高比例可再生能源電力系統結構演化

在清潔化、低碳化和智慧型化的能源革命背景下，高比例可再生能源成為電力系統未來發展的一個突出特徵，也導致了電力系統結構形態的巨變。電力系統結構形態，是指電力系統的組成設備及其參與者的連線組織形式及互動作用方式。電力系統結構包括電源、電網、負荷及二次系統。電網包括輸電和配電部分；電源除了傳統電源和可再生能源之外，電動汽車和儲能也可視為一種靈活調節電源；負荷側將具備主動回響能力和雙向互動能力，從而使得用戶參與系統運行成為可能；二次系統以通信信息技術為基礎，實現調度、保護、控制、交易的綜合最佳化運行。

基本介紹

• 中文名：高比例可再生能源電力系統結構演化
• 外文名：Structure Evolution of High Proportional Renewable Energy Power System
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 特點：分散式電源接入比例高，運行複雜
• 功能：適應未來複雜輸配電網路發展

背景

為了應對氣候變化和環境污染，世界主要國家能源電力系統正處於清潔化、低碳化和智慧型化轉型時期。構建以電為中心的全新能源供應格局，電網向集能源開發、輸送、配置、使用於一體的能源網際網路演化，正逐漸成為全球共識和目標方向。未來，電力系統在電源、電網、負荷、儲能等環節，以及信息通信等方而技術不斷進步、模式持續創新，系統形態結構特徵將呈現急劇變化。

近年來，能源電力的技術創新與套用進入了高度活躍期，各國相繼出台能源領域技術規劃，如美國的《全而能源戰略》團，歐洲的《能源路線圖2050》，日本的《能源環境技術創新戰略2050》,韓國的《能源新產業與核心技術研發戰略(2015-2017年)》，中國的《能源技術革命創新行動計畫(2016-2030年)戶》、《能源技術革命重點創新行動路線圖》和《“十三五”國家科技創新規劃》等。能源清潔、低碳利用技術創新是各國關注的焦點，都突出可再生能源在能源供應中的主體地位。

未來電力系統結構形態預測也是研究熱點，其關注重點是進一步加強電網互聯，提高清潔能源消納比例和電氣化水平。2015年，日本政府成立廣域系統運行協調機構(OCCTO),2016年，美國能源部公布電網現代化新藍圖，歐洲輸電聯盟發布其第四版十年電網規劃，英國能源與氣候變化部委託IET研究其未來電力系統結構，中國國家發展和改革委員會、國家能源局發布《電力發展“十三五”規劃》。在清潔發展目標驅動下，電力系統的發展格局呈現了多樣性特徵，源-網-荷-儲各個環節急劇變化，信息通信技術與物理系統的深度融合成為關鍵趨勢。

與以往歷次技術革命不同，外部的驅動因素成為當前能源電力科技發展的重要推動力。無論是化石能源枯竭，還是氣候變化，都促使能源電力系統加快轉型。與科技創新這一內部驅動因素的作用機制不同，外部驅動帶來的系統變革往往是突變性的，而非連續漸變模式。因此，在外部驅動力主導下的能源電力系統結構形態演化機理，是一個新課題。在低碳化、清潔化發展趨勢下，高比例新能源將成為未來電力系統的關鍵特徵，而這一特徵將導致整個能源電力系統的形態結構、相應的規劃方法及運行方式發生重大變化。

對未來高比例可再生能源電力系統的結構形態演化和電力預測方法的研究理論框架進行闡述。首先分析了電力系統結構形態的內涵及其要素，然後從公共驅動力、市場驅動力和技術驅動力三方而建立了其形態演化的驅動力模型，再結合高比例可再生能源發展趨勢分析其對電力系統結構形態的影響，建立高比例可再生能源驅動的電力系統形態演化模型。圍繞高比例可再生能源電力系統結構形態演化機理和複雜多重不確定性運行場景下的電力預測理論兩個科學問題，提出了高比例可再生能源電力系統結構形態演化及電力預測的理論研究架構和實施方案。

電力系統結構形態及其演化模型

電力系統結構形態的內涵及其要素

一般而言，“結構”側重於描述系統各部分的具體連線關係，而“形態”則側重於系統特徵抽象指標的表征，兩者共同構成對系統的完整描述。電力系統結構形態，是指電力系統的組成設備及其參與者的連線組織形式及互動作用方式。電力系統結構形態的內涵與要素如圖1所示，包括對電源、電網、負荷及二次系統的完整描述。

圖1 電力系統結構形態的內涵與要素

電網包括輸電和配電部分，但隨著分散式電源的接入比例提升，輸配電網路的界限將越來越不清晰;電源除了傳統電源和可再生能源之外，電動汽車和儲能也可視為一種靈活調節電源納入系統運行;負荷側將湧現多種新設施，具備主動回響能力和雙向互動能力，從而使得用戶參與系統運行成為可能;二次系統以通信信息技術為基礎，實現調度、保護、控制、交易的綜合最佳化運行。事實上，電力作為潔淨優質二次能源，在整個能源系統中占據日趨重要的地位，其結構形態也需要納入整個能源系統形態中進行整體考量。從能源系統形態來看，當前電力形態的關鍵熱點是“兩個替代”，即能源生產的清潔替代和能源消費的電能替代，從而提升整個能源系統的電氣化水平，降低對化石能源的依賴程度，提高可持續發展能力。

電力系統形態演化的驅動力

電力系統形態演化的驅動力主要來源於三個方而，即公共驅動因素、市場驅動因素和技術驅動因素。

公共驅動因素主要反映國家層而的戰略需求，包括現代化進程、資源環境約束、氣候變化與低碳經濟、國家安全等四個方面。

市場驅動因素主要反映產業和企業層而的戰略需求，包括市場化改革進程，能源系統最佳化，產業經濟的輻射、拉動和集聚效應，現代企業制度的發展與變革等四個方面。

技術驅動因素主要源於電力系統發展而臨的技術挑戰和機遇，當前的主要熱點有通信信息技術與“物聯網”、清潔能源與儲能技術、非化石燃料交通能源技術、新材料技術(重點包括先進電力電子技術和超導電力技術等)等。

不同時間、環境下，電力系統的驅動力作用大小和模式存在差別。以技術為主的驅動模式下，是一種由內而外的演化方式，新技術替代舊技術實現關鍵性能指標提升，是一種漸變式發展，整個形態演變可預測程度較高。而公共驅動因素則是一種外部壓力驅動模式，其作用力強大，往往導致一種躍遷式發展模式，整個體系可能被重構，形態演變可預測程度較低乃至完全不可預期。市場驅動因素的作用力介於其間，一方而市場化改革有助於還原電力商品屬，實現資源的最佳化配置;但另外一方而，電網的社會基礎設施和公共服務屬性，決定了自然壟斷性和非完全盈利性。

高比例可再生能源電力系統形態演化模型

高比例可再生能源波動特徵及其影響

風電和光伏是當前技術最成熟的可再生能源發電技術。這兩類電源都具有很強的波動性、隨機性，往往被統稱為波動電源(variable generation, VU)。有文獻對世界各地的大規模風電出力和系統淨負荷(負荷與風電出力之和)的波動性進行了多年統計分析，發現全球可按風電波動性低、中、高劃分為三類地區，瑞典、西班牙和德國屬於風電低波動地區，葡萄牙、愛爾蘭、芬蘭和丹麥屬於風電中波動地區，北美的魁北克、邦納維爾電力局、德州可靠性管委會轄區，中國的甘肅、吉林和遼寧，挪威，丹麥的海上風電屬於風電高波動區。低波動區每小時風電爬坡功率不超過額定容量的10%，而高波動區每小時風電爬坡功率可達額定容量的30%。

光伏出力具有顯著的晝夜周期性。在太陽能資源富集的美國加州地區，高比例光伏併網導致其淨負荷呈現“鴨型曲線”，即春季淨負荷在中午急劇下降而成為全日低谷負荷點，且這種趨勢隨著光伏接入比例升高而加劇，預計到2020年將需要系統具有3h內13 000 MW的爬坡調節能力方可保證不棄光。

風電、光伏等波動電源的波動特性源於一次資源。風光資源是一種過程能源，不可存儲、不易控制，在不同時間尺度、不同空間範圍，呈現不同的波動特性。

可見，在高比例可再生能源併網的未來電力系統，電源波動甚至超過了負荷波動而成為系統不確定性的主要來源。而如何應對這種電源和負荷的雙不確定性，也成為系統規劃和運行的核心問題。北美電力可靠性組織(North American Reliability Council, NERC)研究提出，為了消納風電、光伏、海洋能和小水電，北美電力系統的傳統規劃和運行方法要進行巨大變革，具體包括以下幾個方面。

1)開發多種類型的波動電源，在廣域空間尺度內平衡一次資源，並採用先進控制技術實現波動電源的功率爬坡和電壓控制性能。

2)適應高比例波動電源併網，電網輸變電設施需要顯著增加，保障源荷間功率交換和輔助服務。

3)新增儲能和可控負荷，如需求回響、電動汽車、大規模儲能，有助於平衡波動電源的靈活調節需求。

4)提升波動電源的出力測量和預測精度是保障整個系統運行和規劃可靠性的關鍵。

5)輸配電網需要更加協調地綜合規劃。

6)需要擴大供需平衡區域規模以獲得更好的波動電源消納能力。

高比例可再生能源電力系統形態演化模型

高比例可再生能源帶來的不確定性，是電力系統形態演化的關鍵驅動力。

高比例可再生能源驅動的電力系統形態演化模型如圖2所示。

圖2 高比例可再生能源驅動的電力系統形態演化模型

歐洲、美國和中國分別提出2050年實現100%，80%，60%可再生能源電力系統藍圖。全新場景下，電力系統特徵將發生顯著變化，隨機波動的風能和太陽能成為主力電源，基本取消“基荷”發電廠，常規火電機組在日內啟停，並通過水電廠、燃氣電廠、儲能等靈活資源調節實現對可再生能源隨機波動性的互補，靈活性成為規劃和運行關注的核心問題。

源端的主要趨勢是電源清潔化。風電/光伏等可再生能源大力發展(局地發電量占比超過30%,水電充分開發，火電定位調整，逐步參與調峰，核電穩步發展，從而形成一種全新的高度清潔化電源格局。

電網的關鍵特徵是電力電子化。遠距離輸電系統和就地平衡供電網路因地制宜，差異化並存，交直流混聯輸電網廣泛套用，配電網中多類型新設備湧現，直流配電技術得以快速發展。

負荷呈現多重不確定性。分散式電源、電動汽車、分散式儲能和雙向負荷的湧現和接入比例不斷提升，整個系統“源-網-荷-儲”互動藕合特性凸顯，不確定性成為規劃和運行而臨的核心問題。

科學問題剖析及研究內容

以綠色發展為目標，中國即將步入可再生能源大規模集群併網、高滲透率分散接入並重的高比例發展階段，電力系統形態將發生巨大改變，而且這種形態演化以外部驅動力主導，其演化路徑及模擬模型成為首要的科學問題;而源荷不確定性的劇增，廣義的電力預測方法又成為一個關鍵的科學問題。下面具體闡述這兩個科學問題。

高比例可再生能源系統結構演化機理問題

高比例可再生能源場景下電力系統結構形態的演化機理問題，需要探索以清潔低碳化目標驅動的未來能源和電力格局變化趨勢及其演化機理，以及在低碳清潔發展和技術創新驅動下的電力系統輸電網和配電網結構形態及其演化機理。具體而言，包括構建而向中遠期可再生能源的能源發展規劃和電源規劃模型，構建能源一電源系統典型結構形態及布局場景；提出輸電網和配電網結構形態的標準特徵集及評估方法，構建適應高比例可再生能源集群送出的輸電網結構形態、高滲透率分散式電源和儲能接入的配電網形態。

1)而向中遠期低碳化發展的能源電力格局及演化機理

研究涵蓋“低碳目標-環境及經濟性約束-內生增長動力”的全形度能源規劃最佳化模型;探索清潔低碳化目標驅動下，中遠期中國能源格局變化趨勢及特徵;建立納入高比例可再生能源時空分布特性、分散式能源與雙向互動特性的儲能等多類型、技術及經濟性差異化的電源規劃模型；探索未來電源系統空間協同發展與時間動態演變過程、機理;提出能源-電力格局評價指標體系，並構建2030年和2050年的能源-電源系統典型結構形態及布局場景。

2)高比例可再生能源與高度電力電子化條件下輸配電網的結構形態及演化模式

研究影響未來輸配電系統結構形態的關鍵因素及作用機理，交流/直流/交直流等輸電網結構形態對高比例可再生能源集群送出的適應性，高滲透率可再生能源、儲能和互動負荷靈活接入的配電網形態特性，高比例可再生能源在輸配電網協同接入及最佳化配比，以及高比例可再生能源和高度電力電子化條件下的輸配電網典型結構形態及布局場景。

複雜多重不確定性運行的電力預測科學問題

高比例可再生能源帶來的多時空強不確定性，使得電力預測方法成為一個科學問題，具體而言，包括廣義負荷特性及其互動藕合機理、多時空電力預測理論與評估方法兩個方面。

1)複雜多重不確定性場景下廣義負荷特性及其互動藕合機理研究

研究含分散式新能源、儲能、主動負荷等廣義負荷的結構辨識與解析方法;建立高比例可再生能源與電力需求的互動藕合模型與主動負荷挖掘技術;探索複雜多重不確定性場景下多時空尺度的負荷曲線形態與特性的演變與轉移規律;構建電價、氣象、電源結構與電網結構等因素與廣義負荷特性變化的動態關聯模型及多時空負荷回響特性。

2)而向可再生能源併網的多時空電力預測理論與評估方法研究 研究而向“用戶-饋線-母線-系統”的電力需求及空間負荷預測方法;研究“實時-短期-中期-長期”電力動態協調預測方法，構建不同時間尺度下電力預測的閉環協調策略;探索描述不同時空尺度可再生能源和負荷、預測誤差、波動等不確定特性的區間預測與機率預測方法;建立而向可再生能源消納的電力預測評估方法，並提出考慮預測誤差大小、分布及其相關性的最優組合協調預測理論。

研究方案與主要方法構想

根據上述的科學問題，高比例可再生能源電力系統結構形態演化及電力預測的研究體系可分解為而向中遠期低碳化發展的能源電力格局及演化機理、高比例可再生能源與高度電力電子化條件下輸配電網的結構形態及演化模式、複雜多重不確定性場景下廣義負荷特性及其互動藕合機理、而向可再生能源併網的多時空電力預測理論與評估方法等四個研究點，其研究體系分別描述如下。

面向中遠期的能源格局及演化機理

在研究中首先構建以低碳發展為目標的能源和電力系統規劃模型，模型納入高比例可再生能源時空分布特性、供給特點，以及分散式能源與雙向互動儲能模組等，採用隨機生產模擬和競爭性投資決策相結合的雙層規劃思路，解決大規模可再生能源接入後能源和電力系統規劃所而臨的多重不確定性及格局演化建模與表征問題。

輸配電網的結構形態及演化模式

高比例可再生能源與高度電力電子化條件下輸配電網的結構形態及演化模式的研究體系及思路如圖3所示。

圖3 影響未來輸電系統結構形態的關鍵因素及作用機理

輸電網形態部分側重研究其對高比例可再生能源集群送出的適應性，主要針對中國大型可再生能源基地的實際背景開展研究。而配電網形態特性則與可再生能源、互動負荷、儲能等的技術特徵和接入比例緊密藕合，可能呈現出完全不同的特性。考慮到可再生能源集中接入和分散接入並重，需要研究高比例可再生能源在輸配電網的協同接入及最佳化配比。

不確定廣義負荷特性及其互動藕合機理

複雜多重不確定性場景下廣義負荷特性及其互動藕合機理的研究體系及思路如圖4所示。

圖4 廣義負荷特性及其禍合機理的研究架構

基於大數據技術，建立源荷關聯的廣義負荷概念，從結構辨識、演變機理、回響特性和互動藕合四個方而研究其特性和藕合機理。結構辨識廣泛收集不同類別的負荷數據，採用結構辨識與數據挖掘的方法，分析負荷特性、負荷與外界影響因素的關聯關係、負荷時空回響特性、在不同市場規則下不同用戶的回響特性等;演變機理則研究長期行業電量與經濟關聯聯動特性，研究未來產業結構調整、供給側改革、人口增長對各個行業的負荷需求和負荷特性的影響，並識別不同行業負荷之間的傳遞或者協同的內在關聯關係;回響特性研究負荷、新能源發電在電力市場環境下多維變數(時間、空間、交易規則等)下的回響特性，構建不同類別負荷、可再生能源發電與電價波動、氣象因素的動態關聯解析模型。關聯關係側重研究短時用電需求、可再生能源發電、氣象、電力市場等的關聯特性研究，研究不同行業、區域內負荷對氣象、電價、能源結構變化，以及電網結構調整(高比例/高滲透率可再生能源分散式電源)等外在因素的敏感性。

可再生能源併網的電力預測理論與評估方法

面向可再生能源併網的多時空電力預測理論與評估方法的研究體系和思路如圖5所示。

圖5 電力預測理論與評估方法的研究

複雜多重不確定性場景及其多時空尺度預測理論的研究是核心，構建而向用戶-饋線-母線-系統、實時-短期-中期-長期的可再生能源與需求互動的多時空電力預測模型，提出考慮預測誤差相關性的區間預測與機率預測，考慮高比例可再生能源消納的預測評估與最優組合協調預測理論。

結語

在能源革命背景下，未來高比例可再生能源電力系統的結構形態將會發生巨大改變。對電力系統形態演化和電力預測方法的研究理論框架進行綜述，首先分析了電力系統形態結構的內涵及其要素，然後從公共驅動力、市場驅動力和技術驅動力三方而建立了其形態演化的驅動力模型，再結合高比例可再生能源發展趨勢分析其對電力系統形態結構的影響，建立高比例可再生能源驅動的電力系統形態演化模型。

圍繞高比例可再生能源電力系統結構形態演化機理和複雜多重不確定性運行場景下的電力預測理論兩個科學問題，高比例可再生能源電力系統結構形態演化及電力預測的研究體系可分解為而向中遠期低碳化發展的能源電力格局及演化機理、高比例可再生能源與高度電力電子化條件下輸配電網的結構形態及演化模式、複雜多重不確定性場景下廣義負荷特性及其互動藕合機理、面向可再生能源併網的多時空電力預測理論與評估方法等四個方面開展研究，對其研究體系進行了詳細闡述。