近兩年，風光等新能源裝機和發電量占比逐漸攀升，光伏在中國已經成為第二大電源。新能源滲透率的不斷提升，給電網穩定運行帶來了挑戰。

未來，電力系統高比例新能源和高比例電力電子設備的“雙高”特性凸顯，新能源通過電力電子設備變流后接入交流電網，難以提供慣量支撐。隨著新能源大量替代常規電源，維持同步穩定的物理基礎將被不斷削弱，給電力系統安全穩定運行帶來一定風險。

在第15屆中美綠色能源論壇上，中美兩國的能源監管機構、電力企業以及研究機構專家就“雙高”特征下如何保障電網安全穩定運行，需要攻關哪些關鍵技術，以及電力系統未來將如何發展等問題分別提出了建議。

加強電力系統運行監測控制和風險預防能力

華北電力大學副校長、新能源電力系統全國重點實驗室常務副主任畢天姝指出，中國的電力系統構建了以預防控制為核心，以三道防線為屏障的安全防御體系。新能源為主體的電力系統發電機理和并網方式與傳統電力系統不同，運行特性、控制特性和故障特性會發生很大變化，給電力系統安全帶來挑戰。

“首先亟須突破的技術是，在線運行的短周期安全穩定分析技術。”

據畢天姝介紹，傳統電力系統的預防控制主要針對相對穩定的運行點，通過窮舉典型運行方式或極端方式來排除電力系統風險實現預防控制。但新型電力系統運行方式變化多樣，電子控制響應、連鎖反應非常靈活，依靠原有方法很難完全排除電子系統風險。

與此同時，新能源功率波動性強，系統運行變化快且幅度大，以往針對相對穩定的運行點進行風險分析和控制的做法也面臨挑戰。因此，當前亟須開發在線運行的短周期安全穩定分析技術。

畢天姝認為，研發不依賴大型同步機特性保護的新技術是保障新型電力系統安全的另一關鍵。

據她介紹，發生故障時，大型同步機能提供20倍的負荷電流。故障態和正常態邊界清晰，容易形成繼電保護。但新能源機組耐過流能力弱，當電網故障引發低電壓或高電壓時都會引發換流器過流，易造成新能源機組脫網。故障時新能源機組只能提供兩倍多的負荷電流，與負荷電流差異較小，依賴同步機特性的保護原理將不適用。

她指出，電力電子器件雖有耐壓通流能力弱的問題，但控制靈活，因此可以挖掘電子裝置的可控性，讓電子裝置構造新的保護原理。

此外，她認為研發根據事件和響應驅動的安全穩定控制技術同樣重要。傳統電力系統通過預防控制、緊急控制和校正控制，可實現不同等級故障的時空協調綜合防御。但新型電力系統的故障形態發生變化，連鎖反應已成常態，原本預案式的緊急控制防御體系的適配風險較高。

“發展根據事件驅動、能快速準確測量的同步動態測量技術極具挑戰性，也是非常重要的研究方向”，畢天姝表示。

多方案解決低慣量電力系統難題

現代電網輸送的是交流電，輸送電流需要保持一定的頻率（50Hz或60Hz）。而頻率穩定性是由電網慣性來維持的，由發電渦輪機通過旋轉產生。渦輪機即是慣性的產生裝置，只要輸出是同步的，慣性會對任何變化產生阻力，從而穩定電網。

對比傳統大型同步機，風光發電單機容量小，且主要依靠變流器等電力電子設備并網，這使得新能源送出的拓撲結構、故障特性均發生了根本變化，新能源發電對于系統電力平衡的貢獻極小。

因此，隨著新能源不斷增加（風機是因為輸出不同步，光伏則由于不通過旋轉發電，都無法獨立提供適合電網運行的慣性），同步機數量減少，電網慣性就越來越小。在新能源占比高的地區，由于慣性缺失，保障穩定性成為電網亟須解決的問題。

為提升電力系統抗擾水平，保障電網安全高效運行，電網運營商正在使用多種技術來穩定電網。

美國前能源部長、諾貝爾物理學獎獲得者朱棣文談到，在能源部長任內，他曾要求電網運營商采購部署了數千個同步相量測量器（synchrophasor）。同步相量測量器具有高頻率采集、高精度測量的優點，能夠實現每秒三次測量機組發電時的電壓，并通過高速無線電通信網絡不斷向變電站的控制器報告。

如果控制器發現相鄰傳感器之間突然出現電壓差，就會命令最近的繼電器隔離可疑部位并切斷其電源，通常用時不到半秒。在配合機器學習、人工智能技術使用時，該設備發現系統故障的時間會大大提升。

據他介紹，近年來美國加州的非水可再生能源發電量占比很高，限電時有發生。為了從長遠來解決穩定性問題，加州正在探索借助更多技術來提供慣量，穩定輸電網絡。

“近兩年，加州的光伏發電占比增長顯著，棄光率也相應提升，著名的‘鴨子曲線’（凈負荷曲線，即總用電負荷扣除新能源出力后的負荷）正變得越來越深，更需要依靠同步相量測量器以及機器學習，在早期快速發現可能出現的故障。”

他指出，電力系統也可能會遇到級聯崩潰導致的大規模停電事故，因此部署同步調相機配套飛輪裝置，以及不同類型的儲能對電力系統至關重要。

此外，在他看來，新型電力系統的核心是電力電子設備，需要改進電力電子設備材料，提升性能，以提高系統的整體可靠性。

“碳化硅、氮化鎵、金剛石是電力電子設備的理想晶體管材料，美國已經開始補貼促進這些材料的生產，大力研發這些材料。”

朱棣文認為，碳化硅是電力電子設備的關鍵材料，提高其性能讓其具有高導電性、高導熱性和高電壓耐久性，從而降低電力傳輸損耗，更好、更經濟地控制電力電子設備。

“科學家們知道，這些材料是制造寬帶隙、高功率電子器件的關鍵因素，我認為中國也應考慮在投資基礎材料方面下功夫”，他表示。

（本文根據論壇嘉賓發言內容整理，未經本人審閱）