国外新能源高占比电力系统电力供应保障措施及启示

 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   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 7 000 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]。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。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。 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。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。2）新能源在电力平衡中有效容量远低于常规收稿日期：2023−10−31； 修回日期：2024−02−22。基金项目：国家电网有限公司科技项目（SGSHJY00GPJS2200021）。第 57 卷 第 4 期中国电力Vol. 57, No. 42024 年 4 月ELECTRIC POWERApr. 202461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]。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。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。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。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 ） 》 [26]。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]， 表 1 近年来新能源相关电力供应安全事故汇总Table 1 Summary of new energy-related power supplysecurity accidents in recent years停电事故事故影响新能源影响新能源装机比例/%2017年2·8南澳大停电停电30万kW，影响9万家庭停电前1 h，新能源出力骤减63%45.62020年8月美国加州高温停电停电100万kW，影响330万人停电前1 h，新能源出力