中国碳达峰、碳中和目标提出后，以风电、光伏为代表的可再生能源爆发式增长的态势已然近在咫尺，将向真正的主力能源迈进。 但是这也引发了诸多担忧，曾经严重的弃风、弃光问题历历在目。
伴随新能源的快速发展，中国曾发生了严重的弃风、弃光问题，尤其是2015年和2016年，弃风、弃光率分别超过了15%和10%。
此后在各方重视下，通过采取多种措施，弃风、弃光问题得到了有效缓解。2019年，弃风、弃光率分别下降到4%和2%。
2019年风光发电量占我国总发电量比例为8.5%，中国电网企业通过一些手段可以做到很好消纳。那么在未来呢？风光大规模开发、高比例并入电网后，消纳问题又如何解决？
中国工程院院士郭剑波认为，随着新能源发电的技术进步、成本进一步降低，预期新能源必将迎来持续较长时间的高速发展期，将从局部地区开始逐渐形成一个新能源电力和电量高占比的电力系统。该系统电力电量总量充盈与时空不平衡矛盾突出，新能源消纳和电力系统安全的矛盾突出，将对电力系统的市场机制设计、规划设计、生产管理、运行控制带来巨大挑战。
中国为应对挑战做出努力
11月2日，在以“绿色 低碳 可持续发展”为主题的2020全球能源互联网（亚洲）大会上，郭剑波做了题为“高比例新能源电力系统的挑战”的专题演讲，详细阐述了中国所面临的高比例新能源发展给电力系统带来的挑战，以及中国的应对措施。 为了应对能源转型给电力系统带来的挑战，国家电网公司确立了“具有中国特色国际领先的能源互联网企业”战略目标，制定了《能源互联网技术研究框架》。研究框架由“能源网架、信息支撑和价值创造”3大体系构成，重点布局20个技术领域，共182项关键技术，为构建能源互联网提供了基础支撑和技术储备。 郭剑波表示，在新能源高速发展的预判下，高比例新能源电力系统场景可能提前到来，为应对挑战，以下12种关键技术值得关注。 截至2019年底，中国风电装机容量达到210GW，光伏装机容量达到204GW。近5年来，中国的风电装机容量年均复合增长率16.7%，光伏装机容量年均复合增长率48.8%。 新能源的快速发展伴随着较为严重的弃风、弃光问题，2016年弃风率一度超过了17%，2017年后弃风、弃光问题得到了有效缓解。2019年，弃风率下降到4%，2020年前三季度弃风率降到了3.4%。这背后离不开国家和电网采取的各种措施。 ![]()
一是加强灵活电源建设。 目前，中国的灵活调节电源比重较低，抽水蓄能、燃气发电等灵活调节电源装机占比不足6%，相较而言，西班牙、德国、美国的占比分别为34%、18%、49%。中国目前正在启动火电机组灵活性改造示范项目。截至2020年4月，完成了5000万千瓦的燃煤电厂灵活性提升（最小技术出力从60%降至40%或以下）。加快抽水蓄能站建设。截至2020年1月，中国抽蓄电站总装机容量超过3000万千瓦。 二是跨区跨省通道建设。 充分发挥大电网、大平台优化配置新能源资源的优势。截至2019年底，中国已建成“十一交十四直”特高压项目，在建“三交四直”特高压项目。2019年，中国完成跨区跨省送电量1.9万亿千瓦时；国网经营区域内完成清洁能源省间交易电量4601亿千瓦时，其中新能源省间外送电量880亿千瓦时。建成跨区交直流协调控制示范系统，通过交直流协调控制，提高直流输送功率18%以上，促进了清洁能源的消纳。 三是需求侧响应。 需求侧响应技术可以应对新能源接入带来的不确定性，提高电网的新能源消纳能力。以江苏省为代表的的部分省份建立了源-网-荷友好互动系统，通过精准快速切负荷响应系统要求。江苏省的可切除负荷的容量达到2.8GW，可根据频率控制要求在650ms内完成切负荷。 四是提升电网性能。 开发了基于数值天气预报和优化调度的新能源预测与优化调度系统，提升电网调度运行水平。建立了风光储输国家示范工程（风能500MW、太阳能500MW、储能100MW），实现了风能、太阳能和储能系统的互补智能输电，使新能源发电出力稳定、可控，为解决世界范围内的大规模新能源消纳难题提供了可行方案。 五是提高电网安全稳定。 为提升系统的频率安全稳定性，构建转动惯量监视与预警系统，对全网转动惯量进行监视及量化分析，并对新能源发电进行改造使其参与系统频率调节；在在电压稳定问题突出的节点装设调相机和动态无功补偿装置，并对新能源发电进行改造提升其电压耐受能力；为提升系统的功角安全稳定性，采用在线安全稳定分析与校核技术，对电网的安全风险进行提前预警，采用基于动态响应特征的安全稳定控制，进行实时决策、实时控制；对宽频振荡带来的问题，基于阻抗法等分析法对新能源设备的控制参数进行优化提升，降低宽频振荡风险。 六是运用市场机制。 通过组织新能源跨区交易机制，调峰辅助服务补偿机制等促进新能源消纳。建成国家级的北京电力交易平台、广州电力交易平台和各省电力交易平台。2019年国网公司经营区域内，完成新能源省间交易电量880亿千瓦时，新能源省内市场化交易电量571亿千瓦时，通过市场机制驱动常规电源调峰多消纳新能源电量124亿千瓦时。 七是制定相关标准，规范接入。 构建了具有“层级清晰、整体协调、有机衔接”、适应中国新能源发展模式和电力系统特征的新能源并网技术标准体系，实现了新能源并网全环节、全过程的标准化。共制定新能源并网国、行、企标准100多项。依托IECSC8A技术分委会，主持和参与13项IEC标准修订工作，发布IEC技术白皮书3部，完成2项IEC标准提案。 八是试验检测。 建成了张北试验基地，可完成风电机组16类242个参数的性能试验，能够为风电、光伏设备和储能系统提供测试和技术改进服务。中国电科院现已成为MEASNET和IECRE的认可实验室，研制了高/低电压穿越、电网适应性等并网测试核心设备，极大地提高了新能源并网性能。自2014年风电实现低穿能力以来，中国再未发生大规模风电脱网事故。 高比例新能源系统的挑战
随着新能源电力在电力系统中的比例越来越大，或会带来诸如“新能源出力大幅波动，功率平衡和运行控制难度极大”“新能源发电量大时消纳困难、挤占常规电源空间、消纳与安全矛盾突出”“新能源的不确定性给电网规划设计、生产运行带来极大挑战”“丰饶的市场形态将催生商 业模式、以及物质链、信息链和价值链重塑”等各种问题出现。 郭剑波认为，由于新能源资源的波动性和随机性、发电设备的低抗扰性和弱支撑性，带来了三大挑战：高效消纳（不同时间尺度的功率平衡能力）、安全运行（电网安全及抗冲击能力）和机制体制（应对市场变革及不确定性能力）。 新能源消纳面临挑战很多，如日内功率波动太大。以2019年为例，国家电网公司经营区新能源日最大功率波动达1.07亿千瓦，占装机容量的31%。未来，随着新能源装机的增大，其功率波动将进一步增大。预估2050年中国的新能源日内最大功率波动将超过10亿千瓦，与当年常规电源（火电、水电）总装机容量相当，仅靠常规电源调节难以应对新能源日内功率波动。 另外，新能源电力高出力持续时间长，大容量长时间储能需求大，给系统消纳、安全和储能技术带来巨大挑战。同时部分时段出力极低，电力系统需要常规电源等非新能源机组实现功率平衡。新能源尖峰出力功率大、电量小，在未来高比例新能源电力系统中，保证尖峰出力消纳需要调动巨大的灵活性资源，代价太大。新能源出力随机波动性强，高精度功率预测难，未来新能源预测绝对误差将进一步扩大，大大增加发电计划制定的难度。 郭剑波表示，随着新能源电量占比的进一步提高，依靠灵活调节电源不能完全解决弃风弃光问题。高比例甚至全部由新能源供电的场景出现，新能源穿透率、火电开机穿透率均超过100%，系统电力电量供应总体丰裕，但时空不匹配加剧，新能源和常规电源的利用小时数均降低。 新能源大规模接入所带来的安全运行问题同样不能忽视。挤占常规机组开机空间，系统转动惯量降低、调频能力下降。导致频率变化加快、波动幅度增大、稳态频率偏差增大，越限风险增加。新能源发电参与一次调频可降低稳态频率偏差和暂态最大频率偏差，但因未改善系统惯量，频率变化率未能改善，低惯量系统越限风险仍然存在。通过采用虚拟惯量控制可使新能源提供一定惯量支撑，但由于一次能源输入的可控性差，可能导致频率二次跌落等次生事故。 新能源对电压稳定也有影响。新能源机组动态无功支撑能力较常规电源弱，且新能源发电逐级升压接入电网，与主网的电气距离是常规机组的2-3倍。随着新能源占比快速提高，系统动态无功储备及支撑能力急剧下降，系统电压稳定问题突出。还会造成系统短路容量下降，暂态无功变化量增加，使暂态过电压问题突出，可能超过设备耐受水平，造成新能源大规模脱网或设备损坏。 新能源大规模接入使功角稳定特性复杂、不确定性增加，“预案”式安控策略配置困难，失配风险增大，影响电网安全。由于多种功率调节设备的共同作用，宽频振荡现象也相继出现。 新能源发电设施单体容量小，数量多。未来中国的新能源发电单元将达数千万，气象环境、运行控制等信号数量可达数十亿，系统调度运行极其复杂，控制措施配置和实施难度大。 新能源全面平价时代已经到来。新能源场站运行时无需燃料，运行成本只包括人员成本、维护成本和材料费等，相比火电，运行成本很低，导致新能源边际成本极低，新能源大发时段，在电力市场交易中甚至会出现负电价。新能源绿色、低边际成本、高辅助服务需求对市场机制设计带来挑战。 同时，新能源发电开发门槛低，建设周期短，众筹、互联网金融、实物融资租赁等开发模式推动了新能源快速发展。市场主体多元化与无序建设对市场机制和运行管理带来挑战。 郭剑波认为，随着新能源发电的技术进步、成本进一步降低，预期新能源必将迎来持续较长时间的高速发展期，将从局部地区开始逐渐形成一个新能源电力和电量高占比的电力系统。该系统电力电量总量充盈与时空不平衡矛盾突出，新能源消纳和电力系统安全的矛盾突出，将对电力系统的市场机制设计、规划设计、生产管理、运行控制带来巨大挑战。 随着新能源发电比例增加，系统分析和稳定性将面临严峻的挑战，如电力系统发电设备数量急剧增长、不确定性增大、非线性和复杂性增加、动态过程加快、多时间尺度耦合、可控性变差，系统特性和有/无功平衡机制发生巨大变化。 需要研究以新能源为主力电源的电力系统的构建技术条件和市场机制，并对新能源设备、运行及控制提出新技术要求。 需要通过拓展电力利用、多能互补和能源综合利用，利用先进的气象预报、传感、通信、人工智能等技术，协调源-网-荷-储等资源，应对高占比新能源给系统带来的巨大功率波动。 能源互联网是应对高比例新能源的有效技术手段，也是一个复杂的“信息-物理-社会”系统（CPSS），也是一个智慧能源系统，面临的问题更加复杂，信息安全挑战巨大。 
