中國儲能網(wǎng)訊：
“雙碳”目標下南方區(qū)域新型電力系統(tǒng)重點問題研究
（南方電網(wǎng)科學研究院有限責任公司）
1 研究背景
2021年中央財經(jīng)委員會第九次會議上，我國對“雙碳”目標作出重要部署，強調要把碳達峰、碳中和納入生態(tài)文明建設整體布局，提出要構建新型電力系統(tǒng)，為我國能源電力轉型發(fā)展指明了方向。然而，受2021年下半年世界主要經(jīng)濟體普遍發(fā)生能源危機、我國多地陸續(xù)出現(xiàn)近十年罕見的大規(guī)模錯峰用電和有序用電的影響，社會各界開始對新型電力系統(tǒng)內涵、新能源發(fā)展路徑進行更深入的思考。2022年1月，國家發(fā)改委和能源局發(fā)布《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，提出推動電力系統(tǒng)向適應大規(guī)模高比例新能源方向演進，并強調統(tǒng)籌高比例新能源發(fā)展和電力安全穩(wěn)定運行。2022年5月，國家發(fā)改委和能源局發(fā)布《促進新時代新能源高質量發(fā)展實施方案》，提出加快構建適應新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng)。隨著新型電力系統(tǒng)建設工作的扎實推進，對新型電力系統(tǒng)內涵的認識也在不斷深化，如何基于實際電網(wǎng)需求、對新型電力系統(tǒng)建設路徑進行量化分析及問題揭示至關重要。
2 本文亮點
南方電網(wǎng)區(qū)內清潔能源占比高、全局配置作用顯著，具備構建新型電力系統(tǒng)的發(fā)展基礎。本文以南方區(qū)域電力系統(tǒng)為研究對象，通過建立覆蓋全時間尺度的電力電量平衡技術，重點從電源的角度分析南方區(qū)域新型電力系統(tǒng)構建過程中面臨的電力保障、頻率穩(wěn)定等系統(tǒng)級問題，為南方區(qū)域構建新型電力系統(tǒng)提供參考意見。
3 重點內容
1）南方區(qū)域新型電力系統(tǒng)演進路徑
圖1和圖2分別為結合南方區(qū)域用電需求預測、資源稟賦條件推演的南方區(qū)域電源裝機結構和發(fā)電結構的演進路徑。由圖中可見，到2030年，新能源將成為南方區(qū)域第一大裝機電源，新能源裝機占比達到40%；到2050年，新能源將成為南方區(qū)域第一大發(fā)電量電源，新能源發(fā)電量占比達到45%；2060年，新能源作為南方區(qū)域供電主體電源，發(fā)電量占比超過50%。
圖1 南方區(qū)域電源裝機結構演進路徑
圖2 南方區(qū)域電源發(fā)電量結構演進路徑
2）南方區(qū)域新型電力系統(tǒng)重點問題分析
本文建立了全時間尺度的電力電量平衡分析技術，其中，長時間尺度平衡用于分析能源電力供需平衡；短時間尺度平衡著重分析頻率穩(wěn)定性這一系統(tǒng)級的安全穩(wěn)定問題。
圖3 全時間尺度電力電量平衡框架
南方區(qū)域能源與電力供應保障問題：圍繞南方區(qū)域碳達峰、碳中和目標，綜合考慮資源稟賦、開發(fā)成本等因素，初步預測2060年南方電網(wǎng)區(qū)內總發(fā)電量接近2.8萬億kWh，僅占區(qū)內全社會用電量的82%。據(jù)此測算，為保障南方區(qū)域電力供應，還需要引入?yún)^(qū)外電量約0.6萬億kWh，占全社會用電量比重約18%。若區(qū)外電源利用小時數(shù)按照4000小時考慮，則需引入?yún)^(qū)外電力規(guī)模約1.5億kW。從全國能源資源分布看，“三北”、西南的風光資源潛力超50億kW，而東南地區(qū)負荷中心新能源資源不足，需要推進西北、西南地區(qū)清潔能源大規(guī)模開發(fā)后部分送至南方電網(wǎng)。
長時間尺度電力供需平衡問題：為評估新能源極端情景下2060年南方區(qū)域的保供電安全，以南方區(qū)域2008年冰災為例進行分析，該情景發(fā)生在枯水期高負荷月份，風電、光伏持續(xù)2周低出力甚至零出力。經(jīng)測算，若南方區(qū)域2060年極端場景下沒有煤電出力，則平均電力缺口約為6000萬kW。選取一天進行分析，如圖4所示，在長時間電量不足情況下，電化學儲能和抽蓄的調節(jié)能力有限，系統(tǒng)將全天出現(xiàn)電力不足。若南方區(qū)域2060年保留5000萬~8000萬kW的煤電機組，并通過調用具備季節(jié)以上調節(jié)性能的水庫庫容等措施，可基本保障高負荷月新能源持續(xù)2周完全零出力情況下的電力供應，可見煤電機組的“壓艙石”作用十分重要?？紤]新能源出力的同時率，系統(tǒng)演進過程中可對保留煤電的規(guī)模進一步優(yōu)化。
圖4 風光零出力情景下南方區(qū)域典型日電力平衡結果
短時間尺度電網(wǎng)安全問題：基于精細化運行模擬所篩選出的極端場景，對電網(wǎng)建立2030和2060年南方電網(wǎng)主網(wǎng)SFR模型，測算最大單回直流閉鎖功率擾動下主網(wǎng)頻率響應如圖5所示。2030—2060年，隨外區(qū)饋電比例增加，與火電退役大于其它同步電源增加，南方電網(wǎng)主網(wǎng)低慣量問題加劇。2030年和2060年，在主網(wǎng)火電機組不開機、汛期直流接近滿送的嚴苛條件下，主網(wǎng)非同步電源滲透率分別可接近51.3%、65.9%。若不采取切負荷穩(wěn)控措施，則最大單回直流閉鎖時，主網(wǎng)頻率最低點均會遠低于目前穩(wěn)控最低頻率校驗要求49.4Hz(海南電網(wǎng)解列定值為49.2Hz，頻率偏差裕度預留0.2Hz)，準穩(wěn)態(tài)(恢復)頻率也均低于目前穩(wěn)定要求49.8Hz。若充分利用外區(qū)送電柔性直流的功率調節(jié)能力，即在柔性直流受端換流器增加慣量、快速調頻、一次調頻功能，并以送端水/光/儲的調頻特性作為受端換流器功率調節(jié)上限，可大幅提升主網(wǎng)頻率響應性能和應對最大單條直流閉鎖功率擾動的能力。
圖5 2060年最大單條直流閉鎖時南網(wǎng)主網(wǎng)頻率響應
新能源消納問題：新能源消納問題核心是新能源發(fā)電與負荷需求存在時空錯位，時間上的錯位體現(xiàn)在風光出力與負荷曲線形狀的不匹配，比如極寒天氣下風光低出力甚至零出力、晚高峰光伏零出力等情況；空間上的錯位體現(xiàn)在新能源資源和負荷中心地域上的不匹配，新能源資源集中于西南地區(qū)，負荷中心集中在東部沿海地區(qū)。2030年前碳達峰階段，新能源作為電源增量主體，其發(fā)展或將遠超預期，保供與消納存在矛盾。一方面，當前新能源日前功率預測絕對誤差仍然較大，難以滿足實際調度運行的需求，增加了電力保供的難度；另一方面，通過增加常規(guī)機組開機來應對不確定性，將增加新能源棄電風險。2030年碳達峰后到2060年碳中和階段，新能源逐步成為電源主體，其發(fā)電規(guī)模和占比快速增加，新能源消納問題將進一步凸顯，需要源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)共同發(fā)力，實現(xiàn)新能源與負荷需求錯位平衡，包括：提高源側新能源監(jiān)測、監(jiān)控、預測等技術水平；加強電網(wǎng)建設和地域互聯(lián)，提高新能源跨省區(qū)消納能力，實現(xiàn)區(qū)域資源互補；建立完善市場機制，充分發(fā)揮需求側響應資源，通過短時間內調動靈活性資源應對新能源日內反調峰問題；加快跨季節(jié)儲能、制氫等長時間儲能技術的研發(fā)和應用，應對新能源發(fā)電和電力需求季節(jié)性失衡問題。
