飛輪和電池儲(chǔ)能也可以提供調(diào)頻服務(wù)：事實(shí)上，它們對(duì)頻率控 制信號(hào)的響應(yīng)速度比傳統(tǒng)的火電機(jī)組快17倍。因此，使用電池 進(jìn)行頻率控制越來(lái)越普遍：

在澳大利亞，電池儲(chǔ)能目前可提供6秒、60秒和300秒調(diào)頻 服務(wù)。2017年12月和2018年1月澳大利亞發(fā)生的兩次發(fā)電機(jī) 組脫網(wǎng)事件中，電池快速響應(yīng)顯著縮短了恢復(fù)時(shí)間。

在美國(guó)，聯(lián)邦電力監(jiān)管委員會(huì)從2013年起允許與電網(wǎng)相連 的電池可作為小型發(fā)電機(jī)組提供電力供應(yīng)服務(wù)。到2015 年，PJM、CAISO、紐約獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（NYISO）、中部電力 系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（MISO）和新英格蘭電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（ISONE） 地區(qū)的調(diào)頻市場(chǎng)均在使用電池儲(chǔ)能。 同時(shí)，在德克薩斯州ERCOT市場(chǎng)中，一些滿(mǎn)足分時(shí)計(jì)量和遙 測(cè)等特定要求的工業(yè)負(fù)荷可以作為受控負(fù)荷資源（CSR）提供 調(diào)頻服務(wù)。

4.提高系統(tǒng)慣量監(jiān)控并應(yīng)用新的監(jiān)控方式

系統(tǒng)慣量的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)越準(zhǔn)確，對(duì)慣量資源的需求就越低。 因此，德克薩斯州ERCOT開(kāi)發(fā)了一種慣量監(jiān)測(cè)工具，它可以計(jì) 算所有在線同步發(fā)電機(jī)的總慣量貢獻(xiàn)，并通過(guò)循環(huán)滾動(dòng)方式 預(yù)測(cè)未來(lái)七天的慣量情況。然后，系統(tǒng)操作人員可以在必要時(shí) 調(diào)度同步發(fā)電機(jī)來(lái)增加慣量，進(jìn)而降低對(duì)額外慣量的需要。

此外，系統(tǒng)慣量還可以通過(guò)非火電資源提供，例如：

同步調(diào)相機(jī)或同步補(bǔ)償器

帶有旋轉(zhuǎn)設(shè)備的儲(chǔ)能，如飛輪儲(chǔ)能 ?

光熱發(fā)電（CSP）

具備能提供該功能逆變器的風(fēng)機(jī)、太陽(yáng)能光伏和電池

需求側(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械

電壓控制

電壓控制有時(shí)會(huì)被認(rèn)為是非水可再生能源比例上升的潛在挑戰(zhàn)，但技術(shù)解決方案已經(jīng)存在。其中，無(wú)功功率和電壓諧波是 需要解決的兩大問(wèn)題：

無(wú)功功率必須立即得到局部補(bǔ)償，以保持功率因數(shù)在允許 的范圍內(nèi)。與其他國(guó)家類(lèi)似，中國(guó)對(duì)非水可再生能源的功率 因數(shù)的要求在-0.95 至 +0.95之間。這可以通過(guò)部署靜止無(wú) 功補(bǔ)償器（SVC）、靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）、靜止同步補(bǔ)償 器（STATCOM）或晶閘管控制串聯(lián)電容器（TCSC）等設(shè)備 來(lái)實(shí)現(xiàn)。

電壓需要保持在安全范圍內(nèi)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。諧波 不可避免地會(huì)影響電壓的穩(wěn)定性。應(yīng)采用濾波器處理電壓 中的諧波，提高電能質(zhì)量。 因此，應(yīng)在非水可再生能源電源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)部署電壓控制裝 置。即使是在非水可再生能源比例非常高的情景下，也將會(huì)有 充足的資源來(lái)提供電壓控制。

因此，應(yīng)在非水可再生能源電源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)部署電壓控制裝 置。即使是在非水可再生能源比例非常高的情景下，也將會(huì)有充足的資源來(lái)提供電壓控制。

故障穿越

短期電壓變化是電力系統(tǒng)中常見(jiàn)現(xiàn)象，如果系統(tǒng)突然失去一臺(tái)發(fā)電機(jī)組，這種變化會(huì)被放大。在系統(tǒng)恢復(fù)正常之前，發(fā)電 機(jī)組必須具備穿越電壓擾動(dòng)的能力，這一點(diǎn)至關(guān)重要。非水可 再生能源發(fā)電機(jī)組的耐受電壓范圍常常比傳統(tǒng)的火電機(jī)組要窄，更容易脫網(wǎng)，一旦脫網(wǎng)，電壓波動(dòng)將進(jìn)一步增加，甚至導(dǎo) 致連鎖故障。

然而，這種危險(xiǎn)可以通過(guò)要求非水可再生能源機(jī)組配備高電 壓穿越（HVRT）能力來(lái)規(guī)避。對(duì)于現(xiàn)有電廠來(lái)說(shuō)，這可以通過(guò) 改造逆變器來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)在都在其電網(wǎng) 規(guī)范中明確了高電壓穿越要求。圖15展示了一些案例。

中國(guó)自2012年起實(shí)施低電壓穿越（LVRT）改造，系統(tǒng)的可靠性 得到了顯著提高。雖然當(dāng)前也已經(jīng)制定了嚴(yán)格的高電壓穿越標(biāo) 準(zhǔn)，但是該標(biāo)準(zhǔn)尚未作為現(xiàn)有非水可再生能源機(jī)組并網(wǎng)的強(qiáng) 制性要求。

因此，對(duì)現(xiàn)有電廠進(jìn)行改造以滿(mǎn)足高電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)，以及對(duì)所 有未來(lái)的非水可再生能源機(jī)組落實(shí)這些標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該是目前的首要任務(wù)。

高壓直流輸電的利用

中國(guó)擁有豐富的太陽(yáng)能和風(fēng)能資源，但其中一些與主要負(fù)荷 中心的距離非常遙遠(yuǎn)。高壓/特高壓輸電線路能夠?qū)⒖稍偕��?力遠(yuǎn)距離傳輸?shù)截?fù)荷中心，而高壓直流傳輸在遠(yuǎn)距離送電上 的成本優(yōu)勢(shì)更明顯。因此，高壓直流線路在中國(guó)廣泛部署，對(duì) 支持偏遠(yuǎn)地區(qū)非水可再生能源發(fā)展發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

僅靠非水可再生能源自身并不能保證高壓直流輸電的高效和 穩(wěn)定運(yùn)行，因此在某些情況下，可能需要在可再生能源電廠周 邊建設(shè)火電廠，以便在非水可再生能源出力較低時(shí)，可以用火電來(lái)“填滿(mǎn)線路”。

不過(guò)，對(duì)于此類(lèi)火電廠的實(shí)際需求其實(shí)遠(yuǎn)小于當(dāng)前的假設(shè)，并 將隨著其他可行方案的出現(xiàn)而繼續(xù)下降：

高壓直流線路并不需要以固定的功率運(yùn)行，目前中國(guó)部署 的主要高壓直流輸電形式——基于電網(wǎng)換相整流器高壓直 流輸電——在運(yùn)行時(shí)要求技術(shù)利用率必須高于最小值，而 該數(shù)值通常僅為銘牌容量的10%。因此，并不存在需要火電機(jī)組“填滿(mǎn)線路”的技術(shù)需求。低于100%的利用率顯然 會(huì)增加每度電的傳輸成本，但考慮到偏遠(yuǎn)地區(qū)非水可再生 能源具備的顯著成本優(yōu)勢(shì)，即使高壓直流線路沒(méi)有得到充 分利用，其開(kāi)發(fā)也仍具備經(jīng)濟(jì)可行性。此外，風(fēng)能和光伏組 合打捆可以提高平均利用率，且隨著時(shí)間的推移，儲(chǔ)能（如 電池或氫能）成本的下降將創(chuàng)造出新的替代方式來(lái)穩(wěn)定并 提高輸電線路的平均利用率。因此，盡管現(xiàn)有火電裝機(jī)在 將利用率保持在10%以上方面可以發(fā)揮有益的作用，但沒(méi)有必要通過(guò)新建煤電投資來(lái)匹配大規(guī)模非水可再生能源項(xiàng)目投資。

 “換相失敗”的技術(shù)挑戰(zhàn)也可以在以非水可再生能源為主的 電力系統(tǒng)中得到解決。擾動(dòng)會(huì)增加直流電流并導(dǎo)致電力傳 輸?shù)臅簳r(shí)中斷，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)換相失敗。目前，火電機(jī)組為 系統(tǒng)提供調(diào)節(jié)和慣量，以降低任何換相失敗時(shí)的瞬態(tài)傳輸 中斷的影響。但是，在高比例非水可再生能源系統(tǒng)中，適用 于提供頻率調(diào)節(jié)和電壓調(diào)節(jié)的同一套技術(shù)解決方案（例如， 同步調(diào)相機(jī)、電池儲(chǔ)能、非火電的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量提供者和無(wú)功功 率補(bǔ)償器等）也可以降低換相失敗的影響。

此外，現(xiàn)在的新一代電壓源換流器高壓直流輸電（VSC – HVDC）技術(shù)能夠提供很好的電壓調(diào)節(jié)能力，消除了換相失 敗風(fēng)險(xiǎn)，并簡(jiǎn)化了對(duì)發(fā)電和用電省份的技術(shù)要求。雖然這會(huì) 造成容量下降產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)性損失，但在許多地區(qū)仍可確保偏 遠(yuǎn)地區(qū)非水可再生能源發(fā)電和高壓直流輸電的經(jīng)濟(jì)性，特 別是可進(jìn)行VSC-HVDC技術(shù)改造的現(xiàn)有線路。

總而言之，高壓直流輸電的所有技術(shù)挑戰(zhàn)都可以得到解決，且 不需要任何新增煤電裝機(jī)來(lái)匹配非水可再生能源的投資。 綜上所述，只要中國(guó)實(shí)施必要的政策以鼓勵(lì)創(chuàng)新解決方案， 那些可能阻礙非水可再生能源比例增長(zhǎng)至遠(yuǎn)高于目前水平的 技術(shù)性管理問(wèn)題就會(huì)得以解決。剩下的問(wèn)題是，如何在一個(gè) 高比例非水可再生能源電力系統(tǒng)中，確保電力在一年中的每 一天、每一小時(shí)的供需平衡。本報(bào)告的下一章節(jié)就將討論這個(gè)問(wèn)題。

4.時(shí)-日-季節(jié)電力供需平衡可實(shí)現(xiàn)

非水可再生能源在有太陽(yáng)照射和有風(fēng)的時(shí)候發(fā)電，但這些資 源并不總與用電負(fù)荷形態(tài)相匹配。這就給當(dāng)前以火電和水電 為主的電力系統(tǒng)帶來(lái)了巨大的平衡挑戰(zhàn)。

然而，在全球許多國(guó)家/地區(qū)的非水可再生能源發(fā)電比例都已 超過(guò)了圖2中國(guó)2030零碳投資情景中所示的28%。例如，非水 可再生能源在德國(guó)和西班牙電力系統(tǒng)中的占比已經(jīng)分別達(dá)到 了33%和37%。許多國(guó)家都規(guī)劃到2030年實(shí)現(xiàn)零碳電力占全 年總發(fā)電量的50%以上，甚至超過(guò)70%，并在之后的10-20年 里將零碳電力比例增加到接近100%，其中非水可再生能源的 比例將高達(dá)80%（圖16）。

本章節(jié)總結(jié)了全球多個(gè)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，并討論了如何將這些經(jīng) 驗(yàn)運(yùn)用于中國(guó)的具體情況中。其結(jié)論是明確的，即中國(guó)完全可 以實(shí)現(xiàn)圖2所示的非水可再生能源發(fā)電量占比達(dá)到28%的目 標(biāo)，并且未來(lái)最終實(shí)現(xiàn)零碳的電力系統(tǒng)總成本將不會(huì)高于，甚 至可能低于當(dāng)前以化石燃料為主的系統(tǒng)成本。

全球經(jīng)驗(yàn)

圖16展示的這些計(jì)劃顯示，各國(guó)都有信心通過(guò)兼具技術(shù)性和 經(jīng)濟(jì)性的解決方案，來(lái)滿(mǎn)足短期和長(zhǎng)期供需變化產(chǎn)生的不同 靈活性需求。對(duì)于目前常見(jiàn)的可再生能源滲透率水平（20%- 30%），大部分問(wèn)題是可以通過(guò)現(xiàn)有火電（燃?xì)饣蛉济海└�靈 活的運(yùn)行來(lái)解決的。但隨著可再生能源比例進(jìn)一步增加，則需 要更多元的解決方案。

（1）日內(nèi)供需平衡 在大多數(shù)國(guó)家，由于工廠和辦公室的大量用能需求，系統(tǒng)對(duì)電 力的需求常在中午或下午早些時(shí)候達(dá)到峰值，而在凌晨前后 幾小時(shí)下降到低谷。因此，即使在可再生能源增長(zhǎng)之前，系統(tǒng) 也必須靈活地應(yīng)對(duì)這種用電需求的變化，而這主要是通過(guò)改 變?nèi)济夯蛉細(xì)怆姀S的出力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

在某種程度上，可再生能源的增長(zhǎng)有可能減小這種日內(nèi)靈活 性的挑戰(zhàn)，因?yàn)楣夥�發(fā)電量在白天更高，正好與此時(shí)的高需求 相吻合。但在光伏發(fā)電占比很大的電力系統(tǒng)，往往會(huì)在傍晚時(shí) 候出現(xiàn)對(duì)非光伏資源需求的突然增加，這是因?yàn)楣夥�發(fā)電在 這段時(shí)間迅速下降，但用電需求下降的速度慢很多。

每日風(fēng)力發(fā)電的狀態(tài)隨地方天氣條件變化而波動(dòng)更大；在一 些地區(qū)（但不是所有地區(qū)），風(fēng)力發(fā)電往往在夜間更高，而且在一些面臨氣旋和反氣旋天氣系統(tǒng)交替的地區(qū)，每天和每周風(fēng)力發(fā)電量形態(tài)的波動(dòng)都比光伏更大。

在當(dāng)前常見(jiàn)的可再生能源滲透率水平下，這些日內(nèi)靈活性挑戰(zhàn) 可以輕易地通過(guò)靈活運(yùn)行燃?xì)饣蛉济弘姀S來(lái)解決。在美國(guó)加 利福尼亞州，為了平衡光伏發(fā)電，燃?xì)獍l(fā)電的出力在一天中不 斷變化，在傍晚的時(shí)候迅速增加，在晚上7-9點(diǎn)左右時(shí)達(dá)到氣 電供應(yīng)峰值（圖17）。

在德國(guó)，天然氣、硬煤和褐煤發(fā)電量的變化可滿(mǎn)足靈活性的 需要。雖然天然氣是最靈活的發(fā)電資源——圖19顯示了燃?xì)?出力在一周內(nèi)的變化形態(tài)，從最低的1.6GW到最高的9.9GW （最大峰谷差等于峰值容量的84%），但硬煤出力也在1.4GW 到6.5GW之間波動(dòng)（79%），甚至褐煤發(fā)電功率也在3.5GW到 12.0GW間波動(dòng)（71%）（圖18）。

隨著可再生能源比例的提高，系統(tǒng)對(duì)靈活性的需求也會(huì)增加。 在燃?xì)獍l(fā)電裝機(jī)占比高的國(guó)家，仍有很多調(diào)峰燃?xì)怆姀S可以 滿(mǎn)足這一增長(zhǎng)的靈活性要求。但其他靈活性資源也將發(fā)揮越 來(lái)越大的作用，并且在某些情況下，更具經(jīng)濟(jì)性。尤其是在提 供日內(nèi)靈活性方面：

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