怎么給新能源拉一張新電網(wǎng)？

目前的一種常見思維是，當(dāng)建設(shè)了足夠多的可再生能源發(fā)電設(shè)備后，碳排放問題就自然而然的得到了解決，我們就能實(shí)現(xiàn)“碳中和”。

這顯然不可能。

事實(shí)上，大量的新能源發(fā)電設(shè)備的接入，會(huì)對(duì)當(dāng)前的電網(wǎng)造成很大影響——放大燈在《如何從零造一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)》一文中就描述過，能源結(jié)構(gòu)中高占比的風(fēng)光電如何惡化了我國東北與美國得州的用電危機(jī)。因此，關(guān)于新能源并網(wǎng)，絕不是一個(gè)簡單的“越多越好”的二元問題。

針對(duì)新能源發(fā)電的管理，2021年3月，中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議上指出“要著力提高利用效能，實(shí)施可再生能源替代行動(dòng)，深化電力體制改革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”——這正是解決方案。

“以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”是什么？有什么特征？要實(shí)現(xiàn)需要做些什么？在哪些領(lǐng)域有更多的機(jī)會(huì)？本文將對(duì)這些問題一一解答。

凌霜微雨 ｜ 特約作者

陳悶雷 ｜ 編輯

放大燈團(tuán)隊(duì) ｜ 策劃

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什么是以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)

目前，新型電力系統(tǒng)仍然沒有官方的明確定義，但各方共識(shí)基本集中于“新能源為主體”，這意味著我國電力系統(tǒng)的新能源占比未來將達(dá)到50％以上。

從發(fā)展階段來看，“以新能源為主體”將分為兩個(gè)主要階段

新能源裝機(jī)占50％以上；

新能源發(fā)電量占50％以上。

然而在現(xiàn)階段，從裝機(jī)量看，2020年我國電源總裝機(jī)22億千瓦，其中風(fēng)、光、生物質(zhì)共占比26％；可如果從發(fā)電量來看，風(fēng)、光、生物質(zhì)的占比迅速跌到11％，與目標(biāo)差距很大，可見未來的很長一段時(shí)間，大力發(fā)展風(fēng)、光等新能源將成為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的當(dāng)務(wù)之急。

中國電源結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)來源《中國能源發(fā)展報(bào)告2020》）

相對(duì)來說，只要考察的當(dāng)，建設(shè)加速，以我國的新能源基建水平，將裝機(jī)容量快速提升至50％水平并不困難。預(yù)計(jì)到2025年，可再生能源（含水電）裝機(jī)就將超過50％，而到2035年，新能源的裝機(jī)占比就可以提升到50％以上。

與裝機(jī)相比，新能源的發(fā)電想達(dá)到50％以上則是一個(gè)更為長期、艱巨的任務(wù)，因?yàn)轱L(fēng)、光等新能源本身就具有不確定性，其利用小時(shí)數(shù)遠(yuǎn)低于火電統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)電的年發(fā)電利用小時(shí)數(shù)約是火電的一半左右，光伏則更低，所以為了發(fā)同樣的電，需要的新能源裝機(jī)容量可能是火電的兩到三倍。

數(shù)據(jù)來源能源研究俱樂部

然而如果新能源的占比真的如此之高，將給電力系統(tǒng)帶來一系列艱巨的挑戰(zhàn)。

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新型電力系統(tǒng)建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)

不確定性帶來的平衡難題

從下圖可以看出，新能源有很強(qiáng)的波動(dòng)性，出力忽大忽?。煌瑫r(shí)新能源天然也具有不確定性，你用電的時(shí)候不一定有風(fēng)吹、有光照。當(dāng)前電網(wǎng)中，新能源的占比還不高，火電機(jī)組就全權(quán)負(fù)責(zé)承受這種波動(dòng)和不確定性風(fēng)光發(fā)電少了，火電就多發(fā)電。風(fēng)光發(fā)電多，火電就少發(fā)電。

但是未來呢？如果新能源成為了我們最主要的電源，又該如何解決問題？

調(diào)節(jié)能力缺陷干擾電網(wǎng)穩(wěn)定性

電力系統(tǒng)想正常運(yùn)行，就涉及了兩個(gè)重要的穩(wěn)定概念頻率穩(wěn)定，電壓穩(wěn)定。而傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)是維持這兩個(gè)穩(wěn)定性的最大支柱。但風(fēng)、光等新能源并不具備傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)維持電壓和頻率的能力，甚至接入會(huì)消耗大量無功，還可能破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，為電力系統(tǒng)的安全帶來風(fēng)險(xiǎn)。

頻率穩(wěn)定

是指電力系統(tǒng)受到嚴(yán)重?cái)_動(dòng)后，發(fā)電和負(fù)荷需求出現(xiàn)大的不平衡，系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定頻率的能力，主要由同步發(fā)電機(jī)中的調(diào)頻裝置負(fù)責(zé)。

頻率與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速息息相關(guān)，一般的電機(jī)一般會(huì)維持3000轉(zhuǎn)／分鐘（1對(duì)極，50轉(zhuǎn)／s），或1500轉(zhuǎn)／min（2對(duì)極，25轉(zhuǎn)／s）的轉(zhuǎn)速，對(duì)應(yīng)的則是電網(wǎng)供電的50Hz交流電。當(dāng)供電的功率比用電功率低的時(shí)候，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)下降，將發(fā)電機(jī)巨大轉(zhuǎn)子（可參考下圖）里儲(chǔ)存的一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能供給到電網(wǎng)里，轉(zhuǎn)速下降帶來的就是電壓頻率的下降，例如降低到49．8Hz，此時(shí)頻率調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)就會(huì)開始啟動(dòng)，對(duì)于火電廠就加大蒸汽的流量、對(duì)于水電廠就增加水流的流量，來輸出更多的功率，讓發(fā)電機(jī)加速，繼而維持50Hz的頻率。

然而，風(fēng)電、光伏往往靠天吃飯，當(dāng)頻率下降的時(shí)候，沒有額外的方式可以讓他們輸出更多的功率，其頻率調(diào)節(jié)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)火電機(jī)組。

電壓穩(wěn)定

是指處于給定運(yùn)行點(diǎn)的電力系統(tǒng)在經(jīng)受擾動(dòng)后，維持所有節(jié)點(diǎn)電壓為可接受值的能力。它依賴于系統(tǒng)維持或恢復(fù)負(fù)荷需求和負(fù)荷供給之間平衡的能力。

發(fā)電機(jī)組在發(fā)電時(shí)，除了輸出有功功率外，還會(huì)輸出無功功率，而無功功率則是維持電力系統(tǒng)電壓的核心。然而，風(fēng)電、光伏基本上不具備為電網(wǎng)提供無功功率的能力，或者只能提供非常少的無功功率，在很多時(shí)候可能還需要從電網(wǎng)吸收無功才能維持運(yùn)行，這就降低了電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。同時(shí)，風(fēng)、光發(fā)電的輸出功率波動(dòng)很大（由于風(fēng)、光資源不穩(wěn)定），功率發(fā)生變化也就會(huì)帶來電壓的波動(dòng)，這會(huì)讓電網(wǎng)電壓更加的不穩(wěn)定。

電力電子設(shè)備接入的系統(tǒng)性問題

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)及其分析理論建立在所有電源都是同步發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上，也就是說我們的分析與調(diào)控手段都是基于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降／上升，線圈的磁場如何變化來制定的。

但新能源作為電源，他們依托了大量電力電子設(shè)備進(jìn)行發(fā)電，比如雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)、永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)里面都含有電力電子部件，而光伏的逆變器更是純電力電子設(shè)備，當(dāng)這些設(shè)備成為主流后，建立在“發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量”“線圈磁通磁導(dǎo)”這樣概念上的分析理論將不再適用，以往的調(diào)控方式也將難以應(yīng)用于這樣的新型電力系統(tǒng)。

例如我們前面說過，發(fā)電機(jī)擁有巨大的轉(zhuǎn)子，里面在正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)儲(chǔ)存了大量的動(dòng)能，也就是所謂的“慣性”。當(dāng)功率不足時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，但損失的動(dòng)能會(huì)變成電能繼續(xù)供電，這就為調(diào)節(jié)爭取了時(shí)間，但像光伏這樣的新能源根本就沒有“轉(zhuǎn)子”，更無從談起所謂的“慣性”了，所以原來的調(diào)節(jié)方式將不再適用，這也讓新能源占比很高的電力系統(tǒng)變得異常脆弱。

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新型電力系統(tǒng)建設(shè)的主要方向

上文我們提到了電力系統(tǒng)面對(duì)的新問題，那么如何解決這些問題？這就需要做好三件事看的準(zhǔn)、調(diào)得動(dòng)、儲(chǔ)得住。

看得準(zhǔn)

可再生能源的不確定性帶來了新型電力系統(tǒng)中的很大一部分問題，那么最直接的思路自然是賦予電網(wǎng)確定性，也就是提高對(duì)發(fā)電能力預(yù)測的準(zhǔn)確性。

舉個(gè)例子，電網(wǎng)可以知道明天下午300風(fēng)光端發(fā)不出電，就可以提前給旁邊的煤電廠打個(gè)電話，告訴對(duì)方在這一時(shí)段提高多發(fā)電來彌補(bǔ)缺口。

電力預(yù)測是門技術(shù)活，需要結(jié)合氣象、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等一系列的新技術(shù)。事實(shí)上我們國家每個(gè)風(fēng)電場并網(wǎng)，都要求他們對(duì)自己的功率進(jìn)行預(yù)測，并且規(guī)定了必須達(dá)到的預(yù)測精度，每個(gè)省各有不同。下圖是國家能源局東北監(jiān)管局發(fā)布的關(guān)于風(fēng)電預(yù)測準(zhǔn)確性的考核。

而且要知道，如果預(yù)測總出錯(cuò)，是要罰錢的！例如河北南部電網(wǎng)，2021年2月風(fēng)電場考核總費(fèi)用就達(dá)到了422．54萬元，所以風(fēng)光電廠往往有很強(qiáng)的動(dòng)力去提升自己的預(yù)測精度。

那么要如何進(jìn)行預(yù)測呢？從技術(shù)角度說，我們可以將預(yù)測按照時(shí)間進(jìn)行分類，分為超短期功率預(yù)測、短期功率預(yù)測、中長期功率預(yù)測三類。不同預(yù)測的特點(diǎn)與適用范圍，以及對(duì)應(yīng)的典型方法如下所示（節(jié)選于《中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)專題技術(shù)報(bào)告2018 下卷 新能源發(fā)電功率預(yù)測技術(shù)》）

其中典型方法具體的方式如下

（1）持續(xù)法持續(xù)方法是以當(dāng)前時(shí)刻實(shí)測功率值作為未來時(shí)刻預(yù)測功率的風(fēng)電功率預(yù)測方法。其模型簡單，預(yù)測精度隨預(yù)測時(shí)間增加而迅速下降，通常適用于時(shí)間尺度較短的預(yù)測。

（2）物理法物理方法的原理是根據(jù)風(fēng)電場周圍的地形地貌信息和物理信息，采用微觀氣象學(xué)理論或流體力學(xué)方法，建立起符合風(fēng)電場氣象特征信息的流體力學(xué)模型，然后采用該模型預(yù)測風(fēng)電機(jī)組輪轂高度的風(fēng)速、風(fēng)向等信息，進(jìn)而預(yù)測風(fēng)電場的功率。

（3）統(tǒng)計(jì)方法統(tǒng)計(jì)方法不考慮風(fēng)速變化的物理過程，以對(duì)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和NWP數(shù)據(jù)的分析研究為基礎(chǔ)，建立NWP數(shù)據(jù)與風(fēng)電場輸出功率之間的映射關(guān)系。該方法直接利用NWP數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)電場輸出功率進(jìn)行預(yù)測。統(tǒng)計(jì)方法同時(shí)適用于超短期、短期和中長期預(yù)測，進(jìn)行超短期風(fēng)功率預(yù)測時(shí)只需使用歷史數(shù)據(jù)，短期和中長期預(yù)測時(shí)要使用歷史數(shù)據(jù)和NWP數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)方法相對(duì)物理方法而言更加簡單、使用的數(shù)據(jù)單一，但對(duì)突變信息的處理能力較差。

（4）人工智能方法屬于統(tǒng)計(jì)方法，但更為先進(jìn)。人工智能方法需要大量的歷史觀測數(shù)據(jù)來建立模型，但其具有模型修改方便、精確度高的持點(diǎn)。人工智能方法同時(shí)適用于超短期、短期和中長期預(yù)測，進(jìn)行超短期風(fēng)功率預(yù)測時(shí)只需使用歷史數(shù)據(jù)，短期和中長期預(yù)測時(shí)要使用歷史數(shù)據(jù)和NWP數(shù)據(jù)。

調(diào)得動(dòng)

另一方面，既然風(fēng)光總是波動(dòng)來波動(dòng)去，那電網(wǎng)是不是能跟上波動(dòng)就行了呢？現(xiàn)在依靠大量的煤電去調(diào)節(jié)，未來煤電雖然越來越少，但是我們可以去找新的資源調(diào)節(jié)。

需要明確的是，其實(shí)煤電并不是一種非常好的調(diào)節(jié)資源。首先是它的調(diào)節(jié)范圍并不大，現(xiàn)有傳統(tǒng)煤電的調(diào)峰深度大概在50％左右，也就是說一臺(tái)滿發(fā)100MW的發(fā)電機(jī)，它的輸出功只能維持在50MW～100MW，低于50MW就要停機(jī)。東北常見的供熱機(jī)組的調(diào)峰深度更是只有30％，基本上沒有調(diào)節(jié)空間。

其次是變的慢，火電的爬坡速度約是1．5％～3％／min，也就是100MW的機(jī)組，每分鐘最多變化1．5MW～3MW的出力，非常緩慢。相比之下水電的爬坡速率可以達(dá)到50％～100％／min，天然氣發(fā)電也有20％／min，調(diào)節(jié)能力都比火電強(qiáng)（核電的調(diào)峰能力更差）。之前依靠煤電數(shù)量多才壓住了新能源的波動(dòng)性，用10臺(tái)機(jī)組，調(diào)1臺(tái)的波動(dòng)，未來隨著煤電越來越少，這種情況一定要改變。

我從《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》（以下簡稱行動(dòng)方案）中，節(jié)選了部分與之相關(guān)的材料

“因地制宜開發(fā)水電。積極推進(jìn)水電基地建設(shè)，推動(dòng)金沙江上游、瀾滄江上游、雅礱江中游、黃河上游等已納入規(guī)劃、符合生態(tài)保護(hù)要求的水電項(xiàng)目開工建設(shè)，推進(jìn)雅魯藏布江下游水電開發(fā)，推動(dòng)小水電綠色發(fā)展。推動(dòng)西南地區(qū)水電與風(fēng)電、太陽能發(fā)電協(xié)同互補(bǔ)。統(tǒng)籌水電開發(fā)和生態(tài)保護(hù)，探索建立水能資源開發(fā)生態(tài)保護(hù)補(bǔ)償機(jī)制?！笆奈濉薄笆逦濉逼陂g分別新增水電裝機(jī)容量4000萬千瓦左右，西南地區(qū)以水電為主的可再生能源體系基本建立?！?/p>

“大力提升電力系統(tǒng)綜合調(diào)節(jié)能力，加快靈活調(diào)節(jié)電源建設(shè)，引導(dǎo)自備電廠、傳統(tǒng)高載能工業(yè)負(fù)荷、工商業(yè)可中斷負(fù)荷、電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)、虛擬電廠等參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)，建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，提升電網(wǎng)安全保障水平?！?/p>

可以看到，國家點(diǎn)名了要“因地制宜”的“積極”發(fā)展水電，但完全沒提氣電，只是籠統(tǒng)的說了一句“加快靈活調(diào)節(jié)電源建設(shè)”。

這是因?yàn)樗娛欠浅０舻馁Y源，清潔無污染，調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，其實(shí)是未來的首選電源，但是我們國家的水電開發(fā)成績有目共睹，事實(shí)上開發(fā)已經(jīng)非常充分了。根據(jù)測算，我們國家可開發(fā)水電5．41億千瓦，經(jīng)濟(jì)可開發(fā)裝機(jī)4．02億千瓦，但根據(jù)2020年的數(shù)據(jù)，已經(jīng)裝機(jī)的水電大概是3．3億千瓦，也就是說具有經(jīng)濟(jì)性的可開發(fā)容量已經(jīng)開發(fā)了82．1％，因此我們只能“積極”的根據(jù)具體情況，“因地制宜”去找到還未被開發(fā)的水電資源進(jìn)行開發(fā)。

至于天然氣發(fā)電雖然很優(yōu)秀，但不幸的是我國的燃?xì)夥浅Ｒ蕾囘M(jìn)口。2020年我國天然氣消費(fèi)3288億立方米，其中進(jìn)口1400億立方米，占消費(fèi)量的42．57％，而工業(yè)用氣1240億立方米，城市燃?xì)庀M(fèi)量1205億立方米——也就是說如果進(jìn)口被卡脖子，我們正常家里炒菜做飯取暖都會(huì)受影響，更不要說發(fā)電了。因此雖然氣電性能很好，但不是未來發(fā)展的重點(diǎn)。

那么除了電源我們還有沒有其他的調(diào)節(jié)方式呢？文件中說“引導(dǎo)自備電廠、傳統(tǒng)高載能工業(yè)負(fù)荷、工商業(yè)可中斷負(fù)荷、電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)、虛擬電廠等參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)”，又是什么意思？

上面的內(nèi)容除了自備電廠外和虛擬電廠外，基本都是去通過引導(dǎo)我們?cè)趺从秒?，來提升調(diào)節(jié)能力。電力系統(tǒng)是雙向的，電源負(fù)責(zé)發(fā)電，用戶負(fù)責(zé)用電，發(fā)電和用電總是平衡的。

如果電源發(fā)電一會(huì)高一會(huì)低要怎么辦？“傳統(tǒng)高載能工業(yè)負(fù)荷、工商業(yè)可中斷負(fù)荷”參與調(diào)節(jié)的方式就是“少用電”，電網(wǎng)可以提前與一些工廠簽協(xié)議，給你錢或者電價(jià)優(yōu)惠一點(diǎn)，但是在我讓你少用電的時(shí)候你必須要少用電，這就增加了電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力。

電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)則是利用海量電動(dòng)汽車充電的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，電多的時(shí)候功率大一點(diǎn)，電少的時(shí)候功率小一點(diǎn)，甚至在特殊情況下讓電動(dòng)汽車作為儲(chǔ)能電池給電網(wǎng)供電。

“虛擬電廠”則更加復(fù)雜。我們可以將屋頂上的分布式光伏、小風(fēng)電、儲(chǔ)能電池以及上文提到的各類系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度，在電網(wǎng)看來這就像是一個(gè)電廠，電網(wǎng)給你下命令，你今天下午3點(diǎn)，必須發(fā)500千瓦的電，這個(gè)時(shí)候這個(gè)虛擬電廠就算來算去，發(fā)現(xiàn)下午光伏可以發(fā)300千瓦，我們手里的負(fù)荷可以少用100千瓦的電（少用電等于發(fā)電），儲(chǔ)能可以再發(fā)100千瓦，齊活～通過這樣底層的協(xié)調(diào)控制，像一個(gè)電廠一樣參與到電網(wǎng)的運(yùn)行里，不是電廠、勝似電廠，所以叫“虛擬電廠”。

儲(chǔ)得住

在《行動(dòng)方案》里，還提到“積極發(fā)展‘新能源＋儲(chǔ)能’、源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化和多能互補(bǔ)，支持分布式新能源合理配置儲(chǔ)能系統(tǒng)。制定新一輪抽水蓄能電站中長期發(fā)展規(guī)劃，完善促進(jìn)抽水蓄能發(fā)展的政策機(jī)制。加快新型儲(chǔ)能示范推廣應(yīng)用。”

概括來說，就是重要的儲(chǔ)能說三遍。

儲(chǔ)能堪稱是為新型電力系統(tǒng)量身訂做的調(diào)節(jié)方式，多的時(shí)候可以充電，少了可以放電，其他調(diào)節(jié)往往是單向的，只能選擇少發(fā)電或多發(fā)電，負(fù)荷只能選擇少用電或多用電，而儲(chǔ)能則可以選擇到底發(fā)電還是用電，調(diào)節(jié)能力極強(qiáng)。

由于儲(chǔ)能本身也是一個(gè)大型產(chǎn)業(yè)鏈，涉及技術(shù)眾多，我們將在后續(xù)文章詳述，本文受篇幅所限不再進(jìn)一步展開。