“以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”是什么？ | 圖源：pexels.com
目前的一種常見思維是，當(dāng)建設(shè)了足夠多的可再生能源發(fā)電設(shè)備后，碳排放問題就自然而然的得到了解決，我們就能實現(xiàn) “碳中和”。事實上，大量的新能源發(fā)電設(shè)備的接入，會對當(dāng)前的電網(wǎng)造成很大影響——”放大燈“團隊在《如何從零造一臺風(fēng)力發(fā)電機》一文中就描述過，能源結(jié)構(gòu)中高占比的風(fēng)光電如何惡化了我國東北與美國德州的用電危機。因此，關(guān)于新能源并網(wǎng)，絕不是一個簡單的 “越多越好” 的二元問題。針對新能源發(fā)電的管理，2021年3月，中央財經(jīng)委員會第九次會議上指出“要著力提高利用效能，實施可再生能源替代行動，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)”——這正是解決方案。“以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)” 是什么？有什么特征？要實現(xiàn)需要做些什么？在哪些領(lǐng)域有更多的機會？本文將對這些問題一一解答。撰文 | 凌霜微雨
責(zé)編 | 陳悶雷
策劃 | 放大燈團隊
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目前，新型電力系統(tǒng)仍然沒有官方的明確定義，但各方共識基本集中于 “新能源為主體”，這意味著我國電力系統(tǒng)的新能源占比未來將達到50%以上。
從發(fā)展階段來看，“以新能源為主體” 將分為兩個主要階段：
然而在現(xiàn)階段，從裝機量看，2020年我國電源總裝機22億千瓦，其中風(fēng)、光、生物質(zhì)共占比26%；可如果從發(fā)電量來看，風(fēng)、光、生物質(zhì)的占比迅速跌到11%，與目標(biāo)差距很大，可見未來的很長一段時間，大力發(fā)展風(fēng)、光等新能源將成為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的當(dāng)務(wù)之急。圖1 中國電源結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)來源《中國能源發(fā)展報告2020》）
相對來說，只要考察得當(dāng)，建設(shè)加速，以我國的新能源基建水平，將裝機容量快速提升至50%水平并不困難。預(yù)計到2025年，可再生能源（含水電）裝機就將超過50%，而到2035年，新能源的裝機占比就可以提升到50%以上。與裝機相比，新能源的發(fā)電想達到50%以上則是一個更為長期、艱巨的任務(wù)，因為風(fēng)、光等新能源本身就具有不確定性，其利用小時數(shù)遠低于火電：統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)電的年發(fā)電利用小時數(shù)約是火電的一半左右，光伏則更低，所以為了發(fā)同樣的電，需要的新能源裝機容量可能是火電的兩到三倍。然而如果新能源的占比真的如此之高，將給電力系統(tǒng)帶來一系列艱巨的挑戰(zhàn)。新型電力系統(tǒng)建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)
從圖3可以看出，新能源有很強的波動性，出力忽大忽??；同時新能源天然也具有不確定性，你用電的時候不一定有風(fēng)吹、有光照。當(dāng)前電網(wǎng)中，新能源的占比還不高，火電機組就全權(quán)負責(zé)承受這種波動和不確定性：風(fēng)光發(fā)電少了，火電就多發(fā)電；風(fēng)光發(fā)電多，火電就少發(fā)電。但是未來呢？如果新能源成為了我們最主要的電源，又該如何解決問題？圖3
調(diào)節(jié)能力缺陷干擾電網(wǎng)穩(wěn)定性
電力系統(tǒng)想正常運行，就涉及了兩個重要的穩(wěn)定概念：頻率穩(wěn)定，電壓穩(wěn)定。而傳統(tǒng)的同步發(fā)電機是維持這兩個穩(wěn)定性的最大支柱。但風(fēng)、光等新能源并不具備傳統(tǒng)發(fā)電機維持電壓和頻率的能力，甚至接入會消耗大量無功，還可能破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，為電力系統(tǒng)的安全帶來風(fēng)險。是指電力系統(tǒng)受到嚴(yán)重擾動后，發(fā)電和負荷需求出現(xiàn)大的不平衡，系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定頻率的能力，主要由同步發(fā)電機中的調(diào)頻裝置負責(zé)。
頻率與發(fā)電機的轉(zhuǎn)速息息相關(guān)，一般的電機一般會維持3000轉(zhuǎn)/分鐘（1對極，50轉(zhuǎn)/s），或1500轉(zhuǎn)/min（2對極，25轉(zhuǎn)/s）的轉(zhuǎn)速，對應(yīng)的則是電網(wǎng)供電的50Hz交流電。當(dāng)供電的功率比用電功率低的時候，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速就會下降，將發(fā)電機巨大轉(zhuǎn)子（可參考圖3）里儲存的一部分動能轉(zhuǎn)化為電能供給到電網(wǎng)里，轉(zhuǎn)速下降帶來的就是電壓頻率的下降，例如降低到49.8Hz，此時頻率調(diào)節(jié)機構(gòu)就會開始啟動，對于火電廠就加大蒸汽的流量、對于水電廠就增加水流的流量，來輸出更多的功率，讓發(fā)電機加速，繼而維持50Hz的頻率。然而，風(fēng)電、光伏往往靠天吃飯，當(dāng)頻率下降的時候，沒有額外的方式可以讓他們輸出更多的功率，其頻率調(diào)節(jié)能力遠遠低于傳統(tǒng)火電機組。是指處于給定運行點的電力系統(tǒng)在經(jīng)受擾動后，維持所有節(jié)點電壓為可接受值的能力。它依賴于系統(tǒng)維持或恢復(fù)負荷需求和負荷供給之間平衡的能力。發(fā)電機組在發(fā)電時，除了輸出有功功率外，還會輸出無功功率，而無功功率則是維持電力系統(tǒng)電壓的核心。然而，風(fēng)電、光伏基本上不具備為電網(wǎng)提供無功功率的能力，或者只能提供非常少的無功功率，在很多時候可能還需要從電網(wǎng)吸收無功才能維持運行，這就降低了電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。同時，風(fēng)、光發(fā)電的輸出功率波動很大（由于風(fēng)、光資源不穩(wěn)定），功率發(fā)生變化也就會帶來電壓的波動，這會讓電網(wǎng)電壓更加的不穩(wěn)定。圖5
電力電子設(shè)備接入的系統(tǒng)性問題
傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)及其分析理論建立在所有電源都是同步發(fā)電機的基礎(chǔ)上，也就是說我們的分析與調(diào)控手段都是基于發(fā)電機轉(zhuǎn)速下降/上升、線圈的磁場如何變化來制定的。但新能源作為電源，他們依托了大量電力電子設(shè)備進行發(fā)電，比如雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機、永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機里面都含有電力電子部件，而光伏的逆變器更是純電力電子設(shè)備，當(dāng)這些設(shè)備成為主流后，建立在 “發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量” “線圈磁通磁導(dǎo)” 這樣概念上的分析理論將不再適用，以往的調(diào)控方式也將難以應(yīng)用于這樣的新型電力系統(tǒng)。例如我們前面說過，發(fā)電機擁有巨大的轉(zhuǎn)子，里面在正常轉(zhuǎn)動時儲存了大量的動能，也就是所謂的 “慣性”。當(dāng)功率不足時，發(fā)電機轉(zhuǎn)速下降，但損失的動能會變成電能繼續(xù)供電，這就為調(diào)節(jié)爭取了時間，但像光伏這樣的新能源根本就沒有 “轉(zhuǎn)子”，更無從談起所謂的 “慣性” 了，所以原來的調(diào)節(jié)方式將不再適用，這也讓新能源占比很高的電力系統(tǒng)變得異常脆弱。
上文我們提到了電力系統(tǒng)面對的新問題，那么如何解決這些問題？這就需要做好三件事：看得準(zhǔn)、調(diào)得動、儲得住。
可再生能源的不確定性帶來了新型電力系統(tǒng)中的很大一部分問題，那么最直接的思路自然是賦予電網(wǎng)確定性，也就是提高對發(fā)電能力預(yù)測的準(zhǔn)確性。舉個例子，電網(wǎng)可以知道明天下午3:00風(fēng)光端發(fā)不出電，就可以提前給旁邊的煤電廠打個電話，告訴對方在這一時段提高多發(fā)電來彌補缺口。電力預(yù)測是門技術(shù)活，需要結(jié)合氣象、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等一系列的新技術(shù)。事實上我們國家每個風(fēng)電場并網(wǎng)，都要求他們對自己的功率進行預(yù)測，并且規(guī)定了必須達到的預(yù)測精度，每個省各有不同。下圖是國家能源局東北監(jiān)管局發(fā)布的關(guān)于風(fēng)電預(yù)測準(zhǔn)確性的考核。圖6
而且要知道，如果預(yù)測總出錯，是要罰錢的！例如河北南部電網(wǎng)，2021年2月風(fēng)電場考核總費用就達到了422.54萬元，所以風(fēng)光電廠往往有很強的動力去提升自己的預(yù)測精度。那么要如何進行預(yù)測呢？從技術(shù)角度說，我們可以將預(yù)測按照時間進行分類，分為超短期功率預(yù)測、短期功率預(yù)測、中長期功率預(yù)測三類。不同預(yù)測的特點與適用范圍，以及對應(yīng)的典型方法如下所示：（節(jié)選于《中國電機工程學(xué)會專題技術(shù)報告2018 下卷 新能源發(fā)電功率預(yù)測技術(shù)》）
圖7
其中典型方法具體的方式如下
（上下滑動可瀏覽）
（1）持續(xù)法：持續(xù)方法是以當(dāng)前時刻實測功率值作為未來時刻預(yù)測功率的風(fēng)電功率預(yù)測方法。其模型簡單，預(yù)測精度隨預(yù)測時間增加而迅速下降，通常適用于時間尺度較短的預(yù)測。 （2）物理法：物理方法的原理是根據(jù)風(fēng)電場周圍的地形地貌信息和物理信息，采用微觀氣象學(xué)理論或流體力學(xué)方法，建立起符合風(fēng)電場氣象特征信息的流體力學(xué)模型，然后采用該模型預(yù)測風(fēng)電機組輪轂高度的風(fēng)速、風(fēng)向等信息，進而預(yù)測風(fēng)電場的功率。（3）統(tǒng)計方法：統(tǒng)計方法不考慮風(fēng)速變化的物理過程，以對歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)和NWP數(shù)據(jù)的分析研究為基礎(chǔ)，建立NWP數(shù)據(jù)與風(fēng)電場輸出功率之間的映射關(guān)系。該方法直接利用NWP數(shù)據(jù)對風(fēng)電場輸出功率進行預(yù)測。統(tǒng)計方法同時適用于超短期、短期和中長期預(yù)測，進行超短期風(fēng)功率預(yù)測時只需使用歷史數(shù)據(jù)，短期和中長期預(yù)測時要使用歷史數(shù)據(jù)和NWP數(shù)據(jù)。統(tǒng)計方法相對物理方法而言更加簡單、使用的數(shù)據(jù)單一，但對突變信息的處理能力較差。（4）人工智能方法：屬于統(tǒng)計方法，但更為先進。人工智能方法需要大量的歷史觀測數(shù)據(jù)來建立模型，但其具有模型修改方便、精確度高的持點。人工智能方法同時適用于超短期、短期和中長期預(yù)測，進行超短期風(fēng)功率預(yù)測時只需使用歷史數(shù)據(jù)，短期和中長期預(yù)測時要使用歷史數(shù)據(jù)和NWP數(shù)據(jù)。
另一方面，既然風(fēng)光總是波動來波動去，那電網(wǎng)是不是能跟上波動就行了呢？現(xiàn)在依靠大量的煤電去調(diào)節(jié)，未來煤電雖然越來越少，但是我們可以去找新的資源調(diào)節(jié)。需要明確的是，其實煤電并不是一種非常好的調(diào)節(jié)資源。首先是它的調(diào)節(jié)范圍并不大，現(xiàn)有傳統(tǒng)煤電的調(diào)峰深度大概在50%左右，也就是說一臺滿發(fā)100MW的發(fā)電機，它的輸出功只能維持在50MW~100MW，低于50MW就要停機。東北常見的供熱機組的調(diào)峰深度更是只有30%，基本上沒有調(diào)節(jié)空間。其次是變的慢，火電的爬坡速度約是1.5%~3%/min，也就是100MW的機組，每分鐘最多變化1.5MW~3MW的出力，非常緩慢。相比之下水電的爬坡速率可以達到50%~100%/min，天然氣發(fā)電也有20%/min，調(diào)節(jié)能力都比火電強（核電的調(diào)峰能力更差）。之前依靠煤電數(shù)量多才壓住了新能源的波動性，用10臺機組，調(diào)1臺的波動，未來隨著煤電越來越少，這種情況一定要改變。我從《2030年前碳達峰行動方案》（以下簡稱行動方案）中，節(jié)選了部分與之相關(guān)的材料：“因地制宜開發(fā)水電。積極推進水電基地建設(shè)，推動金沙江上游、瀾滄江上游、雅礱江中游、黃河上游等已納入規(guī)劃、符合生態(tài)保護要求的水電項目開工建設(shè)，推進雅魯藏布江下游水電開發(fā)，推動小水電綠色發(fā)展。推動西南地區(qū)水電與風(fēng)電、太陽能發(fā)電協(xié)同互補。統(tǒng)籌水電開發(fā)和生態(tài)保護，探索建立水能資源開發(fā)生態(tài)保護補償機制?！笆奈濉?“十五五” 期間分別新增水電裝機容量4000萬千瓦左右，西南地區(qū)以水電為主的可再生能源體系基本建立?！?/span>“大力提升電力系統(tǒng)綜合調(diào)節(jié)能力，加快靈活調(diào)節(jié)電源建設(shè)，引導(dǎo)自備電廠、傳統(tǒng)高載能工業(yè)負荷、工商業(yè)可中斷負荷、電動汽車充電網(wǎng)絡(luò)、虛擬電廠等參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)，建設(shè)堅強智能電網(wǎng)，提升電網(wǎng)安全保障水平?！?/span>可以看到，國家點名了要 “因地制宜” 地 “積極” 發(fā)展水電，但完全沒提氣電，只是籠統(tǒng)的說了一句 “加快靈活調(diào)節(jié)電源建設(shè)”。這是因為水電是非常棒的資源，清潔無污染，調(diào)節(jié)能力強，其實是未來的首選電源，但是我們國家的水電開發(fā)成績有目共睹，事實上開發(fā)已經(jīng)非常充分了。根據(jù)測算，我們國家可開發(fā)水電5.41億千瓦，經(jīng)濟可開發(fā)裝機4.02億千瓦，但根據(jù)2020年的數(shù)據(jù)，已經(jīng)裝機的水電大概是3.3億千瓦，也就是說具有經(jīng)濟性的可開發(fā)容量已經(jīng)開發(fā)了82.1%，因此我們只能 “積極” 地根據(jù)具體情況，“因地制宜” 去找到還未被開發(fā)的水電資源進行開發(fā)。至于天然氣發(fā)電雖然很優(yōu)秀，但不幸的是我國的燃氣非常依賴進口。2020年我國天然氣消費3288億立方米，其中進口1400億立方米，占消費量的42.57%，而工業(yè)用氣1240億立方米，城市燃氣消費量1205億立方米——也就是說如果進口被卡脖子，我們正常家里炒菜做飯取暖都會受影響，更不要說發(fā)電了。因此雖然氣電性能很好，但不是未來發(fā)展的重點。那么除了電源我們還有沒有其他的調(diào)節(jié)方式呢？文件中說：“引導(dǎo)自備電廠、傳統(tǒng)高載能工業(yè)負荷、工商業(yè)可中斷負荷、電動汽車充電網(wǎng)絡(luò)、虛擬電廠等參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)”，又是什么意思？上面的內(nèi)容除了自備電廠外和虛擬電廠外，基本都是去通過引導(dǎo)我們怎么用電，來提升調(diào)節(jié)能力。電力系統(tǒng)是雙向的，電源負責(zé)發(fā)電，用戶負責(zé)用電，發(fā)電和用電總是平衡的。如果電源發(fā)電一會高一會低要怎么辦？“傳統(tǒng)高載能工業(yè)負荷、工商業(yè)可中斷負荷” 參與調(diào)節(jié)的方式就是 “少用電”，電網(wǎng)可以提前與一些工廠簽協(xié)議，給你錢或者電價優(yōu)惠一點，但是在我讓你少用電的時候你必須要少用電，這就增加了電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力。電動汽車充電網(wǎng)絡(luò)則是利用海量電動汽車充電的功率進行調(diào)節(jié)，電多的時候功率大一點，電少的時候功率小一點，甚至在特殊情況下讓電動汽車作為儲能電池給電網(wǎng)供電。“虛擬電廠” 則更加復(fù)雜。我們可以將屋頂上的分布式光伏、小風(fēng)電、儲能電池以及上文提到的各類系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度，在電網(wǎng)看來這就像是一個電廠，電網(wǎng)給你下命令，你今天下午3點，必須發(fā)500千瓦的電，這個時候這個虛擬電廠就算來算去，發(fā)現(xiàn)下午光伏可以發(fā)300千瓦，我們手里的負荷可以少用100千瓦的電（少用電等于發(fā)電），儲能可以再發(fā)100千瓦，齊活~通過這樣底層的協(xié)調(diào)控制，像一個電廠一樣參與到電網(wǎng)的運行里，不是電廠、勝似電廠，所以叫 “虛擬電廠”。
在《行動方案》里，還提到：“積極發(fā)展‘新能源+儲能’、源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補，支持分布式新能源合理配置儲能系統(tǒng)。制定新一輪抽水蓄能電站中長期發(fā)展規(guī)劃，完善促進抽水蓄能發(fā)展的政策機制。加快新型儲能示范推廣應(yīng)用?！?/span>儲能堪稱是為新型電力系統(tǒng)量身訂做的調(diào)節(jié)方式，多的時候可以充電，少了可以放電，其他調(diào)節(jié)往往是單向的，只能選擇少發(fā)電或多發(fā)電，負荷只能選擇少用電或多用電，而儲能則可以選擇到底發(fā)電還是用電，調(diào)節(jié)能力極強。由于儲能本身也是一個大型產(chǎn)業(yè)鏈，涉及技術(shù)眾多，我們將在后續(xù)文章詳述，本文受篇幅所限不再進一步展開。
