未来电网 绿能样本
探访世界首个县域100%新能源新型电力系统科技示范工程
本报记者 王珍
当前，对于风力发电、太阳能光伏发电，我们并不陌生。但由于风、光资源的随机性和波动性，通常情况下，它们需要与水电、火电等其他电源一起，并入大电网集中供电。
然而，在有着“鄂北门户”之称的湖北省广水市，一个100%使用风、光新能源供电的新型电力系统已见雏形。
一个月前，这一新型电力系统已启动送电程序。不久之后，当地供电区域内超过20万人将可用上100%风、光新能源独立发电。
像这种县域规模以100%风、光作为电源的真实电力系统还没有先例。项目全部建成后，将成为世界上首个可长期独立运行，能实现100%新能源独立供电的示范工程。
打造100%新能源新型电力系统，有何重大意义？这一新型电力系统有什么特点，又实现了哪些技术突破？记者近日采访了项目有关负责同志，带您一起探访世界首个县域100%新能源新型电力系统科技示范工程。
1 既是实用的现实电网，又是具有未来电网特征的试验平台
实现风、光资源就地消纳与平衡
湖北省广水市十里街道宝林寺村。十几个山头的向阳坡上，分散着占地700多亩的太阳能光伏发电场，一百多万块光伏板在阳光下熠熠生辉。
约20公里开外，广水李店镇姚店村附近的山头上，矗立着十余座风力发电机，长达70米的风机叶片“呼呼”地转着。
这是宝林风光一体化发电站，也是世界首个县域级100%新能源新型电力系统科技示范工程的重要电源之一。
据介绍，广水100%新能源新型电力系统科技示范工程，是围绕新型电力系统构建、服务“双碳”目标打造的国家电网“十大示范项目”之一，于11月19日启动送电程序。新能源装机容量总计244兆瓦，包含英姿寨、牛脊山、莲花村3座风电场和宝林风光一体化发电站，其中风电装机194兆瓦、光伏装机50兆瓦。供电面积418平方公里，覆盖广水市主要商业、工业和居民用户，供区人口超过20万，最大负荷61兆瓦。
“广水100%新能源新型电力系统就是以新能源供电为主体、与大电网柔性互联、源网荷储协同互动、面向未来的电网新形态。”国网湖北省电力有限公司科技创新部副主任王伟告诉记者。简单来讲，它首先使用的是100%风电、光电新能源作为供电电源；其次，它既可以独立运行，用广水本地的风、光资源来为广水供电，也可以与大电网互联，当本地发电量富余时把多余的电送向大电网，当本地发电量不够时从大电网取电；再次，其电源侧、电网侧、负荷侧以及储能侧之间可实现灵活互动，即使新能源发电出现剧烈波动，也能迅速反应，保障电网的安全稳定。
可以说，它既是一个能确保风、光新能源发电发得出、用得上的实用的现实电网，也是一个开放的具有未来电网特征的试验平台。而这也正是打造这一新型电力系统的意义所在。
实现碳达峰碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。据介绍，随着“双碳”进程的深入推进，能源供给结构深度调整。业内人士预计，到2030年，我国风电、太阳能发电等新能源发电装机规模将超过煤电，成为第一大电源。
然而，由于电能无法大量储存，风、光发电面临着消纳难题。以广水所在的随州市为例，得益于地缘优势，其风、光资源十分丰富，现有新能源装机是本地最大负荷的2.7倍，但外送卡口问题严重，消纳问题突出。“通常情况下，风电、光电的消纳有两种途径，一是就地消纳，二是外送。”王伟介绍，未来，随着各地新能源发展的进一步加速，本地无法消纳的新能源外送的空间也将被逐步压缩，消纳问题也会随之加剧。
与此同时，由于风、光发电具有随机性和波动性，使得其出力不如火电、水电稳定，现有电网如果高比例使用风光发电，对电网安全稳定运行将带来前所未有的考验。
“如果风光新能源发出的电用不上，那发电就没有意义了。”王伟说，国网湖北省电力有限公司在这一背景下开展广水100%新能源新型电力系统科技示范工程，致力于解决新能源消纳难题、研究新型电力系统关键技术，形成“就地平衡为主，与主网互动为辅”的未来电网新形态。中国电建集团湖北工程有限公司负责项目设计。
“2020年初确定研究方向，2020年11月正式立项，成功研发了自同步电压源、高压大容量能量路由器等8项核心技术和关键装备。近期投用后，不仅可以实现广水当地风、光资源的就地消纳与平衡，而且也是构建未来电网的一块‘试验田’。”国网湖北省电力有限公司科技创新部科技处处长陈孝明说。
2 源、网、荷、储灵活互动
提升区域电网柔性互联水平
在采访时，说起广水100%新能源新型电力系统，国网湖北省电力有限公司科技创新部科技处专责刘巨说的最多的是“灵活”二字。
据介绍，广水100%新能源新型电力系统是一个独立的电网系统，可以完全独立运行。但它与大电网之间，并非完全“一别两宽”，而是可以实现灵活的柔性互动。
“传统电力系统发电出力可控，负荷变化相对有规律，电力电量平衡比较容易。而由于风、光‘看天吃饭’，广水100%新能源新型电力系统不确定性比较多，一旦发生极端事故，大电网可以兜底保障。”刘巨告诉记者，示范工程区域电网与大电网之间相连，离不开一个关键设备——能量路由器。
如同我们家中使用的WiFi网络路由器，当能量路由器开启时，示范工程区域电网就与大电网“牵手”；关闭时，则与大电网“分手”。
“能量路由器就像是一个阀门。”刘巨说，值得注意的是，与传统电力系统从电源侧经输电、变电、配电流入负荷端，电压等级由高到低、潮流单向不同，借助能量路由器，示范工程区域电网不仅可以从大电网取电，当本地风电、光电有富余时还可以反向向大电网送电，实现与大电网之间的柔性互联。
国网湖北电科院新型电力系统研究中心专责叶畅介绍，能量路由器的功能不止于此，它有7个端口，每个端口都可独立控制运行，可以接入大电网，也可以接入当地分布式风、光电源，还可以接入负荷端、储能端，实现源、网、荷、储的灵活互动，多电压等级供区的灵活组网。
据了解，在高比例新能源新型电力系统中，通常在不同电压等级间会有大量光电、风电接入，而且电动汽车、储能等广泛分布，潮流方向和大小复杂多变，对组网方式等提出新的要求。“作为我国首台多端口高压大容量能量路由器，它可以用来探索新型电力系统的组网方式和关键互联装备。”刘巨告诉记者。
最近，湖北电科院系统调试人员完成了广水100%新能源新型电力系统送电后的储能充放电功率及时长试验，验证了相关功能的可靠性。
储能是构建新型电力系统必不可少的组成部分。据了解，示范区负荷日最大波动幅值为38MW，波动率为76%；风、光发电出力日最大波动幅值为139MW，波动率为86%。这就需要储能来平抑新能源出力波动，保障供电的安全稳定。
“示范工程在电网侧、电源侧、负荷侧一共建设了9座储能电站，从而实现对电网的稳定支撑和源荷动态平衡，能有效提升15%至20%的风、光资源消纳能力。”刘巨介绍，其中，有6座是建立在负荷侧。
“也就是说，用户端也可能摇身一变成为供电电源。”叶畅进一步解释道，那6座储能电站有1座建于大用户厂区内，另外5座则位于电动汽车充电站。
广水市十里工业园内，坐落着三峰透平储能电站。“这里就相当于是一个微电网，既能进行光伏发电供厂区自用，也可以将富余电能储存起来，待示范区内用电高峰、新能源出力不足时放电。”刘巨说，如果该储能电站在夜间电力低谷时段和下午的平段进行充电，在高峰时段和尖峰时段放电，每月预计可节约电费近3万元。
自发自用，余量储存、上网。与三峰透平储能电站一样，5座分布式光储充一体化智能电动汽车电站也是一个微电网，由光伏、储能和充电桩组成。“一辆电动汽车就是一个储能装置。”
据介绍，未来电网，将有更多分布式储能涌现，也会有更多电动汽车车主、更多家庭参与到与电网的互动之中。
3 研发基于云计算和人工智能的协同控制系统
实现电网实时最优运行
点击鼠标，打开湖北广水源网荷储实时协同控制系统，进入电源监控界面……在国网湖北省电力有限公司随州供电公司地调机房，湖北电科院系统调试负责人柳丹、胡畔，正在对宝林风光一体化发电站、英姿寨风电场等4座新能源电站开展功率灵活调节及一次调频功能测试。
“源网荷储实时协同控制系统是广水100%新能源新型电力系统的调度中心，相当于整个示范工程运行的‘大脑’，在新能源出力出现盈亏时，通过储能进行能量存储和释放、需求侧响应进行削峰填谷、能量路由器进行潮流双向控制，实现电力电量平衡，保障100%新能源稳定供电。”胡畔告诉记者，其控制策略的精准性和有效性直接关系到示范工程的安全稳定，是工程能否顺利运行的关键。
据介绍，传统电力系统的运行控制依靠日前负荷预测和离线安全校核制定次日运行方式，以实现系统稳定和电力电量平衡。在高比例新能源新型电力系统中，新能源发电随机、迅速、大范围波动，电动汽车、储能等柔性负荷无法准确预测，多时间尺度电力电量平衡困难，传统模式难以适应。对此，示范工程团队专门研发了基于云计算和人工智能技术的源网荷储实时协同控制系统，具有电压频率动态控制、精细化气象分析、5分钟超临近发电预测、源网荷储调节潜力判断、控制策略推演和源网荷储实时协同控制等功能。
该系统可实现对广水县域示范区内源、网、荷、储运行的全景、全过程监控，通过多层次运行全过程监控，根据电网最新运行状态，调配电网中源、网、荷、储各侧资源，实现电网实时最优运行。依托这一系统，即便新能源发电出现剧烈波动，也能迅速反应，保障电网安全稳定运行。
“举个例子，一旦该系统监控到新能源发电出力不足等问题，系统最快可在几毫秒内作出反应，源侧实现友好并网、主动支撑，网侧开展潮流优化控制，荷侧开展需求响应，储侧则进行快速功率稳定控制。”刘巨告诉记者。
不仅如此，示范工程团队在广水100%新能源新型电力系统关键节点配备了70多套新型继电保护装置，保障快速准确切除故障。
……
一个示范工程、一系列关键技术、一种全新模式、一个绿能样本。“示范工程已进入建成投用倒计时，不久之后，广水418平方公里范围内将实现全年100%新能源独立供电时间占比超过70%、全年新能源供电量占比超过80%。”王伟告诉记者。(中国纪检监察报)