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        高比例新能源發展趨勢下提升新型電力系統靈活性的思考

        信息來源:南方電網報  發布時間2021-08-10

          構建以新能源為主體的新型電力系統,以風電、光伏為主的新能源將成為新增電能供應的主體,但由于新能源發電固有的強隨機性、波動性和間歇性,大規模新能源接入電網后,電力系統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靈活調節能力。

          新發展階段系統調節面臨新挑戰

          超短周期(毫秒至秒級)調節方面,新能源出力快速波動且頻率電壓耐受能力不足、穩定難度加大。風電、光伏采用電力電子裝備接入電網,大規模接入將使電力系統轉動慣量減小,降低系統抗擾動能力,導致系統故障時頻率、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機電設備,系統故障時風電、光伏機組易大規模脫網,引發嚴重連鎖故障。

          短周期(分鐘至小時級)調節方面,新能源短時出力隨機性和波動性易造成系統頻率和潮流控制困難。據統計,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后,常規電源不僅要跟蹤負荷變化,還要平衡新能源出力波動,大大增加了系統調節難度。

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

          多日、周時間尺度調節方面,新能源發電“靠天吃飯”特征明顯,加大系統供需失衡風險。受氣象條件影響,新能源出力可能出現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偏低;臺風來襲時,風機會自動處于停轉順槳狀態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靈活性

          (一)供給側

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

          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,提高新能源并網性能。超短周期調節方面,按照行業技術標準規定,新能源場站應滿足具備≥10%額定負荷調節能力的要求,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,提升系統一次調頻能力。短周期調節方面,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。

          抽水蓄能技術經濟優勢明顯,可進行大規模能量充放,放電時間達小時及以上,適合長時間尺度電網調峰及電力平衡場景,根據庫容大小,可以發揮日內調峰甚至周調節作用。大力發展抽水蓄能,有助于解決新能源間歇性問題,提升系統調峰能力、系統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節能力,通過煤電靈活性改造,可以進一步挖掘日內調峰能力。當前,煤電靈活性改造技術成熟、成本低、施工周期短,是短期提升系統靈活性的較優選擇。南方五省區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1500萬千瓦以上的調峰能力,改造潛力大。

          水電擴機主要通過對擁有調節水庫的已建水電站進行擴建,具有投資少、造價低、工期短的優點。南方區域瀾滄江、金沙江、烏江、紅水河等流域部分調節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,增強系統日內調峰能力,還有助于保障電網安全穩定運行,提高電力系統整體效率。

          調峰氣電具有啟停速度快、運行靈活的優點,原則上同樣具備全時間尺度調節能力。但受碳減排目標、氣源供應和氣價高等影響,氣電發展空間相對有限。

          (二)需求側

          電力需求響應速度可達到秒級,具有優異的調節能力,是提升新型電力系統靈活性的強有力支撐。

          電力負荷是最主要的需求側資源,可分為工業負荷、商業負荷及居民負荷。其中,工業負荷響應意愿取決于調節收益與生產成本增加間的權衡;商業負荷資源潛力較為可觀且靈活易控,是提升需求側靈活調節能力的基礎資源;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,調節潛力有待挖掘。

          用戶側儲能因其響應速度快、調控靈活的特點,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,是調節潛力巨大的需求側資源。

          據統計,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。未來依托車網互動技術以及成熟的電動汽車儲能商業模式,可充分調動電動汽車儲能特性。

          虛擬電廠通過協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,以滿足內部用能需求、響應外部系統變化,使電力系統的需求側由傳統的“消費者”向“產消者”過渡,將是新型電力系統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模仍較小,需求側可調節潛力亟待開發挖掘。近中期,按照需求響應規模達到最大用電負荷的5%左右考慮,南方五省區需求響應能力將超過1500萬千瓦。

          (三)電網側

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

          提升新型電力系統靈活性的相關建議

          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,調動企業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,提高新能源發電企業配置儲能積極性。針對高比例新能源短時波動特性引起的系統穩定和電網安全問題,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劃和站址保護,優化抽水蓄能電站布局和投產時序,優先在新能源集中開發地區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調節。遵循公平合理的原則,建立“誰受益、誰出資”的長效激勵機制,實現需求響應從臨時性、緊急性的舉措逐漸轉變為常態化調節手段。大力發展自動需求響應、負荷聚集、節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。

          (作者黃豫 為南網能源研究院規劃中心主任)

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