新型電力系統體系下新能源發展態勢及市場化消納研究

弭 轍，胡健祖，郭珍妮，李少彥，徐 航

（1.水電水利規劃設計總院，北京 100120；2.濟南大學，山東 濟南 250022）

0 引言

近年來，山東省新能源發展迅猛。截至2023年6 月底，山東省風電裝機23 670 MW，光伏裝機47 950 MW（集中式13 090 MW，分布式34 860 MW）。“十四五”期間，山東省新能源仍將快速發展。結合相關規劃來看，預計2023 年新增新能源裝機18 000 MW，提前兩年達成“十四五”規劃目標。從新能源發展來看，“十三五”期間新能源發展采取“規模優先”模式，行業注重跑馬圈地，大建快干投資新能源。“十四五”以來，新能源發展呈現規模、管理并重趨勢，隨著并網運行管理要求的提升和新能源參與市場的推進，新能源行業越來越重視管理效益。“十四五”時期，夯實技術、抓好管理、經營市場對于提升新能源發展水平，促進綠色低碳發展，構建新型電力系統具有重要的意義。

結合新型電力系統技術架構［1］，重點研究新能源主動支撐能力、市場化消納和并網調度運行關鍵點及難點，研判“十四五”及未來新能源發展態勢，為下一步做好新型電力系統框架下新能源并網調度運行提供參考。

1 新能源并網調度運行技術

1.1 新能源功率預測

新能源功率預測在新型電力系統框架下仍是重中之重。近年來，新能源功率預測技術不斷成熟，精度持續提升。整體來看，新能源功率預測水平與數值氣象預報水平、資源功率轉換模型精度和功率預測管理水平等因素密切相關。氣象預報方面，當前10 天數值天氣預報產品已經相當成熟［2］，在新能源功率預測中得到了普遍應用［3-4］。其中，以歐洲中期天氣預報中心（European centre for medium range weather forecasts，ECMWF）提供的10 天中期數值預報產品獨占鰲頭［5］。其全球模式數值天氣預報是眾多新能源功率預測的基礎數據。從相關研究來看，氣象預報仍然是新能源功率預測誤差的主要來源［6］。預測模型方面，神經網絡模型及其衍生技術在新能源功率預測中發揮著重要的作用。文獻［7-11］重點從統計學方法、神經網絡、物理特性及混合模型等方面研究了風電、光伏短期和超短期功率預測。從預測效果來看，不同模型在新能源功率預測精度上適用范圍不同。宏觀來看，當前新能源功率預測精度已經達到穩定期，現有技術條件下短期內難以獲得大的突破。表1 給出了某省不同出力區間新能源功率預測精度情況。從表中可以看出：風電出力較低時，預測偏高偏差較大，概率較高；風電出力在［0，4 000 MW］的概率約為80%。

表1 2022年某省風電預測誤差帶分析Table 1 Analysis of wind power forecast error band in a province in 2022

表2 給出了某省光伏預測誤差分析。從表2 中可見，在出力較低的區間，預測偏高概率較大，預測偏差比例較大；出力較高時，預測偏低偏差較大，在［3 000 MW，5 000 MW］的概率約為60%。可針對性采用人工智能方法提升預測準確度。

表2 2022年某省光伏預測誤差帶分析Table 2 Analysis of PV forecast error band in a province in 2022

整體來看，風電、光伏短期預測精度已經能夠穩定在93%～94%，在電網調度運行中發揮了關鍵作用。但從絕對誤差來看，新能源功率預測最大誤差超過600 萬kW，可以預見，隨著新能源裝機的持續增長，絕對誤差仍然會進一步放大。結合經驗來看，人工修正對于部分特殊天氣類型仍然具有較好的效果，如日食天氣、沙塵暴天氣、霧霾天氣等。圖1 給出了日全食條件下日前預測數據（2020 年6 月21日，日全食）。可見，在確定性特殊天氣條件下的合理修正具有較好的效果。

圖1 典型日光伏預測效果分析Fig.1 Analysis of typical daily PV forecast effect

盡管氣象預報是影響功率預測的絕對性因素，但新能源精細化功率預測仍有提升空間。一是關注微氣象對新能源功率預測的影響。功率預測既受季節、環流等大氣候影響，也受霧霾、沙塵暴等局地氣候影響。對應的，新能源出力呈現出規律性與隨機性交織的局面。為此，做好微氣象特征歷史數據分析是提升預測精度的重要手段，應開展全過程數據深度研究，解決當前新能源預測工作對于微氣象考慮不細造成的模型泛化等問題。二是持續做好場站預測模型升級完善。預測模型是決定預測精度的直接因素，科學合理建模才會保證預測輸出結果可靠。結合歷史預測情況來看，部分場站預測模型粗糙，甚至經緯度坐標、機組參數等數據也存在一定的錯誤。開展預測模型校驗，研究開發標準預測模型對場站預測系統進行模型校驗，必要情況下對廠家提交模型統一參數進行詳細校驗。三是加強新技術新思路的挖掘應用。借鑒民航領域航空飛行氣象監測及預警成果，在并網集中區域試點開展雷達融合模式預測和衛星遙感監測，加強短時強對流技術、大氣化學模式氣溶膠組分預報和遙感光譜技術在超短期預測中的應用，切實提升超短期預測效果，為調度運行留好提前量，確保超短期預測預警作用可靠、準確。

1.2 高比例新能源優化調度

新能源發電能力的不確定性對電網調度運行產生了深刻影響，主要體現在兩個方面：一是須合理確定開機組合，確保電力供應充足；二是要合理納入平衡，保障新能源消納最大化。可信容量是描述新能源發電能力的有效指標。文獻［12］提出了考慮相關性的風光容量可信度精細化評估方法。文獻［13］立足送端高比例新能源電網，提出了基于可信容量的新能源參與平衡方案。文獻［14］提出了基于統計學特征的新能源納入電網備用管理方案，充分兼顧了供電安全和新能源消納。文獻［15］采用大數據方法研究了風光出力的不同時間尺度波動特性，建立了電力系統時序生產模型用于新能源電力系統平衡問題。文獻［16］研究了風電等日內爬坡場景下高比例電力系統電網日內平衡策略。就新能源納入電力系統計劃平衡這一問題而言，本質上屬于考慮不確定性的充裕性優化問題。考慮到風光資源依賴性及不同天氣條件下的預測準確度差異，分天氣類型確定納入平衡更具有實際意義。

圖2、圖3 分別給出了極端對流天氣下和正常天氣下的風電短期出力預測情況。可見，不同天氣類型下預測精度具有顯著差異，按照差異性原則將新能源納入電網平衡是必要的。

圖3 典型日風電預測效果分析（正常天氣過程）Fig.3 Analysis of typical daily wind power prediction effect（normal weather process）

2 新能源市場化消納研究

2.1 新能源參與電力市場運行機制

新能源消納本質上是一個經濟問題。各國普遍采用市場手段實現新能源經濟消納［17］。目前國內各省現貨市場建設過程中采用了不同的入市策略。如山西省要求新能源100%進入現貨［18］。山東省電力現貨市場規則要求集中式可再生能源電站（不含扶貧光伏）可選擇兩種參與市場模式［19］：按自愿原則參與中長期交易，全電量參與現貨市場；根據國家關于現貨運行的指導意見，10%的預計當期電量參與現貨市場。簽訂市場交易合同的可再生能源電站在電網調峰困難時段優先消納。

新能源參與現貨市場在國外已經較為成熟［20］，但在國內仍然需要引導行業和社會的理解。2023 年“五一”期間，受用電負荷大幅下降、疊加新能源出力集中等因素影響，山東省現貨市場交易價格出現長時間“負電價”，引起了社會各方面的廣泛關注。圖4給出了2023 年5 月1 日山東省電力現貨市場日前和實時小時級價格情況。從圖4 中可以看出，現貨市場架構下，市場價格受供需情況約束，在午間新能源大發時段，供過于求，市場交易價格低價甚至負價（扣除容量補償電價）；在晚高峰等供需緊平衡時段，市場交易價格較高。

圖4 2023年5月1日日前及實時市場電價Fig.4 Day-ahead and real-time market price in May 1，2023

隨著電力體制改革和電力市場建設的推進，預計新能源入市節奏和規模將會不斷提升。按照國家發展改革委國家能源局《關于加快建設全國統一電力市場體系的指導意見》（發改體改〔2022〕118 號）等相關政策要求，2030 年新能源全量進入現貨市場，這將推動市場規則、報價機制等進一步完善。在市場規則方面，文獻［21］針對高比例可再生能源電力系統中電量約束性機組成本特性提出了考慮電量成本的新型電力系統現貨市場出清模型。文獻［22］提出了基于維克瑞-克拉夫-格羅夫斯（Vickrey-Clarke Groves，VCG）的電力市場價值分配機制。在報價機制方面，文獻［23］提出了基于改進二次規劃算法的新能源同質報價模型；文獻［24］提出了非凸報價理論的新能源參與現貨市場機制。需要說明的是，電力市場體系是一個整體，任何一個變動都將會對能源電力供給價格體系產生影響，具有“牽一發動全身”的效果。隨著新能源入市比例提升，容量補償機制、成本報價策略、出清機制等需要聯動完善。當前相關研究往往聚焦某一方面，整體效果仍然有待實踐檢驗。

2.2 新能源綠色屬性價值機制

新能源區別于其他類型電源的顯著特性是綠色低碳環保。隨著歐洲碳關稅的實施，新能源綠色屬性的經濟效益將更為顯著。綠證綠電是新能源環境價值的體現，建立合適的綠色價值評估體系及市場機制尤為重要。當前，國內新能源綠色屬性價值主要通過綠電、綠證在碳市場、綠證市場實現轉換。應對綠電、綠證及碳市場、綠證市場科學合理設計，避免市場運行中的風險。文獻［25］分析了國外電市場、碳市場的協同運作機制，研究了電力市場、碳市場及綠證市場的交互影響機理，從配額確定、互認聯通、核查認證等方面提出了相關建議。文獻［26］構建了碳交易和綠證交易制度的電力批發市場能源最優模型，證明了碳排放總量目標條件下最優碳配額和綠證比例的合理解問題。文獻［27］建立了一種綠證和碳聯合交易市場模式，并構建了可保護隱私的雙邊聯合交易平臺。文獻［28］分析了電力市場與碳權市場的關系，設計了碳電聯合運行流程和模式，開展可量化的碳電市場機制驗證。從實踐來看，當前綠證市場交易萎縮，與碳市場協同不暢，仍然需要從完善銜接機制、跨省綠電交易、綠證與碳市場耦合、創新商業模式等方面進一步完善市場機制建設及協同運營。

3 新型電力系統新能源主動支撐能力

區別于傳統同步發電機，新能源采用大量電力電子裝置實現能量變換。新能源的低慣量、弱支撐特性在發展初期對電網的影響較小。隨著裝機的增加，不得不重視其主動支撐能力建設。當前新能源主動支撐能力研究主要聚焦在一次調頻、慣量響應和快速電壓支撐三個方面［29］。一次調頻方面，國內外學者從新能源一次調頻原理、控制策略、參數優化及試點試驗等方面開展了若干研究。文獻［30］提出了風電輔助一次調頻策略并改進了風機分組優化和功率分配策略。文獻［31］提出了一種基于分段頻率變化率的風電機組一次調頻自適應控制方法。文獻［32-33］研究了光伏一次調頻原理及參數優化策略。文獻［34-35］結合東北電網實際開展了新能源高比例對系統頻率的影響及新能源一次調頻改造原理和仿真分析研究。需要說明的是，送端電網和受端電網新能源一次調頻具有顯著的區別。對于受端電網須考慮新能源優先消納條件下的一次調頻設置策略。慣量響應方面。電力系統廣義慣量定義為對系統狀態（頻率）改變的抵抗程度。傳統發電機轉子轉動過程中的動能發揮了重要的穩定作用。新能源通過電力電子設備實現并網，其慣量特性與傳統旋轉發電機具有顯著差異。文獻［36］分析了近年來因慣量支撐能力不足造成的系統頻率失穩停電事故，并從慣量量化評估、慣量支撐能力優化等方面進行探究。文獻［37］總結了三類雙饋異步風電機組的模擬慣量響應控制策略。高比例新能源電力系統的慣量和一次調頻能力均受到沖擊。針對當前部分研究對于慣量支撐和一次調頻定位不清晰等問題，文獻［38-39］分析了永磁同步電機的慣量控制機理和策略。文獻［40］分析了慣量支撐的物理意義及慣量支撐功率表達式，仿真分析了電網頻率事故中的支撐作用。文獻［41］提出了基于風電機組減載控制的慣性與一次調頻控制結合問題。快速電壓支撐方面，文獻［42］分析了高比例新能源電力系統暫態電壓問題的機理，分析了適用于光伏/風電場站的暫態電壓支撐的聚合建模方法，提出了基于自律分散控制的多無功源協調控制思路；文獻［43］提出了基于靜止無功發生器與新能源發電單元協同的無功控制策略。在新型電力系統框架下，新能源將承擔起更加重要的作用，逐漸成為主力電源之一，其主動支撐能力逐漸成為維護系統安全穩定的義務。開展新能源一次調頻、慣量響應和電壓支撐方面的研究和實踐對于做好新型電力系統建設具有重要的意義，也是實現新能源在電力供應和穩定支撐方面可靠替代的必由之路。

4 新能源高質量發展關鍵分析

隨著新型電力系統建設推進，新能源裝機大幅增加，電力電子設備滲透率呈現指數級增長，電力系統生產結構、運行原理、功能形態等呈現出新的變化。新能源與傳統電源的裝機呈現出此消彼長的態勢。新型電力系統的暫態行為更加復雜，傳統電源不足以完全應對新型電力系統的不確定性增加，新能源主動支撐能力建設尤為必要和緊迫。

4.1 涉網技術

新能源正加速重塑電力系統，量變到質變過程中新問題、新挑戰不斷涌現，需要持續加強涉網技術水平建設。一是扎實開展并網工作。并網驗收是新場站并網的最后一道關口，應結合并網驗收把好場站并網關，確保場站健康并網；隨著時間推移部分場站設備逐漸暴露出缺陷，通過認真執行“兩個細則”考核，確保新能源涉網技術水平不退檔。二是持續做好新能源輔助服務品種建設。按照適度超前的原則，做好新能源轉動慣量、快速調壓、一次調頻輔助服務品種研究和試點，確保其可靠、有效。三是切實做好新能源并網技術監督。整體來看，新能源并網檢測發揮了發現問題、促進整改的作用。但并網檢測僅能保障新能源并網時涉網基本特性滿足要求，新能源場站長期運行涉網性能仍須通過并網技術監督共同保障。下一步，應深入開展并網檢測質效提升工作，切實做到并網檢測有用好用。

4.2 技術支持系統

當前，依托調控云建設的新能源綜合監測與分析平臺實現了新能源場站臺賬數據、運行數據、資源數據的融合展示和省地共享，對于做好新能源調度運行發揮了重要的作用。一是持續加強數據準確性建設。數據準確是基石，部分新能源場站偏、散、弱，測風塔等數據無法保證，大量計量裝置缺乏定檢，須持續加強數據準確性建設，確保數據準確、完備、可靠。二是加強數據智能化利用，利用好AI 等智能工具開展場站運行特性畫像、態勢分析、水平標定和異常告警，鍛造自動化、智能化運行輔助利器。三是做好數據集合拓展。新能源數據繁多，場站數據、單機數據交織，迫切需要研究數據關聯校核、特征提取基礎需求，用技術手段補強新能源偏、散、亂的現狀。

4.3 支撐技術

新能源高比例參與市場、配建儲能協同參與市場等新業態不斷擴展，大容量海風機組、新型儲能、柔直并網方式等新技術不斷涌現，風電寬頻振蕩等新問題不斷出現。在生產中提升專業素養、增強專業儲備是保障持續發展的重要手段。一是筑牢技術支撐堤壩。完善新型儲能調度運行技術要求，做好新能源主動支撐功能建設。二是扎根專業做好發展態勢研究。主動提出、引領山東省新能源研究方向，引導新能源相關課題研究扎根實際，成果應用于實際。三是加強新能源綠證綠電及參與市場等研究。預計2030 年新能源100%參與市場，新能源入市、綠電綠證等將深刻改變新能源行業的運行態勢，加強相關政策研究，做好技術引導具有重要的意義。

5 結束語

新型電力系統框架下新能源將逐漸成為主力電量電源。新能源的波動性和間歇性特征將深刻改變電力系統的運行邏輯。從并網調度運行、市場化消納和新能源主動支撐能力建設三個方面分析了當前研究熱點、難點和行業實際情況，并從涉網水平、系統建設、技術儲備等三個方面思考新能源高質量發展的路徑。明晰新型電力系統體系下新能源發展技術需求，助力能源綠色低碳發展。