VSC – HVDC）技术能够提供很好的电压调节能力，消除了换相失败风险，并简化了对发电和用电省份的技术要求。虽然这会造成容量下降产生经济性损失，但在许多地区仍可确保偏远地区非水可再生能源发电和高压直流输电的经济性，特别是可进行VSC-HVDC技术改造的现有线路。 

总而言之，高压直流输电的所有技术挑战都可以得到解决，且不需要任何新增煤电装机来匹配非水可再生能源的投资。 

综上所述，只要中国实施必要的政策以鼓励创新解决方案， 那些可能阻碍非水可再生能源比例增长至远高于目前水平的技术性管理问题就会得以解决。剩下的问题是，如何在一个高比例非水可再生能源电力系统中，确保电力在一年中的每 一天、每一小时的供需平衡。本报告的下一章节就将讨论这个 问题。

上海沐睿环境有限公司是国内专业从事汽车法规合规的第三方咨询公司，多年来，为上汽，长城，宇通，大通，爱驰，蔚来等OEM提供汽车环保法规合规服务，团队跟踪与研究全球的环保合规，期待为更多的企业提供服务。www.automds.cn    

详情咨询info@murqa.com