中國儲能網訊：隨著光伏發(fā)電量的飛速增長，中國現(xiàn)行電網的容量正面臨嚴峻挑戰(zhàn)，尤其是在農村地區(qū)。由于光伏容量的急劇增加，部分地區(qū)的安裝容量已超過戶均容量的10倍以上，引發(fā)了一系列電網安全問題。已有跡象顯示，反送電現(xiàn)象在電壓等級上已從110千伏上升至220千伏。鑒于電網擴建的滯后性，部分地區(qū)的分布式光伏可接入容量正接近飽和。
農村地區(qū)的配電網，特別是其升級和新建項目，迫切需要大量投資。光伏發(fā)電的快速發(fā)展進一步加劇了對配電網建設與升級的需求。然而，這些項目的投資回報周期較長，且前期資金需求巨大，這成了光伏發(fā)電發(fā)展的一個主要障礙。因此，電網的安全和規(guī)劃成為了兩個亟待解決的問題。值得注意的是，中國目前面臨的問題與德國過去經歷的問題有著顯著的相似之處。事實上，這些問題也是能源轉型過程中的典型問題。
德國新能源發(fā)展
面臨的“反送電”挑戰(zhàn)
在德國，多達97%的新能源發(fā)電設施安裝在配電網，尤其是農村電網中。德國曾遭遇類似挑戰(zhàn)。以德國北部的農村電網為例，其風能和光伏的反送功率在2014年就已經超過了當?shù)仄骄摵傻氖兑陨希ㄒ妶D1）。
德國的能源轉型主要在農村地區(qū)展開，原因在于只有農村具有可以安裝新能源設施所需的廣闊土地。如果按照就地消納的原則，德國新能源的比例很難達到當前的50%。因此，僅僅依靠就地消納來推廣新能源并不是一個普遍適用的策略。在德國的農村電網中，反送電現(xiàn)象已成為日常。這一現(xiàn)象在某種程度上表明，能源轉型乃至能源革命的實現(xiàn)，實際上是以農村為主戰(zhàn)場，這一點不僅適用于德國。
由于新能源發(fā)展的速度遠遠超過輸電網擴建的步伐，德國配電網的反送電現(xiàn)象也開始影響到超高壓輸電網。根據(jù)德國網絡監(jiān)管局的統(tǒng)計，2022年輸電網的棄風棄光電量達到了733吉瓦時，而賠償電量高達2816吉瓦時。同時，配電網的棄風棄光電量為2531吉瓦時，賠償電量為448吉瓦時。這一數(shù)據(jù)表明，棄風棄光現(xiàn)象主要出現(xiàn)在配電網中，而輸電網的反送電問題也日益嚴重。由于高壓變壓器是輸電網的一部分，這使得輸電網的賠償電量遠超配電網。因此，高壓變壓器已經成為電網潮流安全運行的一個關鍵瓶頸。
通常情況下，低壓電網主要面臨電壓升高的問題，而超高壓輸電網則主要受到過載的影響，高中壓電網則同時面臨這兩種問題。此外，高壓和超高壓電網還需要處理系統(tǒng)平衡的問題（圖2）。
根據(jù)德國的新能源法，電網運營商不僅負有消納新能源的責任，而且必須優(yōu)先考慮這些資源。這一政策使電網面臨巨大挑戰(zhàn)。在德國，擴建輸電線路極為困難，因為輸電線的審批過程既繁瑣又耗時，通常需長達5年之久。此外，還需得到地方政府的復審和居民的支持。這些因素導致輸電網的擴建速度遠遠落后于新能源的增長速度，尤其在農村的配電網中，棄風棄光問題尤為突出，成為配電網亟需解決的重要問題。
“削峰規(guī)劃”在德國的實踐探索
為應對這一挑戰(zhàn)，德國政府在2009年對新能源法進行了修訂，規(guī)定在電網無法及時擴建的情況下，可以實施分布式電源饋入管理。該措施允許電網運營商在電網安全面臨嚴重威脅時，暫時中斷風電和光伏發(fā)電。同時，要求運營商對新能源發(fā)電運營商進行賠償。這在一定程度上緩解了電網的安全問題，但并未根本解決電網擴建嚴重滯后的問題。
在傳統(tǒng)電網規(guī)劃中，電網容量是根據(jù)電流峰值確定的。根據(jù)德國以前的新能源法規(guī)，電網必須接收新能源發(fā)電的每一度電。這意味著電網必須根據(jù)新能源的峰值電流進行規(guī)劃和擴建。從成本角度來看，這不僅增加了電網公司的建設壓力，還可能產生居民和工業(yè)用戶難以承擔的高昂電費，因為電網的過網費是構成電費的一部分。
為了應對這一挑戰(zhàn)，德國第5大能源集團EWE的配電網公司提出了“5%實時削峰”概念。根據(jù)這一原理，對分布式新能源進行5%的電量削峰，就能有效地將配電網容量擴大至一倍以上。該原理的核心在于分布式新能源緊貼負荷，使峰值部分更加集中，容易被負荷吸收，從而降低了所需削峰的能量（圖3）。
EWE公司采用的策略是利用實時動態(tài)削峰原理，旨在將電網擴建的需求降至最低，甚至避免進行大規(guī)模的電網擴建。然而，在實施這一策略的過程中，也遇到了一些挑戰(zhàn)。例如，需要將風電機組的調節(jié)能力從5級提升至10級，并且還需要投資大量的測控設備。這些額外成本的分攤方式，成了一個待解決的關鍵問題。
最終，電網規(guī)劃策略為這一問題提供了解決方案。在電網規(guī)劃過程中，不需要改變現(xiàn)有設備或進行新的投資。只需在電網規(guī)劃的定容中考慮減少3%的電量，就能顯著降低電網擴建的成本。在最佳情況下，這種設置可以減少高達一半的投資費用。得益于行業(yè)的持續(xù)努力，德國政府在2017年修訂了能源法，允許在網絡規(guī)劃中實施3%的削峰規(guī)劃原則，從而避免了電網資源的大量浪費。這項法律規(guī)定實際上意味著，對于不超過3%的削峰需求，電網無需進行成本補償，從而間接地減輕了電力用戶的負擔。
多年來，德國棄風棄光率一直維持在大約3%左右。這一統(tǒng)計數(shù)字為最終確立3%的削峰規(guī)劃原則提供了實踐經驗基礎。
“削峰規(guī)劃”在中國的適用性探討
從理論上講，削峰規(guī)劃原理在中國應該同樣適用，特別是在光伏并網領域。以德國為例，其光伏發(fā)電的年利用小時數(shù)約為900小時。但考慮到實際的負荷消納情況，電網電流的實際最大峰值小時數(shù)僅為幾百小時。這表明，按照光伏發(fā)電的最大峰值設計的配電網，其實際利用率非常低。因此，削峰規(guī)劃原理能夠在最大化消納新能源的同時，滿足電網擴建最小化的需求，這對農村電網尤其重要。這一原理曾對德國能源轉型產生過重大作用。對于中國來說，光伏發(fā)電的平均利用小時數(shù)大約在1000至1200小時之間。盡管中國農村平均負荷可能低于德國，但考慮到配電網的巨大體量，通過削峰規(guī)劃可節(jié)省的投資也相當可觀，這對中國的能源轉型同樣具有重要意義。
在實際操作中，削峰規(guī)劃原則可以通過多種方法實現(xiàn)，分為靜態(tài)和動態(tài)兩種方式。其中，常用的靜態(tài)方法側重于控制發(fā)電設備的發(fā)電功率（見圖4），動態(tài)方法主要用于擴建電網的標準。
靜態(tài)削峰規(guī)劃的第一種方法涉及到設置發(fā)電裝置，以限制光伏的發(fā)電功率不超過額定功率的70%，風電不超過87%，這一策略需要由新能源運營商來執(zhí)行；第二種方法則依賴于對發(fā)電設備進行就地實時控制，以限制其功率輸出。這兩種方法均能確保發(fā)電量損失不超過3%，并在理想條件下實現(xiàn)新能源消納量的增加。其中，第一種方法實施起來非常簡便，為解決中國當前的配電網容量瓶頸問題提供了一種可能的方案。而第二種方法則適用于條件允許進行就地實時控制的場景。
動態(tài)削峰規(guī)劃方法的原理采用潮流優(yōu)化方法，并考慮到假想的故障情況（即靜態(tài)安全穩(wěn)定性），還需對電量的3%限制條件進行檢查，以判斷是否有必要對配電網進行擴建。這種方法充分吸收了實時動態(tài)削峰原理幾乎所有的優(yōu)點。雖然其結果略遜于實時控制效果，但卻節(jié)省了通信和控制系統(tǒng)的費用。相較于靜態(tài)削峰規(guī)劃方法，該方法還可以檢查電壓越限問題，但需要依賴新能源發(fā)電和負荷的歷史數(shù)據(jù)，因此計算工作量較大，對規(guī)劃專家的技術要求也更高。
然而，德國與中國還存在一個重要的區(qū)別。德國的分布式新能源不僅包括分布式光伏發(fā)電，還包括分布式風電。由于削峰原則主要解決的是新能源的匯流問題，即分布式新能源在配電變壓器處造成的線路匯集瓶頸問題，因此對分布式風電的效果尤為顯著。而在中國，分布式新能源主要以光伏為主。由于大部分光伏安裝在低壓電網，主要引發(fā)的是電壓升高越限問題，不僅僅是匯流問題，因此3%的削峰原則在中國實行的效果可能不如在德國那樣明顯（圖5）。
削峰規(guī)劃原則的核心在于利用現(xiàn)有負荷對新能源的峰值進行自動平滑，因此，該原則特別適用于裝備了大量光伏發(fā)電設施的分布式新能源的配電網，如光伏設施眾多的農村電網。在那些能夠同時推廣光伏發(fā)電和熱泵技術的農村地區(qū)，這一規(guī)劃原則由于就地負荷的重要性，能夠發(fā)揮更加顯著的效果。
根據(jù)研究預測，到2035年，中國約62%的家庭可能安裝熱泵系統(tǒng)。盡管電動汽車的普及和定時充電將對能源需求產生一定影響，但考慮到電動汽車的能耗預計僅占總能耗的4%至5%，而供暖和制冷需求則占總能耗的16%至17%，因此相比之下，電動汽車對削峰規(guī)劃的影響相對較小。
然而，由于光伏在低壓電網中主要引起電壓問題，因此有效地利用低壓可調配電變壓器以提高削峰規(guī)劃的協(xié)同效果，顯得尤為關鍵（見圖6）。
削峰規(guī)劃可以更有效地利用綜合能源服務。例如，通過生物質和光伏發(fā)電的錯峰運行以及需求側響應技術實現(xiàn)負荷的移峰（見圖7），這些措施在中國提高削峰協(xié)同效應方面具有巨大潛力。
鑒于中德兩國配電網的拓撲結構差異，分布式風電的比例可能較低，主要面臨光伏發(fā)電的挑戰(zhàn)。因此，進一步深入研究以選擇最佳削峰規(guī)劃（見圖8）是必要的，相關光伏設備的額定功率亦需明確。面對能源危機，德國在電力短缺的情況下放寬了適用于小型光伏發(fā)電設備的削峰規(guī)定。削峰規(guī)劃的研究在德國主要聚焦于中低壓配電網，高壓配電網方面的研究相對有限。另外，根據(jù)德國的研究，在缺乏補貼的情況下，化學電池在配電網削峰規(guī)劃的應用上難以實現(xiàn)盈利。事實上，目前所有的電池在電力系統(tǒng)的應用都難以靠自身的力量收回投資，其中也包括家用光伏電池在內。
當光伏發(fā)電功率超出削峰規(guī)劃設定的物理范圍時，便需要擴大電網容量。在電網擴建方面，德國遵循一項基本原則：優(yōu)先優(yōu)化現(xiàn)有電網運行，其次加強電網設施，最后考慮進行電網擴建。
綜上所述，實施削峰規(guī)劃原理可能是解決當前中國電網投資瓶頸問題的一個有效策略。這需要引起電力行業(yè)的高度關注。由于中國配電網的規(guī)模巨大，削峰規(guī)劃措施所能帶來的經濟效益也相當可觀。更為重要的是，削峰規(guī)劃的實施還能在一定程度上維持電價的穩(wěn)定。當然，首要任務是解決過網費用的問題，尤其是電價定價機制的調整。這對于光伏發(fā)電的有序和可持續(xù)發(fā)展至關重要。展望未來，光伏并網的瓶頸問題、新型電力系統(tǒng)的配電網規(guī)劃，以及過網費用的公平分攤，都將成為今后兩年內電力行業(yè)發(fā)展的焦點。
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2024年1期，作者系中國電機工程學會外籍會士
