中国工程院院士李立浧：当新能源成为主体 电力系统平衡何以为继？

李立浧：能源电力专家，直流输电专家；中国工程院院士，中国南方电网公司专家委员会名誉主任委员，华南理工大学电力学院名誉院长、博士生导师。以第一完成人获得2017年国家科学技术进步奖特等奖，作为“特高压柔性直流输电技术研发团队”负责人获得2024年第一届国家卓越工程师团队奖，获得国家科学技术进步奖一等奖、二等奖；获得光华工程科技奖、何梁何利基金奖、广东省科学技术突出贡献奖，是第五届全国优秀科技工作者。长期从事电力工程建设、电力系统技术研究，提出透明电网理论，为我国特高压直流输电技术、柔性直流输电技术领先世界的发展做出贡献。

在我国提出构建新型电力系统重大战略的背景下，具有电力电子特性的新能源逐渐取代机械特性的传统能源，这一转变深刻重塑了电力系统的物理基础、运行机理与安全稳定特性。新能源的发展和实践，推动电力系统走到了亟需建立新的理论和技术体系的历史节点。“传统电力理论体系正面临前所未有的挑战，理论的滞后已成为制约新型电力系统发展的瓶颈，必须开展基础理论的颠覆性创新，才能为新型电力系统的安全、高效、经济运行保驾护航。”中国工程院院士李立浧指出。

新能源渗透率快速攀升

截至今年8月底，全国风电、太阳能发电总装机达到17亿千瓦。对照习近平主席9月在联合国气候变化峰会承诺的我国新一轮NDC目标——2035年风电和太阳能发电总装机容量达到2020年的6倍以上、力争达到36亿千瓦，未来十年风电和太阳能发电装机需要新增19亿千瓦，年均新增装机约2亿千瓦装机。“十年内要实现风光装机翻一番，对于电网挑战极大，其中将有一半以上将是分布式新能源，能源结构将发生革命性重塑。”李立浧表示。

当前，电力系统高比例新能源已成为现实。目前全国已有22个省份新能源装机占比超过30%，其中内蒙古、河北、新疆、山东等地新能源装机容量过亿千瓦，新能源“随机性、间歇性、波动性”的“三性”问题更加凸显。李立浧指出，在2024年春节期间，云南电网最高新能源渗透率达到63%，若不加以控制渗透率将超过70%。2025年春节期间，云南电网最高新能源渗透率达到69%，若不加以控制可达到100%。

“国家电网华东、华中、华北电网的电力电子化特征电源（新能源+直流）出力占负荷的最大比例已经超过60%。沙戈荒新能源送出基地等将出现100%电力电子化电力系统。”李立浧指出，“因此，如何驾驭新能源、如何发挥电力电子快速准确控制特性、如何有效协调利用新型电力负荷如电动汽车、算力负荷等资源，是构建新型电力系统中的重要课题。”

李立浧从以下方面分析新型电力系统与传统电力系统的区别：在动态特性方面，传统电力系统动作时间常数大（秒-分钟级），呈现为“慢速”的系统机电特性，稳定性高。新型电力系统呈现电力电子化特点，动作时间常数小（微秒级），频域分布广（DC-数百Hz），波动性和随机性强。在安全稳定理论方面，传统电力系统的运行基于机电同步过程，其模型等效且高度依赖同步发电机的转动惯量；而新型电力系统的运行则是数据同步过程，由数据驱动，其本质是数字化信息与物理系统的深度融合，形成以电力电量实时平衡为核心的新型系统平衡理论。在系统规模方面，传统电力系统表现为集中式结构，电源单体规模大、数量少；而新型电力系统则呈现突出的分布式特征，表现为电源单体规模小、数量庞大。在系统形态和生态方面，传统电力系统是功能、界限分明的集中式架构，其研究和运行重点依赖以模型与预测为核心的仿真系统，长期面临功能割裂、信息封闭、技术路径受限等问题。相比之下，新型电力系统则呈现出“源网荷储”深度融合与灵活变换、“能量流与信息流”深度交织与实时互动的全新生态。在负荷侧格局和用户方面，传统电力系统的负荷可预测可计划，相对稳定，用户是电力消费者，新型电力系统负荷侧包括新能源和储能，用户从单纯的消费者转变为“生产者+消费者”，负荷不确定性强，用户融入系统。在系统安全方面，传统电力系统确定性强，功能单一，易控制，新型电力系统不确定因素多，功能复杂，需要构建起系统和元件的新型网络安全体系。在电力系统架构方面，传统电力系统是大电网、同步电网，新型电力系统则具有能源电力一体化、广域电气化特征，电网形态表现为大电网+主动配电网+微电网。“在碳中和情景下的新型电力系统，系统特性将从刚性转变为柔性可控、智能灵活。电网可以‘无条件’接受新能源，系统有‘无限大’的功率、‘无限多’的能量，系统的安全稳定依靠功率的动态平衡、能量的动态平衡，同时要建立新型故障防御体系和故障分析理论。”李立浧总结道。

新能源应成为电压源

随着新能源从补充电源迈向电力主体，其固有“电流源”特性与电网稳定运行需求间的矛盾日益凸显。传统同步发电机通过转子励磁和机械转速的控制，天然地具有电压源的特性。而风电、光伏等新能源本身产生的是随机波动的直流电或变频交流电，无法直接接入电网，在高比例渗透下将影响系统安全。因此，新能源必须主动转型为“电压源”，使风电、光伏等新能源从“电网跟随者”转变为“支撑者”，这是构建新型电力系统的必然要求。

“新能源要成为电压源，这就需要通过电力电子变流器及其控制策略来‘构建’一个电压源。这个构建过程的核心思想是，通过精密的控制算法，让电力电子变流器构建并形成电压源的外特性，反映电压源的内在物理规律。”李立浧分析道。

李立浧进一步指出，新能源成为电压源，其硬件基础在于电力电子变流器。新能源发电系统（如光伏逆变器、全功率变流风机）的核心是电压源型变流器。它由全控型电力电子器件组成，可以通过高频开关动作，将直流电转换为与电网同步的交流电。

控制策略在于两个方面：外环决定变流器的“目标”。对于电压源，外环就是电压控制环。它设定变流器需要输出的交流电压的幅值和频率。内环是实现目标的“执行者”，通常是电流控制环，它根据外环给出的电压指令，快速、精确地控制变流器输出的电流，以维持端口电压的稳定。由于新型电力系统中新能源占比高，从同步发电机主导变为变流器接口控制（风电、光伏、储能等）为主导，因此，系统运行控制的理论和方法需要更新，以更加适应变流器接口控制。通过先进的电力电子变流器硬件，并采用构网型控制技术，使风电、光伏等新能源从“电网跟随者”转变为“电网形成者/支撑者”，从而构建出一个具有优良外特性，甚至优于传统同步发电机的电压源。“这是构建高比例新能源新型电力系统的关键技术，能够极大地提升电网的稳定性、可靠性和柔性。”李立浧指出。

电力系统平衡理论亟需创新

电力系统正面临有电一百多年以来技术上的重大变化，目前正由量变转入质变。大规模分布式新能源、需求侧响应、虚拟电厂、可控负荷等涌现，电力市场的实施，大电网、有源配电网、微电网的电力系统格局形成，呼唤电力系统新理论，引领基础理论和技术全面发展。

李立浧分析道，同步机主导的稳定范式正在逐步被颠覆，需构建以电力电子装备为主导的电力系统平衡理论体系。新增的电力电子装备逐步替代同步机，重塑系统的静态特性、动态特性。电力系统安稳防御体系需要结合高比例新能源系统实时运行工况与扰动场景实现“在线精准决策、实时技术策略”的智能化管理，将统计不确定性因素成为确定性决策。

“传统电力系统稳定理论建立在同步机的旋转惯性之上，是一个相对‘缓慢’而‘刚性’的机电动态过程，而新型电力系统的平衡理论以电力电量实时平衡为基础，通过电力电子设备的快速控制和数字化智能决策，构建了一个‘快速’而‘柔性’的主动支撑体系。这一范式转移不仅是技术的进步，更是系统思维的深刻变革。”李立浧指出。

李立浧表示，平衡理论的完善依赖于技术的发展。在新型电力系统中，系统稳定必须直接依赖于电力电量平衡的第一性原理。电力平衡指的是实时功率平衡，包括有功和无功平衡，保证系统频率和电压稳定。电量平衡指的是能量供需在时间尺度上的平衡，涉及储能充放电、跨区调度和负荷管理，是电力平衡的长期保障。在新能源为主体的新型电力系统的平衡理论构建中，其科学性在于基于能量守恒定律，直接从功率平衡角度确保系统稳定，避免传统惯性依赖的局限性。通过电力电子设备的快速控制，弥补了惯性缺失，使系统更灵活应对扰动。理论支持多时间尺度平衡，从秒级（有功平衡）到小时级（电量平衡），符合新能源波动特性。其实用性在于可集成先进技术，如智能电网、广域测量系统、人工智能预测，实现实时监控和控制。促进储能和需求响应的应用，通过市场机制或控制策略，调动分布式资源参与平衡。