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構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng):愿景與現(xiàn)實(shí)路徑

文章出處:   責(zé)任編輯:   發(fā)布時(shí)間:2021-11-01 10:30:28    點(diǎn)擊數(shù):-   【

3月15日,中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議召開(kāi),包括實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的基本思路和主要舉措等重要主題。會(huì)議指出,“十四五”是碳達(dá)峰的關(guān)鍵期、窗口期,要構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系,控制化石能源總量,著力提高利用效能,實(shí)施可再生能源替代行動(dòng),深化電力體制改革,構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。

全新提法,意味著新能源地位的進(jìn)一步提升,未來(lái)的電網(wǎng)建設(shè)、常規(guī)電源發(fā)展、電力市場(chǎng)機(jī)制的建立都將服務(wù)于這一主題,也重申了可再生能源發(fā)電對(duì)于實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的中心作用。但未來(lái)處于主體地位的新能源,與作為能源互聯(lián)網(wǎng)中樞平臺(tái)的電力系統(tǒng)如何協(xié)同發(fā)展,仍面臨很多的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

01、需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題

2020年,我國(guó)新能源總裝機(jī)取得突破性進(jìn)展,全年新增裝機(jī)約1.2億千瓦,截至年底新能源裝機(jī)達(dá)到5.3億千瓦,比例超過(guò)24%,但離“主體”定位仍差距較遠(yuǎn)。然而從當(dāng)前形勢(shì)來(lái)看,新能源的發(fā)展并非坦途,至少面臨以下問(wèn)題的挑戰(zhàn):

圖1 我國(guó)電源裝機(jī)規(guī)模示意圖

(一)資源開(kāi)發(fā)與送出問(wèn)題

當(dāng)前,新能源開(kāi)發(fā)呈現(xiàn)出集中式與分布式并重的趨勢(shì)。

1.新能源基地接入與送出限制

要實(shí)現(xiàn)到2030年,中國(guó)風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億千瓦以上的目標(biāo),新能源開(kāi)發(fā)重心必將繼續(xù)轉(zhuǎn)向西部地區(qū),大基地、特高壓送出為其主要形式。電網(wǎng)公司加大了特高壓通道的建設(shè)力度,但新能源的超大規(guī)模發(fā)展,同時(shí)受新能源接入和送出系統(tǒng)安全穩(wěn)定約束,送出通道問(wèn)題估計(jì)將持續(xù)困擾新能源的開(kāi)發(fā)。

特高壓通道的輸送能力和新能源輸送比例經(jīng)常被詬病,但有其深層次原因,一方面是新能源設(shè)備發(fā)電小時(shí)數(shù)有限,另一方面受多方面的電網(wǎng)安全穩(wěn)定約束。其中一個(gè)重要的安全穩(wěn)定因素,是高比例電力電子設(shè)備系統(tǒng)短路比要求,一方面并網(wǎng)點(diǎn)短路容量與接入的新能源容量之比不得低于運(yùn)行限值,另一方面直流送出通道也需滿足短路容量比要求。這其中隱含著一定悖論,接入和輸送大功率的新能源,需要送出側(cè)有較強(qiáng)的交流系統(tǒng)支撐,而在新能源基地配套一個(gè)強(qiáng)大的交流系統(tǒng),會(huì)造成火電機(jī)組的增加和投資的無(wú)限制增長(zhǎng)。

2.分布式新能源受資源限制。與集中開(kāi)發(fā)方式相比,分布式開(kāi)發(fā)方式更容易與新能源低能量密度特點(diǎn)相匹配,同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)就地就近消納,降低能源大范圍傳輸(運(yùn)輸)的高投入和高損耗,提升能源供應(yīng)安全,緩解能源生產(chǎn)與負(fù)荷逆向分布的矛盾。近年來(lái),分布式新能源特別是分布式光伏受到廣泛重視,逐漸成為重要的發(fā)展趨勢(shì),但因受建筑屋頂以及中東部土地資源限制,經(jīng)過(guò)幾年的開(kāi)發(fā),優(yōu)質(zhì)的工商業(yè)項(xiàng)目競(jìng)爭(zhēng)比較激烈。盡管2020年新增分布式光伏達(dá)到15.5GW,但其中戶用超過(guò)10GW。隨著各企業(yè)紛紛進(jìn)入,分布式新能源開(kāi)發(fā)難度可能繼續(xù)增加。

圖2引自:中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì),中國(guó)光伏行業(yè)2020年回顧與2021年展望

(二)電力系統(tǒng)發(fā)用電平衡與發(fā)電充裕度問(wèn)題

新能源為主體的電力系統(tǒng)中,隨機(jī)性、間歇性的電源成為主力,而在用戶側(cè)隨著電動(dòng)汽車、空調(diào)等間歇性負(fù)荷的比例日益增長(zhǎng),發(fā)電側(cè)和用戶側(cè)“雙尖峰”特性日益明顯,兩方面擠壓火電、水電等常規(guī)電源,對(duì)于電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)平衡提出了更大挑戰(zhàn)。

得州大停電和我國(guó)部分省份拉閘限電問(wèn)題,引起了全社會(huì)的大討論。新能源比例增長(zhǎng)到一定程度,在沒(méi)有其他調(diào)節(jié)機(jī)制的情況下,必然造成兩個(gè)極端:一方面是新能源富裕時(shí)段電力供過(guò)于求,火電壓出力問(wèn)題更加尖銳;另一方面是負(fù)荷尖峰疊加新能源小發(fā)方式下,電力供應(yīng)嚴(yán)重不足。沒(méi)有合適的市場(chǎng)機(jī)制,電力系統(tǒng)有效容量和電量之間失衡的問(wèn)題將更加突出。

(三)電力系統(tǒng)整體安全穩(wěn)定問(wèn)題

新能源為主體的電力系統(tǒng),更加呈現(xiàn)高比例可再生能源、高比例電力電子設(shè)備的“雙高”特征,系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量持續(xù)下降,調(diào)頻、調(diào)壓能力不足,加之直流系統(tǒng)電壓、頻率、電流耐受能力差,因電網(wǎng)擾動(dòng)造成的直流系統(tǒng)故障可能頻發(fā),導(dǎo)致連鎖反應(yīng)造成系統(tǒng)失穩(wěn)的概率增大。

當(dāng)前,雖然有技術(shù)手段在直流側(cè)進(jìn)行慣量模擬,但尚無(wú)法在根本機(jī)理上進(jìn)行解決。交流電力系統(tǒng)具有較強(qiáng)的“自愈能力”,簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是交流設(shè)備之間通過(guò)同步的交流電磁場(chǎng)進(jìn)行強(qiáng)耦合,在功角、電壓發(fā)生擾動(dòng)后,相互之間的作用力能將發(fā)生偏離的設(shè)備拉回平衡狀態(tài),可以說(shuō)交流系統(tǒng)能夠齊心協(xié)力尋找全局平衡狀態(tài)。而接入交流系統(tǒng)的直流設(shè)備,本質(zhì)上是電氣上的孤島,不能形成同步磁場(chǎng)的強(qiáng)耦合關(guān)系,無(wú)法成為電力系統(tǒng)功角和頻率穩(wěn)定的平衡器。針對(duì)局部直流系統(tǒng)的優(yōu)化控制,都是在外部信號(hào)驅(qū)動(dòng)下的局部控制,并不能感受電力系統(tǒng)的全局變量(這種全局變量通過(guò)交流電磁場(chǎng)傳遞),無(wú)法像交流電源一樣為電力系統(tǒng)的“自愈”作出貢獻(xiàn)。

另一方面,電力系統(tǒng)仿真是進(jìn)行安全穩(wěn)定分析的重要工具,為電力系統(tǒng)規(guī)劃、方式安排提供重要的依據(jù)。但隨著新能源接入造成計(jì)算節(jié)點(diǎn)激增,以及新能源功率具有隨機(jī)特性,給設(shè)備建模和系統(tǒng)仿真帶來(lái)重大挑戰(zhàn),“新能源為主體的電力系統(tǒng)”越來(lái)越難用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行分析。

(四)價(jià)格疏導(dǎo)機(jī)制缺失

國(guó)家對(duì)于降電價(jià)的總基調(diào),限制了有利于新能源發(fā)展的市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì),國(guó)外經(jīng)驗(yàn)表明新能源開(kāi)發(fā)與消納的高投入將導(dǎo)致終端電價(jià)的上升,以低能源成本為約束的能源轉(zhuǎn)型具有較大難度。當(dāng)前,輔助服務(wù)市場(chǎng)和現(xiàn)貨市場(chǎng)機(jī)制作用發(fā)揮有限,對(duì)于多種形式的儲(chǔ)能準(zhǔn)入以及電力系統(tǒng)靈活性資源的激勵(lì)不足;電價(jià)上限較低,電力短缺情況下容量稀缺價(jià)值無(wú)法體現(xiàn),扭曲了容量?jī)r(jià)值,制約了發(fā)電機(jī)組有效容量方面的投資;碳交易市場(chǎng)流動(dòng)性低,CCER抵消份額小,制約新能源低碳價(jià)值發(fā)掘。

02、現(xiàn)實(shí)路徑

構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng),體現(xiàn)了用系統(tǒng)思維解決新能源發(fā)展問(wèn)題的思路,就此提出幾點(diǎn)不成熟的路徑建議:

1.建立更為健全的市場(chǎng)機(jī)制。一是將不同電源的多種價(jià)值顯性化,促進(jìn)電源發(fā)展的合理匹配。新能源、儲(chǔ)能、常規(guī)能源在邊際成本、減碳價(jià)值和容量?jī)r(jià)值方面差別較大,僅靠電能量?jī)r(jià)格無(wú)法綜合反映,不利于多電源的平衡發(fā)展。需要建立和完善容量市場(chǎng)、碳交易市場(chǎng)并形成良性循環(huán),客觀尊重能源轉(zhuǎn)型規(guī)律,允許向用戶側(cè)進(jìn)行合理成本疏導(dǎo),既保證電量的充足,又保證容量的充裕度,實(shí)現(xiàn)能源電力低碳發(fā)展和安全發(fā)展兼得。二是將現(xiàn)貨市場(chǎng)作為重要的平衡手段。由于新能源的隨機(jī)性和間歇性,以大電網(wǎng)調(diào)度為主的集中平衡方式可能不再適用。隨著新能源電力、電量占比持續(xù)快速增長(zhǎng),新能源廣泛參與中長(zhǎng)期交易、現(xiàn)貨市場(chǎng)交易是大趨勢(shì)。盡快完善現(xiàn)貨市場(chǎng)交易機(jī)制并擴(kuò)容,發(fā)揮新能源廠站分散預(yù)測(cè)和分曲線報(bào)價(jià)的優(yōu)勢(shì),通過(guò)中長(zhǎng)期交易+現(xiàn)貨市場(chǎng)并軌協(xié)同,有效進(jìn)行分時(shí)供需平衡;建立日內(nèi)實(shí)時(shí)平衡機(jī)制和放開(kāi)價(jià)格浮動(dòng),有效對(duì)偏差部分進(jìn)行削減,是促進(jìn)電力平衡的重要手段。

2.多種新型儲(chǔ)能方式協(xié)同發(fā)展。電網(wǎng)調(diào)峰手段多種多樣,以新能源強(qiáng)制配儲(chǔ)能的方式,也許能快速提升新能源的調(diào)節(jié)性能,也能快速培育和壯大電化學(xué)儲(chǔ)能行業(yè),但容易造成資源錯(cuò)配,造成新能源發(fā)電成本高企。長(zhǎng)期來(lái)看,利用輔助服務(wù)市場(chǎng)、容量市場(chǎng),在市場(chǎng)環(huán)境下將新能源電站適當(dāng)納入偏差考核,促進(jìn)新能源企業(yè)通過(guò)配置儲(chǔ)能設(shè)備、加強(qiáng)出力預(yù)測(cè)或開(kāi)展發(fā)電權(quán)交易進(jìn)行自我平衡,更有利于降低新能源發(fā)電的系統(tǒng)平衡成本。在電力電子設(shè)備比例較高的新型電力系統(tǒng)中,應(yīng)重視抽水蓄能、火電靈活性改造、調(diào)峰氣電、壓縮空氣儲(chǔ)能等交流靈活性資源開(kāi)發(fā),提升系統(tǒng)調(diào)峰能力的同時(shí),兼顧交流系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的增強(qiáng)。

3.通過(guò)能源數(shù)字化帶來(lái)電力系統(tǒng)運(yùn)行與交易重構(gòu)。以新能源為主體的新型電力系統(tǒng),主體更加多元,能源生產(chǎn)具有不確定性,能源流向更加多樣,需要利用數(shù)字化、智能化技術(shù)對(duì)運(yùn)行與交易進(jìn)行支撐。首先,在電網(wǎng)運(yùn)行仿真方面,新能源電站激增造成計(jì)算維度的指數(shù)級(jí)增加,以及間歇性能源和電力電子設(shè)備帶來(lái)更大的隨機(jī)性和復(fù)雜性,引入云大物移智鏈技術(shù),將傳統(tǒng)分析方法與人工智能方法結(jié)合,可能成為新型電力系統(tǒng)模擬仿真和安全裕度計(jì)算的發(fā)展方向。其次,通過(guò)全面信息的感知、海量數(shù)據(jù)庫(kù)的建立以及知識(shí)發(fā)現(xiàn),在全網(wǎng)一盤(pán)棋的電力市場(chǎng)中,交易主體的關(guān)聯(lián)性比其他商品市場(chǎng)更強(qiáng),獲得更多的數(shù)據(jù)和信息,并依靠人工智能生成最優(yōu)的決策,是未來(lái)電力市場(chǎng)交易的生存之道。

4.建立協(xié)商共建的社會(huì)共識(shí)。構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)目標(biāo)已經(jīng)設(shè)定,但具體發(fā)展路徑肯定是見(jiàn)仁見(jiàn)智。由于專業(yè)分工和在系統(tǒng)中的站位不同,源網(wǎng)荷儲(chǔ)側(cè)有著不同的利益訴求和觀點(diǎn)表達(dá)。當(dāng)前電源結(jié)構(gòu)和電力體制同時(shí)發(fā)生深刻變化,需要設(shè)備企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)和政府協(xié)同一致,形成系統(tǒng)意識(shí)和安全穩(wěn)定意識(shí),就技術(shù)創(chuàng)新、市場(chǎng)機(jī)制和信息共享等方面形成共識(shí),搭建新能源健康發(fā)展的社會(huì)環(huán)境。


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