面對(duì)不斷增長(zhǎng)的能源需求、傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭、生態(tài)環(huán)境的持續(xù)惡化,一場(chǎng)將改變?nèi)祟惸茉瓷a(chǎn)和消費(fèi)方式的能源革命正在全球范圍內(nèi)興起。這場(chǎng)革命的核心,是最大限度地開發(fā)利用以低碳和可再生為特征的新能源,大幅度提高能源利用效率,讓能源產(chǎn)業(yè)向高效、清潔、智能化方式轉(zhuǎn)變。由中國(guó)首倡的全球能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略構(gòu)想,很好地契合了這一時(shí)代主題。
大變革:新能源電力系統(tǒng)
構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng),現(xiàn)有電力系統(tǒng)需要進(jìn)行深刻變革。
電力系統(tǒng)的基本功能,是保證電能的供需平衡。在以火電、水電、核電為主導(dǎo)的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中,一次能源是可以儲(chǔ)存的,因而電能輸出是可控的,電力系統(tǒng)可以進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)與機(jī)組優(yōu)化調(diào)度,通過(guò)變更發(fā)電側(cè)功率來(lái)滿足用電側(cè)隨機(jī)波動(dòng)的需求,從而保證電能的供需平衡與電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。
而以風(fēng)能、太陽(yáng)能為代表的新能源發(fā)電,與傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)的最大區(qū)別就在于,一次能源是不可儲(chǔ)存的,進(jìn)而風(fēng)能、太陽(yáng)能的隨機(jī)波動(dòng)性決定了其發(fā)電功率的隨機(jī)波動(dòng)性。當(dāng)大規(guī)模新能源電源接入電網(wǎng)以后,就要求電力系統(tǒng)從原來(lái)的“一次能源可儲(chǔ)、二次能源可控”模式,升級(jí)為在隨機(jī)波動(dòng)的負(fù)荷需求與隨機(jī)波動(dòng)的電源之間實(shí)現(xiàn)電能供需平衡的新模式。
如果掌握了大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù),可以在一定程度上化解上述矛盾,但目前的儲(chǔ)能技術(shù)尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)電荷大容量、大功率存儲(chǔ),所以需要從調(diào)整電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)與運(yùn)行控制方式出發(fā),用動(dòng)態(tài)思維來(lái)解決。理想的新電力系統(tǒng)需要滿足三方面響應(yīng)機(jī)制,即電源響應(yīng)、電網(wǎng)響應(yīng)、負(fù)荷響應(yīng),我們可以將滿足這些要求的電力系統(tǒng)稱為“新能源電力系統(tǒng)”。
電源響應(yīng)就是要實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電功率的靈活控制。一方面,要研究精確的風(fēng)能、太陽(yáng)能功率預(yù)測(cè)方法、大規(guī)模新能源發(fā)電基地的功率分配策略,以及靈活的新能源發(fā)電單元功率控制技術(shù)。另一方面,也要意識(shí)新能源發(fā)電功率輸出的強(qiáng)隨機(jī)波動(dòng)性本質(zhì)上是由一次能源特性決定的,不可能徹底改變,因此必須有火電、水電等可控裝機(jī)進(jìn)行多源互補(bǔ)。依靠互補(bǔ)特性,可以有效地突破大規(guī)模新能源電力并網(wǎng)導(dǎo)致的電源功率隨機(jī)波動(dòng)問(wèn)題。
電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與輸送極限是決定電網(wǎng)配置資源能力的兩個(gè)重要方面,電網(wǎng)響應(yīng)即從調(diào)整這兩項(xiàng)內(nèi)容著手。其一,是依靠先進(jìn)的輸電方式,增強(qiáng)電網(wǎng)在大時(shí)空范圍內(nèi)的輸送能力與資源優(yōu)化配置能力,合理運(yùn)用大規(guī)模集中電站并網(wǎng)外送、基于可調(diào)負(fù)荷和儲(chǔ)能的就地消納、基于微網(wǎng)的分布式接入等多種方式,提高電力系統(tǒng)對(duì)新能源的接納規(guī)模。在這方面,特高壓技術(shù)的研發(fā)做出了積極嘗試,特高壓海底電纜、柔性直流輸電技術(shù)都是未來(lái)的探索方向。其二,需要基于新能源電源的時(shí)空特性與多種新型輸電方式的特征優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu),硬件上構(gòu)建區(qū)域電網(wǎng)間解耦連接、分層分區(qū)的輸電網(wǎng)架,軟件上研發(fā)可以同時(shí)響應(yīng)負(fù)荷和電源功率隨機(jī)波動(dòng)性的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)漸進(jìn)優(yōu)化理論方法。
隨著智能家居、電動(dòng)汽車等設(shè)備的普及,負(fù)荷響應(yīng)對(duì)于提高新能源接納比例越來(lái)越重要。其實(shí),目前的電力系統(tǒng)中已存在大量電網(wǎng)友好型的可平移負(fù)荷,要進(jìn)一步發(fā)掘這些用負(fù)荷響應(yīng)潛力,需要相關(guān)政策、價(jià)格機(jī)制、市場(chǎng)手段來(lái)引導(dǎo)用戶主動(dòng)參與電網(wǎng)互動(dòng)。同時(shí),必要的技術(shù)條件可以在不改變用戶消費(fèi)習(xí)慣的前提下極大地提高負(fù)荷響應(yīng)比例。為實(shí)現(xiàn)人與電網(wǎng)和諧互動(dòng)的用電方式,用電設(shè)備應(yīng)當(dāng)可以實(shí)時(shí)獲取并分析精確、可靠的電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息,并及時(shí)、正確地響應(yīng)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的改變。要做到這一點(diǎn),在現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)、智能電表、柔性電力負(fù)荷控制等技術(shù)的基礎(chǔ)上,還需要有針對(duì)性地研發(fā)家庭控制網(wǎng)關(guān)、智能插座等電網(wǎng)友好裝置以及具有用電信息采集、處理、監(jiān)控、計(jì)費(fèi)、資源調(diào)度等功能的高級(jí)量測(cè)系統(tǒng)。
此外,與傳統(tǒng)發(fā)電廠/站相比,新能源發(fā)電設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣、工況多變的客觀條件導(dǎo)致其出現(xiàn)故障的概率增大,從而增加了電力系統(tǒng)發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn),因此先進(jìn)的電網(wǎng)控制與安全防御技術(shù)也是決定新能源接納極限的重要因素。傳統(tǒng)的電網(wǎng)保護(hù)與安全防御系統(tǒng)采用的是“以保守性換取可靠性”的策略,即采取離線仿真方式按最惡劣的情況設(shè)定保護(hù)控制策略,這極大地限制了電網(wǎng)優(yōu)化配置資源的能力。智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)正在改變這種局面,各種傳感器的大量應(yīng)用與監(jiān)測(cè)平臺(tái)的建設(shè),讓電力系統(tǒng)信息化程度顯著提高,系統(tǒng)安全防御將可以從常規(guī)的故障控制,轉(zhuǎn)變?yōu)獒槍?duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)的評(píng)估、預(yù)警、保護(hù)與安全控制體系,這將會(huì)更加適合新能源電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。
在上述特性都具備的前提下,電力系統(tǒng)才可能具備完全的新能源接納能力,風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電也才能真正進(jìn)入大發(fā)展時(shí)期。
作者:劉吉臻 來(lái)源:《能源評(píng)論》
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