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关于新能源大规模发展的约束边界与可行路径浅析

发布时间:2021-01-27 10:59:03    来源:    作者:
    

 继碳达峰、碳中和目标提出后,总书记于气候雄心峰会上提出2030年非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右,风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。2020年新能源装机创1.2亿历史新高,相关消息也显示国家能源局提出2021年我国风电、太阳能发电合计新增1.2亿千瓦的目标。更大规模新能源发展已是大势所趋,但新能源的发展绝非坦途,关于实现高比例新能源的有序接入,确保电力系统安全稳定运行的现实路径始终争论不休。


当前各界热议的新能源平价、调峰和并网安全等问题,本质上是同一问题的一体几面,可表述为:在电力系统安全稳定、社会经济承受能力、电力市场环境等约束边界内,如何实现新能源发展最优解的问题。随着电力系统的安全稳定裕度逐步降低,新能源发展成为一个系统性问题,即如何通过技术、管理等手段扩大电力系统安全边界,保证接入更多的新能源,本文试图从系统分析的角度做一些粗浅的尝试。

01
新能源与交流电网的适应性问题

虽然技术发展日新月异,但在2030年碳中和之前,当前以交流为主的电力系统仍是新能源发展的主要载体,电力系统的发用电实时平衡和安全稳定约束仍是需要遵循的客观规律。新能源之所以会对电网运行带来冲击,主要有两方面原因:

一是老调重弹的调峰问题,风光资源具有随机性、间歇性和分散性,成为电力平衡过程中的不确定因素。在传统电力系统中,负荷具有随机性、分散性,但由于负荷数量足够大,呈现出统计规律,为负荷预测提供了基础,从而由集中可控的电源进行负荷跟踪,就能确保发用电平衡。在实践中,大机组的一次调频、二次调频和实时调度三级平衡机制,有效控制了发用电过程中的不平衡量。而新能源在电源侧也引入了不确定性,使发用电平衡由确定性问题变成一个随机数学问题,但并非毫无规律可循并且风光各有特点:光伏的规律性很强,但由于光伏的高同时性导致了更大的调峰压力;风电更无序,但放到一个更大的区域电网内,也许能为发用电平衡做出贡献。

二是风电光伏发电系统作为直流系统,无法与交流电磁场进行强耦合,也就无法对电网安全稳定形成正的影响。从功角平衡来说,交流系统通过交流电磁场彼此耦合在一起,就像多人绑腿跑的游戏,人就像机组,捆绳就像电网,如果有人落后、超前或摔倒,会通过绑绳拉回一致,而直流系统虽然与交流系统存在功率交互,但并没有形成强耦合关系,无法成为电力系统功角和频率稳定的平衡器。从电压角度来说,短路电流是衡量电网电压稳定性的综合指标(无功突变造成的电源变化与短路电流成反比),直流系统并不能提供短路电流,反而需要交流电网提供电压支撑,其电压耐受能力也较低,电网波动时容易发生脱网等问题,对电压起到反向调节作用。

上述第一个问题已受到广泛重视,被大部分人视为解决新能源发展的核心问题,也催生了电化学储能、虚拟电厂、电动汽车有序充电等技术的发展。个人预计2030年,常规电源装机容量仍会略高于最大负荷,也略高于新能源装机,通过调峰手段的有效组合,并建立合适的市场机制,全网发用电平衡仍具有一定的基础。而对于第二个问题,随着直流系统比例越来越大,对于交流系统频率、电压和惯量的考验,将是对电力系统更加严峻的挑战,而且这个危机的脚步越来越近,这可能是新能源大规模发展面临的更加本质的问题。提升新能源与电网的协同势在必行,新版《电力系统安全稳定导则》中,对新能源的电压和频率耐受能力,一次调频、电压调节能力提出了要求,也要求新能源并网发电比重较高的地区,新能源场站应提供必要惯量与短路容量支撑。按照导则要求,重构新能源与电力系统协调关系,将是需要更多专业研究和技术创新的问题。

02
新能源发展的约束边界

随着新能源比例快速攀升,电力系统原有安全边界被打破,新能源发展已从电站建设扩展到系统性问题,亟需系统性的研究方法和思维。借鉴专业的电力系统理论,将新能源发展归纳为:在电力系统安全稳定、社会经济承受能力、电力市场环境等约束边界内,实现新能源发展最优解的问题,下面仅根据个人浅薄的知识,试图搭建一个粗浅且不全面的框架。

(一)电力系统约束

从电力系统客观规律出发,新能源需满足的约束大致可以分为以下几大类:

1.全网发用电平衡
尽管储能等技术飞速发展,但发用电平衡仍是电力系统最重要的规律。发用电平衡包括有功和无功的平衡,而有功具有全局特性,更被人广泛认知,由于有功平衡是频率稳定的基础条件,所以隐含着频率稳定要求。

2.潮流平衡
电网中每一个节点必须满足潮流平衡的原则,特定电源、负荷和电网结构下,电力系统潮流具有可行解,是讨论电力系统稳定运行的前提条件。在高比例新能源接入状态下,满足潮流可解才具有可行性

3.输电断面稳定限额
输电断面(包括线路通道、变压器等原件)最大输送容量受原件载流量、送受端电网强度等因素影响,在核定稳定限额的时候,需要综合考虑《导则》中各种故障情况下,满足功角、频率、电压稳定的限制,是反映电力系统安全稳定的重要约束。输电断面稳定限额约束是影响重点地区新能源上马的重要原因。

4.并网点承受能力
表现为并网点电压范围和新能源短路容量要求。给定并网点正常电压范围,新能源耐受电压水平处于并网点电压范围内,不因为电压过高或过低造成脱网。新能源场站短路比衡量并网点短路容量与接入的新能源容量之比,短路比过低,表明交流电网强度不足以支持新能源接入,发生电压波动甚至小扰动情况下,会发生电压失稳。

5.机组限额
包括机组的调节范围调节速率:机组有功(无功)出力上下限体现了电源的调节(调相或进相)范围,反映了机组对于全网发用电平衡进行调节的总能力。机组的调节速率(爬坡速率),反映机组响应电网要求,维持发用电平衡的动态特性。机组爬坡速率不足,将导致频率的临时性波动。
 
上述电力系统约束条件中,1、2条属于等式约束,3、4、5条属于不等式约束,彼此之间存在较强联系。不等式约束边界即将被突破时,如果校正控制不及时,不等式约束被突破后可能对等式约束进行破坏。如机组调节能力或机组爬坡速率不足,达到机组限额极值,将对发用电平衡造成影响。而如果联络线容量越限,转变为线路潮流约束进而影响机组出力,需要进行分区平衡,在电力市场环境下将造成阻塞盈余等问题。整体来看,等式约束被破坏将造成全局影响,需要采取紧急控制措施,如发电不足采取限电、切负荷,发电过剩进行弃风弃光,联络线潮流越限采取分区控制等措施。

(二)政策及市场约束

6.弃风弃光比例
近年来,通过多方努力,弃风弃光率降低,但随着新能源建设加快,5%的弃风弃光率虽然能保障新能源业主权益,但也限制了电网企业和地方政府接受增量项目的积极性。

7.市场规律
建立健全的现货市场、辅助服务市场、容量市场,有利于激活电力系统中间的灵活性资源,公允的市场环境下,弃风、弃光或高电价也可以作为电力电量平衡的可选解,发用电平衡手段更加丰富,有利于接入更多的新能源。但参与市场给新能源又带来一定的风险,表现为电价和电量难以保障,特别是如果引入偏差考核,新能源场站需要在储能等方面进行额外投资,其经济性受到一定冲击。

8.全社会碳排放强度
碳排放约束是碳达峰、碳中和的整体性约束,逐步完善碳配额基础上,碳资产价值将逐步提升,有效促进新能源经济效益的提升。

9.产业结构与用能成本
由于我国以高耗能、低附加值的产业为主,在产业结构完成较好调整之前,我国的能源转型始终要满足低能源成本约束,不管是建立辅助服务市场,还是建立碳市场,都将传导至终端用户。如果国家仍要求终端用能成本只降不升,那么辅助服务市场也好、碳市场也罢,也只能是在电费收入上切份额。

03
策略及启示

通过上述分析,新能源发展面临的问题可以抽象为高维非线性空间求最优化,目标函数可以是新能源装机最大,也可以是新能源发电成本最优,视具体情况而定。新能源并网规模日益加大,电网安全裕度快速下降,如何用经济、可行的手段扩大新能源发展的约束边界,是完成30/60目标亟需破解的问题。虽然很多问题仍无确切答案,但仍可以形成以下思路:

1.形成更广泛的共识。新能源发展是大势所趋,但清晰的发展路径仍是见仁见智,由于专业分工不同,对于新能源与电网协同的问题,不同主体都有一叶障目不见泰山之感;同时由于利益主体多元,很多客观规律有意无意中被忽视。当前电源结构和电力体制同时发生深刻变化,需要设备企业、发电企业、电网企业和政府协同一致,形成系统意识和安全稳定意识,就新能源并网标准、涉网技术和系统信息共享达成广泛共识,搭建新能源健康发展的社会环境。

2.以更灵活的市场手段促进新能源消纳。强制性控制弃风弃光比例虽然有利于既有电站的消纳,但限制了电网企业和地方政府接受增量项目的积极性,也不利于新能源资源价值的开发。随着各地降低新能源保障小时数,新能源广泛参与中长期交易、现货市场交易是大趋势。尽快完善现货市场交易机制并扩容,实现其价格发现作用,与中长期交易风险规避作用相结合,新能源才能真正进入平价的快车道。

3.以更开放的视野看待电力系统调峰问题。电网调峰手段多种多样,以新能源强制配储能的方式,也许能快速提升新能源的调节性能,也能快速培育和壮大电化学储能行业,但容易造成资源错配,造成新能源发电成本高企。长期来看,利用辅助服务市场、容量市场促进虚拟电厂、火电灵活性改造等灵活性资源盘活;同时在市场环境下将新能源电站纳入偏差考核,促进新能源电站通过配置储能设备、加强出力预测或开展发电权交易进行自我平衡,更有利于降低新能源发电的系统平衡成本。

4.能源价格市场化,倒逼能源转型。客观尊重能源转型需要付出成本的事实,国外经验和国内研究成果均表明,新能源比例提升,将导致零售价格的上升。建立辅助服务市场、碳市场并形成良性循环,需要向用户侧进行成本疏导,以往在发电企业之间的“零和游戏”没有出路,打破能源价格政策限制,形成市场化的能源顺价机制,是实现新能源发展的重要条件。

5.开展新能源与电网适应性改造和技术研发。电网企业优化电网结构和开机组合,挖掘电力系统的安全裕度,提升新能源接入容量,同时完善并出台新能源并网的安全稳定细则。新能源企业充分重视并网安全,统筹安排对既有电站的涉网改造,加强新建电站并网标准管理。设备和技术企业加强技术攻关,形成提升新能源惯量、短路容量、有功和无功支撑的整体解决方案,降低新能源并网的技术成本。