大规模新能源与可再生能源电力友好接入技术发展现状与趋势

　　陈硕翼1, 朱卫东1, 唐明生2, 李建福3

　　(1.科技部高技术研究发展中心;2.中国科学院理化技术研究所;3.北京鉴衡认证中心有限公司)

　　大规模新能源与可再生能源电力友好接入技术是当前能源技术领域的前沿热点之一。我国新能源与可再生能源资源丰富，大力发展风力和太阳能发电等新能源是我国的战略举措。随着新能源占比不断提高，实现友好并网接入将是新能源发电面临的主要挑战。本文对大规模新能源电力友好接入技术国内外发展现状与趋势进行了梳理分析，并提出了我国的进一步发展重点与对策建议。

　　一、关于大规模新能源与可再生能源电力友好接入技术

　　新能源与可再生能源主要指风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源，可再生能源发电主要有水力发电、风力发电、太阳能发电、地热发电、生物质能发电等。风力和太阳能发电是目前技术最成熟、最有规模化开发前景的新能源发电方式，大规模新能源与可再生能源发电友好接入技术主要是针对风力和太阳能等新能源发电的并网接入技术。

　　由于资源的天然特性，风电和太阳能发电呈现出强随机波动性，加之发电装备中电力电子元件的弱电网适应性，新能源发电与传统常规电源形成鲜明反差，其并网问题突出表现在预测难、控制难、调度难等方面。大规模新能源并网接入带来的挑战贯穿电能生产、输送和消费的全部环节。大规模新能源电力友好接入系统是一个复杂的系统工程，涉及新能源资源监测评估、发电功率预测、调度运行与控制、并网仿真、实证分析等众多技术，是新能源发电友好接入电力系统的研究热点，旨在提升新能源并网性能、保障大规模安全运行与高效消纳。

　　随着技术提升和成本下降，电力系统中新能源占比将不断提高，新能源发电面临的挑战将主要集中在友好并网接入方面。新能源并网接入技术的突破，对于推进能源革命、加快能源技术创新、构建清洁低碳和安全高效的现代能源体系具有重大意义。

　　二、国际发展现状与趋势

　　当前国际上对于大规模新能源与可再生能源电力友好接入技术的研究重点，主要在以下几方面：

　　1. 新能源资源模拟与功率预测技术

　　新能源资源模拟与功率预测技术一直是世界热点研究方向，国外上世纪90年代已开始相关研究与应用。

　　近年来，大规模新能源集中并网对电网运行的影响逐渐显现，国外研究主要针对复杂地形、极端天气及海上风电的预测，提出基于中小尺度气象模式耦合预测、多数值天气预报源集合预测、大气模式与海洋模式耦合的海上风电功率预测等方法。欧盟“适用于大规模风电的下一代功率预测系统研发(ANEMOS)项目”和后续ANEMOS.plus项目持续支持风电功率预测技术研究，重点集中在概率预测、事件预测和高精度数值天气预报等技术。美国Xcel公司与国家大气研究中心(NCAR)合作开发了新能源电站监测与数值天气预报在线互动一体化监测—预测系统。

　　新能源资源模拟与功率预测技术将向资源详细模拟与定制化预报、多时空尺度功率预测及概率预测与事件预测方向发展。

　　2. 新能源并网仿真技术

　　德国、丹麦等国的新能源一般都接入比较强的电网，且风能/太阳能资源与负荷分布均匀，没有大规模的新能源基地集中接入末端电网的情况，因此主要开展单个新能源发电单元的特性和控制策略研究。国外已在风电机组和光伏逆变器机电和电磁暂态建模技术方面获得突破，并主要用于研究单个发电单元的输出特性和控制方法。

　　目前，新能源发电单元的机电和电磁暂态建模、暂态响应和故障穿越控制策略、虚拟同步机等并网仿真技术是国外新能源发电控制技术研究热点，新能源发电并网安全稳定与运行状态破坏机理、发电单元电网适应性主动控制、发电实证方法等是新能源并网仿真技术的未来主要研究方向。

　　3. 新能源调度控制技术

　　丹麦、德国、西班牙等国新能源比重大，新能源与常规电源均需遵守电力市场规则，参与市场调度运行，通过多时间尺度逐级市场滚动交易及相应价格机制将新能源不确定性风险控制在安全范围。目前丹麦、德国、西班牙的灵活调节电源容量远大于新能源并网容量，且可协调相邻国家或地区的电力资源，通过有效的电力市场机制实现新能源最大化消纳，弃风、弃光现象较少。此外，国外也非常关注电池储能、电动汽车等技术，通过储能与新能源联合调度运行实现新能源波动平抑及最大化消纳。

　　三、我国发展现状与水平

　　我国新能源资源丰富，风能和太阳能可开发资源分别超过25亿、27亿kW，预计未来20年我国能源需求仍将继续增长，大力发展风力和太阳能发电等新能源是保障我国能源安全、应对气候变化、实现减排承诺的战略举措。

　　为使新能源发电接近常规电源特性，实现与电网协调运行，提高新能源资源利用效率，在科技部的支持下，我国针对功率预测、多时空尺度调度、电站集群控制、多能协调控制等大规模新能源与可再生能源电力友好接入关键技术，在智能电网分析与优化运行、风光储输示范工程、含高比例间歇式能源的区域型智能电网集成综合示范、风/光/水/气多种能源发电联合运行控制、电网侧提升可再生能源消纳能力等方向，开展了大量研究工作，形成一批自主知识产权科技创新成果，促进了新能源发电向可接入、可消纳、可预测、可调控方向发展，产业核心竞争力不断提升，逐步缩小了与世界先进技术水平的差距。

　　1. 新能源资源模拟与功率预测技术

　　我国新能源发展快、数据积累少，弃风、弃光频发，且地形复杂、气候类型多样，国外研究成果难以直接应用。

　　中国气象局、中国电力科学研究院、清华大学等针对我国新能源特点开展了大量研究工作，提出基于多实测数据统计预测、基于电站线性升尺度区域预测等方法。

　　中国电力科学研究院提出了基于微尺度计算流体力学模型的物理方法和自适应组态耦合统计方法等风电功率预测技术，以及基于双向渐进的净空模型构建方法等光伏功率预测技术，提高了新能源功率预测方法的普适性。

　　2. 新能源并网仿真技术

　　我国新能源发电以大规模集群接入高电压等级输电网、远距离外送的发展模式为主，近年来中国电力科学研究院、清华大学、华中科技大学等取得了一系列创新性成果。

　　中国电力科学研究院建设了风光储试验基地、全数字仿真平台ADPSS等研究条件，开展了大规模新能源发电与电力系统交互影响研究，基于实际故障数据分析和事故仿真复现的、大规模风电连锁故障脱网原因分析及抑制措施研究，以及利用储能技术改善新能源发电电网适应性方法研究等工作。

　　3. 新能源调度控制技术

　　我国灵活调节电源缺乏、电力市场机制不健全，新能源消纳的客观条件和调度运行机制与国外差别巨大，国内开展了大量研究工作。

　　针对我国电力系统运行机制和电源结构特点，中国电力科学研究院提出了时序递进的新能源运行不确定区间调度方法，将新能源发电功率预测纳入调度运行;研发了基于功率预测的多时间尺度新能源优化调度模型和技术支持系统，并在“三北”地区推广应用;开展了风光储发电单元有功、无功控制及风光储电站与电网协调运行控制技术研究，建成了世界领先的国家风光储输示范工程。

　　我国电源和电网结构特点决定了高比例新能源调度运行技术有待进一步优化，考虑新能源不确定性的随机规划方法有待进一步突破。

　　四、我国进一步发展重点

　　我国新能源并网比例不断增加，电力系统运行面临的不确定性越来越大，并呈现电力电子化形态，我国需加强相关技术研究，保障新能源电力系统安全稳定运行和高效消纳利用。

　　1. 新能源资源模拟技术

　　新能源资源准确模拟和评估是为了解掌握风能、太阳能等的资源特性与变化趋势，准确评价长期变化过程，发现新能源调度运行存在问题，是实现新能源优化运行管理的重要基础，可为新能源技术发展和政策制定提供支撑。

　　常规数值天气预报存在边界层资源数值模拟精度不高、新能源发电多种类型预测需求适应性差、同化周期长等不足，未来重点研究任务是建立面向新能源功率预测、定制化的资源数值模拟与预报技术体系。

　　2. 新能源并网仿真技术

　　新能源发电并网容量不断扩大，对新能源发电模型精确度和大型风电场、光伏电站等值建模技术等的需求越来越迫切;大量电力电子接口的新能源技术层出不穷，制约新能源发电并网接入系统的安全稳定问题，也逐步由局部、短时间尺度的暂态稳定问题，发展为全局、长时间尺度的中长期安全稳定问题，需要研究电力电子接口通用化建模技术、新能源与电力系统中长期交互影响并网仿真分析方法等。

　　未来，新能源并网仿真技术将向通用化、在线应用以及多时间尺度发展，大规模海上风电并网技术是新能源发电接入的新趋势，需重点研究各类型新能源发电建模及新能源中长期准稳态仿真技术，大规模新能源和高渗透分布式新能源/储能接入电网的新能源发电接入及电网适应性分析技术，大规模海上风电场群建模与并网仿真技术等。

　　3. 新能源功率预测技术

　　新能源比重增大，新能源功率预测绝对偏差将远大于负荷预测不确定性带来的电力需求偏差，新能源预测不确定性将成为电网运行风险主要因素，需进一步提高新能源功率预测建模灵活性、适应性和预测结果准确性。新能源发电功率预测技术将向多时空尺度功率预测及概率预测与事件预测发展。

　　4. 新能源优化调度技术

　　优化调度是新能源并网安全消纳的关键环节，有助于协调新能源与常规电源，实现电网安全稳定运行前提下新能源的最大化利用，促进源-网-荷协调发展。

　　目前，新能源消纳压力不断增大，弃风弃光日益严峻，新能源发电优化调度技术需更加完善，未来需重点研究大规模新能源随机优化调度、大规模新能源短期及中长期调度、多种能源联合调度运行、新能源发电运行风险与主动防御等技术。

　　5. 新能源智能控制技术

　　我国多数大型新能源基地均位于电网末端，网架结构脆弱，短路容量小，易形成大规模新能源发电接入末端弱电网的局面。当前新能源电站控制多为被动式且性能参差不齐，电网运行中新能源占比日益增加，其大规模接入弱电网会改变原有电网运行方式，带来电压稳定、频率稳定、次同步振荡和谐波谐振等多种问题。新能源发电控制技术是新能源并网接入技术研究的重要方向。

　　新能源发电智能控制技术将充分挖掘新能源自身调节能力，使之具备灵活的有功、无功控制能力，并可根据电网电压、频率和指令实现新能源发电场站对电网的新型主动控制，保障电网稳定性。

　　未来，新能源发电将具备“精确预测、灵活控制、智能调度”的先进控制能力及常规电源并网控制性能，需重点研究复杂电网条件下发电单元控制策略等新能源发电新型控制技术、新能源电站与储能系统协调控制技术等。

　　6. 新能源实证分析技术

　　新能源并网容量快速增长，其并网特性对电网的影响越来越大。为保障大规模新能源并网安全稳定运行，克服仿真手段在大规模新能源发电单元相互作用和海上风电并网特性研究的局限性，需开展并网安全稳定机理、智能控制及海上运行特性的实证方法研究，建立电网运行特征模拟环境、功率汇集实证平台及海上风电试验平台，验证新能源发电协调控制策略及海上风电机组并网性能。

　　五、对策建议

　　1. 加强公共研发投入及国家级新能源重点实验室建设

　　建立稳定的科技投入机制，合理配置资源，实施专项计划，加强和完善国家级重点实验室建设，有效推动新能源并网接入技术进步和产业发展。

　　2. 全面发挥现有国家级创新平台作用

　　突出国家级新能源科技平台的创新主体地位，依托国家级新能源重点实验室、工程研究中心等创新平台，大力开展科技创新研究和成果转化。

　　3. 加快人才队伍建设

　　吸收海外优秀学者，充实国内人才队伍。充分利用国家公共研发及示范基地，加强人才梯队建设。打破传统学科和学历界限，将人才队伍建设与学科、创新体系建设紧密结合，形成多学科交叉的完善培养体系和选拔机制。

　　4. 加强国际交流与合作

　　进一步加大国际项目合作，及时把握世界新能源发电并网科技发展的新动向、新趋势，充分利用全球技术资源，加强与国外新能源技术研究计划的合作，促进我国新能源并网技术与世界接轨和可持续发展。

　　本报告为科技创新战略研究专项项目“重点科技领域发展热点跟踪研究”(编号：ZLY2015072)研究成果之一。中国电力科学研究院王伟胜教授级高级工程师参与了本研究。

　　本文特约编辑：姜念云