国外新能源高占比电力系统电力供应保障措施及启示

叶小宁，王彩霞，李琼慧，杨超 (国网能源研究院有限公司，北京102209) 摘要 ：随 着 全 球 能 源 转 型 深 入 推 进 ， 新 能 源 快 速 发 展 ， 新 能 源 高 占 比 电 力 系 统 供 应 保 障 问 题 日 益 凸 显 ，近期已成为部分国家关注的焦点。为此，首先详细分析了新能源出力特性以及在电力平衡、负荷支撑度等方面对电力供应保障的挑战；其次选取德国、美国和日本等新能源发展较早占比较高的典型国家，从政策法规、监测预警、调度运行管理等方面，深入研究了其在新能源高占比电力系统中采取的保障电力安全可靠供应的实践经验；最后结合中国新型电力系统建设的实际情况，提出了对中国新能源发展的启示，为中国电力供应保障提供一定的参考借鉴。 关键词：能源转型；新能源；电力系统；电力供应；保障措施DOI：10.11930/j.issn.1004-9649.202310101 力供应保障问题，选取德国、美国和日本等经验丰富的典型国家进行深入研究，总结相关经验与启示，最后结合中国新能源发展的实际情况，提出了解决中国未来新能源跨越式增长的电力供应保障问题的建议，为中国电力供应保障提供参考借鉴。 0引言 近 年 来 ， 中 国 新 能 源 发 展 迅 速 且 占 比 不 断 提高，对电力系 统 安 全 稳 定 运 行 带 来 挑 战 ，电力系统 供 应 保 障 问 题 越 发 明 显[1-5]。“十 三 五”期 间 ，中 国 新 能 源 年 均 增 长 超 过7000万kW， 预 计“十四五”期间年均新增装机规模超过1亿kW，实现倍增发展[6]。到2030年 ， 中 国 风 电 、 光 伏等新能源发电装机规 模 将 超 过 煤 电 ， 成 为 装 机 第一大电源；2060年前，新能源发电量占比有望超过50%，成为电量供应主体[7-8]。 1新能源高占比对电力供应保障的挑战 全 球 新 能 源 快 速 发 展 ， 已 进 入 增 量 替 代 阶段 ， 并 将 逐 步 向 存 量 替 代 过 渡 ， 预 计2 0 2 0 —2030年期间，全球新能源新增发电量占全部新增发 电 量 的 比 重 超 过80%[22-23]。“双 碳”目 标 下 中国 新 能 源 也 将 持 续 快 速 增 长 ， 预 计“十 四 五”期间 年 均 新 增 装 机 规 模 超 过1亿kW， 实 现 倍 增 发展 ，2025年 发 电 量 占 比 将 达 到20%，2030年 、2060年将分别超过25%和50%。新能源高占比给电 力 供 应 保 障 带 来 较 大 挑 战 ， 主 要 体 现 在 以 下5个方面。 国 外 新 能 源 发 展 较 为 领 先 的 国 家 ， 在 电 力 供应保障方面积 累 了 诸 多 经 验 ， 中 国 从 电 网发展形态[9]、供需双侧协同发展[10-12]、电力市场建设[13-17]，以及建立和完善安全预警机制[18-21]等方面对国外典型国家的经 验 开 展 了 深 入 研 究 。 因 此 ，有必要结合国外新能 源 发 展 ， 对 国 外 在 新 能 源 占比较高的情况下，解 决 电 力 保 供 问 题 的 经 验 进 行深入分析，并结合中 国 新 能 源 发 展 实 际 情 况 ， 提出具有中国特色的适应新能源发展的参考意见。 1）高比例新能源并网的发展态势使得电力系统电力电子化趋势凸显。相比传统电源形式的旋转机械接口，风电、光伏等形式的电力电子接口具有响应快、惯量低的特点，使得系统的频率响应能力下降，最大频率偏差增大，显著影响系统的频率稳定性。 本 文 首 先 分 析 了 新 能 源 高 占 比 对 电 力 供 应 保障的挑战，然 后 聚 焦 新 能 源 高 占 比 的 电 力系统电 2）新能源在电力平衡中有效容量远低于常规 电源，供应保 障 能 力 偏 低 。 新 能 源 在 系 统平衡或容量充裕性分 析 中 所 考 虑 的 能 够 等 效 替 代常规电源 发 电 容 量 ， 称 作 新 能 源 的 有 效 容 量 或 保 证 容量。新能源出 力 的 波 动 性 与 不 确 定 性 导 致其参与系统平衡的有 效 容 量 远 低 于 常 规 电 源 。 在美国得州 电 力 可 靠 性 委 员 会 冬 季 容 量 充 裕 性 分 析 中 ，100 MW的陆上风电在系统平衡中仅等效为19 MW的常规电源容量[24]。 系统面临的最主要问题。 2国外新能源高占比电力供应保障的研究与实践 2.1德国 2.1.1德 国 在 保 障 电 力 安 全 可 靠 供 应 方 面 的 实 践经验 3）新能源对负荷支撑能力偏弱。新能源负荷支撑度是指新 能 源 实 际 出 力 占 对 应 时 刻 系统负荷的比例。2022年，中国新能源平均负荷支撑度不足15%， 全 年 近 四 分 之 三 的 时 段 新 能 源 处 于 低 负荷支撑度，高负荷支撑度时段不足1%。由于新能源出力与负荷 匹 配 性 差 ， 新 能 源 负 荷 支 撑度在晚高峰最低，并呈现“春高冬低”的季节性特征。 截 至2022年 底 ， 德 国 新 能 源 装 机 占 比 高 达58%， 发 电 量 占 比 高 达33%。 作 为 典 型 新 能 源 高占比国家与全球能源转型先行者，德国在保障电力安全可靠供应方面取得了重要的实践经验，主要体现在以下3个方面。 1）建立电力供应安全评估监测机制，及时预警能源转型带来的电力供应安全风险。为保障能源转型的安全性，德国依据《能源工业法》建立了电力供应安全评估监测机制，由德国联邦经济事 务 和 能 源 部 至 少 每2年 对 电 力 供 应 安 全 进 行 评估 ， 由 联 邦 审 计 院 每3年 对 评 估 结 果 进 行 监 测 和审查。德国联邦经济事务和能源部采用的电力供应 安 全 评 估 方 法 如 图1所 示 ， 先 基 于 欧 洲 电 力 市场分析模型确定未来电力供应典型场景，后利用电力供应安全分析模型开展未来典型场景下电力供应安全评估。 4）负荷高峰保供应和负荷低谷保消纳的“两难”矛盾日益 突 出 。 随 着 新 能 源 占 比 持 续快速提升，新能源小 发 期 间 电 力 供 应 不 足 和 大 发期间消纳困难的问题 将 频 繁 交 替 出 现 。 在 火 电 装机规模一定的情况下 ， 较 大 的 开 机 方 式 有 利 于 保障电力稳定可靠供应 ， 但 会 挤 占 新 能 源 发 电 空 间，加大弃电风险；反 之 ， 要 保 证 新 能 源 高 水 平 消纳，就需要适当减小火电开机容量，减弱保供能力。 5）新能源出力不确定性叠加对系统的弱支撑能力，加重了 极 端 天 气 下 新 能 源 高 占 比 电力系统的脆弱性。近 年 来 ， 国 际 上 与 新 能 源 相 关的电力供 应 安 全 事 故 频 发 ， 如 表1所 示 。 在 这 些 事 故中，新能源受 极 端 天 气 影 响 ， 出 力 不 确 定性显著增加，在用电 负 荷 急 速 增 长 时 ， 新 能 源 出力跟不上，加剧了电力平衡压力。 德 国 联 邦 经 济 事 务 和 能 源 部 最 新 发 布 的 评 估报 告 为 《 电 力 供 应 安 全 报 告 （2019年 ） 》[ 2 6 ]。2022年3月，联邦审计院发布了最新审查报告《能源 转 型 中 的 电 力 供 应 安 全 和 价 格 承 受 能 力 》[27]， 根 据IEA研 究 报 告[25]， 当 新 能 源 发 电 量 占 比超 过40%， 新 能 源 对 电 力 供 应 的 影 响 将 成 为 电 力 审查结论指出 ： 电 力 供 应 安 全 应 包 括 电 力市场供应 安 全 、 供 电 可 靠 性 和 系 统 运 行 安 全 三 大 方 面 ，安全评估须充 分 考 虑 退 煤 、 弃 核 、 极 端 气候、氢能发展等多因 素 的 共 同 作 用 ， 滞 后 的 电 网建设将危及电力安全可靠供应，并阻碍气候目标实现。 2）依托欧洲同步电网和统一电力市场，发挥电网互联互通 和 跨 国 交 易 的 重 要 支 撑 作 用。邻国电力支援是德 国 应 对 新 能 源 出 力 波 动 性 的有效手段 。 德 国 与 邻 国 电 网 互 联 互 通 ， 同 周 边9个 国 家之 间 输 电 容 量 约 达2000万kW， 占 全 年 最 大 负 荷的 近30%。 在 新 能 源 出 力 较 小 时 ， 邻 国 输 入 电力、支撑电力 供 应 ； 在 新 能 源 大 发 时 ， 向邻国输送电力、减轻 调 峰 压 力 。 根 据 预 测 ， 欧 洲互联电网将是德国未 来 电 力 供 应 安 全 的 重 要 保 障，德国也 将 从 电 力 净 出 口 国 变 为 电 力 净 进 口 国 。 德 国2020~2035年电源结构变化预测如图2所示。 平 衡 组 管 理 人 。 平 衡 组 是 一 个 虚 拟 的 组 合 单 元 ，成员之间无须通过电网连接，但必须处于同一个输电网运行商的调度区域。 平 衡 组 制 定“自 平 衡”的 发 供 电 计 划 ， 实 时运行中各平衡组偏差由输电网运营商在系统层面进行统一平衡。平衡组基于每日发、用电量预测和市场交易组织，以“进出电量相等”为原则制定 自 平 衡 计 划 ， 上 报 输 电 网 运 营 商 ， 如 表2所示。实时运行中，平衡组均可能偏离其自平衡计划，此时由输电网运营商调用预留的平衡备用容量 在 系 统 层 面 进 行 统 一 平 衡 ， 如 图3所 示 。 平 衡备用容量包括一次、二次和三次备用容量，各类备用容量在目标、响应时间、启动方式及价格组成方面各有不同。输电网运营商配置和调用平衡备用容量产生的平衡成本将根据各平衡组的平衡偏差情况分摊至各平衡组，作为惩罚费用。 3）保留一定的常规电源发电容量，发挥常规电源兜底保障作用。根据《德国2035电网发展规划》预测[28]，虽然到2035年德国风电、光伏发电装 机 容 量 占 比 将 达 到75%左 右 ， 但 仍 有 接 近25%的燃气、水电 等 常 规 机 组 用 以 保 证 系 统 平衡，发挥 兜 底 保 障 作 用 。 德 国2 0 2 0 — 2 0 3 5年 电 源 结 构变化如图3所示。 2.1.2德国基于平衡组的电力行业管理机制 德 国 极 具 特 色 的 基 于 平 衡 组 的 电 力 行 业 管 理机制在保障电 力 安 全 可 靠 供 应 方 面 也 发 挥了重要作用。 平 衡 组 机 制 强 化 了 平 衡 组 管 理 主 体 的 平 衡 责任，是一种“自下而上”的平衡管理机制，可大大降低系统平衡压力。近年来，在新能源发电量逐年提升的背景下，德国输电网运营商平衡发电和用电的备用容量非但没有增加，反而有所下降。 平 衡 组 是 德 国 电 网 运 行 管 理 和 市 场 组 织 的 基本单元。电网 中 的 生 产 者 （ 电 源 ） 和 消 费者（用户）均须隶属 于 某 一 平 衡 组 ， 并 由 某 一 主体担任 主 要 原 因 在 于 ：1） 平 衡 组 机 制 有 效 激 励 了 新 能源预测技术水 平 的 提 升 ， 减 少 了 因 新 能 源出力波动 造 成 的 系 统 平 衡 误 差 ；2） 平 衡 组 拥 有“自 调度”空间，可 实 现 组 内 资 源 的 最 佳 调 度 ，充分挖掘灵活性潜力，进而提升了系统灵活性水平。 2.3日本 按照当前能源转型计划，日本2050年可再生能源发电占比将达到50%~60%。由于可再生能源发电多为非同步电源，不具备转动惯量，未来日本将面临系统惯量水平持续降低，进而危及电力系统供应安全的问题。 2.2美国 日 本 提 出 维 持 惯 量 水 平 、 修 改 电 网 导 则 、 完善电力市场设计等一系列措施保障电网安全[31-32]。1） 通 过 确 保