“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，當建設了足夠多的可再生能源發(fā)電設備后，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)電設備的接入，會對當前的電網(wǎng)造成很大影響——”放大燈“團隊在《如何從零造一臺風力發(fā)電機》一文中就描述過，能源結構中高占比的風光電如何惡化了我國東北與美國德州的用電危機。因此，關于新能源并網(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、光、生物質共占比26%；可如果從發(fā)電量來看，風、光、生物質的占比迅速跌到11%，與目標差距很大，可見未來的很長一段時間，大力發(fā)展風、光等新能源將成為構建新型電力系統(tǒng)的當務之急。圖1 中國電源結構（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，建設加速，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，因為風、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，出力忽大忽小；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吹、有光照。當前電網(wǎng)中，新能源的占比還不高，火電機組就全權負責承受這種波動和不確定性：風光發(fā)電少了，火電就多發(fā)電；風光發(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、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)的安全帶來風險。是指電力系統(tǒng)受到嚴重擾動后，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)電機中的調頻裝置負責。
頻率與發(fā)電機的轉速息息相關，一般的電機一般會維持3000轉/分鐘（1對極，50轉/s），或1500轉/min（2對極，25轉/s）的轉速，對應的則是電網(wǎng)供電的50Hz交流電。當供電的功率比用電功率低的時候，發(fā)電機的轉速就會下降，將發(fā)電機巨大轉子（可參考圖3）里儲存的一部分動能轉化為電能供給到電網(wǎng)里，轉速下降帶來的就是電壓頻率的下降，例如降低到49.8Hz，此時頻率調節(jié)機構就會開始啟動，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，風電、光伏往往靠天吃飯，當頻率下降的時候，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、光發(fā)電的輸出功率波動很大（由于風、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。
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)電機的基礎上，也就是說我們的分析與調控手段都是基于發(fā)電機轉速下降/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備進行發(fā)電，比如雙饋異步風力發(fā)電機、永磁直驅風力發(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備，當這些設備成為主流后，建立在 “發(fā)電機轉子轉動慣量” “線圈磁通磁導” 這樣概念上的分析理論將不再適用，以往的調控方式也將難以應用于這樣的新型電力系統(tǒng)。例如我們前面說過，發(fā)電機擁有巨大的轉子，里面在正常轉動時儲存了大量的動能，也就是所謂的 “慣性”。當功率不足時，發(fā)電機轉速下降，但損失的動能會變成電能繼續(xù)供電，這就為調節(jié)爭取了時間，但像光伏這樣的新能源根本就沒有 “轉子”，更無從談起所謂的 “慣性” 了，所以原來的調節(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、調得動、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)電能力預測的準確性。舉個例子，電網(wǎng)可以知道明天下午3:00風光端發(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。電力預測是門技術活，需要結合氣象、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等一系列的新技術。事實上我們國家每個風電場并網(wǎng)，都要求他們對自己的功率進行預測，并且規(guī)定了必須達到的預測精度，每個省各有不同。下圖是國家能源局東北監(jiān)管局發(fā)布的關于風電預測準確性的考核。圖6
而且要知道，如果預測總出錯，是要罰錢的！例如河北南部電網(wǎng)，2021年2月風電場考核總費用就達到了422.54萬元，所以風光電廠往往有很強的動力去提升自己的預測精度。那么要如何進行預測呢？從技術角度說，我們可以將預測按照時間進行分類，分為超短期功率預測、短期功率預測、中長期功率預測三類。不同預測的特點與適用范圍，以及對應的典型方法如下所示：（節(jié)選于《中國電機工程學會專題技術報告2018 下卷 新能源發(fā)電功率預測技術》）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)方法是以當前時刻實測功率值作為未來時刻預測功率的風電功率預測方法。其模型簡單，預測精度隨預測時間增加而迅速下降，通常適用于時間尺度較短的預測。 （2）物理法：物理方法的原理是根據(jù)風電場周圍的地形地貌信息和物理信息，采用微觀氣象學理論或流體力學方法，建立起符合風電場氣象特征信息的流體力學模型，然后采用該模型預測風電機組輪轂高度的風速、風向等信息，進而預測風電場的功率。（3）統(tǒng)計方法：統(tǒng)計方法不考慮風速變化的物理過程，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，建立NWP數(shù)據(jù)與風電場輸出功率之間的映射關系。該方法直接利用NWP數(shù)據(jù)對風電場輸出功率進行預測。統(tǒng)計方法同時適用于超短期、短期和中長期預測，進行超短期風功率預測時只需使用歷史數(shù)據(jù)，短期和中長期預測時要使用歷史數(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、短期和中長期預測，進行超短期風功率預測時只需使用歷史數(shù)據(jù)，短期和中長期預測時要使用歷史數(shù)據(jù)和NWP數(shù)據(jù)。
另一方面，既然風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節(jié)。需要明確的是，其實煤電并不是一種非常好的調節(jié)資源。首先是它的調節(jié)范圍并不大，現(xiàn)有傳統(tǒng)煤電的調峰深度大概在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峰深度更是只有30%，基本上沒有調節(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，調節(jié)能力都比火電強（核電的調峰能力更差）。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)選了部分與之相關的材料：“因地制宜開發(fā)水電。積極推進水電基地建設，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，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)綜合調節(jié)能力，加快靈活調節(jié)電源建設，引導自備電廠、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、虛擬電廠等參與系統(tǒng)調節(jié)，建設堅強智能電網(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 “加快靈活調節(jié)電源建設”。這是因為水電是非常棒的資源，清潔無污染，調節(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節(jié)方式呢？文件中說：“引導自備電廠、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、虛擬電廠等參與系統(tǒng)調節(jié)”，又是什么意思？上面的內容除了自備電廠外和虛擬電廠外，基本都是去通過引導我們怎么用電，來提升調節(jié)能力。電力系統(tǒng)是雙向的，電源負責發(fā)電，用戶負責用電，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)的調節(jié)能力。電動汽車充電網(wǎng)絡則是利用海量電動汽車充電的功率進行調節(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” 則更加復雜。我們可以將屋頂上的分布式光伏、小風電、儲能電池以及上文提到的各類系統(tǒng)統(tǒng)一調度，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用?！?/span>儲能堪稱是為新型電力系統(tǒng)量身訂做的調節(jié)方式，多的時候可以充電，少了可以放電，其他調節(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。
