弭 辙，胡健祖，郭珍妮，李少彦，徐 航

（1.水电水利规划设计总院，北京 100120；2.济南大学，山东 济南 250022）

0 引言

近年来，山东省新能源发展迅猛。截至2023年6 月底，山东省风电装机23 670 MW，光伏装机47 950 MW（集中式13 090 MW，分布式34 860 MW）。“十四五”期间，山东省新能源仍将快速发展。结合相关规划来看，预计2023 年新增新能源装机18 000 MW，提前两年达成“十四五”规划目标。从新能源发展来看，“十三五”期间新能源发展采取“规模优先”模式，行业注重跑马圈地，大建快干投资新能源。“十四五”以来，新能源发展呈现规模、管理并重趋势，随着并网运行管理要求的提升和新能源参与市场的推进，新能源行业越来越重视管理效益。“十四五”时期，夯实技术、抓好管理、经营市场对于提升新能源发展水平，促进绿色低碳发展，构建新型电力系统具有重要的意义。

结合新型电力系统技术架构［1］，重点研究新能源主动支撑能力、市场化消纳和并网调度运行关键点及难点，研判“十四五”及未来新能源发展态势，为下一步做好新型电力系统框架下新能源并网调度运行提供参考。

1 新能源并网调度运行技术

1.1 新能源功率预测

新能源功率预测在新型电力系统框架下仍是重中之重。近年来，新能源功率预测技术不断成熟，精度持续提升。整体来看，新能源功率预测水平与数值气象预报水平、资源功率转换模型精度和功率预测管理水平等因素密切相关。气象预报方面，当前10 天数值天气预报产品已经相当成熟［2］，在新能源功率预测中得到了普遍应用［3-4］。其中，以欧洲中期天气预报中心（European centre for medium range weather forecasts，ECMWF）提供的10 天中期数值预报产品独占鳌头［5］。其全球模式数值天气预报是众多新能源功率预测的基础数据。从相关研究来看，气象预报仍然是新能源功率预测误差的主要来源［6］。预测模型方面，神经网络模型及其衍生技术在新能源功率预测中发挥着重要的作用。文献［7-11］重点从统计学方法、神经网络、物理特性及混合模型等方面研究了风电、光伏短期和超短期功率预测。从预测效果来看，不同模型在新能源功率预测精度上适用范围不同。宏观来看，当前新能源功率预测精度已经达到稳定期，现有技术条件下短期内难以获得大的突破。表1 给出了某省不同出力区间新能源功率预测精度情况。从表中可以看出：风电出力较低时，预测偏高偏差较大，概率较高；风电出力在［0，4 000 MW］的概率约为80%。

表1 2022年某省风电预测误差带分析Table 1 Analysis of wind power forecast error band in a province in 2022

表2 给出了某省光伏预测误差分析。从表2 中可见，在出力较低的区间，预测偏高概率较大，预测偏差比例较大；出力较高时，预测偏低偏差较大，在［3 000 MW，5 000 MW］的概率约为60%。可针对性采用人工智能方法提升预测准确度。

表2 2022年某省光伏预测误差带分析Table 2 Analysis of PV forecast error band in a province in 2022

整体来看，风电、光伏短期预测精度已经能够稳定在93%～94%，在电网调度运行中发挥了关键作用。但从绝对误差来看，新能源功率预测最大误差超过600 万kW，可以预见，随着新能源装机的持续增长，绝对误差仍然会进一步放大。结合经验来看，人工修正对于部分特殊天气类型仍然具有较好的效果，如日食天气、沙尘暴天气、雾霾天气等。图1 给出了日全食条件下日前预测数据（2020 年6 月21日，日全食）。可见，在确定性特殊天气条件下的合理修正具有较好的效果。

图1 典型日光伏预测效果分析Fig.1 Analysis of typical daily PV forecast effect

尽管气象预报是影响功率预测的绝对性因素，但新能源精细化功率预测仍有提升空间。一是关注微气象对新能源功率预测的影响。功率预测既受季节、环流等大气候影响，也受雾霾、沙尘暴等局地气候影响。对应的，新能源出力呈现出规律性与随机性交织的局面。为此，做好微气象特征历史数据分析是提升预测精度的重要手段，应开展全过程数据深度研究，解决当前新能源预测工作对于微气象考虑不细造成的模型泛化等问题。二是持续做好场站预测模型升级完善。预测模型是决定预测精度的直接因素，科学合理建模才会保证预测输出结果可靠。结合历史预测情况来看，部分场站预测模型粗糙，甚至经纬度坐标、机组参数等数据也存在一定的错误。开展预测模型校验，研究开发标准预测模型对场站预测系统进行模型校验，必要情况下对厂家提交模型统一参数进行详细校验。三是加强新技术新思路的挖掘应用。借鉴民航领域航空飞行气象监测及预警成果，在并网集中区域试点开展雷达融合模式预测和卫星遥感监测，加强短时强对流技术、大气化学模式气溶胶组分预报和遥感光谱技术在超短期预测中的应用，切实提升超短期预测效果，为调度运行留好提前量，确保超短期预测预警作用可靠、准确。

1.2 高比例新能源优化调度

新能源发电能力的不确定性对电网调度运行产生了深刻影响，主要体现在两个方面：一是须合理确定开机组合，确保电力供应充足；二是要合理纳入平衡，保障新能源消纳最大化。可信容量是描述新能源发电能力的有效指标。文献［12］提出了考虑相关性的风光容量可信度精细化评估方法。文献［13］立足送端高比例新能源电网，提出了基于可信容量的新能源参与平衡方案。文献［14］提出了基于统计学特征的新能源纳入电网备用管理方案，充分兼顾了供电安全和新能源消纳。文献［15］采用大数据方法研究了风光出力的不同时间尺度波动特性，建立了电力系统时序生产模型用于新能源电力系统平衡问题。文献［16］研究了风电等日内爬坡场景下高比例电力系统电网日内平衡策略。就新能源纳入电力系统计划平衡这一问题而言，本质上属于考虑不确定性的充裕性优化问题。考虑到风光资源依赖性及不同天气条件下的预测准确度差异，分天气类型确定纳入平衡更具有实际意义。

图2、图3 分别给出了极端对流天气下和正常天气下的风电短期出力预测情况。可见，不同天气类型下预测精度具有显著差异，按照差异性原则将新能源纳入电网平衡是必要的。

图3 典型日风电预测效果分析（正常天气过程）Fig.3 Analysis of typical daily wind power prediction effect（normal weather process）

2 新能源市场化消纳研究

2.1 新能源参与电力市场运行机制

新能源消纳本质上是一个经济问题。各国普遍采用市场手段实现新能源经济消纳［17］。目前国内各省现货市场建设过程中采用了不同的入市策略。如山西省要求新能源100%进入现货［18］。山东省电力现货市场规则要求集中式可再生能源电站（不含扶贫光伏）可选择两种参与市场模式［19］：按自愿原则参与中长期交易，全电量参与现货市场；根据国家关于现货运行的指导意见，10%的预计当期电量参与现货市场。签订市场交易合同的可再生能源电站在电网调峰困难时段优先消纳。

新能源参与现货市场在国外已经较为成熟［20］，但在国内仍然需要引导行业和社会的理解。2023 年“五一”期间，受用电负荷大幅下降、叠加新能源出力集中等因素影响，山东省现货市场交易价格出现长时间“负电价”，引起了社会各方面的广泛关注。图4给出了2023 年5 月1 日山东省电力现货市场日前和实时小时级价格情况。从图4 中可以看出，现货市场架构下，市场价格受供需情况约束，在午间新能源大发时段，供过于求，市场交易价格低价甚至负价（扣除容量补偿电价）；在晚高峰等供需紧平衡时段，市场交易价格较高。

图4 2023年5月1日日前及实时市场电价Fig.4 Day-ahead and real-time market price in May 1，2023

随着电力体制改革和电力市场建设的推进，预计新能源入市节奏和规模将会不断提升。按照国家发展改革委国家能源局《关于加快建设全国统一电力市场体系的指导意见》（发改体改〔2022〕118 号）等相关政策要求，2030 年新能源全量进入现货市场，这将推动市场规则、报价机制等进一步完善。在市场规则方面，文献［21］针对高比例可再生能源电力系统中电量约束性机组成本特性提出了考虑电量成本的新型电力系统现货市场出清模型。文献［22］提出了基于维克瑞-克拉夫-格罗夫斯（Vickrey-Clarke Groves，VCG）的电力市场价值分配机制。在报价机制方面，文献［23］提出了基于改进二次规划算法的新能源同质报价模型；文献［24］提出了非凸报价理论的新能源参与现货市场机制。需要说明的是，电力市场体系是一个整体，任何一个变动都将会对能源电力供给价格体系产生影响，具有“牵一发动全身”的效果。随着新能源入市比例提升，容量补偿机制、成本报价策略、出清机制等需要联动完善。当前相关研究往往聚焦某一方面，整体效果仍然有待实践检验。

2.2 新能源绿色属性价值机制

新能源区别于其他类型电源的显著特性是绿色低碳环保。随着欧洲碳关税的实施，新能源绿色属性的经济效益将更为显著。绿证绿电是新能源环境价值的体现，建立合适的绿色价值评估体系及市场机制尤为重要。当前，国内新能源绿色属性价值主要通过绿电、绿证在碳市场、绿证市场实现转换。应对绿电、绿证及碳市场、绿证市场科学合理设计，避免市场运行中的风险。文献［25］分析了国外电市场、碳市场的协同运作机制，研究了电力市场、碳市场及绿证市场的交互影响机理，从配额确定、互认联通、核查认证等方面提出了相关建议。文献［26］构建了碳交易和绿证交易制度的电力批发市场能源最优模型，证明了碳排放总量目标条件下最优碳配额和绿证比例的合理解问题。文献［27］建立了一种绿证和碳联合交易市场模式，并构建了可保护隐私的双边联合交易平台。文献［28］分析了电力市场与碳权市场的关系，设计了碳电联合运行流程和模式，开展可量化的碳电市场机制验证。从实践来看，当前绿证市场交易萎缩，与碳市场协同不畅，仍然需要从完善衔接机制、跨省绿电交易、绿证与碳市场耦合、创新商业模式等方面进一步完善市场机制建设及协同运营。

3 新型电力系统新能源主动支撑能力

区别于传统同步发电机，新能源采用大量电力电子装置实现能量变换。新能源的低惯量、弱支撑特性在发展初期对电网的影响较小。随着装机的增加，不得不重视其主动支撑能力建设。当前新能源主动支撑能力研究主要聚焦在一次调频、惯量响应和快速电压支撑三个方面［29］。一次调频方面，国内外学者从新能源一次调频原理、控制策略、参数优化及试点试验等方面开展了若干研究。文献［30］提出了风电辅助一次调频策略并改进了风机分组优化和功率分配策略。文献［31］提出了一种基于分段频率变化率的风电机组一次调频自适应控制方法。文献［32-33］研究了光伏一次调频原理及参数优化策略。文献［34-35］结合东北电网实际开展了新能源高比例对系统频率的影响及新能源一次调频改造原理和仿真分析研究。需要说明的是，送端电网和受端电网新能源一次调频具有显著的区别。对于受端电网须考虑新能源优先消纳条件下的一次调频设置策略。惯量响应方面。电力系统广义惯量定义为对系统状态（频率）改变的抵抗程度。传统发电机转子转动过程中的动能发挥了重要的稳定作用。新能源通过电力电子设备实现并网，其惯量特性与传统旋转发电机具有显著差异。文献［36］分析了近年来因惯量支撑能力不足造成的系统频率失稳停电事故，并从惯量量化评估、惯量支撑能力优化等方面进行探究。文献［37］总结了三类双馈异步风电机组的模拟惯量响应控制策略。高比例新能源电力系统的惯量和一次调频能力均受到冲击。针对当前部分研究对于惯量支撑和一次调频定位不清晰等问题，文献［38-39］分析了永磁同步电机的惯量控制机理和策略。文献［40］分析了惯量支撑的物理意义及惯量支撑功率表达式，仿真分析了电网频率事故中的支撑作用。文献［41］提出了基于风电机组减载控制的惯性与一次调频控制结合问题。快速电压支撑方面，文献［42］分析了高比例新能源电力系统暂态电压问题的机理，分析了适用于光伏/风电场站的暂态电压支撑的聚合建模方法，提出了基于自律分散控制的多无功源协调控制思路；文献［43］提出了基于静止无功发生器与新能源发电单元协同的无功控制策略。在新型电力系统框架下，新能源将承担起更加重要的作用，逐渐成为主力电源之一，其主动支撑能力逐渐成为维护系统安全稳定的义务。开展新能源一次调频、惯量响应和电压支撑方面的研究和实践对于做好新型电力系统建设具有重要的意义，也是实现新能源在电力供应和稳定支撑方面可靠替代的必由之路。

4 新能源高质量发展关键分析

随着新型电力系统建设推进，新能源装机大幅增加，电力电子设备渗透率呈现指数级增长，电力系统生产结构、运行原理、功能形态等呈现出新的变化。新能源与传统电源的装机呈现出此消彼长的态势。新型电力系统的暂态行为更加复杂，传统电源不足以完全应对新型电力系统的不确定性增加，新能源主动支撑能力建设尤为必要和紧迫。

4.1 涉网技术

新能源正加速重塑电力系统，量变到质变过程中新问题、新挑战不断涌现，需要持续加强涉网技术水平建设。一是扎实开展并网工作。并网验收是新场站并网的最后一道关口，应结合并网验收把好场站并网关，确保场站健康并网；随着时间推移部分场站设备逐渐暴露出缺陷，通过认真执行“两个细则”考核，确保新能源涉网技术水平不退档。二是持续做好新能源辅助服务品种建设。按照适度超前的原则，做好新能源转动惯量、快速调压、一次调频辅助服务品种研究和试点，确保其可靠、有效。三是切实做好新能源并网技术监督。整体来看，新能源并网检测发挥了发现问题、促进整改的作用。但并网检测仅能保障新能源并网时涉网基本特性满足要求，新能源场站长期运行涉网性能仍须通过并网技术监督共同保障。下一步，应深入开展并网检测质效提升工作，切实做到并网检测有用好用。

4.2 技术支持系统

当前，依托调控云建设的新能源综合监测与分析平台实现了新能源场站台账数据、运行数据、资源数据的融合展示和省地共享，对于做好新能源调度运行发挥了重要的作用。一是持续加强数据准确性建设。数据准确是基石，部分新能源场站偏、散、弱，测风塔等数据无法保证，大量计量装置缺乏定检，须持续加强数据准确性建设，确保数据准确、完备、可靠。二是加强数据智能化利用，利用好AI 等智能工具开展场站运行特性画像、态势分析、水平标定和异常告警，锻造自动化、智能化运行辅助利器。三是做好数据集合拓展。新能源数据繁多，场站数据、单机数据交织，迫切需要研究数据关联校核、特征提取基础需求，用技术手段补强新能源偏、散、乱的现状。

4.3 支撑技术

新能源高比例参与市场、配建储能协同参与市场等新业态不断扩展，大容量海风机组、新型储能、柔直并网方式等新技术不断涌现，风电宽频振荡等新问题不断出现。在生产中提升专业素养、增强专业储备是保障持续发展的重要手段。一是筑牢技术支撑堤坝。完善新型储能调度运行技术要求，做好新能源主动支撑功能建设。二是扎根专业做好发展态势研究。主动提出、引领山东省新能源研究方向，引导新能源相关课题研究扎根实际，成果应用于实际。三是加强新能源绿证绿电及参与市场等研究。预计2030 年新能源100%参与市场，新能源入市、绿电绿证等将深刻改变新能源行业的运行态势，加强相关政策研究，做好技术引导具有重要的意义。

5 结束语

新型电力系统框架下新能源将逐渐成为主力电量电源。新能源的波动性和间歇性特征将深刻改变电力系统的运行逻辑。从并网调度运行、市场化消纳和新能源主动支撑能力建设三个方面分析了当前研究热点、难点和行业实际情况，并从涉网水平、系统建设、技术储备等三个方面思考新能源高质量发展的路径。明晰新型电力系统体系下新能源发展技术需求，助力能源绿色低碳发展。