高比例新能源發(fā)展趨勢下提升新型電力系統(tǒng)靈活性的思考

文章來源:許昌昌南通信科技有限公司

高比例新能源發(fā)展趨勢下提升新型電力系統(tǒng)靈活性的思考

發(fā)布日期:2021-08-25 信息來源:南方電網(wǎng)報

北極星售電網(wǎng)訊:構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng),以風電、光伏為主的新能源將成為新增電能供應的主體,但由于新能源發(fā)電固有的強隨機性、波動性和間歇性,大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)后,電力系統(tǒng)的電力電量時空平衡難度將顯著加大。為保障不同時間尺度的電力供需平衡和新能源高水平消納,關鍵在于提升新型電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力。

新發(fā)展階段系統(tǒng)調(diào)節(jié)面臨新挑戰(zhàn)

超短周期(毫秒至秒級)調(diào)節(jié)方面,新能源出力快速波動且頻率電壓耐受能力不足、穩(wěn)定難度加大。風電、光伏采用電力電子裝備接入電網(wǎng),大規(guī)模接入將使電力系統(tǒng)轉動慣量減小,降低系統(tǒng)抗擾動能力,導致系統(tǒng)故障時頻率、電壓波動加劇。此外,電力電子裝備本身抗干擾能力也弱于常規(guī)機電設備,系統(tǒng)故障時風電、光伏機組易大規(guī)模脫網(wǎng),引發(fā)嚴重連鎖故障。

短周期(分鐘至小時級)調(diào)節(jié)方面,新能源短時出力隨機性和波動性易造成系統(tǒng)頻率和潮流控制困難。據(jù)統(tǒng)計,單個新能源場站小時級最大功率波動可達裝機容量的15%~25%,2小時最大波動可高達40%;考慮整體區(qū)域新能源功率波動率,以廣東為例,2小時最大波動仍可達20%~35%。高比例新能源接入電網(wǎng)后,常規(guī)電源不僅要跟蹤負荷變化,還要平衡新能源出力波動,大大增加了系統(tǒng)調(diào)節(jié)難度。

日內(nèi)調(diào)節(jié)方面,新能源發(fā)電特性與用電負荷日特性匹配度差,增加系統(tǒng)調(diào)峰壓力。風電反調(diào)峰特性顯著,凌晨時系統(tǒng)負荷較低而風電出力處于較高水平,午時或晚間系統(tǒng)負荷較高而風電出力處于較低水平,導致系統(tǒng)凈負荷峰谷差增大,加劇系統(tǒng)調(diào)峰難度。以廣東海上風電為例,單個風電場反調(diào)峰深度可達50%,海上風電機群反調(diào)峰平均深度達22%。此外,在部分光伏滲透率較高地區(qū),也出現(xiàn)了午間腰荷時段的調(diào)峰問題。

多日、周時間尺度調(diào)節(jié)方面,新能源發(fā)電“靠天吃飯”特征明顯,加大系統(tǒng)供需失衡風險。受氣象條件影響,新能源出力可能出現(xiàn)較長時間偏低的情況,如長時間陰雨天氣導致光伏出力持續(xù)偏低;臺風來襲時,風機會自動處于停轉順槳狀態(tài)以降低葉片受損風險;極寒天氣條件下,新能源設備耐受能力脆弱導致出力受限甚至停機。

多措并舉提升新型電力系統(tǒng)靈活性

(一)供給側

我國靈活性調(diào)節(jié)電源裝機占比不足6%,遠低于歐美國家水平。提高靈活性調(diào)節(jié)電源占比是提升新型電力系統(tǒng)靈活性的關鍵。

新型儲能響應速度最快可以達到毫秒級,持續(xù)放電時間在分鐘至小時級,充放電轉換較為靈活,適用于解決新能源短時波動性問題,提高新能源并網(wǎng)性能。超短周期調(diào)節(jié)方面,按照行業(yè)技術標準規(guī)定,新能源場站應滿足具備≥10%額定負荷調(diào)節(jié)能力的要求,若新能源場站按裝機容量的10%配置儲能,可從源頭解決新能源出力快速波動問題,提升系統(tǒng)一次調(diào)頻能力。短周期調(diào)節(jié)方面,為滿足平抑新能源分鐘至小時級最大波動幅度的要求,新能源場站宜按裝機容量的15%~20%配置儲能。

抽水蓄能技術經(jīng)濟優(yōu)勢明顯,可進行大規(guī)模能量充放,放電時間達小時及以上,適合長時間尺度電網(wǎng)調(diào)峰及電力平衡場景,根據(jù)庫容大小,可以發(fā)揮日內(nèi)調(diào)峰甚至周調(diào)節(jié)作用。大力發(fā)展抽水蓄能,有助于解決新能源間歇性問題,提升系統(tǒng)調(diào)峰能力、系統(tǒng)安全性以及特殊天氣場景下電力供應保障能力。

煤電原則上具備秒級以上全時間尺度調(diào)節(jié)能力,通過煤電靈活性改造,可以進一步挖掘日內(nèi)調(diào)峰能力。當前,煤電靈活性改造技術成熟、成本低、施工周期短,是短期提升系統(tǒng)靈活性的較優(yōu)選擇。南方五省區(qū)具備改造條件的煤電裝機超過1億千瓦,全部改造完成后可增加1500萬千瓦以上的調(diào)峰能力,改造潛力大。

水電擴機主要通過對擁有調(diào)節(jié)水庫的已建水電站進行擴建,具有投資少、造價低、工期短的優(yōu)點。南方區(qū)域瀾滄江、金沙江、烏江、紅水河等流域部分調(diào)節(jié)能力較好的水電站均具備擴機條件,積極推進水電擴機,不僅可以提高水能利用率,增強系統(tǒng)日內(nèi)調(diào)峰能力,還有助于保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行,提高電力系統(tǒng)整體效率。

調(diào)峰氣電具有啟停速度快、運行靈活的優(yōu)點,原則上同樣具備全時間尺度調(diào)節(jié)能力。但受碳減排目標、氣源供應和氣價高等影響,氣電發(fā)展空間相對有限。

(二)需求側

電力需求響應速度可達到秒級,具有優(yōu)異的調(diào)節(jié)能力,是提升新型電力系統(tǒng)靈活性的強有力支撐。

電力負荷是最主要的需求側資源,可分為工業(yè)負荷、商業(yè)負荷及居民負荷。其中,工業(yè)負荷響應意愿取決于調(diào)節(jié)收益與生產(chǎn)成本增加間的權衡;商業(yè)負荷資源潛力較為可觀且靈活易控,是提升需求側靈活調(diào)節(jié)能力的基礎資源;居民負荷空間分布過于分散、控制難度大,目前仍缺乏關鍵技術和設備支撐,調(diào)節(jié)潛力有待挖掘。

用戶側儲能因其響應速度快、調(diào)控靈活的特點,可在促進新能源高效消納、增強用戶互動響應能力等方面發(fā)揮突出作用。此外,考慮氫能制備與存儲技術的更新突破,氫儲能未來有望以低成本的方式在需求側大規(guī)模應用,并通過電-氫間的靈活轉換進一步增強需求側多能互補能力。

電動汽車可視為移動式儲能裝置,是調(diào)節(jié)潛力巨大的需求側資源。

據(jù)統(tǒng)計,2020年全國電動汽車保有量400萬輛,按每輛28千瓦時計,電池儲能容量1.12億千瓦時。未來依托車網(wǎng)互動技術以及成熟的電動汽車儲能商業(yè)模式,可充分調(diào)動電動汽車儲能特性。

虛擬電廠通過協(xié)同控制的方式聚合電力負荷、用戶側儲能、電動汽車以及用戶側電源等需求側資源,以滿足內(nèi)部用能需求、響應外部系統(tǒng)變化,使電力系統(tǒng)的需求側由傳統(tǒng)的“消費者”向“產(chǎn)消者”過渡,將是新型電力系統(tǒng)需求側資源整合的重要平臺。

我國需求響應尚處于試點階段,目前已在廣東、江蘇、上海等地試點推廣,2021年廣東開展市場化需求響應交易結算試運行,日最大響應容量達到100.7萬千瓦??傮w而言,需求響應實施的范圍和規(guī)模仍較小,需求側可調(diào)節(jié)潛力亟待開發(fā)挖掘。近中期,按照需求響應規(guī)模達到最大用電負荷的5%左右考慮,南方五省區(qū)需求響應能力將超過1500萬千瓦。

(三)電網(wǎng)側

電網(wǎng)作為資源優(yōu)化配置的支撐平臺,是提升新型電力系統(tǒng)靈活性的重要補充。通過建設跨省區(qū)電力互聯(lián)通道,提高存量輸電通道利用率,可進一步發(fā)揮跨省區(qū)電網(wǎng)互濟能力,擴大平衡區(qū)域范圍,實現(xiàn)時間和空間上的擴展和互補,一定程度上可減少因系統(tǒng)靈活性不足導致的棄能現(xiàn)象,同時也能有效解決新能源在多日、周時間尺度出力不穩(wěn)定引起的供需失衡問題。

提升新型電力系統(tǒng)靈活性的相關建議

大力推動存量煤電靈活性改造。煤電在未來電能供給體系中將發(fā)揮兜底保障作用,建議加大力度推動具備改造條件的煤電機組“應改盡改”,同時加快完善輔助服務市場建設,明確補償機制,調(diào)動企業(yè)實施靈活性改造的積極性。

積極推廣應用“新能源+儲能”模式。加快建立新型儲能價格形成機制,推動“新能源+儲能”激勵機制落地,提高新能源發(fā)電企業(yè)配置儲能積極性。針對高比例新能源短時波動特性引起的系統(tǒng)穩(wěn)定和電網(wǎng)安全問題,建議從源頭解決,按照新能源場站裝機容量15%~20%配置儲能。

統(tǒng)籌布局建設抽水蓄能電站。抽水蓄能電站建設周期較長,建議做好中長期抽水蓄能選點規(guī)劃和站址保護,優(yōu)化抽水蓄能電站布局和投產(chǎn)時序,優(yōu)先在新能源集中開發(fā)地區(qū)和負荷中心布局建設。推進大容量高水頭抽水蓄能機組科技創(chuàng)新,開展中小型、可變速抽水蓄能技術研究。

健全完善電力需求響應政策機制。通過峰谷電價、尖峰電價、可中斷負荷電價等電價政策引導需求側資源參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)。遵循公平合理的原則,建立“誰受益、誰出資”的長效激勵機制,實現(xiàn)需求響應從臨時性、緊急性的舉措逐漸轉變?yōu)槌B(tài)化調(diào)節(jié)手段。大力發(fā)展自動需求響應、負荷聚集、節(jié)約電力測量與驗證等關鍵技術,開展試點建設和應用示范,支撐需求響應推廣應用。

(作者為南網(wǎng)能源研究院規(guī)劃中心主任)