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如何實現高比例可再生能源情景下的電力安全穩定運行

作者:程婉靜 來源:能源雜志 發布時間:2021-01-13 瀏覽:
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文 | 程婉靜

作者供職于龍源電力集團新能源發展研究中心

2020年新冠疫情爆發后,經濟活動暫時中斷,市場需求受到沖擊,社會生產對能源的需求,人民生活尤其是交通出行對能源的需求,都因疫情而大幅降低。根據國際能源署的預測,2020年全球能源需求可能下滑5%,所有能源品種需求都將受到影響,其中煤炭需求量預計下降7%,天然氣需求量預計下降3%,石油需求量預計下降8%。

在能源生產方面,由于電力需求下降及市場價格低迷,電力系統存在過剩的裝機容量,煤、油、氣機組普遍選擇降低電力生產甚至關停。全球疫情沖擊供應鏈,很多技術和零部件生產都遭受到潛在的供應鏈瓶頸,人員流動限制和物流交通限制產生了更為嚴重的影響。由于全球疫情沖擊的不斷反復,2020年下半年仍有大量原油庫存。

在這個過程中,可再生能源表現搶眼,以風、光為代表的可再生能源電力生產和需求在能源結構中的比重逆勢增長,各國和地區的實踐都體現出了可再生能源高滲透率情景的市場可行性和技術可行性。全球電力結構正加速向低碳轉型邁進。

可再生能源發展是各國能源轉型的基本共識,但以往社會普遍存在一個看法,就是在可再生能源高滲透率的情景下,對電力靈活性和調節能力,以及電力市場交易等要求都更高。

當前,各國在能源轉型的過程中處于不同的歷史階段,但無一例外的是,新冠疫情的影響加快了各國能源低碳轉型的步伐。通過分析上述國家和地區的電力系統安全穩定運行經驗,可以總結為市場保障和技術保障。

市場是優化配置的基礎

電力市場健全的情況下,交易品種、交易類型、交易期限等更加靈活完善,可以為電力商品提供更多交易選擇。越是完備的電力市場,越能克服信息不對稱等市場缺陷,越能夠更好地實現電力資源在更大范圍的優化配置。

1. 開展跨省區電力市場交易

我國電力生產與電力消費的空間格局并不一致,尤其是集中式可再生能源發電項目主要集中在“三北”地區,而電力消費負荷中心多集中在東部和南部地區??臻g的不匹配決定了我國跨省區電力交易市場的重要性。

2020年上半年,國家電網以市場化方式消納可再生能源,制定了跨省區富余可再生能源現貨市場建設方案和規則。自2017年8月18日啟動的跨區域省間富余可再生能源電力現貨交易試點,已連續運行超過1000天,電力交易市場保持活躍,有效促進了可再生能源在全國范圍的優化配置。

青海省在2018-2020年連續三年實施了“綠電9日”“綠電15日”和“綠電100日”活動,這期間火電發電量占比很低,且全部以市場化手段送出省外,實現了100%使用綠色電力的目標,清潔能源發電量中也有將近1/3通過跨區交易外送。

隨著電力市場化改革的持續深化,電力市場交易規模不斷擴大,通過挖掘省區間電力交易的潛力,創新多種新能源交易品種,擴大新能源省間交易規模,通過電力市場發揮調節功能,提升了新能源上網消納的比例。

2. 拓寬可再生能源市場需求

可再生能源已經成為我國能源增量的主體,但“富煤貧油少氣”的能源特征決定了我國可再生能源發展的現實困難,因此,為了提高可再生能源占比,在取代化石能源的同時,還要創造新的市場需求,其中數據中心就是一個較好的選擇。

我國數字經濟持續增長,已經成為驅動我國經濟發展的核心力量之一。數據中心數量與機架數量劇增,電力需求增長迅猛,預計2020年數據中心用電總量將達到2023億千瓦時,占全社會用電總量的2.7%;2030年將突破4000億千瓦時,占全社會用電總量的3.7%。

2020年5月,青海海南州大數據產業園投運,機架總規模達到10萬架,一年的耗電量為57億度,接入電站185座,為青海省新能源就地消納提供了巨大的市場空間。2020年6月,阿里巴巴張北云計算基地綠色數據中心新能源微電網示范項目110千伏升壓站綜合樓主體工程封頂。早在2012年,廣東省就建成了第一個100%依靠太陽能發電的數據中心,計算和驗證了在光伏自供電條件下的數據中心全生命周期內用電成本的經濟性。除此之外,麥當勞和蘋果公司等跨國公司都提出100%使用綠電,陽光電源也加入RE100(Renewable Energy 100)綠色倡議組織。這些舉措都拓寬了可再生能源的消費空間,助力全球能源低碳轉型。

隨著時代的進步,新生事物層出不窮,把可再生能源發展始終融入到新時代發展的進程中,是實現可持續發展目標的重要保障。

3. 依托輔助服務市場的支持

由于可再生能源發電具有隨機性、波動性和間歇性的特點,其大規模應用離不開調頻、調峰、調壓、備用、黑啟動等輔助服務市場的支持。2016年,葡萄牙以風電為主,抽水蓄能電站參與調峰,且包含了部分燃氣電站發電,成功進行了全世界第一次全清潔能源持續供電107小時的實踐。2017年,我國青海依靠優質調峰機組提供支撐,成功進行了全清潔能源持續供電168小時的實踐。

2020年,甘肅省依托輔助服務市場及需求側響應,深挖網內調峰能力,擴大新能源消納規模;貴州省通過深挖火電調峰潛力、預泄騰庫、科學攔洪、跨流域梯級水電聯合優化調度等措施,大力提升了貴州電網清潔能源發電占比;2020年上半年,內蒙古充分利用調峰輔助服務市場調節手段,累計開展省內調峰15次,省間調峰4次,新能源增發電量7335萬千瓦時,保障新能源消納空間。

4. 實施電力用戶側需求響應

電力用戶側需求響應是電力用戶根據價格信號變化等主動改變用電習慣,達到減少或推移某時段的用電負荷而響應電力供應,從而保障電網安全穩定,是需求側管理的一種方式。通過用戶側需求響應,可以實現擴大清潔能源消納的目的。

比如,2019年,青海省就在“綠電15日”期間實施峰谷時間段互換“綠色套餐”的創新,積極引導負荷側30家企業157萬千瓦負荷參與響應,累計增加光伏消納電量6582萬千瓦時。在實施綠電計劃期間,以電價為杠桿,引導三江源地區蓄熱式電鍋爐作為用戶側儲能參與調峰,增加光伏消納規模。

總之,以上市場手段都是建立在我國電力體制改革深化的基礎上。自2005年以來,我國經歷了兩輪電力體制改革,目前改革已經取得了巨大成就,數以萬計電力用戶直接參與電力交易,電力系統格局完全改變。無論是平臺建設、市場規則還是監管機制,都顯示出市場的開放程度不斷提升。除了中長期交易,現貨試點正在緊鑼密鼓地開展,輔助服務等配套市場也在逐步探索與構建。正是依托于這些改革成就,我們能夠在遭受新冠疫情危機時,利用好市場化手段,保障在可再生能源發電占比上升的情況下電力系統的安全穩定運行。

技術讓電網安全穩定更有保障

除了以上市場手段引導電力生產和消費之外,還需要很多電力技術手段保障電力系統安全穩定運行。

1. 儲能技術廣泛應用

電力商品的特殊性決定了其生產和消費的實時平衡,而儲能技術的應用破解了這種特殊性所帶來的限制,在能源低碳轉型的進程中,儲能技術能夠保障大規模集中式可再生能源電力的消納,還能夠整合各種能源品類,結合交通、建筑、工業等,發展“能源+”的新業態,形成新的商業模式。

青海省很早就開始廣泛推廣應用儲能技術,推進國家清潔能源示范省建設。2017年6月,青海省發改委發布當年的風電開發建設方案,在全國首次提出風電項目應該按照建設規模的10%配套建設儲能裝置。后來由于商業模式不成熟,政策由強制改為鼓勵。

經過幾年的探索,受到儲能項目經濟性因素的制約,青海省突破性地提出并成功實踐了“共享儲能”的模式,截至2020年8月,基于區塊鏈的青海共享儲能交易累計成交1172筆,增發電量2624萬千瓦時,有力推動了新能源產業效益的提升。

儲能技術的應用可以實現電力削峰填谷,促進可再生能源消納,加快源網荷儲友好互動系統建設,而且儲能系統成本正在隨著商業化的進程逐漸下降。根據彭博新能源財經的數據顯示,目前就實現日內削峰而言,在澳大利亞、歐洲、日本和中國,新建的兩小時儲能系統已經具備與燃氣調峰電廠相當的成本競爭力。

2. 電網優化配置能力

在電網側,通過智能技術、區塊鏈技術等提升調度控制能力,創新調度模式,優化水火風光儲等多能源互補協調控制,綜合運用風光自然互補、水電梯級聯調、火電深度調峰、儲能削峰填谷,為新能源消納騰挪空間,提升新能源消納水平。

隨著技術的進步,電網公司有更多先進的技術手段,優化提升配置能力,保障電網安全穩定運行。比如,在負荷下降引起電壓超限問題時,可以采取關閉自動電壓控制和電容器、關閉電抗器、源網荷協調控制、加強重點線路巡檢等來應對;在光伏發電滲透率較高的地區,負荷下降給電壓控制和無功平衡帶來挑戰時,采取包括斷開傳輸線路、確保大型工業客戶連接、調整發電機出力等措施應對;以及提高旋轉備用、增加可中斷負荷,以便供應中斷時迅速恢復供需平衡;等。

3. 提高功率預測精度

功率預測是新能源場站運行的重要工作,發電功率預測系統作為并網新能源電場的基礎系統之一,是電網調度管理部門制定并網發電計劃的主要參考手段。發電功率預測系統的運行情況會影響新能源電場的并網電發電量,同時,又直接影響電網公司的調度策略。

因此,電網公司和發電企業利用大數據、云計算等技術,不斷提升新能源預測準確率,強化運行管理和技術指導,優先消納新能源。同時又在負荷側通過使用基于最新數據的數學模型、加強與大型工業用戶的溝通、調整安全約束經濟調度等舉措,解決負荷預測難題,從而使電力供需雙方實現基本的實時平衡。

4. 加大電網設施建設

在支持可再生能源發展的過程中,電網起到了不可取代的重要作用。特高壓輸電技術全面突破,遠距離、大容量、低損耗的技術經濟優勢,使其得到廣泛應用,解決了我國電力生產與消費的空間格局不一致問題。截至2019年底,我國在運特高壓累計線路長度達4.8萬千米,累計輸送電量16000億千瓦時,2019年輸送的4650億千瓦時電量中有超過70%是清潔能源。

目前,南方區域已經形成“八條交流、十條直流”共18條500千伏及以上西電東送大通道,最大送電能力超過5000萬千瓦。依托西電東送輸電通道,西部清潔能源得以輸送到東部負荷中心。

正在建設中的昆柳龍直流和云貴互聯工程等西電東送重點工程,可以幫助云南增加近5000萬千瓦的電力外送能力,將促進清潔能源在更大范圍內消納。

2020年,國家電網明確規劃剩余全部2直5交特高壓路線迅速核準開建,同時超預期追加“金上水電外送工程”“隴東-山東工程”“哈密-重慶工程”3條直流線路,納入國家電力統一規劃后開展科研設計一體化招標。

電網設施建設的規模和質量不斷提升,為可再生能源高滲透率情景下的電力安全穩定運行提供了堅實的系統保障。

總之,科技進步改變人們的生產生活,進入二十一世紀以來,電力系統技術突飛猛進,電力設備控制技術、電力系統功率調節技術、智能調度技術、交直流輸電技術、柔性交直流輸電技術、特高壓技術等新技術的廣泛應用,保障了當代電力系統的安全穩定運行。

可再生能源高滲透率的發展建議

新冠疫情發生后,全球經濟陷入衰退,交通、貿易出現中斷,沖擊各國能源市場,而可再生能源表現出了較強的彈性,預計2020年全球電力結構將出現最大幅度的低碳轉型。隨著科技的進步和市場的完善,電力系統也已具備了應對可再生能源高滲透率情景的準備。

現階段,各國正在出臺或討論經濟刺激政策,若這些一攬子政策能夠與能源低碳轉型充分結合,既能實現經濟復蘇目標,還能夠實現氣候變化控制目標,是非常完美的投資選擇。因此,本文提出以下建議:

1. 我國政府應明確發展可再生能源可以作為經濟刺激的主要方向之一。

目前,已經有很多國家和地區關注綠色復蘇,如歐盟各國計劃用于發展可再生能源行業、新能源汽車以及其他低碳技術的預算達430億歐元;韓國計劃到2025年在綠色新政項目上投入114.1萬億韓元。中國在2020年兩會期間明確了“新基建”的經濟刺激計劃,但更多關注提供數字轉型、智能升級等基礎設施,對可再生能源的支持力度略顯不足。因此,建議在“十四五”乃至更長的時間里,以更大決心支持能源生產與消費革命,提高可再生能源建設規模,制定更大力度的國家戰略規劃。

2. 除了補貼手段外,綠色金融、綠色債券、綠色基金、綠色保險等綠色經濟產品可以在經濟復蘇和可再生能源發展中起到積極作用。

可再生能源發電項目雖然邊際成本幾乎為0,但初始投資成本較高。因此,采用綠色經濟產品可以幫助擴大投資規模、降低融資成本。政府還可以通過提供擔保和合同減少金融風險,吸引更多民間投資者在可再生能源領域進行投資。政府直接或間接主導著超過70%的全球能源投資,因此,各國政府應當將投資引導至一條更加可持續發展的道路上來。2020年,財政部牽頭成立國家綠色發展基金股份有限公司,國家開發銀行首次試點多市場同發“應對氣候變化”專題綠色金融債券,這些都為可再生能源發展提供了有力的資金支持。

3. 加快電氣化進程,拓寬可再生能源應用空間。

根據國網能源研究院的判斷,預計2050年非化石能源占一次能源的比重將超過50%,電能在終端能源消費中的比重將超過50%。所有提供動力、熱力的能源都是潛在的電能替代者,電氣化進程對于構建清潔低碳、安全高效的能源體系至關重要。在我國,尤其是交通電氣化對空氣污染防治具有重大影響。更具可持續性的運輸措施,需要加速推動電動汽車的普及,并進一步提高傳統汽車的效率。

2020年10月國務院批準的《新能源汽車產業發展規劃》為電動汽車發展注入了強心劑。另外,數據中心被定義為“新基建”的范疇,這些都是用電大戶。如果選擇電氣化和數據中心等能夠與可再生能源產業相融合的發展道路將是實現經濟刺激和可持續發展雙重目標的重要保障。

4. 完善電力市場建設,創造適合可再生能源發展的市場環境。

電力是民生必需品,在交易中具有商品的特點,但核心作用是保障民眾的日常生活。過于劇烈的價格波動,既不利于吸引足夠的投資以保障供應,也不利于電力供應的清潔化和綠色化,因此我國在推進電力市場機制建立的過程中,應該吸收各個國家電力市場建設進程中的經驗及教訓,為各種可能存在的極端情況提供轉換機制。

針對各地區電力市場實踐中出現的問題,電力中長期交易規則仍需完善,同時輔以電力現貨市場交易、跨省區電力交易、輔助服務市場交易、以及隔墻售電或虛擬電廠等新形式,給電力市場主體更多選擇權。在電力市場中,通過機制設計,使全社會共同承擔可再生能源消納責任,多種方式推廣綠證交易,創造更多的綠證需求,培育社會綠色消費習慣,引導綠證市場進入良性循環通道。

5. 增強系統靈活性,創造適合可再生能源發展的技術環境。

由于電力需求的下降,并且可能長時間低于原有預期,可再生能源發電的占比可能普遍上升,系統對靈活性的需求將比以往更為迫切。提升靈活性的主要解決方案包括配置調節電源、負荷側響應、儲能技術應用、提升互聯互通等,它們各有優缺點,效果和特點也不盡相同。當前,電化學儲能和抽水蓄能規模,與我國發電裝機規模相比,調節能力仍顯不足,低成本、高安全、高效率的電化學儲能技術亟待突破和大規模應用。因此,建議加快建立并完善電力輔助服務市場,針對靈活性電源、電化學等儲能系統出臺容量電價,進一步提高靈活性調節電源以及儲能裝置建設的積極性,提高電力系統的調節能力。

6. 優化電網建設,提高電網投資效率。

新冠疫情危機表明,人類社會安全穩定都離不開堅強可靠、系統均衡、低廉高效的電力系統,這就需要持續的電網投資,以安全可靠的電網支撐電力供給和需求。電力被國家和社會賦予了較多的社會責任,必須實現社會的普遍服務,必須為滿足電力用戶的用電意愿進行必要的電網建設。電網建設規劃不能脫離電源側、用戶側而獨立制定,必須為實現清潔能源開發利用與電網建設的協調配合,實施綜合規劃,跨區輸電通道與送端配套清潔電源和送受端配套電網建設都需要加強??茖W合理必要的電網建設支出可以保障在可再生能源高滲透率情景下的電力安全穩定運行,完備的市場規則下有效率的投資支出可以實現在電力主體之間的成本分攤。雖然2020年全國新能源利用率整體可以保持在95%以上,但個別省區面臨較大壓力。一些特高壓工程項目的投產起到了緩解新能源并網消納的難題,但對滿足更高的可再生能源占比目標來說,還需要持續高效的必要投入?!笆奈濉逼陂g,電網公司要承擔起建設堅強電網、提升綠色能源外送能力的重要使命,提高清潔能源消納比例,鞏固能源安全。

相信在未來若干年,電力技術的持續進步和廣泛應用,全國統一電力市場的建立和完善,都能夠為可再生能源高滲透率情景下的電力系統安全穩定運行提供堅強的保障。

關鍵字:新能源,儲能

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