一场暴雨中的大停电
2019年8月9日16时52分33秒，英国。在一场突如其来的暴风雨中，一道闪电击中了伦敦南部剑桥郡小巴福德电站内430kV的高压输电线。
在线路发生接地短路故障的同时，距离当地海岸线120km的霍恩海上风电厂在暴风雨中出力意外下降，在0.1秒内，风电出力从799MW大幅降低至62MW，系统累计损失有功功率887MW。电网中电压、无功功率持续大幅震荡，波动瞬间超出警戒值，导致霍恩1B、1C风场机组全部脱网。
本次电力事故主要涉及电站
资料来源：《英国“ 8·9”大停电事故分析及对中国电网的启示》
在1秒钟后，小巴福德电站蒸汽机在雷暴中再次意外停机，伦敦南部分布式电源脱网规模再次扩大。
此时，系统整体损失功率1131MW，系统频率降低到48.4Hz，距正常运行频率50Hz差1.6Hz，远高于合理波动阈值的16倍，局部电网随时有崩溃脱网的风险，后果不堪设想。又过了短短的57秒，小巴福德电站又有一台燃气机因为紧急情况下蒸汽压力过大而停止工作，系统频率再次下跌。
室外的雷暴和狂风又阻碍了蒸汽电站的检修和风电场重启并网。英格兰-威尔士电网系统的工作室内红色警铃大作，调度室内的气氛更是凝重到了极点。最后一台燃气机在17秒后也由于自我保护装置启动而停止工作，电网系统频率跌至低谷。
最危险的时刻到来了。
就在所有人一筹莫展之际，应急措施中的频率响应装置起到了最终保护作用，但代价是伦敦南部和威尔士地区大范围拉闸停电。
至16时57分15秒，在电网甩负荷和投入备用功率的紧急应对措施下，系统频率逐步恢复到50Hz。5分钟后，电网频率初步恢复。1小时后，停电逐步恢复。
此次英国8·9伦敦大停电是自2003年后英国发生的规模最大、影响人口最多的停电事故。
因为停电，整个主城区电力系统瘫痪，地铁在隧道中间停运，道路交通信号中断，部分医院因为备用电源缺失甚至无法为急诊患者提供医疗服务。
据事后统计，约有110万人受此次停电事件影响，造成的直接或间接经济损失更是难以估计。
英国8·9停电事件的直接导火索是恶劣天气。气象局观测数据表明，当日南部地区大约发生了68000次雷击，直接击垮了脆弱的电网系统。
极端天气不仅给英国电网造成了极大负面冲击。在美国德州，2020年寒潮中一半的风力涡轮机冻结，直接导致风电场发电量大幅下降，出现大范围停电事故，居民电价从每度5美分最高涨到9000美元，当地用户面临要么“捱冻”，要么“破产”的窘境。
我国，本次东北拉闸限电的背后也有冷高压下风电出力严重不及预期的原因。传统电网面对高比例可再生能源、高比例电力电子设备、低系统转动惯量（“两高一低”）的挑战，亟需一场革命性的升级换代。
高比例的可再生能源
是新型电力系统的典型特征
电力系统是由发、输、变、配、用等多个环节组成的实时电能生产与消费系统，也是人类到目前为止构建的最庞大、最复杂的系统。随着“碳达峰、碳中和”成为全球共识，高比例的可再生能源替代传统一次能源将成为未来电力系统的典型特征。
作为全球最大的能源消费国和生产国，我国绿色能源进入全面发展新阶段。随着全球双碳目标的大推进，以风电和光伏为主的清洁能源装机量大幅提升。十三五期间，风、光装机量大幅上升，清洁电力在我国发电结构中占比也迅速提升。
预计到2030年，非化石能源装机将达到23亿千瓦，占比超过60%；到2060年，非化石能源装机将达到65亿千瓦，占比将超过95%。到2050年，新能源年发电量将达到15万亿千瓦时，电能占终端能源的消费比重将提高至50%左右。
与传统发电方式相比，绿电一方面将持续受益于风、光产业链持续提效降本，另一方面央行碳减排支持工具进一步降低终端的运营成本。以光伏、风电等为代表的可再生能源将成为我国的主体电源。
风、光装机量（左）和发电量（右）
资料来源：国家能源局，和谐汇一研究部
与传统煤电、水电等通过同步电机接入电网不同，光伏、风电等新能源均通过电力电子装置接入电网，电力电子器件为物理零惯量器件，新能源发电比例的增加将降低系统惯量。相较于同步发电机为主体的电网，电力系统的稳定性将成为限制新能源消纳的重要因素。
常规能源和新能源特性对比
资料来源：智能电网保护和运行控制国家重点实验室，和谐汇一研究部
全球碳中和发展的黄金周期已经开启。未来30年，新能源装机量将会大幅提升，电力系统将带来根本性的结构变化。今年3月15日中央财经委员会上，习近平总书记提出“构建以新能源为主体的新型电力系统”。与此同时，光伏、风电等新能源已经进入全面平价时代，而新能源车渗透率进入加速提升期，在能源生产和应用两端形成了新能源闭环。中国将成为新一轮能源革命的主角，依托在新能源制造业领域的优势带领全球在能源转型的道路上大步向前。
新型电力系统有望打破
绿色电力“不可能三角”
在绿色电力中存在一个“不可能三角”，在这个三角中，电能稳定、清洁和便宜这三大要素中往往只能实现两个要素。在满足尖峰负荷的供需平衡的同时，实现成本最小化成为新型电力系统建设的重要内容。安全、高效、灵活的电力系统需要打破旧秩序、建立新秩序，是一场真正的“能源革命”。
绿色电力中的不可能三角
资料来源：和谐汇一研究部
高比例新能源并网带来的三大挑战
构建完备的新型电力系统是实现新能源高质量发展的基础，保障电力系统的安全稳定运行则是推动电力系统建设的第一要务。由于可再生能源发电固有的随机性、波动性和间歇性特点，电力系统中电源负荷时空平衡难度进一步加大，对电能安全提出了严峻的挑战。
在电力系统长周期运行方面，风电和光伏间歇性、高波动的特点会导致缺电问题频发。此外，大规模分布式能源接入也会造成配网侧双向潮流现象发生，加速能源耦合复杂化、电力平衡概率化。
在短周期方面，传统火电机组可以通过深度灵活性改造，有效平抑电网运行中负荷变化引起的不平衡功率，但风电、光伏则具有“极热无风”、“晚峰无光”的反调峰特性，在特定条件下需要系统还需依靠可调节机组提供快速爬坡能力。
新型电力系统中的三大挑战
资料来源：清华大学，中金公司，和谐汇一研究部
最后，在超短周期方面，由于新型电力系统中接入了高比例可再生能源和高比例电力电子设备，抗干扰能力弱，电网和线路中发生轻微扰动都有可能引起电网频率跃降、电力系统解耦等重大事故。此外，线路中存在的大量IGBT和逆变器等元件的高频开关动作都将在产生大量谐波和三相不平衡，亟需滤波和就地无功补偿装置的接入。
煤电--从基荷电源向调峰电源的角色转变
火电作为传统电力系统的压舱石，其灵活性改造将为新型电力系统运行提供安全裕量，主要身份将从能源提供者向调峰调频、削峰填谷角色的转移。相比于其他灵活性手段而言，能够充分缓解“以热定电”和可再生能源消纳之间的矛盾。
各类灵活性出力优缺点比较
资料来源：和谐汇一研究部
储能正成为新型电力系统中不可或缺的第四要素
储能在新型电力系统中的重要性呼之欲出。传统电力系统倡导“源随荷动”，主打“供给侧响应”。在新型电力系统下，光伏、风电等可再生能源发电的间歇性和波动性，对电网智能化、灵活性的要求日益强烈。储能技术能够应用在发、输、配、用四大环节中，实现“源网荷储”一体化，帮助可再生能源并网、调峰、调频、需求侧响应等多种用途。
储能在电力市场中的应用
来源：国家电网 ，和谐汇一研究部
新型电力系统中，特高压解决空间上能源供需不匹配的问题，储能则解决时间上供需错配的问题。十四五期间将迎来储能的黄金发展期，助力系统实现更高效的削峰填谷、精准调频和电压支持。在用户侧方面，储能在调频辅助服务和分布式储能方面已经初步显现出各自的商业化潜力，未来有望结合电力市场形成新的商业模式。
储能对清洁能源的转移、固化（削峰填谷）的作用
资料来源：Sandia National Laboratories，
和谐汇一研究部
现有的多种储能技术中，抽水储能是目前最成熟、性价比最高的调峰电源。基于锂电池的电化学储能则随着时间推进在放电倍率、循环寿命等方面体现出极强的竞争力。
从具体应用场景来看，电化学储能在通过虚拟同步发电机数据与风、光等新能源耦合，平抑新能源输出的波动性并且接受电网调度，有望成为电网友好型电源；在电网侧，参与调峰调频、削峰填谷，实现智能化供电、分布式供能等功能，提高多能耦合效率；在用户端，与分布式电源结合形成智能微电网，解决新能源就地消纳，提升供电性。
展望未来，可再生能源成为电量主体，可提供一定的电力支撑；传统火电、气电等大型可控电源，作为电力系统安全稳定的基石，并提供基础的调节服务；随着电动车保有量的提升及电化学储能的建设推进，短时储能与必要的长时储能互补构成全时间尺度的系统调节能力。
还原电力商品属性，电力市场服务能源清洁低
碳转型——电网运行机制的变化
一个从来不缺电的电力系统是无比昂贵的，这意味着系统内有大量冗余的备用机组待命，以满足电网的尖峰负荷。如何通过市场化的方式引导用电侧的用能需求是所有电力系统高效运行的必由之路。
在现有的电力交易市场中，主要呈现出“计划-市场”的双轨制的特征。其中，计划轨面向居民、公用事业和政府，由电网企业统购统销，占比约21%；剩下的79%则由工商业包揽，由发电企业和用户通过市场化电价，经电网直接进行交易，用户根据电网中资源使用情况，向电网企业支付输配电价。
我国电力市场架构
资料来源：和谐汇一研究部
还原供需关系，恢复电力商品属性。11月22日，国家电网有限公司正式印发《省间电力现货交易规则（试行）》。规则的印发标志着我国构建“统一市场、两级运作”的电力市场体系又迈出了坚实的一步，是中国电力现货市场建设的重要里程碑。
省间电力现货交易是完整电力市场体系的重要组成部分，是电力市场化改革的重要内容。目前，省间电力现货交易试运行准备工作正在有序开展。省间电力现货交易启动后，将有利于激发市场主体活力，在促进价值发现的同时优化各地区资源配置，短期加快形成统一开放、竞争有序的电力市场，长期助力实现碳达峰、碳中和。
电网作为能源系统的中间环节
未来的升级改造主要围绕供需两端的变化
新型电力系统中，供给端是清洁能源化，风电、光伏发电量占比目前接近10%，未来提升至30%甚至50%，怎么解决间歇性、无转动惯量等问题是保证电网安全稳定的基础；需求端是终端电气化比例快速提升，比如新能源车等新兴负荷、包括分布式电源带来的双向潮流，对配电网升级改造指出了未来的升级方向。
面对发电端新能源的波动性以及多元负荷差异化用能需求，提升新能源发电和终端用电的精准预测是提升电力系统安全稳定运行的必然要求。期中，数字化是实现电力预测的核心抓手，通过数字化手段打通发、输、变、配、用各个环节，形成源网荷储的深度协同互动，有望进一步提升电网的智能化调控能力。
传统与新型电力系统总比较
资料来源：中宝电气，和谐汇一研究部
“十四五”期间，新能源就地消纳、综合能源服务、需求侧响应和虚拟电厂等都对配网的升级改造提出更高要求。配网将成为新型电力系统的毛细血管，它将围绕电力电子、分布式感知、边缘计算等逐步展开并通过物联网解决最后一公里的信息接入问题。从中长期的维度看，未来的电力系统将是智能微网为分支和以特高压电网为骨干的“坚强智能电网”相结合的能源互联网。
结语
里夫金在《第三次工业革命》中提出，在未来的社会里，每个人既是能源消费者，又是能源生产者，人类将迎来能源民主化的新时代。当前，中国已经建成了全世界最强大的电网，在特高压、二次保护等诸多方向全球领先；展望未来，我国电力系统将立足于高比例可再生能源，以能源互联网、泛在电力物联网为发展方向，建设成自愈性强、高弹性、高智能的新型电力系统。
“电从远方来，来的是绿电”解决了清洁能源跨区域输送的问题，而新型电力系统的落地将加速构建我国清洁低碳安全高效的能源体系，实现新能源生产与消费的闭环，推动全社会绿色低碳高质量发展，助力“碳达峰碳中和”的早日到来。
来源：和谐汇一资产管理
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