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如何实现高比例可再生能源情景下的电力安全稳定运行

作者:程婉静 来源:能源杂志 发布时间:2021-01-13 浏览:
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文 | 程婉静

作者供职于龙源电力集团新能源发展研究中心

2020年新冠疫情爆发后,经济活动暂时中断,市场需求受到冲击,社会生产对能源的需求,人民生活尤其是交通出行对能源的需求,都因疫情而大幅降低。根据国际能源署的预测,2020年全球能源需求可能下滑5%,所有能源品种需求都将受到影响,其中煤炭需求量预计下降7%,天然气需求量预计下降3%,石油需求量预计下降8%。

在能源生产方面,由于电力需求下降及市场价格低迷,电力系统存在过剩的装机容量,煤、油、气机组普遍选择降低电力生产甚至关停。全球疫情冲击供应链,很多技术和零部件生产都遭受到潜在的供应链瓶颈,人员流动限制和物流交通限制产生了更为严重的影响。由于全球疫情冲击的不断反复,2020年下半年仍有大量原油库存。

在这个过程中,可再生能源表现抢眼,以风、光为代表的可再生能源电力生产和需求在能源结构中的比重逆势增长,各国和地区的实践都体现出了可再生能源高渗透率情景的市场可行性和技术可行性。全球电力结构正加速向低碳转型迈进。

可再生能源发展是各国能源转型的基本共识,但以往社会普遍存在一个看法,就是在可再生能源高渗透率的情景下,对电力灵活性和调节能力,以及电力市场交易等要求都更高。

当前,各国在能源转型的过程中处于不同的历史阶段,但无一例外的是,新冠疫情的影响加快了各国能源低碳转型的步伐。通过分析上述国家和地区的电力系统安全稳定运行经验,可以总结为市场保障和技术保障。

市场是优化配置的基础

电力市场健全的情况下,交易品种、交易类型、交易期限等更加灵活完善,可以为电力商品提供更多交易选择。越是完备的电力市场,越能克服信息不对称等市场缺陷,越能够更好地实现电力资源在更大范围的优化配置。

1. 开展跨省区电力市场交易

我国电力生产与电力消费的空间格局并不一致,尤其是集中式可再生能源发电项目主要集中在“三北”地区,而电力消费负荷中心多集中在东部和南部地区。空间的不匹配决定了我国跨省区电力交易市场的重要性。

2020年上半年,国家电网以市场化方式消纳可再生能源,制定了跨省区富余可再生能源现货市场建设方案和规则。自2017年8月18日启动的跨区域省间富余可再生能源电力现货交易试点,已连续运行超过1000天,电力交易市场保持活跃,有效促进了可再生能源在全国范围的优化配置。

青海省在2018-2020年连续三年实施了“绿电9日”“绿电15日”和“绿电100日”活动,这期间火电发电量占比很低,且全部以市场化手段送出省外,实现了100%使用绿色电力的目标,清洁能源发电量中也有将近1/3通过跨区交易外送。

随着电力市场化改革的持续深化,电力市场交易规模不断扩大,通过挖掘省区间电力交易的潜力,创新多种新能源交易品种,扩大新能源省间交易规模,通过电力市场发挥调节功能,提升了新能源上网消纳的比例。

2. 拓宽可再生能源市场需求

可再生能源已经成为我国能源增量的主体,但“富煤贫油少气”的能源特征决定了我国可再生能源发展的现实困难,因此,为了提高可再生能源占比,在取代化石能源的同时,还要创造新的市场需求,其中数据中心就是一个较好的选择。

我国数字经济持续增长,已经成为驱动我国经济发展的核心力量之一。数据中心数量与机架数量剧增,电力需求增长迅猛,预计2020年数据中心用电总量将达到2023亿千瓦时,占全社会用电总量的2.7%;2030年将突破4000亿千瓦时,占全社会用电总量的3.7%。

2020年5月,青海海南州大数据产业园投运,机架总规模达到10万架,一年的耗电量为57亿度,接入电站185座,为青海省新能源就地消纳提供了巨大的市场空间。2020年6月,阿里巴巴张北云计算基地绿色数据中心新能源微电网示范项目110千伏升压站综合楼主体工程封顶。早在2012年,广东省就建成了第一个100%依靠太阳能发电的数据中心,计算和验证了在光伏自供电条件下的数据中心全生命周期内用电成本的经济性。除此之外,麦当劳和苹果公司等跨国公司都提出100%使用绿电,阳光电源也加入RE100(Renewable Energy 100)绿色倡议组织。这些举措都拓宽了可再生能源的消费空间,助力全球能源低碳转型。

随着时代的进步,新生事物层出不穷,把可再生能源发展始终融入到新时代发展的进程中,是实现可持续发展目标的重要保障。

3. 依托辅助服务市场的支持

由于可再生能源发电具有随机性、波动性和间歇性的特点,其大规模应用离不开调频、调峰、调压、备用、黑启动等辅助服务市场的支持。2016年,葡萄牙以风电为主,抽水蓄能电站参与调峰,且包含了部分燃气电站发电,成功进行了全世界第一次全清洁能源持续供电107小时的实践。2017年,我国青海依靠优质调峰机组提供支撑,成功进行了全清洁能源持续供电168小时的实践。

2020年,甘肃省依托辅助服务市场及需求侧响应,深挖网内调峰能力,扩大新能源消纳规模;贵州省通过深挖火电调峰潜力、预泄腾库、科学拦洪、跨流域梯级水电联合优化调度等措施,大力提升了贵州电网清洁能源发电占比;2020年上半年,内蒙古充分利用调峰辅助服务市场调节手段,累计开展省内调峰15次,省间调峰4次,新能源增发电量7335万千瓦时,保障新能源消纳空间。

4. 实施电力用户侧需求响应

电力用户侧需求响应是电力用户根据价格信号变化等主动改变用电习惯,达到减少或推移某时段的用电负荷而响应电力供应,从而保障电网安全稳定,是需求侧管理的一种方式。通过用户侧需求响应,可以实现扩大清洁能源消纳的目的。

比如,2019年,青海省就在“绿电15日”期间实施峰谷时间段互换“绿色套餐”的创新,积极引导负荷侧30家企业157万千瓦负荷参与响应,累计增加光伏消纳电量6582万千瓦时。在实施绿电计划期间,以电价为杠杆,引导三江源地区蓄热式电锅炉作为用户侧储能参与调峰,增加光伏消纳规模。

总之,以上市场手段都是建立在我国电力体制改革深化的基础上。自2005年以来,我国经历了两轮电力体制改革,目前改革已经取得了巨大成就,数以万计电力用户直接参与电力交易,电力系统格局完全改变。无论是平台建设、市场规则还是监管机制,都显示出市场的开放程度不断提升。除了中长期交易,现货试点正在紧锣密鼓地开展,辅助服务等配套市场也在逐步探索与构建。正是依托于这些改革成就,我们能够在遭受新冠疫情危机时,利用好市场化手段,保障在可再生能源发电占比上升的情况下电力系统的安全稳定运行。

技术让电网安全稳定更有保障

除了以上市场手段引导电力生产和消费之外,还需要很多电力技术手段保障电力系统安全稳定运行。

1. 储能技术广泛应用

电力商品的特殊性决定了其生产和消费的实时平衡,而储能技术的应用破解了这种特殊性所带来的限制,在能源低碳转型的进程中,储能技术能够保障大规模集中式可再生能源电力的消纳,还能够整合各种能源品类,结合交通、建筑、工业等,发展“能源+”的新业态,形成新的商业模式。

青海省很早就开始广泛推广应用储能技术,推进国家清洁能源示范省建设。2017年6月,青海省发改委发布当年的风电开发建设方案,在全国首次提出风电项目应该按照建设规模的10%配套建设储能装置。后来由于商业模式不成熟,政策由强制改为鼓励。

经过几年的探索,受到储能项目经济性因素的制约,青海省突破性地提出并成功实践了“共享储能”的模式,截至2020年8月,基于区块链的青海共享储能交易累计成交1172笔,增发电量2624万千瓦时,有力推动了新能源产业效益的提升。

储能技术的应用可以实现电力削峰填谷,促进可再生能源消纳,加快源网荷储友好互动系统建设,而且储能系统成本正在随着商业化的进程逐渐下降。根据彭博新能源财经的数据显示,目前就实现日内削峰而言,在澳大利亚、欧洲、日本和中国,新建的两小时储能系统已经具备与燃气调峰电厂相当的成本竞争力。

2. 电网优化配置能力

在电网侧,通过智能技术、区块链技术等提升调度控制能力,创新调度模式,优化水火风光储等多能源互补协调控制,综合运用风光自然互补、水电梯级联调、火电深度调峰、储能削峰填谷,为新能源消纳腾挪空间,提升新能源消纳水平。

随着技术的进步,电网公司有更多先进的技术手段,优化提升配置能力,保障电网安全稳定运行。比如,在负荷下降引起电压超限问题时,可以采取关闭自动电压控制和电容器、关闭电抗器、源网荷协调控制、加强重点线路巡检等来应对;在光伏发电渗透率较高的地区,负荷下降给电压控制和无功平衡带来挑战时,采取包括断开传输线路、确保大型工业客户连接、调整发电机出力等措施应对;以及提高旋转备用、增加可中断负荷,以便供应中断时迅速恢复供需平衡;等。

3. 提高功率预测精度

功率预测是新能源场站运行的重要工作,发电功率预测系统作为并网新能源电场的基础系统之一,是电网调度管理部门制定并网发电计划的主要参考手段。发电功率预测系统的运行情况会影响新能源电场的并网电发电量,同时,又直接影响电网公司的调度策略。

因此,电网公司和发电企业利用大数据、云计算等技术,不断提升新能源预测准确率,强化运行管理和技术指导,优先消纳新能源。同时又在负荷侧通过使用基于最新数据的数学模型、加强与大型工业用户的沟通、调整安全约束经济调度等举措,解决负荷预测难题,从而使电力供需双方实现基本的实时平衡。

4. 加大电网设施建设

在支持可再生能源发展的过程中,电网起到了不可取代的重要作用。特高压输电技术全面突破,远距离、大容量、低损耗的技术经济优势,使其得到广泛应用,解决了我国电力生产与消费的空间格局不一致问题。截至2019年底,我国在运特高压累计线路长度达4.8万千米,累计输送电量16000亿千瓦时,2019年输送的4650亿千瓦时电量中有超过70%是清洁能源。

目前,南方区域已经形成“八条交流、十条直流”共18条500千伏及以上西电东送大通道,最大送电能力超过5000万千瓦。依托西电东送输电通道,西部清洁能源得以输送到东部负荷中心。

正在建设中的昆柳龙直流和云贵互联工程等西电东送重点工程,可以帮助云南增加近5000万千瓦的电力外送能力,将促进清洁能源在更大范围内消纳。

2020年,国家电网明确规划剩余全部2直5交特高压路线迅速核准开建,同时超预期追加“金上水电外送工程”“陇东-山东工程”“哈密-重庆工程”3条直流线路,纳入国家电力统一规划后开展科研设计一体化招标。

电网设施建设的规模和质量不断提升,为可再生能源高渗透率情景下的电力安全稳定运行提供了坚实的系统保障。

总之,科技进步改变人们的生产生活,进入二十一世纪以来,电力系统技术突飞猛进,电力设备控制技术、电力系统功率调节技术、智能调度技术、交直流输电技术、柔性交直流输电技术、特高压技术等新技术的广泛应用,保障了当代电力系统的安全稳定运行。

可再生能源高渗透率的发展建议

新冠疫情发生后,全球经济陷入衰退,交通、贸易出现中断,冲击各国能源市场,而可再生能源表现出了较强的弹性,预计2020年全球电力结构将出现最大幅度的低碳转型。随着科技的进步和市场的完善,电力系统也已具备了应对可再生能源高渗透率情景的准备。

现阶段,各国正在出台或讨论经济刺激政策,若这些一揽子政策能够与能源低碳转型充分结合,既能实现经济复苏目标,还能够实现气候变化控制目标,是非常完美的投资选择。因此,本文提出以下建议:

1. 我国政府应明确发展可再生能源可以作为经济刺激的主要方向之一。

目前,已经有很多国家和地区关注绿色复苏,如欧盟各国计划用于发展可再生能源行业、新能源汽车以及其他低碳技术的预算达430亿欧元;韩国计划到2025年在绿色新政项目上投入114.1万亿韩元。中国在2020年两会期间明确了“新基建”的经济刺激计划,但更多关注提供数字转型、智能升级等基础设施,对可再生能源的支持力度略显不足。因此,建议在“十四五”乃至更长的时间里,以更大决心支持能源生产与消费革命,提高可再生能源建设规模,制定更大力度的国家战略规划。

2. 除了补贴手段外,绿色金融、绿色债券、绿色基金、绿色保险等绿色经济产品可以在经济复苏和可再生能源发展中起到积极作用。

可再生能源发电项目虽然边际成本几乎为0,但初始投资成本较高。因此,采用绿色经济产品可以帮助扩大投资规模、降低融资成本。政府还可以通过提供担保和合同减少金融风险,吸引更多民间投资者在可再生能源领域进行投资。政府直接或间接主导着超过70%的全球能源投资,因此,各国政府应当将投资引导至一条更加可持续发展的道路上来。2020年,财政部牵头成立国家绿色发展基金股份有限公司,国家开发银行首次试点多市场同发“应对气候变化”专题绿色金融债券,这些都为可再生能源发展提供了有力的资金支持。

3. 加快电气化进程,拓宽可再生能源应用空间。

根据国网能源研究院的判断,预计2050年非化石能源占一次能源的比重将超过50%,电能在终端能源消费中的比重将超过50%。所有提供动力、热力的能源都是潜在的电能替代者,电气化进程对于构建清洁低碳、安全高效的能源体系至关重要。在我国,尤其是交通电气化对空气污染防治具有重大影响。更具可持续性的运输措施,需要加速推动电动汽车的普及,并进一步提高传统汽车的效率。

2020年10月国务院批准的《新能源汽车产业发展规划》为电动汽车发展注入了强心剂。另外,数据中心被定义为“新基建”的范畴,这些都是用电大户。如果选择电气化和数据中心等能够与可再生能源产业相融合的发展道路将是实现经济刺激和可持续发展双重目标的重要保障。

4. 完善电力市场建设,创造适合可再生能源发展的市场环境。

电力是民生必需品,在交易中具有商品的特点,但核心作用是保障民众的日常生活。过于剧烈的价格波动,既不利于吸引足够的投资以保障供应,也不利于电力供应的清洁化和绿色化,因此我国在推进电力市场机制建立的过程中,应该吸收各个国家电力市场建设进程中的经验及教训,为各种可能存在的极端情况提供转换机制。

针对各地区电力市场实践中出现的问题,电力中长期交易规则仍需完善,同时辅以电力现货市场交易、跨省区电力交易、辅助服务市场交易、以及隔墙售电或虚拟电厂等新形式,给电力市场主体更多选择权。在电力市场中,通过机制设计,使全社会共同承担可再生能源消纳责任,多种方式推广绿证交易,创造更多的绿证需求,培育社会绿色消费习惯,引导绿证市场进入良性循环通道。

5. 增强系统灵活性,创造适合可再生能源发展的技术环境。

由于电力需求的下降,并且可能长时间低于原有预期,可再生能源发电的占比可能普遍上升,系统对灵活性的需求将比以往更为迫切。提升灵活性的主要解决方案包括配置调节电源、负荷侧响应、储能技术应用、提升互联互通等,它们各有优缺点,效果和特点也不尽相同。当前,电化学储能和抽水蓄能规模,与我国发电装机规模相比,调节能力仍显不足,低成本、高安全、高效率的电化学储能技术亟待突破和大规模应用。因此,建议加快建立并完善电力辅助服务市场,针对灵活性电源、电化学等储能系统出台容量电价,进一步提高灵活性调节电源以及储能装置建设的积极性,提高电力系统的调节能力。

6. 优化电网建设,提高电网投资效率。

新冠疫情危机表明,人类社会安全稳定都离不开坚强可靠、系统均衡、低廉高效的电力系统,这就需要持续的电网投资,以安全可靠的电网支撑电力供给和需求。电力被国家和社会赋予了较多的社会责任,必须实现社会的普遍服务,必须为满足电力用户的用电意愿进行必要的电网建设。电网建设规划不能脱离电源侧、用户侧而独立制定,必须为实现清洁能源开发利用与电网建设的协调配合,实施综合规划,跨区输电通道与送端配套清洁电源和送受端配套电网建设都需要加强。科学合理必要的电网建设支出可以保障在可再生能源高渗透率情景下的电力安全稳定运行,完备的市场规则下有效率的投资支出可以实现在电力主体之间的成本分摊。虽然2020年全国新能源利用率整体可以保持在95%以上,但个别省区面临较大压力。一些特高压工程项目的投产起到了缓解新能源并网消纳的难题,但对满足更高的可再生能源占比目标来说,还需要持续高效的必要投入。“十四五”期间,电网公司要承担起建设坚强电网、提升绿色能源外送能力的重要使命,提高清洁能源消纳比例,巩固能源安全。

相信在未来若干年,电力技术的持续进步和广泛应用,全国统一电力市场的建立和完善,都能够为可再生能源高渗透率情景下的电力系统安全稳定运行提供坚强的保障。

关键字:新能源,储能

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