新型電力系統穩定性問題探討

金麗娜

（蘭州資源環境職業技術大學，蘭州 730021）

現代社會的發展離不開電力產業，隨著智能化生產的需求，工業、農業和制造業等對電能的依賴正逐年增強。至今為止，火力發電依然是我國電力產業的主體，火力發電帶來的碳排放問題是現在全人類研究的課題，從圖1可以看出，電力生產和存儲、生產和制造大約各占碳排放總量的1/3，其中電力生產和存儲會影響生產制造業、取暖與制冷等其他行業，由此可以看出，優化電力生產和存儲可以減小碳排放問題。

圖1 人類活動碳排放占比

1 優化電力系統的必然性

通過電力生產和存儲實現碳達峰與碳中和不能一蹴而就，其是多個環節共同作用的結果。火力發電是電力生產碳排放的重要來源，故由新能源發電代替傳統火力發電是降低碳排放問題的有力手段。目前中國各大電網公司也紛紛響應國家“碳達峰、碳中和”發展規劃，正在逐步關閉碳排放問題突出的火電廠，加快以新能源為主體的新型電力系統的建設。

由于智能電網的需求，電力系統在運行安全、穩定的前提下，需提高開關開斷速度與電源切換速度，提高電力系統電能輸送率，減小電能損耗。這就需要在輸、配電網絡中，加入大量電力電子設備。在用電側，加快設備電氣化改造，提高各個設備的用電率，降低傳統電力系統終端用能的碳排放問題，在電力系統發電側、供配電側與用電側的共同作用下，實現國家減碳需求，實現2060年的最終目標。

2 新型電力系統存在的問題與實現路徑

2.1 新型電力系統存在的問題

由于大比例新能源系統的接入、大量電力電子元件的使用、大規模多能互補綜合能源的加入和清潔高效材料的轉型，使電力系統從電源與負荷的動態平衡向電源、電網、負荷與儲能的綜合動態平衡過度，使確定性電量的電力系統的有功平衡與無功平衡模式發生了改變。這些由新能源構成的發電系統輸出的電能具有一定的間歇性和隨機性，能源形勢也具有可變性，這給電力系統的安全性和穩定性帶來了很大的影響。由電力電子器件構成的低轉動慣量替代了傳統的機械電磁轉動慣量，打破了原有的調節方式，給電力系統的可靠運行帶來了新的挑戰。

電力系統經過多年的運行與優化，已找到了影響系統頻率、功角和電壓穩定性的安全因素，比如發電機組的類型及新能源發電機組的滲透率、系統運行工況及控制策略、電網環境因素及接入強度。新能源發電系統輸出的電能具有一定的間歇性和隨機性，大量新能源發電機組的接入會改變原來電力網絡的潮流分布與結構，破壞原有的電力系統穩定性，使系統出現低頻振蕩與電壓偏移現象。在“雙碳”背景下，電力系統會逐步減少火電廠的數量，加入大量的新能源機組，使系統運行不穩定，電力設備運行點發生偏移，發生機電振蕩與低頻功率振蕩，電力系統電壓穩定性遭到破壞，進而發生系統解列事件，這種現象在聯絡電力系統中會更加突出。可見，傳統的功角、電壓與頻率穩定的分析方法已不再適合新型電力系統，需要科研人員與專業技術人員共同努力，開發出一套適合新型電力系統的分析方法。

2.2 實現路徑

為實現“雙碳”目標，推動我國新型電力系統建設，需要考慮以下幾個途徑：一是充分開發并綜合利用太陽能、生物質能、風能、核能與地熱能等非化石能源，構建以非化石能源為電源結構的新型電力系統，完成新型電力系統的能源轉型與應用。二是努力加強與推進煤電轉型，減少火電廠二氧化碳的排放量，提升煤電設備切除與投入的速度，為高比例可再生能源的智能化電力系統運行提供緊急備用和靈活調節能力，積極探索煤電碳資源綜合協調能力，實現煤電的低碳與無碳轉型。三是持續推進電力系統終端用電設備的電氣化水平，實現多能互補電力結構的改造，大幅度地提升能源綜合利用效率。四是加強電力電子和儲能等關鍵技術創新，通過電力參數的數字化轉型推動新一代輸配電網和能源互聯網建設，促進高比例可再生能源的電力消納力度，確保電力系統的安全、穩定運行。五是完善電力系統能源轉型的各項政策，尋找電力市場化改革的方向，加快完善綠色電力與碳交易市場的建設，助力國家應對氣候變化及碳中和目標的實現。

3 解決方法

3.1 運營管控智能化、精益化

積極發展電力網絡運營管控的智能化、精益化，滿足電力行業的可持續發展的規劃，是全世界電力行業共同的需求。從2009年起，國網公司就智能電網開展了研究實踐工作，在新能源發電并網方面研究出了多項關鍵技術，實現了電力系統輸電過程的精益化管控和電網運行安全決策問題，完成了電力系統配電網的運行智能化改造，強化了電力系統的能耗雙控與能效管理，綜合運用信息化技術，結合先進理論與新技術，可以大幅度增強電網自愈的能力，加快有功功率與無功功率動態平衡的調節過程，優化電力系統電壓、頻率與波形的質量，滿足用戶對新型電力系統的需求，挖掘需求側響應潛能，構成具有可靠性、安全性、穩定性、經濟性與環保性的智能電網。

未來的新型電力系統是一個依托于互聯網的龐大系統，其由互聯網、云計算設備、電力系統控制網絡、天然氣系統控制網絡、智能交通網絡、交通系統控制網絡、輸氣網絡及加壓站、儲氣設備、電轉氣設備、輸配電網絡、大型發電機組及分布式電源和儲能及可控負荷組成。人工智能技術是電力運營管控智能化、精益化的有效手段，人工智能技術可有效收集電網的數據化信息，并及時分析和有效地管理，使數字化電網向人工智能方向快速發展，這更加符合存在大比例新能源的電力系統的需求。通過專家系統控制技術、神經網絡控制技術和模糊控制技術等，可以快速控制智能電網運行，提前感知電網運行參數的變化，實現電力網絡的個性化定制，符合各個企業的多元化與互動化的不同需求。

3.2 能源生態數字化、多元化

新型電力系統是一個需要時刻分析大數據的系統，數據分析的快速性、可靠性、實時性、靈敏性和全面性是新型電力系統安全運行的前提，能源生態數字化是實現“雙碳”目標的必經之路。隨著“云、大、物、移、智、鏈”等技術在電力領域的廣泛應用，電網的穩定運行越來越離不開大量的數字化信息。比如，獲取設備及線路運行狀態的傳感器、反饋電力系統運行參數的各類智能儀表。隨著超高壓、遠距離輸電線路大容量與智能化發展，電力系統從發電到用電各個環節的數據也變得復雜化、多樣化，能源生態數字化變得非常重要。

截至2021年底，中國的全口徑火電的裝機容量為13.0億kW，占總發電裝機容量的46.7%，相比上一年單位數據，總體降低了2.3%。核電裝機總容量為5326萬kW，相比上一年增長了6.8%。并網風電裝機容量為3.3億kW，增幅較大，為16.6%；其中，陸上風電占主導地位，裝機容量為3.0億kW，海上風電占比較小，容量為2639萬kW。太陽能發電漲幅為20.9%，裝機容量為3.1億kW；其中，集中式光伏發電2.0億kW，分布式光伏發電1.1億kW，光熱發電57萬kW。目前，電力系統智能化芯片并非全部來自國內，部分電力設備缺乏加密手段，這使新型電力系統的運行安全受到威脅。因此，新型電力系統在頂層設計、整合資源和精準體驗方面需要不斷探索，不斷加強數字化的引導與建設，助力新型電力系統生產、輸送與服務體系的全面開展。

3.3 資源技術靈活化、創新化

充分挖掘靈活性資源、加大煤電設備的靈活性改造，提高電力人員的創新能力是新型電力系統穩定運行的后備保障。如表1所示，新型電力系統新技術創新城市數量正逐年上升，但上升速度不大，還需加大資金投入提高創新能力。如表2、表3所示，為提高新型電力系統的穩定性能，國內學者已經采用空間自相關、基尼系數和空間計量模型等方法證實了新能源產業技術與創新能力的關系。可見，加大新技術創新、挖掘靈活性資源是新型電力系統發展必須跨過的門檻。

表1 新型電力系統新技術創新城市數量統計

3.3.1 發展經濟、教育資源

新技術創新能力往往與當地的經濟發展水平有直接的關系，經濟水平高的城市資源配置和調動的能力較強，高水平人才數量多。如表2所示，國民經濟（In GDP）每提高1%，新型電力系統的創新能力至少升高0.5個百分點。所以其創新能力與當地經濟的發展情況是有關的。城市的教育狀況也與當地創新水平息息相關，當地教育水平（In EDU）每增加1個百分點，新型能源創新能力也相應提高0.127%和0.110%，發展當地教育業、提高當地人口的文化素質是新型電力系統發展的有力保障。當地經濟發展會吸引大量產業發展，用電需求量自然升高，當地教育機構也可提供充足的電力人才，進而新型電力系統的創新能力也相應增高。

表2 我國新能源產業技術創新能力影響因素

3.3.2 加大科技、創新水平

2019-2021年，我國在電力科技創新方面投入了很多，比如我國已構建新型電力系統科技示范基地、強化儲能技術創新和高比例新能源送端調度控制技術等，也取得了較好的成就，但是還不能滿足新型智能化電力系統的需求。從表3可以看出，科技投入（In INS）對新能源技術創新能力的影響是非常大的，西北是國家重點的風光能源基地，風光資源條件優越，科技投入應適當傾斜，各方統籌科研力量，充分考慮地方性電能消納、跨省送電、光伏與風電開發等科技創新。

3.3.3 升級產業、提升需求

產業結構的轉型和升級也是穩定新型電力系統的重要途徑，其包含生產方式的轉變與增長方式的轉變。如表3所示，工業化水平（In IND）對新型電力系統創新水平的直接效應值均已通過1%的顯著性檢驗，發展工業經濟與產業化改造還有很大的上升空間，各個地區應充分考慮本地實際情況，結合本地特色與制約條件，大力開發資源，實現產業升級，加大用電需求（In ELE）。

表3 中國新能源產業技術創新能力影響因素的空間杜賓模型的直接效應和間接效應

3.3.4 吸引資本、拓展人力

人力資本（In CAP）對風能技術創新的直接效應有很大的影響，而間接效應相對影響較小，從由3可知，人力資本對新型電力系統的風力發電的創新能力有推動的作用，所以提升人力資本也是新型電力系統發展的關鍵因素。

3.3.5 制定制度、規范要求

環境規制（In ER）對太陽能技術創新的直接效應有很大的影響，通過制定嚴格的規章制度、加大環境保護宣傳和環境保護進校園等方式，增強電力人員的環保意識。大量開發、使用新型清潔能源，都有利于新型電力系統的建設。

4 結束語

為了實現國家“雙碳”目標，保護人類共同的家園，電力產業需要重新構建以新能源為主體的新型電力系統，為了滿足智能化與快速化的要求，新型電力系統還加入了大量的電力電子元件。新能源與電力電子的存在，使傳統電力系統的穩定性分析方法不再適用，這就需要電力系統在運營管控方面、能源生態方面和資源技術方面進行轉型，開發、推進新理念與新技術。