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近两年，风光等新能源装机和发电量占比逐渐攀升，光伏在中国已经成为第二大电源。新能源渗透率的不断提升，给电网稳定运行带来了挑战。
未来，电力系统高比例新能源和高比例电力电子设备的“双高”特性凸显，新能源通过电力电子设备变流后接入交流电网，难以提供惯量支撑。随着新能源大量替代常规电源，维持同步稳定的物理基础将被不断削弱，给电力系统安全稳定运行带来一定风险。
在第15届中美绿色能源论坛上，中美两国的能源监管机构、电力企业以及研究机构专家就“双高”特征下如何保障电网安全稳定运行，需要攻关哪些关键技术，以及电力系统未来将如何发展等问题分别提出了建议。
加强电力系统运行监测控制和风险预防能力
华北电力大学副校长、新能源电力系统全国重点实验室常务副主任毕天姝指出，中国的电力系统构建了以预防控制为核心，以三道防线为屏障的安全防御体系。新能源为主体的电力系统发电机理和并网方式与传统电力系统不同，运行特性、控制特性和故障特性会发生很大变化，给电力系统安全带来挑战。
“首先亟须突破的技术是，在线运行的短周期安全稳定分析技术。”
据毕天姝介绍，传统电力系统的预防控制主要针对相对稳定的运行点，通过穷举典型运行方式或极端方式来排除电力系统风险实现预防控制。但新型电力系统运行方式变化多样，电子控制响应、连锁反应非常灵活，依靠原有方法很难完全排除电子系统风险。
与此同时，新能源功率波动性强，系统运行变化快且幅度大，以往针对相对稳定的运行点进行风险分析和控制的做法也面临挑战。因此，当前亟须开发在线运行的短周期安全稳定分析技术。
毕天姝认为，研发不依赖大型同步机特性保护的新技术是保障新型电力系统安全的另一关键。
据她介绍，发生故障时，大型同步机能提供20倍的负荷电流。故障态和正常态边界清晰，容易形成继电保护。但新能源机组耐过流能力弱，当电网故障引发低电压或高电压时都会引发换流器过流，易造成新能源机组脱网。故障时新能源机组只能提供两倍多的负荷电流，与负荷电流差异较小，依赖同步机特性的保护原理将不适用。
她指出，电力电子器件虽有耐压通流能力弱的问题，但控制灵活，因此可以挖掘电子装置的可控性，让电子装置构造新的保护原理。
此外，她认为研发根据事件和响应驱动的安全稳定控制技术同样重要。传统电力系统通过预防控制、紧急控制和校正控制，可实现不同等级故障的时空协调综合防御。但新型电力系统的故障形态发生变化，连锁反应已成常态，原本预案式的紧急控制防御体系的适配风险较高。
“发展根据事件驱动、能快速准确测量的同步动态测量技术极具挑战性，也是非常重要的研究方向”，毕天姝表示。
多方案解决低惯量电力系统难题
现代电网输送的是交流电，输送电流需要保持一定的频率（50Hz或60Hz）。而频率稳定性是由电网惯性来维持的，由发电涡轮机通过旋转产生。涡轮机即是惯性的产生装置，只要输出是同步的，惯性会对任何变化产生阻力，从而稳定电网。
对比传统大型同步机，风光发电单机容量小，且主要依靠变流器等电力电子设备并网，这使得新能源送出的拓扑结构、故障特性均发生了根本变化，新能源发电对于系统电力平衡的贡献极小。
因此，随着新能源不断增加（风机是因为输出不同步，光伏则由于不通过旋转发电，都无法独立提供适合电网运行的惯性），同步机数量减少，电网惯性就越来越小。在新能源占比高的地区，由于惯性缺失，保障稳定性成为电网亟须解决的问题。
为提升电力系统抗扰水平，保障电网安全高效运行，电网运营商正在使用多种技术来稳定电网。
美国前能源部长、诺贝尔物理学奖获得者朱棣文谈到，在能源部长任内，他曾要求电网运营商采购部署了数千个同步相量测量器（synchrophasor）。同步相量测量器具有高频率采集、高精度测量的优点，能够实现每秒三次测量机组发电时的电压，并通过高速无线电通信网络不断向变电站的控制器报告。
如果控制器发现相邻传感器之间突然出现电压差，就会命令最近的继电器隔离可疑部位并切断其电源，通常用时不到半秒。在配合机器学习、人工智能技术使用时，该设备发现系统故障的时间会大大提升。
据他介绍，近年来美国加州的非水可再生能源发电量占比很高，限电时有发生。为了从长远来解决稳定性问题，加州正在探索借助更多技术来提供惯量，稳定输电网络。
“近两年，加州的光伏发电占比增长显著，弃光率也相应提升，著名的‘鸭子曲线’（净负荷曲线，即总用电负荷扣除新能源出力后的负荷）正变得越来越深，更需要依靠同步相量测量器以及机器学习，在早期快速发现可能出现的故障。”
他指出，电力系统也可能会遇到级联崩溃导致的大规模停电事故，因此部署同步调相机配套飞轮装置，以及不同类型的储能对电力系统至关重要。
此外，在他看来，新型电力系统的核心是电力电子设备，需要改进电力电子设备材料，提升性能，以提高系统的整体可靠性。
“碳化硅、氮化镓、金刚石是电力电子设备的理想晶体管材料，美国已经开始补贴促进这些材料的生产，大力研发这些材料。”
朱棣文认为，碳化硅是电力电子设备的关键材料，提高其性能让其具有高导电性、高导热性和高电压耐久性，从而降低电力传输损耗，更好、更经济地控制电力电子设备。
“科学家们知道，这些材料是制造宽带隙、高功率电子器件的关键因素，我认为中国也应考虑在投资基础材料方面下功夫”，他表示。
（本文根据论坛嘉宾发言内容整理，未经本人审阅）
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