中國儲能網(wǎng)訊：隨著光伏發(fā)電量的飛速增長，中國現(xiàn)行電網(wǎng)的容量正面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，尤其是在農(nóng)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(wǎng)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(wǎng)擴(kuò)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(nóng)村地區(qū)的配電網(wǎng)，特別是其升級和新建項(xiàng)目，迫切需要大量投資。光伏發(fā)電的快速發(fā)展進(jìn)一步加劇了對配電網(wǎng)建設(shè)與升級的需求。然而，這些項(xiàng)目的投資回報(bào)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(gè)主要障礙。因此，電網(wǎng)的安全和規(guī)劃成為了兩個(gè)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(jīng)歷的問題有著顯著的相似之處。事實(shí)上，這些問題也是能源轉(zhuǎn)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(dá)97%的新能源發(fā)電設(shè)施安裝在配電網(wǎng)，尤其是農(nóng)村電網(wǎng)中。德國曾遭遇類似挑戰(zhàn)。以德國北部的農(nóng)村電網(wǎng)為例，其風(fēng)能和光伏的反送功率在2014年就已經(jīng)超過了當(dāng)?shù)仄骄?fù)荷的十倍以上（見圖1）。
德國的能源轉(zhuǎn)型主要在農(nóng)村地區(qū)展開，原因在于只有農(nóng)村具有可以安裝新能源設(shè)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(dá)到當(dāng)前的50%。因此，僅僅依靠就地消納來推廣新能源并不是一個(gè)普遍適用的策略。在德國的農(nóng)村電網(wǎng)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(zhuǎn)型乃至能源革命的實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上是以農(nóng)村為主戰(zhàn)場，這一點(diǎn)不僅適用于德國。
由于新能源發(fā)展的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過輸電網(wǎng)擴(kuò)建的步伐，德國配電網(wǎng)的反送電現(xiàn)象也開始影響到超高壓輸電網(wǎng)。根據(jù)德國網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管局的統(tǒng)計(jì)，2022年輸電網(wǎng)的棄風(fēng)棄光電量達(dá)到了733吉瓦時(shí)，而賠償電量高達(dá)2816吉瓦時(shí)。同時(shí)，配電網(wǎng)的棄風(fēng)棄光電量為2531吉瓦時(shí)，賠償電量為448吉瓦時(shí)。這一數(shù)據(jù)表明，棄風(fēng)棄光現(xiàn)象主要出現(xiàn)在配電網(wǎng)中，而輸電網(wǎng)的反送電問題也日益嚴(yán)重。由于高壓變壓器是輸電網(wǎng)的一部分，這使得輸電網(wǎng)的賠償電量遠(yuǎn)超配電網(wǎng)。因此，高壓變壓器已經(jīng)成為電網(wǎng)潮流安全運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵瓶頸。
通常情況下，低壓電網(wǎng)主要面臨電壓升高的問題，而超高壓輸電網(wǎng)則主要受到過載的影響，高中壓電網(wǎng)則同時(shí)面臨這兩種問題。此外，高壓和超高壓電網(wǎng)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(wǎng)運(yùn)營商不僅負(fù)有消納新能源的責(zé)任，而且必須優(yōu)先考慮這些資源。這一政策使電網(wǎng)面臨巨大挑戰(zhàn)。在德國，擴(kuò)建輸電線路極為困難，因?yàn)檩旊娋€的審批過程既繁瑣又耗時(shí)，通常需長達(dá)5年之久。此外，還需得到地方政府的復(fù)審和居民的支持。這些因素導(dǎo)致輸電網(wǎng)的擴(kuò)建速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于新能源的增長速度，尤其在農(nóng)村的配電網(wǎng)中，棄風(fēng)棄光問題尤為突出，成為配電網(wǎng)亟需解決的重要問題。
“削峰規(guī)劃”在德國的實(shí)踐探索
為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，德國政府在2009年對新能源法進(jìn)行了修訂，規(guī)定在電網(wǎng)無法及時(shí)擴(kuò)建的情況下，可以實(shí)施分布式電源饋入管理。該措施允許電網(wǎng)運(yùn)營商在電網(wǎng)安全面臨嚴(yán)重威脅時(shí)，暫時(shí)中斷風(fēng)電和光伏發(fā)電。同時(shí)，要求運(yùn)營商對新能源發(fā)電運(yùn)營商進(jìn)行賠償。這在一定程度上緩解了電網(wǎng)的安全問題，但并未根本解決電網(wǎng)擴(kuò)建嚴(yán)重滯后的問題。
在傳統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃中，電網(wǎng)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(wǎng)必須接收新能源發(fā)電的每一度電。這意味著電網(wǎng)必須根據(jù)新能源的峰值電流進(jìn)行規(guī)劃和擴(kuò)建。從成本角度來看，這不僅增加了電網(wǎng)公司的建設(shè)壓力，還可能產(chǎn)生居民和工業(yè)用戶難以承擔(dān)的高昂電費(fèi)，因?yàn)殡娋W(wǎng)的過網(wǎng)費(fèi)是構(gòu)成電費(fèi)的一部分。
為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，德國第5大能源集團(tuán)EWE的配電網(wǎng)公司提出了“5%實(shí)時(shí)削峰”概念。根據(jù)這一原理，對分布式新能源進(jìn)行5%的電量削峰，就能有效地將配電網(wǎng)容量擴(kuò)大至一倍以上。該原理的核心在于分布式新能源緊貼負(fù)荷，使峰值部分更加集中，容易被負(fù)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)削峰原理，旨在將電網(wǎng)擴(kuò)建的需求降至最低，甚至避免進(jìn)行大規(guī)模的電網(wǎng)擴(kuò)建。然而，在實(shí)施這一策略的過程中，也遇到了一些挑戰(zhàn)。例如，需要將風(fēng)電機(jī)組的調(diào)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(shè)備。這些額外成本的分?jǐn)偡绞?，成了一個(gè)待解決的關(guān)鍵問題。
最終，電網(wǎng)規(guī)劃策略為這一問題提供了解決方案。在電網(wǎng)規(guī)劃過程中，不需要改變現(xiàn)有設(shè)備或進(jìn)行新的投資。只需在電網(wǎng)規(guī)劃的定容中考慮減少3%的電量，就能顯著降低電網(wǎng)擴(kuò)建的成本。在最佳情況下，這種設(shè)置可以減少高達(dá)一半的投資費(fèi)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(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中實(shí)施3%的削峰規(guī)劃原則，從而避免了電網(wǎng)資源的大量浪費(fèi)。這項(xiàng)法律規(guī)定實(shí)際上意味著，對于不超過3%的削峰需求，電網(wǎng)無需進(jìn)行成本補(bǔ)償，從而間接地減輕了電力用戶的負(fù)擔(dān)。
多年來，德國棄風(fēng)棄光率一直維持在大約3%左右。這一統(tǒng)計(jì)數(shù)字為最終確立3%的削峰規(guī)劃原則提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。
“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(yīng)該同樣適用，特別是在光伏并網(wǎng)領(lǐng)域。以德國為例，其光伏發(fā)電的年利用小時(shí)數(shù)約為900小時(shí)。但考慮到實(shí)際的負(fù)荷消納情況，電網(wǎng)電流的實(shí)際最大峰值小時(shí)數(shù)僅為幾百小時(shí)。這表明，按照光伏發(fā)電的最大峰值設(shè)計(jì)的配電網(wǎng)，其實(shí)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(shí)，滿足電網(wǎng)擴(kuò)建最小化的需求，這對農(nóng)村電網(wǎng)尤其重要。這一原理曾對德國能源轉(zhuǎn)型產(chǎn)生過重大作用。對于中國來說，光伏發(fā)電的平均利用小時(shí)數(shù)大約在1000至1200小時(shí)之間。盡管中國農(nóng)村平均負(fù)荷可能低于德國，但考慮到配電網(wǎng)的巨大體量，通過削峰規(guī)劃可節(jié)省的投資也相當(dāng)可觀，這對中國的能源轉(zhuǎn)型同樣具有重要意義。
在實(shí)際操作中，削峰規(guī)劃原則可以通過多種方法實(shí)現(xiàn)，分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方式。其中，常用的靜態(tài)方法側(cè)重于控制發(fā)電設(shè)備的發(fā)電功率（見圖4），動(dòng)態(tài)方法主要用于擴(kuò)建電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。
靜態(tài)削峰規(guī)劃的第一種方法涉及到設(shè)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(fēng)電不超過87%，這一策略需要由新能源運(yùn)營商來執(zhí)行；第二種方法則依賴于對發(fā)電設(shè)備進(jìn)行就地實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)新能源消納量的增加。其中，第一種方法實(shí)施起來非常簡便，為解決中國當(dāng)前的配電網(wǎng)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(jìn)行就地實(shí)時(shí)控制的場景。
動(dòng)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(jìn)行檢查，以判斷是否有必要對配電網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)建。這種方法充分吸收了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)削峰原理幾乎所有的優(yōu)點(diǎn)。雖然其結(jié)果略遜于實(shí)時(shí)控制效果，但卻節(jié)省了通信和控制系統(tǒng)的費(fèi)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(fù)荷的歷史數(shù)據(jù)，因此計(jì)算工作量較大，對規(guī)劃專家的技術(shù)要求也更高。
然而，德國與中國還存在一個(gè)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(fēng)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(fēng)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(wǎng)，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(shí)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(fù)荷對新能源的峰值進(jìn)行自動(dòng)平滑，因此，該原則特別適用于裝備了大量光伏發(fā)電設(shè)施的分布式新能源的配電網(wǎng)，如光伏設(shè)施眾多的農(nóng)村電網(wǎng)。在那些能夠同時(shí)推廣光伏發(fā)電和熱泵技術(shù)的農(nóng)村地區(qū)，這一規(guī)劃原則由于就地負(fù)荷的重要性，能夠發(fā)揮更加顯著的效果。
根據(jù)研究預(yù)測，到2035年，中國約62%的家庭可能安裝熱泵系統(tǒng)。盡管電動(dòng)汽車的普及和定時(shí)充電將對能源需求產(chǎn)生一定影響，但考慮到電動(dòng)汽車的能耗預(yù)計(jì)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(dòng)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(wǎng)中主要引起電壓問題，因此有效地利用低壓可調(diào)配電變壓器以提高削峰規(guī)劃的協(xié)同效果，顯得尤為關(guān)鍵（見圖6）。
削峰規(guī)劃可以更有效地利用綜合能源服務(wù)。例如，通過生物質(zhì)和光伏發(fā)電的錯(cuò)峰運(yùn)行以及需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的移峰（見圖7），這些措施在中國提高削峰協(xié)同效應(yīng)方面具有巨大潛力。
鑒于中德兩國配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)差異，分布式風(fēng)電的比例可能較低，主要面臨光伏發(fā)電的挑戰(zhàn)。因此，進(jìn)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(guān)光伏設(shè)備的額定功率亦需明確。面對能源危機(jī)，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(shè)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(wǎng)，高壓配電網(wǎng)方面的研究相對有限。另外，根據(jù)德國的研究，在缺乏補(bǔ)貼的情況下，化學(xué)電池在配電網(wǎng)削峰規(guī)劃的應(yīng)用上難以實(shí)現(xiàn)盈利。事實(shí)上，目前所有的電池在電力系統(tǒng)的應(yīng)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(nèi)。
當(dāng)光伏發(fā)電功率超出削峰規(guī)劃設(shè)定的物理范圍時(shí)，便需要擴(kuò)大電網(wǎng)容量。在電網(wǎng)擴(kuò)建方面，德國遵循一項(xiàng)基本原則：優(yōu)先優(yōu)化現(xiàn)有電網(wǎng)運(yùn)行，其次加強(qiáng)電網(wǎng)設(shè)施，最后考慮進(jìn)行電網(wǎng)擴(kuò)建。
綜上所述，實(shí)施削峰規(guī)劃原理可能是解決當(dāng)前中國電網(wǎng)投資瓶頸問題的一個(gè)有效策略。這需要引起電力行業(yè)的高度關(guān)注。由于中國配電網(wǎng)的規(guī)模巨大，削峰規(guī)劃措施所能帶來的經(jīng)濟(jì)效益也相當(dāng)可觀。更為重要的是，削峰規(guī)劃的實(shí)施還能在一定程度上維持電價(jià)的穩(wěn)定。當(dāng)然，首要任務(wù)是解決過網(wǎng)費(fèi)用的問題，尤其是電價(jià)定價(jià)機(jī)制的調(diào)整。這對于光伏發(fā)電的有序和可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。展望未來，光伏并網(wǎng)的瓶頸問題、新型電力系統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃，以及過網(wǎng)費(fèi)用的公平分?jǐn)?，都將成為今后兩年?nèi)電力行業(yè)發(fā)展的焦點(diǎn)。
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(jī)工程學(xué)會外籍會士
