新能源电力系统是什么样？

随着风能、太阳能等新能源电力在电力系统中比重的增加,传统电力系统的结构特性、运行控制方式将产生根本性的变革,从而形成新能源电力系统。

解决人类未来的能源问题将依赖于新能源电力，新能源电力安全、高效的生产与利用将是新能源时代永恒的主题。

电力已成为能源发展的中心、国民经济的“先行官”、人民正常生活的必需品。无论传统化石能源还是新能源的开发利用，最基本的途径就是转化为电能，坚持以电力为中心是新能源发展的重要方向，也是推进能源生产和消费方式转变的必由之路。

电力是能源利用的基本形式

迄今为止，电力是能源利用的基本形式：

首先，各类一次能源，包括化学能、热能、动能、核能等能量转化为电能之后才能被方便利用。

其次，电力可以规模化生产、远距离传输和大范围优化配置。

第三，电力呈现给受端用户时，是一种清洁、便捷、安全的理想能源形式。

第四，人们生产、生活各个领域所使用的各类设备和产品需要持续优质的电能提供保障。

新能源电力的发展现状及前景

近年来，随着科学技术的日新月异，新能源电力发展越来越迅速，目前已初具规模。据统计：2011年，世界可再生能源发电新增装机容量约占所有新增装机容量的一半以上。其中，作为新能源典型代表的风力发电和光伏发电新增装机容量分别占总装机的40%和30%。增幅明显；截至2011年底，世界新能源(即非水可再生能源)发电装机容量约为390GW，同比增长24%。在发电量的统计中，世界可再生能源发电增长也超过了平均电量增长水平，达到17.7%，其中风电增长了25.8%，在可再生能源发电中所占比例首次过半。

图1 世界风电总装机容量及增长情况

(数据来源：全球风能理事会GWEC)

根据美国能源信息署(U.S. Energy Information Administration, EIA)的预测，到2035年全球新能源发电和水力发电等可再生能源的总发电量每年将会有2.7%的增幅，高于煤炭、天然气和石油等其他能源发电增长比例。其中，太阳能发电的装机容量增幅最为明显，平均每年8.3%，风电机组的年增长率为5.7%，地热能为3.7%，水电为2.0%，其它可再生能源比如废木材料、废气(沼气)和农业秸秆等的每年的增幅比例为1.4%。

因此，未来很长一段时期内，各类新能源发电将迎来大规模发展时期。但从目前各类新能源发展的技术成熟度和成本来看，风力发电和太阳能发电无疑最具发展潜力。

图2 我国近十年风力发电装机容量陡增曲线图

(数据来源：中国风能协会, Chinese Wind Energy Association, CWEA)

图3 世界太阳能发电总装机容量及增长情况

(数据来源：英国石油公司，British Petroleum，BP)

以风力发电、太阳能发电为代表的新能源发电将成为人类解决化石能源枯竭以及环境污染、气候变化等问题的关键，新能源电力的规模化开发利用将是大势所趋。

综合新能源电力的发展现状以及未来新能源电力的发展规划来看，新能源电力在电源结构布局中的比例将逐步增加，以化石能源为一次能源的传统发电比例将逐渐降低。尽管如此，在未来相当长的时间内，传统化石能源在整个能源结构中的主导地位仍然不会改变。图4给出了我国2015-2050年发电装机构成的规划及预测，由此可见，未来几十年我国仍将处于一种传统能源与新能源此消彼长的“混合能源时期”，新能源将由现在的辅助能源、补充能源逐步过渡成为主导能源、替代能源。

图4 我国2015-2050年发电装机容量构成规划

新能源电力系统及其特征

随着以风电、太阳能发电等新能源电力的开发利用，接入电网的新能源电力比重日益提高。众所周知，电力的基本特征是难以大规模储存，电力的生产与消费必须同步进行。电力系统通过统一的调度指挥，使电力的生产跟随负荷需求的变化，保证电能的实时供需平衡。对于传统的电力系统来说，电力调度中心根据用户负荷需求变化对发电单元发出调度指令，发电单元执行自动发电控制(Automatic Generation Control，AGC)调度指令改变发电负荷，满足用户负荷需求，维持电网安全稳定，保证电能质量。当发电侧的可调度容量难以达到负荷侧需求以及发生可能影响电网安全稳定的情况时，电力调度中心将采取切除用户负荷等措施，保证电网安全稳定运行。

对于传统的火电、水电、核电、油/气发电而言，发电单元一般具有良好的可调度性能。发电机组在一定的容量范围内可以按照电网调度AGC指令变更发电功率。因此，在发电装机容量可满足用户最大负荷的前提下，整个电力系统是可调可控的。

风电、太阳能发电区别于传统发电的一个重要特征在于它的随机波动性。由于产生电力的一次能源来自于自然界空气的流动与太阳光的辐射，不仅不可储存，而且受到季节、气候和时空等的影响，具有很强的随机波动性和间歇性，因此，对于具有一定装机容量的新能源发电单元来说，其实际出力首先取决于现时刻的风力、太阳光强度的约束。当风电、太阳能发电规模化接入电网后，电力系统就必须在随机波动的发电侧与随机波动的负荷侧之间实现电力的供需平衡，保持电网的安全稳定。如图5所示。

图5 电力系统电能实时供需平衡示意图

新能源电力的另外一个重要特征在于它的能量密度低。例如：当风速为3m/s时，其能量密度为20W/m²左右，而太阳能即使是在天气晴朗的正午，太阳垂直投射到地球表面的能量密度仅为1000W/m²左右，这样使得新能源发电设备的单机容量不可能过大。大量的小容量发电机组接入电网，使电力系统受控发电单元呈爆炸性增长趋势。截至2012年底，我国火电机组累计装机819.17GW，单机6MW及以上的火电机组总数约为6600台；同期，风电机组的装机总量仅为75.324GW，装机数量却达到了53764台，超过了火电机组数量的8倍。 按照我国风电装机2020年将达到200-300GW的预期，以目前风电的平均单机装机容量来计算，到时需要并入电网的风电机组数量将达到14万至21万台！

随着新能源电力的规模化开发和电网中新能源电力比重的增加，使传统电力系统的基本特征发生了显著的变化，主要体现在以下几个方面：随机性、可控性、安全性、整体性、智能化。进而将推动电力系统的结构形态、运行控制方式以及规划建设与管理发生根本性变革，从而将逐步形成新一代电力系统，即新能源电力系统。

新能源电力系统发展模式

电力及电力系统已经过了100多年发展的历史，成为当今以化石能源为主体、以大容量发电、远距离输送、集中统一管理的现代电力系统。随着新能源电力的规模化开发以及电网中新能源电力比重的增加，新能源电力系统的特征将日益凸显。实际表明，传统的理论方法与技术不能解决新能源电力系统所面临的问题，需要深入认知新能源电力系统的特性，创新理论方法与技术，在发展智能电网技术的基础上，从系统的整体性特征出发，构成基于电源响应、电网响应和需求侧响应为一体的新能源电力系统发展模式，如图6所示。

图6 新能源电力系统发展模式

新能源电力系统建模与控制

2011年以来，依托华北电力大学“新能源电力系统国家重点实验室”建设，围绕本领域共性基础问题及关键技术研究以及公共平台建设，作者团队开展了系统的研究工作。主要研究内容包括新能源电力系统特性及多尺度模拟；规模化新能源电力变换与传输；新能源电力系统控制与优化。2012年，承担了国家重点基础研究发展计划（973）项目“智能电网中大规模新能源电力安全高效利用基础研究”（编号：2012CB215200），主要研究内容有新能源电力系统多元互补机制及协同调控理论方法；新能源电力设备及系统故障演化机制与防御策略。2013年，承担了国家自然科学基金委与英国工程与自然研究理事会合作项目“含大规模分布式储能的新能源电力系统稳定分析与控制”(编号：513111122)，推进本领域的国际合作研究。研究团队还主持或参与完成了多项电力企业的研究课题，部分研究成果得到了实际应用，解决了相关理论与技术问题。

《新能源电力系统建模与控制》就是作者及团队在新能源电力系统领域多年来研究成果的总结。在提出新能源电力系统概念的基础上，分析了新能源电力系统的基本特征，提出了基于电源响应、电网响应与负荷响应的新能源电力系统发展模式。围绕新能源电力系统建模与控制问题，在分别讨论电源、电网与负荷三个环节建模与控制问题的基础上，重点讨论整个系统的关联性与整体性，试图打破把电源、电网、负荷相割裂的传统模式，构建针对整个新能源电力系统建模与控制的理论框架与体系。

本文摘编自刘吉臻等著《新能源电力系统建模与控制》一书。随着风能、太阳能等新能源电力在电力系统中比重的增加,传统电力系统的结构特性、运行控制方式将产生根本性的变革,从而形成新能源电力系统。本书旨在总结新能源电力系统国家重点实验室在系统建模与控制方面取得的研究成果,为推进新能源电力系统相关理论与技术研究提供一定的基础与思路。

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