2022大规模新能源并网运行实践与挑战

大规模新能源并网运行实践与挑战大规模新能源并网运行实践与挑战目录一、新能源发展运行总体情况目录一、新能源发展运行总体情况三、面临的形势和挑战四、下一步工作及建议2一是新能源装机仍然快速增长。从装机增速上看，仍然保持快速增长态势。国家电网公司经营区年内新增新能源装机6222万千瓦，占新增总装机的约60，累计装机达2.66亿千瓦，同比增长30；新能源在总装机中的占比约17.4。2011-2017年国家电网调度范围内新能源累计装机容量3300002662225000204002000015637150001123510000 858360094626500002011 2012 2013 2014 2015 2016 2017一是新能源装机仍然快速增长。从装机增速上看，仍然保持快速增长态势。国家电网公司经营区年内新增新能源装机6222万千瓦，占新增总装机的约60，累计装机达2.66亿千瓦，同比增长30；新能源在总装机中的占比约17.4。2011-2017年国家电网调度范围内新能源累计装机容量3300002662225000204002000015637150001123510000 858360094626500002011 2012 2013 2014 2015 2016 2017甘肃、青海、宁夏、新疆、蒙东等17个省级电网新能源成为第二大电源。新能源成为第二大电源的省区4冀北甘肃青海宁夏蒙东新疆西藏吉林黑龙江辽宁山西安徽陕西山东冀南江苏河南天津新能源装机占比44.8%41.4%37.5%37.3%36.7%32.9%28.4%23.2%22.4%19.2%18.1%17.1%17.1%16.8%15.2%13.6%11.7%6.4%风电111812821629429711806150557071187221728810616365623329太阳能4197867916201609097915994223590888434105244990770368甘肃、青海、宁夏、新疆、蒙东等17个省级电网新能源成为第二大电源。新能源成为第二大电源的省区4冀北甘肃青海宁夏蒙东新疆西藏吉林黑龙江辽宁山西安徽陕西山东冀南江苏河南天津新能源装机占比44.8%41.4%37.5%37.3%36.7%32.9%28.4%23.2%22.4%19.2%18.1%17.1%17.1%16.8%15.2%13.6%11.7%6.4%风电111812821629429711806150557071187221728810616365623329太阳能4197867916201609097915994223590888434105244990770368从装机类型看，风电增速放缓、光伏持续快速增长。国家电网公司经营区年内风电、光伏分别新增装机1236万千瓦和4830万千瓦，同比增长10.6和。377115061200040014000701289059350116541000012000601027630010000508000412506676800075524060002005958600030150359740003741400020100218214294020002000105029900002012年2013年2014年2015年2016年2017年2012年2013年2014年2015年2016年2017年风电装机历年变化光伏装机历年变化5装机容量（万千瓦）增长率（）装机容量（万千瓦）增长率（）5365278636131172从装机类型看，风电增速放缓、光伏持续快速增长。国家电网公司经营区年内风电、光伏分别新增装机1236万千瓦和4830万千瓦，同比增长10.6和。377115061200040014000701289059350116541000012000601027630010000508000412506676800075524060002005958600030150359740003741400020100218214294020002000105029900002012年2013年2014年2015年2016年2017年2012年2013年2014年2015年2016年2017年风电装机历年变化光伏装机历年变化5装机容量（万千瓦）增长率（）装机容量（万千瓦）增长率（）5365278636131172从地域分布看，新能源新增装机向中东部地区转移。华北、华东、华中地区新增新能源装机4656万千瓦，同比增长72.9，占全网的77；三个地区风电和光伏新增装机占全网的比例分别为6814671600250367400806119313345614002003506028912003004015010132381100025020100187800200050507600150-2041291290-65400100-40-5050-60200970-800-100华北华中华东西北西南东北华东华北华中西北东北西南各区域年内光伏新增装机各区域年内风电新增装机6新增装机容量（万千瓦）增长率（）新增装机容量（万千瓦）增长率（）-71-47-27257571866从地域分布看，新能源新增装机向中东部地区转移。华北、华东、华中地区新增新能源装机4656万千瓦，同比增长72.9，占全网的77；三个地区风电和光伏新增装机占全网的比例分别为6814671600250367400806119313345614002003506028912003004015010132381100025020100187800200050507600150-2041291290-65400100-40-5050-60200970-800-100华北华中华东西北西南东北华东华北华中西北东北西南各区域年内光伏新增装机各区域年内风电新增装机6新增装机容量（万千瓦）增长率（）新增装机容量（万千瓦）增长率（）-71-47-27257571866分布式光伏爆发式增长。截至2017年12月底，国家电网公司区域内分布式光伏发电并网户数74.3万户，是2016年底的3.7倍，累计并网容量2819万千瓦，是2016年底的3.1倍。公司经营区分布式光伏装机容量公司经营区分布式光伏并网户数7并网容量（万千瓦）3000 28192500200015001000 916473500 26511502013年 2014年 2015年 2016年 2017年分布式光伏爆发式增长。截至2017年12月底，国家电网公司区域内分布式光伏发电并网户数74.3万户，是2016年底的3.7倍，累计并网容量2819万千瓦，是2016年底的3.1倍。公司经营区分布式光伏装机容量公司经营区分布式光伏并网户数7并网容量（万千瓦）3000 28192500200015001000 916473500 26511502013年 2014年 2015年 2016年 2017年二是新能源消纳成效显著。2017年国家电网公司经营区新能源发电量3333亿千瓦时，同比增加950亿千瓦时、增长39.8；新能源电量占总发电量的比例达到6.7 ，同比提升1.6个百分点，实现“双升”。2017年1-12月新能源发电情况单位：亿千瓦时8新能源风电光伏年电量同比年电量同比年电量同比333395039.8232550027.4100845080.6二是新能源消纳成效显著。2017年国家电网公司经营区新能源发电量3333亿千瓦时，同比增加950亿千瓦时、增长39.8；新能源电量占总发电量的比例达到6.7 ，同比提升1.6个百分点，实现“双升”。2017年1-12月新能源发电情况单位：亿千瓦时8新能源风电光伏年电量同比年电量同比年电量同比333395039.8232550027.4100845080.6四是局部地区和部分时段矛盾依然突出。从弃电地域分布上看，仍集中在“三北”地区。新疆、甘肃弃电量达161、110亿千瓦时，占全网总弃电量的66从弃电时间分布上看，主要集中在采暖季。1-5月弃风弃光电量占前10个月总量的63年总弃电量的比例达74 。。四是局部地区和部分时段矛盾依然突出。从弃电地域分布上看，仍集中在“三北”地区。新疆、甘肃弃电量达161、110亿千瓦时，占全网总弃电量的66从弃电时间分布上看，主要集中在采暖季。1-5月弃风弃光电量占前10个月总量的63年总弃电量的比例达74 。。，全年供暖期的弃电量占9目录一、新能源发展运行总体情况目录一、新能源发展运行总体情况三、面临的形势和挑战四、下一步工作及建议10国家电网公司积极支持和服务清洁能源发展，认真贯彻国家能源战略决策部署，围绕电网建设、运行消纳、市场交易、并网服务、技术创新等方面，开展了大量工作。2017年，国家电网公司研究提出促进新能源消纳的整体工作方案，制定了6大方面、20条重点措施。国家电网公司积极支持和服务清洁能源发展，认真贯彻国家能源战略决策部署，围绕电网建设、运行消纳、市场交易、并网服务、技术创新等方面，开展了大量工作。2017年，国家电网公司研究提出促进新能源消纳的整体工作方案，制定了6大方面、20条重点措施。一是加快电网建设，保证清洁能源并网和输送。投运多条跨省跨区特高压工程，纳入国家大气污染防治行动计划“四交四直”特高压输电工程年内全部完工。二是强化新能源优先调度机制，认真贯彻落实全额保障性收购政二是强化新能源优先调度机制，认真贯彻落实全额保障性收购政策。落实《新能源优先调度工作规范》等规章制度，优化新能源调度流程，将新能源发电纳入发电计划管理。科学安排调度运行方式，最大限度调度火电调峰能力，充分利用抽水蓄能灵活调节电源，千方百计促进新能源消纳。三是充分发挥调度技术支持手段作用，建成新能源调度支持系统。完善新能源功率预测系统，提升预测精度，提高发电计划精益化水平；建立电网实时平衡能力监视平台，优化风光火水联合调度，及时调整火电出力，促进新能源消纳；利用新能源有功控制系统，有效提升外送通道利用率，增加新能源外送规模。12四是优化电网运行，建立区域备用共享机制。东北电网火电平均旋转备用调减127万千瓦；安排火电机组启停调峰105台次，黑河直流低谷100四是优化电网运行，建立区域备用共享机制。东北电网火电平均旋转备用调减127万千瓦；安排火电机组启停调峰105台次，黑河直流低谷100参与调峰；深化东北调峰辅助服务市场化建设，累计多消纳新能源24.99亿千瓦时；发挥火电机组灵活性改造作用，多消纳新能源9.3亿千瓦时。优化天中、银东等直流运行方式，开展省间备用容量共享，西北常规电源备用由600万千瓦减至200万千瓦，增发新能源47亿千瓦时。13五是提升电网输送能力，优化安排停电检修时间。加强系统保护研究与应用，提升新疆新能源外送能力五是提升电网输送能力，优化安排停电检修时间。加强系统保护研究与应用，提升新疆新能源外送能力60万千瓦；优化运行控制方案，改造陕北送出等稳控系统，优化提升“四鱼”断面限额，提高送出能力175万千瓦。加强新能源送出系统检修计划管理，增加新能源电量40亿千瓦时。14六是加强跨省跨区交易，促进了新能源大范围消纳。国家电网公司经营区内新能源年累计交易电量492六是加强跨省跨区交易，促进了新能源大范围消纳。国家电网公司经营区内新能源年累计交易电量492亿千瓦时，同比增长35.6%。“三北”地区通过加强跨省跨区交易，增加新能源消纳电量61.9亿千瓦时。152017年新能源替代自备电厂电量七是与自备电厂交易，拓展了新能源消纳空间。西北组织开展自备电厂与新能源交易，新疆、甘肃、宁夏等省区增加新能源消纳电量合计2017年新能源替代自备电厂电量七是与自备电厂交易，拓展了新能源消纳空间。西北组织开展自备电厂与新能源交易，新疆、甘肃、宁夏等省区增加新能源消纳电量合计119.4亿千瓦时。八是创新开展弃风弃光跨区现货交易。累计组织外送电量69.2亿千瓦时。其中水电12亿千瓦时，新能源57.22亿千瓦时。16九是提升新能源涉网性能，提高直流外送能力。西北组织完成祁韶直流送端近区九是提升新能源涉网性能，提高直流外送能力。西北组织完成祁韶直流送端近区2800万千瓦风电耐压改造工作（1.2pu），将现有网架输送能力提升了220万千瓦，减少弃风弃光13亿千瓦时。东北组织开展鲁固直流送端风机耐压耐频及调压调频研究和改造工作，为鲁固直流大功率运行创造了有利条件。17十是试点开展青海168小时全清洁能源供电。6十是试点开展青海168小时全清洁能源供电。6月17-23日，国家电网公司在青海省开创性开展连续7天高比例清洁能源供电测试，实现了168小时100%依靠太阳能发电、风电和水电供电，树立了我国推进能源清洁低碳转型的良好国际形象。青海省连续7天全清洁能源供电测试期间发电情况18目录一、新能源发展运行总体情况二、国家电网公司开展的工作目录一、新能源发展运行总体情况二、国家电网公司开展的工作三、面临的形势和挑战四、下一步工作及建议19“十三五”期间新能源仍将保持快速增长风电：开发向东中部和南方地区倾斜。2020年，东中部和南方地区新增风电并网装机容量4200万千瓦以上，“三北”地区新增风电并网装机容量3500万千瓦左右。太阳能发电：集中开发与分布式相结合。在“三北”地区有序建设太阳能发电基地；全面推进分布式光伏发电建设，2020年分布式光伏装机容量6000万千瓦以上，重点发展屋顶分布式光伏发电系统。“十三五”期间新能源仍将保持快速增长风电：开发向东中部和南方地区倾斜。2020年，东中部和南方地区新增风电并网装机容量4200万千瓦以上，“三北”地区新增风电并网装机容量3500万千瓦左右。太阳能发电：集中开发与分布式相结合。在“三北”地区有序建设太阳能发电基地；全面推进分布式光伏发电建设，2020年分布式光伏装机容量6000万千瓦以上，重点发展屋顶分布式光伏发电系统。“十三五”累计新增占比2020年累计并网容量占比内蒙古1200河北1200山西宁夏1200山东1000青海1000800陕西700江苏800800安徽60060042020年重点地区光伏发电开发规模201.用电需求增长放缓，消纳市场总量不足甘肃：“十二五”以来电源装机快速增长，电力供需矛盾日益突出。2010-2017年，甘肃电源装机增长122，比同期负荷增长高出94个百分点；截至2017年底，电源装机规模4995万千瓦，最大负荷1959万千瓦，电源装机是最大负荷的2.6倍，新能源装机是最大负荷的1.1倍。最大用电负荷总装机容量火电装机容量新能源装机容量600049954825464350004191400034892916273430002151205920672002196318501601200015511524152514691454138913831862130313391239113310551082193063510005551570201020112012201320142015201620172010-2017年甘肃电力供需形势21万千瓦1.用电需求增长放缓，消纳市场总量不足甘肃：“十二五”以来电源装机快速增长，电力供需矛盾日益突出。2010-2017年，甘肃电源装机增长122，比同期负荷增长高出94个百分点；截至2017年底，电源装机规模4995万千瓦，最大负荷1959万千瓦，电源装机是最大负荷的2.6倍，新能源装机是最大负荷的1.1倍。最大用电负荷总装机容量火电装机容量新能源装机容量600049954825464350004191400034892916273430002151205920672002196318501601200015511524152514691454138913831862130313391239113310551082193063510005551570201020112012201320142015201620172010-2017年甘肃电力供需形势21万千瓦2.电源结构不合理，系统灵活调节能力不足新能源的波动性和间歇性特点要求系统必须匹配一定的灵活性电源，国际上新能源占比较高的国家，如西班牙、葡萄牙，灵活调节电源装机是新能源的1.5～2倍。我国电源结构以火电为主，占比达到67，特别是“三北”地区，占比达到70；全国抽水蓄能、燃气等灵活调节电源比重仅为6，“三北”地区不足4。其中，东北、西北地区抽水蓄能等灵活调节电源比重只有1.4、0.9。“三北”地区及部分发达国家电源结构222.电源结构不合理，系统灵活调节能力不足新能源的波动性和间歇性特点要求系统必须匹配一定的灵活性电源，国际上新能源占比较高的国家，如西班牙、葡萄牙，灵活调节电源装机是新能源的1.5～2倍。我国电源结构以火电为主，占比达到67，特别是“三北”地区，占比达到70；全国抽水蓄能、燃气等灵活调节电源比重仅为6，“三北”地区不足4。其中，东北、西北地区抽水蓄能等灵活调节电源比重只有1.4、0.9。“三北”地区及部分发达国家电源结构222.电源结构不合理，系统灵活调节能力不足影响系统调峰的一个重要因素是供热机组比重大。近年来，“三北”地区供热机组快速，截至2017年，冀北、吉林等11个省区供热机组占比超过50，电网调峰更加困难。特别是部分省区冬季供热机组最小技术出力已经高于最低负荷，低谷2.电源结构不合理，系统灵活调节能力不足影响系统调峰的一个重要因素是供热机组比重大。近年来，“三北”地区供热机组快速，截至2017年，冀北、吉林等11个省区供热机组占比超过50，电网调峰更加困难。特别是部分省区冬季供热机组最小技术出力已经高于最低负荷，低谷时段基本没有接纳新能源的能力。230:0…0:3…1:0…1:3…2:0…2:3…3:0…3:3…4:0…0:0…0:3…1:0…1:3…2:0…2:3…3:0…3:3…4:0…4:3…5:0…5:3…6:0…6:3…7:0…7:3…8:0…8:3…9:0…9:3…10:…10:…11:…11:…12:…12:…13:…13:…14:…14:…15:…15:…16:…16:…17:…17:…18:…18:…19:…19:…20:…20:…21:…21:…22:…22:…23:…23:…3.高渗透率光伏发电增加电网调峰压力联络线(MW)新能源(MW)火电（MW）5500050000450004000035000300002500020000P243.高渗透率光伏发电增加电网调峰压力高渗透率光伏发电给加州带来了“鸭子曲线”的难题。白天发电量超过用电量，但在傍晚太阳能发电停止时，电力需求却急剧上升，这种现象就是“鸭子曲线”。下图的“鸭子曲线”形象的表示出加州一天24小时中的电力净负荷情况，及对不远的将来的预测。2012-2020年CAISO光伏发电“鸭子曲线”3.高渗透率光伏发电增加电网调峰压力高渗透率光伏发电给加州带来了“鸭子曲线”的难题。白天发电量超过用电量，但在傍晚太阳能发电停止时，电力需求却急剧上升，这种现象就是“鸭子曲线”。下图的“鸭子曲线”形象的表示出加州一天24小时中的电力净负荷情况，及对不远的将来的预测。2012-2020年CAISO光伏发电“鸭子曲线”254.电源与电网发展不协调，外送能力不足电网项目核准滞后于新能源项目，新能源富集地区不同程度都存在跨4.电源与电网发展不协调，外送能力不足电网项目核准滞后于新能源项目，新能源富集地区不同程度都存在跨以达到额定送电能力。“十二五”七个风电基地规划265.政策和市场机制不完善，省间壁垒突出新能源跨省跨区消纳机制不完善。我国电力长期以来按省域平衡，若无特殊政策规定，发电量就以本省消纳为主。特别是在当前经济增速放缓、产能过剩的情况下，出于对本日益突显。个别省提出限价限量要求。5.政策和市场机制不完善，省间壁垒突出新能源跨省跨区消纳机制不完善。我国电力长期以来按省域平衡，若无特殊政策规定，发电量就以本省消纳为主。特别是在当前经济增速放缓、产能过剩的情况下，出于对本日益突显。个别省提出限价限量要求。发电侧普遍没有峰谷电价，无法反映发电侧供求关系，不利于发挥新能源低边际成本优势。促进新能源消纳的用电侧灵活价格机制基本空白，不利于提高负荷侧调峰能力。目中断负荷电价。276.电网调节能力不断下降“三北”等送端电网，随着风电、光伏快速发展，风电已成为三北地区第二大电源，新能源大发时（包括储能放点），本地常规火电机组开机大量减小。由于新能源机组基本不具备频率调节能力，也不具备类似常规电源的动态无功支撑能力，随着新能源占比快速提高，系统频率调节能力下降，系统动态无功储备急剧下降。仿真显示：大规模风电接入后频率特性变差28风电常规火电耐压水平(p.u.)1.11.36.电网调节能力不断下降“三北”等送端电网，随着风电、光伏快速发展，风电已成为三北地区第二大电源，新能源大发时（包括储能放点），本地常规火电机组开机大量减小。由于新能源机组基本不具备频率调节能力，也不具备类似常规电源的动态无功支撑能力，随着新能源占比快速提高，系统频率调节能力下降，系统动态无功储备急剧下降。仿真显示：大规模风电接入后频率特性变差28风电常规火电耐压水平(p.u.)1.11.37.电力系统稳定形态更加复杂另一方面，电力电子装置的快速响应特性，在传统同步电网以工频为基础的稳定问题之外，出现了中频带(5～300Hz)的新稳定问题。示例：2015年7月1日，新疆哈密地区风电机组产生次同步谐波，经5级变压，传递到300公里外的火电机群，引发花园电厂3台66万千瓦机组扭振保护动作，机组相继跳闸，电厂全停。29新疆哈密电网次同步振荡示意图4风电扰动源7.电力系统稳定形态更加复杂另一方面，电力电子装置的快速响应特性，在传统同步电网以工频为基础的稳定问题之外，出现了中频带(5～300Hz)的新稳定问题。示例：2015年7月1日，新疆哈密地区风电机组产生次同步谐波，经5级变压，传递到300公里外的火电机群，引发花园电厂3台66万千瓦机组扭振保护动作，机组相继跳闸，电厂全停。29新疆哈密电网次同步振荡示意图4风电扰动源火电厂跳机风电、光伏新能源机组涉网性能较差。频率、电压耐受能力上限分别为50.2Hz和1.1倍额定电压，与常规火电相比有较大差距，事故期间易因电压或频率异常而大规模脱网，引发连锁故障。随着新能源的大规模集中投产，风机过电压脱网问题已成为送端电网制约特高压直流输送功率的主要原因之一。目前新能源、火电机组并网运行标准对比30风电常规火电耐压水平1.1倍额定电压1.3倍额定电压频率上限50.2Hz51.5Hz一次调频能力风电、光伏新能源机组涉网性能较差。频率、电压耐受能力上限分别为50.2Hz和1.1倍额定电压，与常规火电相比有较大差距，事故期间易因电压或频率异常而大规模脱网，引发连锁故障。随着新能源的大规模集中投产，风机过电压脱网问题已成为送端电网制约特高压直流输送功率的主要原因之一。目前新能源、火电机组并网运行标准对比30风电常规火电耐压水平1.1倍额定电压1.3倍额定电压频率上限50.2Hz51.5Hz一次调频能力无6%额定功率调压能力（功率因数）超前0.95~滞后0.95超前0.95~滞后0.858.高比例分布式电源给配电网带来的挑战随着分布式光伏、储能8.高比例分布式电源给配电网带来的挑战随着分布式光伏、储能、微电网的发展，配电网由“无源网”逐步发展为“有源网”，配电网运维管理更加复杂，使得负荷预测精度下降，配电网电压控制难度增加，增加继电保护配置复杂性，降低了配电网电能质量水平。P31目录一、新能源发展运行总体情况目录一、新能源发展运行总体情况三、面临的形势和挑战四、下一步工作及建议321.加快跨区跨省电网建设，扩大新能源配置范围加快跨区跨省通道建设，按照计划，国家电网2018年建成投运准东～皖南、1.加快跨区跨省电网建设，扩大新能源配置范围加快跨区跨省通道建设，按照计划，国家电网2018年建成投运准东～皖南、上海庙～山东特高压工程，并采取有效措施提升天中、祁韶、鲁固等特高压直流输送能力，进一步提高新能源输送能力。332.加强系统灵活性建设，提高新能源消纳比重加快抽水蓄能电站建设，“十三五”期间，规划在东中部建成浙江仙居等3座抽蓄电站，开工建设江苏句容等13座抽蓄电站；在“三北”地区开工建设陕西镇安等16座抽蓄电站。到2020年，国家电网公司经营区抽蓄电站装机达到2411万千瓦，抽蓄装机占比由2015年的1.5提高到2.4。推动火电机组调峰改造，力争“十三五”末完成2.1亿千瓦火电机组深度调峰改造。严控东中部地区煤电建设，为新能源发展腾出市场空间。2.加强系统灵活性建设，提高新能源消纳比重加快抽水蓄能电站建设，“十三五”期间，规划在东中部建成浙江仙居等3座抽蓄电站，开工建设江苏句容等13座抽蓄电站；在“三北”地区开工建设陕西镇安等16座抽蓄电站。到2020年，国家电网公司经营区抽蓄电站装机达到2411万千瓦，抽蓄装机占比由2015年的1.5提高到2.4。推动火电机组调峰改造，力争“十三五”末完成2.1亿千瓦火电机组深度调峰改造。严控东中部地区煤电建设，为新能源发展腾出市场空间。大力推进电能替代，全面实施清洁取暖以电代煤，力争到“十三五”实现电能替代5000亿千瓦时。推进新能源替代燃煤自备电厂电量。343.推动技术创新，提升大电网平衡能力开展跨区、跨流域的风光水火联合运行，大