當前，對于風力發電、太陽能光伏發電，我們并不陌生。但由于風、光資源的隨機性和波動性，通常情況下，它們需要與水電、火電等其他電源一起，并入大電網集中供電。
然而，在有著“鄂北門戶”之稱的湖北省廣水市，一個100%使用風、光新能源供電的新型電力系統已見雛形。
一個月前，這一新型電力系統已啟動送電程序。不久之后，當地供電區域內超過20萬人將可用上100%風、光新能源獨立發電。
像這種縣域規模以100%風、光作為電源的真實電力系統還沒有先例。項目全部建成后，將成為世界上首個可長期獨立運行，能實現100%新能源獨立供電的示范工程。
打造100%新能源新型電力系統，有何重大意義?這一新型電力系統有什么特點，又實現了哪些技術突破?記者近日采訪了項目有關負責同志，帶您一起探訪世界首個縣域100%新能源新型電力系統科技示范工程。
1 既是實用的現實電網，又是具有未來電網特征的試驗平臺
實現風、光資源就地消納與平衡
湖北省廣水市十里街道寶林寺村。十幾個山頭的向陽坡上，分散著占地700多畝的太陽能光伏發電場，一百多萬塊光伏板在陽光下熠熠生輝。
約20公里開外，廣水李店鎮姚店村附近的山頭上，矗立著十余座風力發電機，長達70米的風機葉片“呼呼”地轉著。
這是寶林風光一體化發電站，也是世界首個縣域級100%新能源新型電力系統科技示范工程的重要電源之一。
據介紹，廣水100%新能源新型電力系統科技示范工程，是圍繞新型電力系統構建、服務“雙碳”目標打造的國家電網“十大示范項目”之一，于11月19日啟動送電程序。新能源裝機容量總計244兆瓦，包含英姿寨、牛脊山、蓮花村3座風電場和寶林風光一體化發電站，其中風電裝機194兆瓦、光伏裝機50兆瓦。供電面積418平方公里，覆蓋廣水市主要商業、工業和居民用戶，供區人口超過20萬，最大負荷61兆瓦。
“廣水100%新能源新型電力系統就是以新能源供電為主體、與大電網柔性互聯、源網荷儲協同互動、面向未來的電網新形態。”國網湖北省電力有限公司科技創新部副主任王偉告訴記者。簡單來講，它首先使用的是100%風電、光電新能源作為供電電源;其次，它既可以獨立運行，用廣水本地的風、光資源來為廣水供電，也可以與大電網互聯，當本地發電量富余時把多余的電送向大電網，當本地發電量不夠時從大電網取電;再次，其電源側、電網側、負荷側以及儲能側之間可實現靈活互動，即使新能源發電出現劇烈波動，也能迅速反應，保障電網的安全穩定。
可以說，它既是一個能確保風、光新能源發電發得出、用得上的實用的現實電網，也是一個開放的具有未來電網特征的試驗平臺。而這也正是打造這一新型電力系統的意義所在。
實現碳達峰碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革。據介紹，隨著“雙碳”進程的深入推進，能源供給結構深度調整。業內人士預計，到2030年，我國風電、太陽能發電等新能源發電裝機規模將超過煤電，成為第一大電源。
然而，由于電能無法大量儲存，風、光發電面臨著消納難題。以廣水所在的隨州市為例，得益于地緣優勢，其風、光資源十分豐富，現有新能源裝機是本地最大負荷的2.7倍，但外送卡口問題嚴重，消納問題突出。“通常情況下，風電、光電的消納有兩種途徑，一是就地消納，二是外送。”王偉介紹，未來，隨著各地新能源發展的進一步加速，本地無法消納的新能源外送的空間也將被逐步壓縮，消納問題也會隨之加劇。
與此同時，由于風、光發電具有隨機性和波動性，使得其出力不如火電、水電穩定，現有電網如果高比例使用風光發電，對電網安全穩定運行將帶來前所未有的考驗。
“如果風光新能源發出的電用不上，那發電就沒有意義了。”王偉說，國網湖北省電力有限公司在這一背景下開展廣水100%新能源新型電力系統科技示范工程，致力于解決新能源消納難題、研究新型電力系統關鍵技術，形成“就地平衡為主，與主網互動為輔”的未來電網新形態。中國電建集團湖北工程有限公司負責項目設計。
“2020年初確定研究方向，2020年11月正式立項，成功研發了自同步電壓源、高壓大容量能量路由器等8項核心技術和關鍵裝備。近期投用后，不僅可以實現廣水當地風、光資源的就地消納與平衡，而且也是構建未來電網的一塊‘試驗田’。”國網湖北省電力有限公司科技創新部科技處處長陳孝明說。
2 源、網、荷、儲靈活互動
提升區域電網柔性互聯水平
在采訪時，說起廣水100%新能源新型電力系統，國網湖北省電力有限公司科技創新部科技處專責劉巨說的最多的是“靈活”二字。
據介紹，廣水100%新能源新型電力系統是一個獨立的電網系統，可以完全獨立運行。但它與大電網之間，并非完全“一別兩寬”，而是可以實現靈活的柔性互動。
“傳統電力系統發電出力可控，負荷變化相對有規律，電力電量平衡比較容易。而由于風、光‘看天吃飯’，廣水100%新能源新型電力系統不確定性比較多，一旦發生極端事故，大電網可以兜底保障。”劉巨告訴記者，示范工程區域電網與大電網之間相連，離不開一個關鍵設備——能量路由器。
如同我們家中使用的WiFi網絡路由器，當能量路由器開啟時，示范工程區域電網就與大電網“牽手”;關閉時，則與大電網“分手”。
“能量路由器就像是一個閥門。”劉巨說，值得注意的是，與傳統電力系統從電源側經輸電、變電、配電流入負荷端，電壓等級由高到低、潮流單向不同，借助能量路由器，示范工程區域電網不僅可以從大電網取電，當本地風電、光電有富余時還可以反向向大電網送電，實現與大電網之間的柔性互聯。
國網湖北電科院新型電力系統研究中心專責葉暢介紹，能量路由器的功能不止于此，它有7個端口，每個端口都可獨立控制運行，可以接入大電網，也可以接入當地分布式風、光電源，還可以接入負荷端、儲能端，實現源、網、荷、儲的靈活互動，多電壓等級供區的靈活組網。
據了解，在高比例新能源新型電力系統中，通常在不同電壓等級間會有大量光電、風電接入，而且電動汽車、儲能等廣泛分布，潮流方向和大小復雜多變，對組網方式等提出新的要求。“作為我國首臺多端口高壓大容量能量路由器，它可以用來探索新型電力系統的組網方式和關鍵互聯裝備。”劉巨告訴記者。
最近，湖北電科院系統調試人員完成了廣水100%新能源新型電力系統送電后的儲能充放電功率及時長試驗，驗證了相關功能的可靠性。
儲能是構建新型電力系統必不可少的組成部分。據了解，示范區負荷日最大波動幅值為38MW，波動率為76%;風、光發電出力日最大波動幅值為139MW，波動率為86%。這就需要儲能來平抑新能源出力波動，保障供電的安全穩定。
“示范工程在電網側、電源側、負荷側一共建設了9座儲能電站，從而實現對電網的穩定支撐和源荷動態平衡，能有效提升15%至20%的風、光資源消納能力。”劉巨介紹，其中，有6座是建立在負荷側。
“也就是說，用戶端也可能搖身一變成為供電電源。”葉暢進一步解釋道，那6座儲能電站有1座建于大用戶廠區內，另外5座則位于電動汽車充電站。
廣水市十里工業園內，坐落著三峰透平儲能電站。“這里就相當于是一個微電網，既能進行光伏發電供廠區自用，也可以將富余電能儲存起來，待示范區內用電高峰、新能源出力不足時放電。”劉巨說，如果該儲能電站在夜間電力低谷時段和下午的平段進行充電，在高峰時段和尖峰時段放電，每月預計可節約電費近3萬元。
自發自用，余量儲存、上網。與三峰透平儲能電站一樣，5座分布式光儲充一體化智能電動汽車電站也是一個微電網，由光伏、儲能和充電樁組成。“一輛電動汽車就是一個儲能裝置。”
據介紹，未來電網，將有更多分布式儲能涌現，也會有更多電動汽車車主、更多家庭參與到與電網的互動之中。
3 研發基于云計算和人工智能的協同控制系統
實現電網實時最優運行
點擊鼠標，打開湖北廣水源網荷儲實時協同控制系統，進入電源監控界面……在國網湖北省電力有限公司隨州供電公司地調機房，湖北電科院系統調試負責人柳丹、胡畔，正在對寶林風光一體化發電站、英姿寨風電場等4座新能源電站開展功率靈活調節及一次調頻功能測試。
“源網荷儲實時協同控制系統是廣水100%新能源新型電力系統的調度中心，相當于整個示范工程運行的‘大腦’，在新能源出力出現盈虧時，通過儲能進行能量存儲和釋放、需求側響應進行削峰填谷、能量路由器進行潮流雙向控制，實現電力電量平衡，保障100%新能源穩定供電。”胡畔告訴記者，其控制策略的精準性和有效性直接關系到示范工程的安全穩定，是工程能否順利運行的關鍵。
據介紹，傳統電力系統的運行控制依靠日前負荷預測和離線安全校核制定次日運行方式，以實現系統穩定和電力電量平衡。在高比例新能源新型電力系統中，新能源發電隨機、迅速、大范圍波動，電動汽車、儲能等柔性負荷無法準確預測，多時間尺度電力電量平衡困難，傳統模式難以適應。對此，示范工程團隊專門研發了基于云計算和人工智能技術的源網荷儲實時協同控制系統，具有電壓頻率動態控制、精細化氣象分析、5分鐘超臨近發電預測、源網荷儲調節潛力判斷、控制策略推演和源網荷儲實時協同控制等功能。
該系統可實現對廣水縣域示范區內源、網、荷、儲運行的全景、全過程監控，通過多層次運行全過程監控，根據電網最新運行狀態，調配電網中源、網、荷、儲各側資源，實現電網實時最優運行。依托這一系統，即便新能源發電出現劇烈波動，也能迅速反應，保障電網安全穩定運行。
“舉個例子，一旦該系統監控到新能源發電出力不足等問題，系統最快可在幾毫秒內作出反應，源側實現友好并網、主動支撐，網側開展潮流優化控制，荷側開展需求響應，儲側則進行快速功率穩定控制。”劉巨告訴記者。
不僅如此，示范工程團隊在廣水100%新能源新型電力系統關鍵節點配備了70多套新型繼電保護裝置，保障快速準確切除故障。
……
一個示范工程、一系列關鍵技術、一種全新模式、一個綠能樣本。“示范工程已進入建成投用倒計時，不久之后，廣水418平方公里范圍內將實現全年100%新能源獨立供電時間占比超過70%、全年新能源供電量占比超過80%。”王偉告訴記者。
