中國儲能網(wǎng)訊：伴隨高比例新能源接入并網(wǎng)，源網(wǎng)荷儲四側(cè)正發(fā)生著特性變化，電力系統(tǒng)將面臨安全穩(wěn)定方面的六大核心問題——電力電量平衡、短路電流、同步穩(wěn)定、寬頻振蕩、電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定。
這六大核心問題是如何引起的？新型電力系統(tǒng)又是如何解題的呢？
本期，先對電力電量平衡相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行解析。
一、電力電量平衡是什么？
由于電能無法被大量存儲，因此電力系統(tǒng)具有即發(fā)即用的特性。這種特性使得電網(wǎng)需要實時滿足發(fā)電與用電的平衡，即電力電量平衡。
電力平衡是一種瞬時平衡，指在某一時刻，用電功率與發(fā)電功率保持平衡。
簡單化至家庭場景，家里配備了一臺小型發(fā)電機(jī)，若某一時刻這臺發(fā)電機(jī)所發(fā)的電，能滿足同時工作的所有電器用電，這家就達(dá)到了電力平衡。
而電量平衡是一種過程平衡，指某一段時間內(nèi)，用戶需求的電能量與發(fā)電廠發(fā)出的電能量之間的平衡。
電力電量平衡屬于電力系統(tǒng)的基本安全穩(wěn)定問題。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，衡量電力電量是否平衡的標(biāo)準(zhǔn)一般看最大負(fù)荷時刻。發(fā)電機(jī)組若能滿足最高負(fù)荷的用電需求，即可實現(xiàn)實時平衡。而在新型電力系統(tǒng)中，卻有了不一樣的平衡標(biāo)準(zhǔn)。
二、電力電量平衡面臨的挑戰(zhàn)
在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，負(fù)荷側(cè)以剛性、純消費型的用電負(fù)荷為主，負(fù)荷預(yù)測準(zhǔn)確度較高。電源側(cè)以火電和水電裝機(jī)為主，發(fā)電可控且出力連續(xù)、穩(wěn)定。因此可較準(zhǔn)確地預(yù)測電網(wǎng)用電負(fù)荷和發(fā)電能力，維持電力電量平衡難度較小。
而隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的推進(jìn)，新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)，浙江電源結(jié)構(gòu)將發(fā)生深刻變化。根據(jù)《浙江省可再生能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》中“風(fēng)光倍增計劃”，到“十四五”末，浙江光伏裝機(jī)達(dá)到2750萬千瓦以上，風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到640萬千瓦以上，風(fēng)、光新能源裝機(jī)占比超過裝機(jī)總量的23%。
電源將由火電、水電、核電的傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)為主，轉(zhuǎn)變?yōu)橛尚履茉礊榇淼撵o止發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)共同主導(dǎo)。此類變化使得電力電量平衡有多場景特征，即使最大負(fù)荷時刻可達(dá)到平衡，但在某些時刻新能源大發(fā)或無出力情況下可能無法平衡。
電力電量平衡面臨新的挑戰(zhàn)。
1.“虛胖”導(dǎo)致可信出力有限
新能源裝機(jī)容量雖大，卻都是“虛胖體質(zhì)”，可信出力有限。可信出力是指，在電力負(fù)荷需求最大時，新能源能夠提供的電力供應(yīng)能力。
火電、水電等常規(guī)電源的出力可控性強(qiáng)，可以做到“源隨荷動”。而新能源出力受到天氣影響，出力與負(fù)荷需求無法實時匹配。
相同電量供應(yīng)下，不同類型機(jī)組所需裝機(jī)容量對比
據(jù)統(tǒng)計，相同裝機(jī)容量下，新能源發(fā)電年平均利用小時數(shù)遠(yuǎn)小于火電機(jī)組。以2021年為例，浙江火電平均發(fā)電利用小時4762小時，風(fēng)電平均發(fā)電利用小時2165小時，而光伏僅1122小時。在浙江夏季午間用電高峰時刻，光伏的可靠出力僅占裝機(jī)容量的16%，而風(fēng)電的可靠出力僅占裝機(jī)容量的6%。
新能源與負(fù)荷的“錯峰”現(xiàn)象，以及新能源出力的不確定性，導(dǎo)致在負(fù)荷高峰時段，電力電量平衡支撐能力較弱。
2.新能源開發(fā)利用受技術(shù)限制
在風(fēng)電開發(fā)利用方面，目前我國已開發(fā)的海上風(fēng)電以近海風(fēng)電為主。受生態(tài)環(huán)境保護(hù)、交通航道占用等因素影響，近海風(fēng)電項目的站址資源日趨緊張。
相比之下，中遠(yuǎn)海具有更廣闊的海域資源，風(fēng)能資源豐富，風(fēng)速更穩(wěn)定，因此大家對海上風(fēng)電開發(fā)的目光逐漸轉(zhuǎn)向中遠(yuǎn)海。
目前對于與陸地距離80千米以下的近海風(fēng)電，主要采用50赫茲交流海纜進(jìn)行輸電。但受到交流海纜特性影響，距離80千米以上的中遠(yuǎn)海風(fēng)電送出在技術(shù)上存在問題。如何實現(xiàn)大容量中遠(yuǎn)海風(fēng)電跨海輸送成為中遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)難題。
在光伏開發(fā)利用方面，分布式光伏的大規(guī)模開發(fā)給電網(wǎng)的運行帶來了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)內(nèi)只有負(fù)荷，沒有電源，配網(wǎng)的主要職責(zé)只是保障配網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷電力的可靠供應(yīng)。
隨著分布式光伏的開發(fā)和接入，配電網(wǎng)將轉(zhuǎn)變?yōu)楹写罅糠植际诫娫吹挠性磁潆娋W(wǎng)，在保障電力供應(yīng)的同時，還需實現(xiàn)分布式光伏的可靠消納，配電網(wǎng)運行管理變得更加復(fù)雜。因此，亟需對配電網(wǎng)進(jìn)行智能化升級和改造，以此促進(jìn)分布式光伏的消納能力。
3.短期調(diào)節(jié)能力有限
由于新能源出力具有波動性且不可控制，傳統(tǒng)電源的出力需要配合新能源出力變化進(jìn)行實時調(diào)節(jié)，以滿足電力電量平衡的需求。傳統(tǒng)電源需要滿足的調(diào)節(jié)需求也稱為“凈負(fù)荷”，即為總用電負(fù)荷扣除新能源出力后的負(fù)荷。受大規(guī)模光伏接入的影響，電網(wǎng)的短期（日內(nèi)）電力電量平衡調(diào)節(jié)難度日益增大。
電網(wǎng)的日內(nèi)凈負(fù)荷呈現(xiàn)“鴨子曲線”特征。早上，隨著光伏開始發(fā)電，凈負(fù)荷下降(鴨尾巴)。當(dāng)中午太陽最強(qiáng)的時候，凈負(fù)荷達(dá)到最低點(鴨的腹部)。在傍晚時分，隨著光照的下降，凈負(fù)荷迅速上升(鴨脖子)。夜間用電負(fù)荷需求逐漸下降，凈負(fù)荷也開始下降(鴨頭)。
電網(wǎng)凈負(fù)荷低谷從以往的單一夜間時段低谷變?yōu)槲玳g光伏大發(fā)時段和夜間時段的雙低谷。隨著光伏裝機(jī)占比的不斷增加，鴨肚子會越來越深，鴨脖子越來越長。
目前，煤電在電源結(jié)構(gòu)中仍占主導(dǎo)地位，因此燃煤機(jī)組承擔(dān)了最主要的調(diào)節(jié)任務(wù)。根據(jù)“鴨子曲線”特性，在午間時段，光伏大量發(fā)電，煤電需要降低出力。但為保證鍋爐的穩(wěn)定燃燒，降低出力具有一定下限（浙江燃煤機(jī)組的最小技術(shù)出力限制為40%額定功率），可能出現(xiàn)調(diào)節(jié)不足的問題。
而在晚高峰時段，失去光照后的光伏出力快速下降，煤電出力需要快速爬坡增長。因此亟需全面提高燃煤機(jī)組靈活調(diào)節(jié)能力，實現(xiàn)“上得去、下得來、爬得快”，來應(yīng)對新能源出力變化帶來的短期調(diào)節(jié)需求。
4.中長期調(diào)節(jié)能力有限
新能源“靠天吃飯”的屬性明顯，給中長期（周、月、年）電力電量平衡也帶來新挑戰(zhàn)。
在極冷無光、極熱無風(fēng)等極端天氣，或是梅雨季節(jié)影響下，新能源出力不足的時間持續(xù)數(shù)天或數(shù)周，可能造成長時間尺度的新能源部分供電缺口。
雨季時新安江水電站九孔泄洪
2022年1至2月，浙江出現(xiàn)長期陰雨天氣，全省1700萬千瓦裝機(jī)容量的光伏，最大出力維持在400萬千瓦以下，最低時只有100萬千瓦，對電力可靠供應(yīng)的支撐有限。
在國慶、春節(jié)等假日期間，工廠、寫字樓等休假停工，出現(xiàn)極端小負(fù)荷情況，這時新能源的消納也是一個難題。部分時段新能源出力大發(fā)時，可能導(dǎo)致燃煤機(jī)組出力需低于40%的情況，給相關(guān)機(jī)組的穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)。隨著新能源的進(jìn)一步大規(guī)模接入，未來部分時段新能源出力甚至有可能超過負(fù)荷總量，新能源消納難度增大。
目前電力系統(tǒng)中雖已配置了抽水蓄能、電化學(xué)儲能等儲能設(shè)備，但此類儲能電力電量調(diào)節(jié)時間尺度一般為小時級，面對新能源中長期出力不足或出力過大時，難以滿足幾天甚至幾十天中長時段的電力電量平衡的調(diào)節(jié)需求。
三、破題思路
新型電力系統(tǒng)的建設(shè)使得源網(wǎng)荷儲四側(cè)涌現(xiàn)了大量新技術(shù)、新設(shè)備，也給針對因新能源接入而加劇的電力電量平衡問題，帶來了新的解題思路。
以浙江電網(wǎng)為例：
在應(yīng)對新能源“虛胖”方面，國網(wǎng)浙江電力正開展新能源多時空尺度功率高精度技術(shù)的研究，降低電網(wǎng)調(diào)度難度、增加新能源并網(wǎng)友好性，減少新能源出力運行波動性和不確定性對電網(wǎng)運行帶來的沖擊。目前，已構(gòu)建了“點-線-面”分布式新能源多時空尺度功率預(yù)測體系，搭建基于云計算與人工智能的智能化預(yù)測服務(wù)，同時為全省11地市的600余個分布式光伏站點提供多尺度功率預(yù)測，實現(xiàn)面向綠色調(diào)度的分布式新能源功率精準(zhǔn)態(tài)勢感知。
供電員工正利用源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，對海寧全市源、網(wǎng)、荷、儲四側(cè)資源狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控｜吳亦冰 攝
為了提高新能源開發(fā)利用水平，國網(wǎng)浙江電力正開展大規(guī)模新能源柔性接入優(yōu)化技術(shù)研究，利用柔性低頻輸電、多電壓等級直流電網(wǎng)新技術(shù)，提高中遠(yuǎn)距離規(guī)?；Ｉ巷L(fēng)電開發(fā)和送出能力；同時開展高比例分布式光伏靈活并網(wǎng)技術(shù)研究，增強(qiáng)高密度光伏的開發(fā)利用能力。目前已在臺州開展世界首個柔性低頻輸電示范工程的建設(shè)，可實現(xiàn)80-185公里范圍內(nèi)風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)高效送出，為中遠(yuǎn)海風(fēng)電的開發(fā)利用提供了解決方案。
大陳島上的風(fēng)力發(fā)電場｜吳俊華 攝
在提高短期調(diào)節(jié)能力方面，國網(wǎng)浙江電力從源荷儲多側(cè)協(xié)同發(fā)力，構(gòu)建多元靈活調(diào)節(jié)體系。源側(cè)，開展火電靈活性改造，降低煤電機(jī)組最小出力限制，實現(xiàn)20%-30%額定出力下安全運行。負(fù)荷側(cè)，不斷擴(kuò)充需求響應(yīng)資源池，通過可中斷負(fù)荷、虛擬電廠、負(fù)荷聚合商等提供輔助服務(wù)，積極參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)互動，實現(xiàn)“源荷互動”。儲能側(cè)，積極布局抽水蓄能及其他新型儲能，充分發(fā)揮多類型儲能資源的靈活調(diào)節(jié)能力。
麗水綠色能源虛擬聚合電廠構(gòu)成示意
在提高中長期調(diào)節(jié)能力方面，國網(wǎng)浙江電力正開展氫能、電能、熱能等異質(zhì)能源互聯(lián)互通技術(shù)的研究。在新能源發(fā)電大量盈余的時段，通過新能源制氫、甲醇和氫衍化物等進(jìn)行消納。在長時間新能源發(fā)電不足時，通過將氫能、甲醇等異質(zhì)能源轉(zhuǎn)換為電能實現(xiàn)電力供應(yīng)保證。目前，已在寧波慈溪、杭州、麗水縉云、臺州大陳島建設(shè)氫電耦合能源樞紐示范工程，工程投運后將創(chuàng)新電能與氫能的協(xié)同運行方式，為中長期電力可靠供應(yīng)提供解決方案。
供稿：電科院 董煒 華文 唐雅潔 江航
