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张树伟:新型电力系统中的几个“异想天开”

日期:2021-12-03    来源:《风能》杂志  作者:张树伟

国际风力发电网

2021
12/03
08:32
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关键词: 新型电力系统 可再生能源 化石能源

需要明确的是,可再生能源是一种不同于化石能源的电源,它们是用来发电的,市场应当保持随时开放。

· 构建新型电力系统之路已经开启,它是一场新的“革命”,需要破除旧思想、旧文化、旧风俗、旧习惯。

伴随碳中和目标的提出,我们对于“最终到哪里去”的终极归宿已经明确,剩下的只是选择何种路径,从而能够以一种有效率、公平、可靠的方式从现状过渡到未来。关于为何需要建设一个“新型电力系统”的问题,业内已经从诸多视角展开过讨论。这些解读往往是互相补充而非互斥的,并且大部分属于技术性讨论。

在本期专栏中,我们尝试“脑洞大开”,讨论一些本质性变化及其可能性。

不同地理尺度上的地区可以做到“电力自立”吗?

煤炭、石油、天然气在全球范围内的分布非常不均衡,相对而言,可再生能源的分布更加均衡。传统油气市场存在垄断势力?沙特阿拉伯(占世界石油储量的1/4)、石油输出国组织(OPEC)以及俄罗斯,电力市场则不存在这样的国际垄断势力,因此,基本都是本地化的市场。在更小的地理尺度上,比如区域、省、市、县、乡,甚至几个街道,一个有价值的问题是:它们能够仅依靠本地的可再生能源实现能源独立吗?如果答案是肯定的话,那么无疑意味着自主程度与安全保障程度的提升。

“电力自立”应当被纳入新型电力系统的内涵之中,它只有在本地的可再生能源技术可开发潜力超过本地电力需求的情况下才有可能实现。这一测算在不同地理尺度上的研究具有重大政策含义与行动价值。美国与欧洲的研究充分表明:在国家与大洲层面,完全可以实现“电力自立”;在国家以下的地理尺度上,部分地区是具备条件做到这一点的,甚至在某些人口密集地区(意味着土地资源与空间比较稀缺)都有可能做到。

我国拥有丰富的风光资源,有充分理由对实现“电力自立”持乐观态度。正如中国可再生能源学会风能专业委员会倡导的,在全国实施“百县千村万台工程”,即在全国的100个县,首批选择5000个村,每个村安装2台风电机组,共计1万台,并以县域为单位进行集中规划、打包核准,能够为这些村集体带来可观的收入,这对于振兴农村地区,壮大村集体经济,落实中央提出的乡村振兴行动,夯实党在基层的执政之基具有重大意义。国家气象局开展的全国风光资源普查工作,为回答这一问题奠定了坚实的数据与方法论基础。

电网普遍具有“畏难”情绪

电网主体释放出了目前的系统极限已到的信息。中国工程院院士、全球能源互联网研究院院长汤广福认为,我国电力系统尚不具备以新能源为主的支撑能力。国家电网总工程师陈国平表示,现有电力系统,难以支撑新能源的巨量接入。一位电网负责调度的管理人员于2021年5月告诉路透社记者,该系统已经达到可以处理并仍保持稳定运行的可再生能源数量“极限”。

上述提法或许是对的,给定这个系统仍旧在奖励“不灵活”。问题是,为何不能从现在开始改变?过去,笔者在众多文章与场合中试图反复论证:国内目前的调峰并不是辅助服务,而是一个基本的发电市场份额问题。将这种市场份额问题看作辅助服务,无疑是一个简单的模型在起作用:“先来后到”的价值标准与原则。最终,2021年4月,国家发展改革委与国家能源局联合发布《关于进一步做好电力现货市场建设试点工作的通知》,明确强调“由现货电能量市场代替调峰市场”。

可再生能源企业可以联合成立一个“调度”吗?

可再生能源发电首先是一个电源,而非需要“消纳”的负担。这方面的意识形态斗争非常激烈,先入为主的“消纳”概念误导了公众的理解,让人们觉得新的电源似乎是一个负担,那么“消纳”不了,自然就只能是这些电源认倒霉了。这种界定亟待改变,需要明确的是,可再生能源是一种不同于化石能源的电源,它们是用来发电的,市场应当保持随时开放。

不能将系统充足性与灵活性混为一谈。某媒体刊文称,现有电力系统难以支撑新能源的巨量接入。

虽然纵观全文,其谈的大部分(若非全部)都是在极端条件下的系统充足性问题,即可得电力资源要能够满足当时的需求。问题在于,这个系统充足性是《电力系统安全稳定导则》的基本要求,与可再生能源出力波动有何关系?

那么,可再生能源企业联合起来能够成立一个调度实现“自我平衡”吗?一台风电机组的出力可能波动很大,但众多机组叠加在一起,平滑效应会越来越明显。在不同的地理尺度上,成立系统集合商,或者联系固定客户的“调度”,在技术上并不是天方夜谭。可再生能源厂商联合起来,应该可以找到足够的用户,且能够通过购买、租赁等方式获得其他足够的系统调节资源。再加上储能技术的发展,应对系统出力的波动应该不成问题。

事实上,在高比例可再生能源系统中,配电网的系统平衡角色往往会更加凸显。面对大量光伏馈入配电网,处理得好,可以发挥减少主干网阻塞、提高本地安全性、长期减少电网投资的作用;处理不当,在发用电用户、配网与主网的平衡上,可能意味着更大的不确定程度或者分割的激励,从而成为影响系统平衡与安全的负面因素。即使在欧美国家,配电网传统上也没有市场交易,而是统一将需求与发电资源上交到输电网。但在光伏、电动汽车出现后,这种情况必须加以改变。集合了各种电源与用电形态的“微网系统”,往往就需要这样的一个“调度”。

在我国,新的调度主体与体系可能会以一种“不经意”的方式出现。风光是波动的,需求也是波动的,因此,这种波动本身并不是问题。然而,我国的调度机构处于优势地位,追求“一条线的稳定输出”。这种事实上的“懒汉”调度,往往将“出力可控”作为一种摊派目标,需要各发电主体去追求实现。《国家发展改革委 国家能源局关于鼓励可再生能源发电企业自建或购买调峰能力增加并网规模的通知》要求可再生能源发电企业自建或购买调峰能力增加并网规模,这其实在另一个侧面增加了小范围系统平衡的资源与能力(如风电场与储能联合控制),为更多独立调度主体的出现奠定现实的能力、经验与其他操作性基础。

储能与灵活用电能将电力波动完全消灭吗?

目前的电力消费是存在广泛波动的,白天高于晚上,夏冬季远高于春秋季。这意味着系统中必须存在一些电源,以满足高峰负荷,但在需求降低后必须退下来。因此,整个系统的利用率不可避免地会下降。

储能能够平抑需求侧与供给侧的波动,但在加装多少储能上存在优化空间。储能能够平抑波动的功能并不是其需要(无限)进入系统的理由,应当基于成本维度进行考量。显然,一个完全不波动的系统,其电力价值在不同时间将是恒定的,这无疑消灭了储能的商业模式?_低谷充电,高峰放电。因此,就直觉而言,在系统完全没有波动之前的很长时间,储能进入系统的激励(保证回收投资)就已经消失了。系统永远不会不存在任何波动,除非储能的价格低廉到近乎白给的程度。在这种情况下,它无疑与风电和光伏都会形成“头对头、脚碰脚”的替代关系。

系统会彻底走向分布式吗?

这不是一个足够清晰的问题,需要进一步界定以明确到底是什么意思。一方面,何为分布式、何为集中式很难存在一个可以讨论的客观定义,其划分标准往往是变动的,即使以最简化的单机容量为标准;另一方面,从未来的可能形态来看,尽管风电、光伏的单机容量很小,数量却将越来越多,但电力系统仍旧会有核电、海上风电机组,两者无疑都是认识中的“集中式设备”。且小微网或者自平衡系统(如点对点交易),往往还需要更大的电网作为备用。系统可能并不会走向彻底的分布式,除非储能便宜到超越人们想象的程度。目前来看,这几乎完全不可能。

小结

构建新型电力系统之路已经开启,我们需要有足够的“脑洞”,想象一个更加安全、高效、灵活的电力系统。这是我们提升电力系统认知水平的必要过程,更是解决电力系统问题的关键所在?_对问题的描述(从而理解)往往意味着部分的解决方案。

构建新型电力系统是一场新的“革命”,它需要破除:

旧思想 稳定输出是一种价值;

旧文化 特权国家调度中心的不正常存在;

旧风俗 系统透明度严重不足;

旧习惯 总是将从几个小时供需动态得出的结论泛化到全年8760小时。


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