新型電力系統下主配網之間應是弱連接關系
——訪華北電力大學經濟與管理學院教授譚忠富

本刊記者 劉光林/ 編輯 余璇

在新能源占主體的新型電力系統中，分布式電源成為裝機主體，“電從身邊取”將會成為電力供應的基本形態，但是我國疆域遼闊，能源資源和負荷呈逆向分布，又讓“電從遠方來”變得不可避免。因此，電力供應將同時存在“集中式”和“分布式”兩種方式。在此情況下，電網規劃建設將作何思考？安全保供方式需要面臨哪些調整？大電網和分布式電網的關系應如何重新認定？……

針對新型電力系統下電網的安全保供和運行等相關問題，本刊記者采訪了華北電力大學經濟與管理學院教授譚忠富。從技術視角進行具體分析，譚忠富認為，亟須為電化學儲能、電動汽車等新型市場主體設計科學的市場參與機制，使之能夠獲得合理回報；需要重新設計省級電網輸配電價結構，使過網費可以在大電網與配電網之間合理分配；在新型電力系統條件下，需要分區分級規劃和建設電網，做強配電網和微網，通過大電網與配電網及微網實現弱連接，以提升電網經濟性且保障電網的余缺互濟功能不受影響。

《中國電業與能源》：與傳統電力系統的單一“集中式”供電方式相比，“分布式”與“集中式”并存的供電方式具有哪些優勢？

譚忠富：分布式發電為“電從身邊取”。分布式發電指用電端由附近散布的一些小型發電設備供電。新型電力系統下的電力既可從“身邊取”也可從“遠方來”。從“身邊取”主要來自分布式新能源發電，如屋頂光伏、微型風電、小型燃氣發電、農村小水電、生物質能發電等；“電從遠方來”主要來自集中式發電，如煤電基地、水電基地、風電基地、光伏基地、核電基地以及多能互補發電基地等，通過特高壓線路以西電東送、北電南供為方向輸送至東部和沿海負荷中心。

分布式電源建設成本和系統成本均比較低。分布式電源相互獨立，不會因一臺發電設備出現故障而影響其他點位供電，因此一般不會發生大面積停電事故；分布式電源接網甚至不需要新建變電站，從而可以節約額外的輸配電成本；分布式電源靠近用戶供電，就地生產就地消納，可以最大限度地減少對電網資源的占用，也相應減小了電網的輸電線損；在分布式供電方式下，主要電源為光伏和風電等清潔電源，可以有效保護環境，降低碳排放；采用分布式小型設備發電，可以節省尖峰時段的備用電源與備用電網投資，提高系統安全性和靈活性。

分布式供電與集中式供電并存具有一定優勢。在高峰時段，分布式供電可以在一定程度上緩解大電網的供應緊張矛盾，相當于大電網的備用；作為集中式供電的補充，分布式供電適合對電網末梢的園區、機場、商業綜合體、農村、牧區、山區等供電。集中式供電系統以大機組、大電網、高電壓為主，實施大容量、遠距離集中供電，在理論上任何一點故障都會產生擾動并對整個電網造成影響，嚴重時會引發大面積停電甚至全網崩潰，尤其是遭遇戰爭、恐襲、自然災害時，會危及整個國家和社會的安全。在集中式供電模式下，即便為了支撐短暫的尖峰負荷都需要新建相應的發電廠，從而產生一定的投資。集中式供電與分布式供電方式相結合，可以在整體上實現資源統一調配、在局部節點上實現靈活控制，兼顧整體性與靈活性，實現揚長避短、優勢互補。

《中國電業與能源》：在新型電力系統中，面對“分布式”與“集中式”供電方式并存局面，如何看待電力安全保供問題？

譚忠富：分布式供電的可靠性存在一定的不足。因太陽能、風能受光照、溫度、風力、氣候等影響較大，導致分布式發電出力存在隨機性與不穩定性，如遇暴雪、颶風等惡劣天氣很容易出現供電故障。而且一旦需要配網停電作業時，還需逐戶排查并斷開分布式電源點的控制開關，等到檢修完畢需要恢復供電時，又需要逐個閉合各電源點的并網開關，這勢必增加操作的復雜性，帶來一定的安全風險。對于數據中心、通信基站、醫院、銀行等重點用戶，還需要考慮特殊場景下的用電安全保障。

因此，需要通過集中式供電彌補分布式供電的不足。因為分布式電源的輸出功率隨環境因素的變化而變化，無法為負荷提供穩定的輸出，一旦大量分布式電源直接接入電網，如果用以提供輔助服務的可調節資源不夠充足，就會導致電能質量下降，如功率因數變小、頻率不穩定、電流諧波畸變、電壓閃降及不穩定等。集中式供電方式相對穩定，方便進行電壓控制，也容易實現電網頻率調節，便于集中管理，且運行成本低。所以說，既要做到“電從身邊取”又要做到“電從遠方來”，充分發揮大電網的資源聚合能力，實現分布式電網與大電網協同供電。

通過電網側配置儲能可以彌補分布式電源出力的不穩定性。電網側配置的儲能設施，在負荷低谷時存儲分布式新能源所發電能，在負荷高峰時釋放電能，以調節系統供需，快速吸收/補充電能實現功率緩沖，平衡電網負荷；在分布式能源出力為零或出力不足時（比如天氣原因或者發電設備處在檢修期），儲能設備可以為負荷最大限度地供電，以減少停電時間；在支撐高峰負荷的同時，可以有效減少電源和電網的容量備用；儲能設備還可以提供有功/無功功率支撐，穩定電壓，平抑波動，解決電壓的驟降/跌落問題，作為電力系統的電壓和頻率調節器，以維持電力系統的穩定運行；儲能設施也可以作為諧波主動濾波器，通過逆變器等電力電子器件對電能進行處理，消除諧波信號?？傊?，在分布式供電與集中式供電并存的情況下，通過與電網側儲能協同運行，就可以抑制功率波動，保證系統的安全穩定運行。

《中國電業與能源》：在構建新型電力系統的過程中，應該如何看待“分布式”供電與“集中式”供電并存的情況？

譚忠富：分布式電源會對電網帶來一定沖擊。分布式發電會產生功率短時劇變，導致系統電壓閃變，出現電壓突然降低或升高問題；大量分布式電源需要通過逆變器連接配電網，而逆變器等電力電子器件屬于諧波源，這些器件的開關會導致頻率波動，大量諧波會被帶入系統之中，導致系統穩定性降低；分布式供電方式還會改變系統負荷分布，出現雙向流動的潮流，從而導致配網損耗升高；另外，分布式電源替代傳統的集中式電源后，無功功率輸出也會相對減少。

分布式供電與集中式供電方式需要并行發展。傳統電網采用同步發電機、調相機、電容器等無功電源，而分布式發電一般不提供無功功率。因此，需要在配電網中布置分布式電源，而在輸電網中布置集中式電源。分布式發電直接給附近用戶供電或并網，建設周期短，安裝成本低，但規模小會導致維護管理成本升高；而集中式開發可再生能源雖然需要遠距離輸送導致電網成本升高，但大規模開發可以有效降低維護成本。因此，分布式供電與集中式供電需要互為補充、并行發展才能實現最佳系統效果，如在2022 年的分省光伏裝機容量數據中，山東4269.9 萬千瓦，其中分布式3020 萬千瓦；河北3855 萬千瓦，其中分布式1861 萬千瓦；浙江2539 萬千瓦，其中分布式1925 萬千瓦；江蘇2511 萬千瓦，其中分布式1555 萬千瓦；河南2333 萬千瓦，其中分布式1704 萬千瓦?？梢?，“分布式”與“集中式”供電方式并存的局面在國內已成常態。

《中國電業與能源》：一般而言，電從“身邊取”比從“遠方來”經濟性要高，“遠方來”主要是作為“身邊取”的替補，該如何調動電從“遠方來”的積極性？

國網安徽池州供電公司員工在東至縣黃泥湖1.8兆瓦“漁光一體”光伏電站檢查計量裝置、設備及線路運行情況。（李倩倩 攝）

譚忠富：“電從身邊取”離不開“電從遠方來”作為補充。兩種供電方式各有優勢也各有缺點，因此，在實踐中需要因地制宜、互為補充，適宜“身邊取”則就地生產就地消納，適宜“遠方來”則提供充足的條件且保持通道暢通，讓遠方的電過得來、落得下。比如，分布式發電具有出力不穩定的缺陷，對于分布式電網來說，有時需要向外購電，有時則需要向外售電，因此還需要大電網提供余缺調劑；另外，分布式電網畢竟勢單力孤，自我調節能力有限，有時單憑內部資源很難維持系統電壓和頻率的穩定，還需要大電網提供輔助服務；尤其是面對應急突發情況，更需要大電網“電從遠方來”作為必要支撐；但是，由于系統造價不同，分布式供電成本遠低于集中式供電成本，所以“電從身邊取”自然成為首選，但當“身邊取”不夠用時，又必須靠“遠方來”作為補充。

對新能源并網帶來電力系統的增量成本給予補償。風電、光伏出力的不穩定性，需要傳統電源、儲能、虛擬電廠等頻繁地爬坡，以實現發電與用電的平衡，這樣必然增加了電力系統的成本。所以，大規模發展新能源給電力系統帶來了巨大的增量成本，分別為：備用成本，為了滿足調峰需要，電力系統必須保留一定容量的發電機組用來啟停備用，以填補季節性、地域性和時段性的電力供應缺口；平衡成本，為解決新能源間歇性、波動性、隨機性問題，電力系統必須保留旋轉備用電源，讓運行正常的發電機維持額定轉速，保證隨時可以并網，或已并網但僅帶一部分負荷，保證隨時可以增加出力至額定容量，承擔調頻、快速爬坡等輔助服務；電網成本，風電、太陽能發電分布在偏遠地區，遠離負荷中心，增加了遠距離輸電網建設成本和電能損耗成本，新能源在向大電網送電時也增加了電網設備成本；接入成本，新能源發電接入電網的成本。上述各類成本需要通過多種電力市場或者機制得到相應補償后，才可以解決“電從遠方來”的問題。

需要強調的是，做好為消納新能源而投入的靈活性資源成本的補償工作，是解決“電從遠方來”問題的關鍵。發電側靈活性資源主要包括煤電靈活性改造、熱電解耦、天然氣發電、常規水電等；電網側靈活性資源主要包括電網互聯互濟、電網彈性、柔性輸電、主動性配電網等；負荷側靈活性資源主要包括用戶需求響應、電動汽車充放電等；儲能側靈活性資源包括抽水蓄能、電化學儲能、儲氫等。在新能源滲透之下，由發電企業、電網企業、用戶和儲能提供的輔助服務主要包括調峰、調頻、發電控制、無功調節、備用、黑啟動服務等。以往，輔助服務主要由煤電、水電和抽水蓄能電站提供，隨著新能源并網規模不斷擴大，新型儲能和需求側資源也開始提供輔助服務。發電企業參與輔助服務市場可以獲得成本回報；電網企業的抽水蓄能電站的容量成本可以通過輸配電價獲得回報，而電量成本可以通過電力現貨市場得到補償。而同樣提供輔助服務的電化學儲能、電動汽車充放電、用戶側需求響應等，也都需要有統一明晰的市場機制來獲得成本補償，這是下一步電力改革需要研究的內容。

《中國電業與能源》：在“分布式”與“集中式”供電方式并存的情況下，如何認識大電網和配電網之間的關系，又怎樣才能充分發揮二者的作用？

譚忠富：要分區分級建設電網，大容量高電壓等級的送出通道服務新能源大基地，配電網用來服務微電網或者分布式能源，而微電網則直接服務分布式電源等，各級電網、各地電網相互聯通又各司其職。

在新型電力系統中，分布著大量的分布式光伏、電動汽車充電樁、儲能等設施，其源荷儲界限模糊，系統內部潮流多向流動，大大增加了供需平衡難度。

同時，直接接入配（微）電網的大量分布式電源一般都配有電力電子裝置，會產生一定的諧波和直流分量；諧波電流注入系統后，會引起電網電壓畸變，造成電力系統繼電保護、自動裝置誤動作，影響系統安全運行；分布式發電并網容量和位置會影響電網的電壓分布，電壓過大會對繼電保護裝置造成破壞；分布式電源大量接入電網，也會對系統產生大量的諧波污染，使線路的繼電保護性能下降；另外，分布式電源還會帶來反向潮流、設備過多、網絡冗余等問題。這一切，都需要通過上一級電網提供消納與供給來進行稀釋和平衡，具體為：需要大電網配置相應的濾波裝置、靜止或動態無功補償裝置等，以抑制新能源的諧波含量；布置合理的充裕性容量、多元的靈活性資源、智慧的互動性調控，保障分布式電網具有可靠供電能力。

微電網也屬于分布式供電方式之一，由分布式電源、儲能裝置、能源轉換裝置、負荷、監控和保護裝置等組成的微電網，可以作為一個單元進行優化，能夠實現自我控制、自我保護和管理智能化。大電網只需調度整個微電網單元，而單元內部調度由微電網自行完成，從而實現大電網為微電網調節余缺、微電網進行內部自我調度。

所以說，一定要分區分級規劃建設電網，補強配（微）電網，促進分布式新能源自消納、自平衡；面對配（微）電網出現臨時性供應不足或過剩時，再通過與大電網建立弱連接，使之作為備用，以提升整個電網的整體安全性。

《中國電業與能源》：一旦配網內交易大行其道，是否應該對現行輸配電價政策進行調整，以協調過網費在大電網和配電網之間的分配？

譚忠富：新能源發電正從多個維度滲透配電網，如企業自建新能源自備電站、新能源發電直供電、新能源電力通過專線供電（不經由電網企業所經營的輸配電設施，不向電網企業交納過網費）、新能源隔墻售電、客戶分散式新能源自發自用自儲、工業園區源網荷儲一體化、新能源為主的微電網、高比例新能源為主體的獨立供電系統等。大量分散式新能源發電設備并入電網，很容易造成電壓和頻率波動，需要配置靈活性調節性資源來穩定電壓和頻率，但這樣又勢必會造成電網成本的升高。

分析新能源并網消納情況下所需的各類靈活性調節性資源，繼而可以計算出不同資源對電網投資及運行成本帶來的增量變化。系統靈活性調節性資源分為：1.具備調節能力的常規發電機組。2.抽水蓄能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能、電化學儲能等多種儲能形式，可參與不同時間尺度的靈活性調節，包括快速調頻、短時平衡與負荷轉移等。3.電網側靈活性資源?；ヂ撾娋W，經輸電網互聯的相鄰系統可在系統靈活性不足時輸入互聯容量，在系統靈活性充裕時輸出互聯容量；提高電力傳輸能力的柔性交流輸電系統設備；改變網絡拓撲結構和系統參數實現快速潮流控制以提供靈活性。4.具有響應能力的電力用戶聚合商，能夠根據系統功率變化具有主動響應能力。

在構建新型電力系統條件下，需要對電網靈活性調節性資源投資運行成本進行有效疏導，按照“誰受益誰承擔”的原則，激勵各環節靈活性資源參與輔助服務市場并獲得補償。通過合理分攤電網增量成本，并基于公平分享輸配電“準許成本加合理收益”原則重新設計輸配電價結構，使過網費可以在大電網與配電網之間合理分配。

《中國電業與能源》：關于“分布式”與“集中式”電力兩種供應方式的安全運行，國外是否有可供借鑒或者吸取的經驗和教訓？

譚忠富：2010—2020年，全球集中式光伏、陸上風電的平準化度電成本分別降低了85%、56%，但新能源發展較快的德國、英國等國家終端電價不降反升，其主要原因是新能源占比的提高大幅增加了系統成本，從而抬高了終端電價水平。

自2007年開始，德國、奧地利、法國、瑞士等歐洲國家相繼引入負電價。以新能源電量滲透率達到25%的德國為例，2020 年全年負電價時長達到298 小時。負電價小時數增多反映出電力系統的靈活性不足。當發電量超過需求量時，價格就會低于零。

歐洲各國電力以自平衡為主，國家間互動基本上屬于余缺調劑，他們發展新能源基本上“以分布式為主，就近開發優先”。以德國為例，該國遍地都是風電機組，新能源80%以上接入配電網。在英國，新能源滲透率的大幅上升，導致燃煤和燃氣機組等傳統電源被大量擠出，致使電力系統轉動慣量下降，并容易出現頻率偏離，需要更多靈活性資源提供輔助服務來維持頻率穩定；同時，大多數新能源機組通過差價合約保價消納，即使在現貨市場電價為負時仍然不減出力，這樣更加大了系統平衡困難，導致輔助服務需求大增，不得不加大力度從小時級、分鐘級向秒級甚至更短時間尺度部署調相機、飛輪儲能、燃氣機摻燒氫氣等調節性資源。