隨著風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源電力在電力系統(tǒng)中比重的增加,傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性、運(yùn)行控制方式將產(chǎn)生根本性的變革,從而形成新能源電力系統(tǒng)。

解決人類未來(lái)的能源問(wèn)題將依賴于新能源電力，新能源電力安全、高效的生產(chǎn)與利用將是新能源時(shí)代永恒的主題。

電力是能源利用的基本形式

迄今為止，電力是能源利用的基本形式：

首先，各類一次能源，包括化學(xué)能、熱能、動(dòng)能、核能等能量轉(zhuǎn)化為電能之后才能被方便利用。

其次，電力可以規(guī)模化生產(chǎn)、遠(yuǎn)距離傳輸和大范圍優(yōu)化配置。

第三，電力呈現(xiàn)給受端用戶時(shí)，是一種清潔、便捷、安全的理想能源形式。

第四，人們生產(chǎn)、生活各個(gè)領(lǐng)域所使用的各類設(shè)備和產(chǎn)品需要持續(xù)優(yōu)質(zhì)的電能提供保障。

新能源電力的發(fā)展現(xiàn)狀及前景

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，新能源電力發(fā)展越來(lái)越迅速，目前已初具規(guī)模。據(jù)統(tǒng)計(jì)：2011年，世界可再生能源發(fā)電新增裝機(jī)容量約占所有新增裝機(jī)容量的一半以上。其中，作為新能源典型代表的風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量分別占總裝機(jī)的40%和30%。增幅明顯;截至2011年底，世界新能源(即非水可再生能源)發(fā)電裝機(jī)容量約為390GW，同比增長(zhǎng)24%。在發(fā)電量的統(tǒng)計(jì)中，世界可再生能源發(fā)電增長(zhǎng)也超過(guò)了平均電量增長(zhǎng)水平，達(dá)到17.7%，其中風(fēng)電增長(zhǎng)了25.8%，在可再生能源發(fā)電中所占比例首次過(guò)半。

圖1世界風(fēng)電總裝機(jī)容量及增長(zhǎng)情況

(數(shù)據(jù)來(lái)源：全球風(fēng)能理事會(huì)GWEC)

根據(jù)美國(guó)能源信息署(U.S.EnergyInformationAdministration,EIA)的預(yù)測(cè)，到2035年全球新能源發(fā)電和水力發(fā)電等可再生能源的總發(fā)電量每年將會(huì)有2.7%的增幅，高于煤炭、天然氣和石油等其他能源發(fā)電增長(zhǎng)比例。其中，太陽(yáng)能發(fā)電的裝機(jī)容量增幅最為明顯，平均每年8.3%，風(fēng)電機(jī)組的年增長(zhǎng)率為5.7%，地?zé)崮転?.7%，水電為2.0%，其它可再生能源比如廢木材料、廢氣(沼氣)和農(nóng)業(yè)秸稈等的每年的增幅比例為1.4%。

因此，未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，各類新能源發(fā)電將迎來(lái)大規(guī)模發(fā)展時(shí)期。但從目前各類新能源發(fā)展的技術(shù)成熟度和成本來(lái)看，風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電無(wú)疑最具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖2我國(guó)近十年風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量陡增曲線圖

(數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì),ChineseWindEnergyAssociation,CWEA)

圖3世界太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量及增長(zhǎng)情況

(數(shù)據(jù)來(lái)源：英國(guó)石油公司，BritishPetroleum，BP)

以風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電為代表的新能源發(fā)電將成為人類解決化石能源枯竭以及環(huán)境污染、氣候變化等問(wèn)題的關(guān)鍵，新能源電力的規(guī)模化開(kāi)發(fā)利用將是大勢(shì)所趨。

綜合新能源電力的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來(lái)新能源電力的發(fā)展規(guī)劃來(lái)看，新能源電力在電源結(jié)構(gòu)布局中的比例將逐步增加，以化石能源為一次能源的傳統(tǒng)發(fā)電比例將逐漸降低。盡管如此，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，傳統(tǒng)化石能源在整個(gè)能源結(jié)構(gòu)中的主導(dǎo)地位仍然不會(huì)改變。圖4給出了我國(guó)2015~2050年發(fā)電裝機(jī)構(gòu)成的規(guī)劃及預(yù)測(cè)，由此可見(jiàn)，未來(lái)幾十年我國(guó)仍將處于一種傳統(tǒng)能源與新能源此消彼長(zhǎng)的“混合能源時(shí)期”，新能源將由現(xiàn)在的輔助能源、補(bǔ)充能源逐步過(guò)渡成為主導(dǎo)能源、替代能源。

圖4我國(guó)2015~2050年發(fā)電裝機(jī)容量構(gòu)成規(guī)劃

新能源電力系統(tǒng)及其特征

隨著以風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等新能源電力的開(kāi)發(fā)利用，接入電網(wǎng)的新能源電力比重日益提高。眾所周知，電力的基本特征是難以大規(guī)模儲(chǔ)存，電力的生產(chǎn)與消費(fèi)必須同步進(jìn)行。電力系統(tǒng)通過(guò)統(tǒng)一的調(diào)度指揮，使電力的生產(chǎn)跟隨負(fù)荷需求的變化，保證電能的實(shí)時(shí)供需平衡。對(duì)于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電力調(diào)度中心根據(jù)用戶負(fù)荷需求變化對(duì)發(fā)電單元發(fā)出調(diào)度指令，發(fā)電單元執(zhí)行自動(dòng)發(fā)電控制(AutomaticGenerationControl，AGC)調(diào)度指令改變發(fā)電負(fù)荷，滿足用戶負(fù)荷需求，維持電網(wǎng)安全穩(wěn)定，保證電能質(zhì)量。當(dāng)發(fā)電側(cè)的可調(diào)度容量難以達(dá)到負(fù)荷側(cè)需求以及發(fā)生可能影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定的情況時(shí)，電力調(diào)度中心將采取切除用戶負(fù)荷等措施，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

對(duì)于傳統(tǒng)的火電、水電、核電、油/氣發(fā)電而言，發(fā)電單元一般具有良好的可調(diào)度性能。發(fā)電機(jī)組在一定的容量范圍內(nèi)可以按照電網(wǎng)調(diào)度AGC指令變更發(fā)電功率。因此，在發(fā)電裝機(jī)容量可滿足用戶最大負(fù)荷的前提下，整個(gè)電力系統(tǒng)是可調(diào)可控的。

風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電區(qū)別于傳統(tǒng)發(fā)電的一個(gè)重要特征在于它的隨機(jī)波動(dòng)性。由于產(chǎn)生電力的一次能源來(lái)自于自然界空氣的流動(dòng)與太陽(yáng)光的輻射，不僅不可儲(chǔ)存，而且受到季節(jié)、氣候和時(shí)空等的影響，具有很強(qiáng)的隨機(jī)波動(dòng)性和間歇性，因此，對(duì)于具有一定裝機(jī)容量的新能源發(fā)電單元來(lái)說(shuō)，其實(shí)際出力首先取決于現(xiàn)時(shí)刻的風(fēng)力、太陽(yáng)光強(qiáng)度的約束。當(dāng)風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電規(guī)模化接入電網(wǎng)后，電力系統(tǒng)就必須在隨機(jī)波動(dòng)的發(fā)電側(cè)與隨機(jī)波動(dòng)的負(fù)荷側(cè)之間實(shí)現(xiàn)電力的供需平衡，保持電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。如圖5所示。

圖5電力系統(tǒng)電能實(shí)時(shí)供需平衡示意圖

新能源電力的另外一個(gè)重要特征在于它的能量密度低。例如：當(dāng)風(fēng)速為3m/s時(shí)，其能量密度為20W/m2左右，而太陽(yáng)能即使是在天氣晴朗的正午，太陽(yáng)垂直投射到地球表面的能量密度僅為1000W/m2左右，這樣使得新能源發(fā)電設(shè)備的單機(jī)容量不可能過(guò)大。大量的小容量發(fā)電機(jī)組接入電網(wǎng)，使電力系統(tǒng)受控發(fā)電單元呈爆炸性增長(zhǎng)趨勢(shì)。截至2012年底，我國(guó)火電機(jī)組累計(jì)裝機(jī)819.17GW，單機(jī)6MW及以上的火電機(jī)組總數(shù)約為6600臺(tái);同期，風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)總量?jī)H為75.324GW，裝機(jī)數(shù)量卻達(dá)到了53764臺(tái)，超過(guò)了火電機(jī)組數(shù)量的8倍。按照我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)2020年將達(dá)到200~300GW的預(yù)期，以目前風(fēng)電的平均單機(jī)裝機(jī)容量來(lái)計(jì)算，到時(shí)需要并入電網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組數(shù)量將達(dá)到14萬(wàn)至21萬(wàn)臺(tái)!

隨著新能源電力的規(guī)模化開(kāi)發(fā)和電網(wǎng)中新能源電力比重的增加，使傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的基本特征發(fā)生了顯著的變化，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：隨機(jī)性、可控性、安全性、整體性、智能化。進(jìn)而將推動(dòng)電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)、運(yùn)行控制方式以及規(guī)劃建設(shè)與管理發(fā)生根本性變革，從而將逐步形成新一代電力系統(tǒng)，即新能源電力系統(tǒng)。

新能源電力系統(tǒng)發(fā)展模式

電力及電力系統(tǒng)已經(jīng)過(guò)了100多年發(fā)展的歷史，成為當(dāng)今以化石能源為主體、以大容量發(fā)電、遠(yuǎn)距離輸送、集中統(tǒng)一管理的現(xiàn)代電力系統(tǒng)。隨著新能源電力的規(guī)模化開(kāi)發(fā)以及電網(wǎng)中新能源電力比重的增加，新能源電力系統(tǒng)的特征將日益凸顯。實(shí)際表明，傳統(tǒng)的理論方法與技術(shù)不能解決新能源電力系統(tǒng)所面臨的問(wèn)題，需要深入認(rèn)知新能源電力系統(tǒng)的特性，創(chuàng)新理論方法與技術(shù)，在發(fā)展智能電網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)的整體性特征出發(fā)，構(gòu)成基于電源響應(yīng)、電網(wǎng)響應(yīng)和需求側(cè)響應(yīng)為一體的新能源電力系統(tǒng)發(fā)展模式，如圖6所示。

圖6新能源電力系統(tǒng)發(fā)展模式

新能源電力系統(tǒng)建模與控制

2011年以來(lái)，依托華北電力大學(xué)“新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”建設(shè)，圍繞本領(lǐng)域共性基礎(chǔ)問(wèn)題及關(guān)鍵技術(shù)研究以及公共平臺(tái)建設(shè)，作者團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了系統(tǒng)的研究工作。主要研究?jī)?nèi)容包括新能源電力系統(tǒng)特性及多尺度模擬;規(guī)模化新能源電力變換與傳輸;新能源電力系統(tǒng)控制與優(yōu)化。2012年，承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目“智能電網(wǎng)中大規(guī)模新能源電力安全高效利用基礎(chǔ)研究”(編號(hào)：2012CB215200)，主要研究?jī)?nèi)容有新能源電力系統(tǒng)多元互補(bǔ)機(jī)制及協(xié)同調(diào)控理論方法;新能源電力設(shè)備及系統(tǒng)故障演化機(jī)制與防御策略。2013年，承擔(dān)了國(guó)家自然科學(xué)基金委與英國(guó)工程與自然研究理事會(huì)合作項(xiàng)目“含大規(guī)模分布式儲(chǔ)能的新能源電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制”(編號(hào)：513111122)，推進(jìn)本領(lǐng)域的國(guó)際合作研究。研究團(tuán)隊(duì)還主持或參與完成了多項(xiàng)電力企業(yè)的研究課題，部分研究成果得到了實(shí)際應(yīng)用，解決了相關(guān)