欧阳昌裕:消纳风电是电力系统问题

2014年1月2日14:40 作者:

消纳风电是电力系统问题

——关于电力工业发展的思考之五(统筹风电科学发展篇之二)

欧阳昌裕

    “十一五”以来,随着国家偏向于在华北、西北和东北等三北地区风电基地大规模集中开发,甚至提出了所谓的风电“三峡”工程,这些地区在风电装机规模迅猛增加的同时,也带来了越来越严重的消纳难、弃风多等诸多问题。更令人遗憾的是,无论是社会公众,还是研究机构,甚至是政府相关部门,大多把问题根源归结为电网企业的“垄断”行为所致,而不是对照《可再生能源法》相关条文逐一进行深入分析,从而使电网企业成为“替罪羊”。客观来看,风电消纳既是技术问题,更是管理机制与利益机制问题,大规模风电的高效消纳是一个世界性难题,各国一直都在努力探索解决之道。实际上,即使抛开管理因素,单从技术角度来看,风电消纳是全电力系统的问题,电网仅是其中的一个中间环节,电网企业并不起决定性作用。客观分析电力系统各环节,风电消纳取决于电力系统中电源、电网和用户三个环节。

    一、 用电需求是风电消纳的根本因素

    用电需求包括用电量总量、用电负荷总量和用电负荷特性,三者紧密关联。一般把用电量总量和用电负荷总量统称为用电需求总量,用电负荷特性也称为用电需求特性。用电需求总量及其特性决定了风电消纳能力及其消纳规模。

    一是在同等电源结构下,用电需求总量越大,风电消纳规模就越大。用电需求总量可以分为存量总量和增量总量两部分。一个地区或电网的存量总量是历年经济社会发展所累积的,既取决于过去经济社会发展状况,又取决于本地区电网与地区外电网的连接状况或交换能力。存量总量越大,风电消纳规模就越大,如东北、西北电网的用电存量总量小,风电消纳规模就远远小于华北、华东或华中电网,东北、西北电网现有风电装机规模已经出现了大量弃风,如果放在华北、华东或华中电网,就不会出现弃风。一个地区或电网的增量总量取决于未来经济社会发展态势和与地区外电网新增的电力电量交换能力。经济社会发展越快,发展周期越长,与地区外电网越紧密、甚至形成紧密的大区、跨大区电网,增量总量就都会越大,风电消纳能力也就越强。近几年来,内蒙古西部和东部电网的风电装机规模增长很快,已经出现了大量弃风,这是内蒙古电网风电装机规模超过了用电需求存量总量的消纳能力所致。内蒙古电网现有风电规模到2015年左右就可以完全消纳;或者通过增加外送能力从而增加增量总量,就能减少弃风;或者未来风电装机增长速度低于用电需求总量增长速度,弃风也会逐年减少。

    二是用电需求特性越好即用电负荷峰谷差越小,风电消纳能力就越强。用电需求特性一方面取决于用电结构,工业比重越大,工业中重工业比重越高,负荷峰谷差越小,用电需求特性就越好;另一方面取决于电价机制,如实施(峰谷)实时电价能够削峰填谷,从而改善用电需求特性。在同等电源结构和用电需求总量的条件下,用电需求特性越好,消纳风电的能力就越强,消纳的规模就越大。

    三是电价机制严重影响风电消纳。一方面电价水平影响用电需求增量总量,电价水平越高,经济社会发展的成本就越大,国内经济的国际竞争力就相对弱化,相应的用电需求增长速度就相对较低,用电需求增量总量就越小,相应的风电消纳规模就越少。另一方面销售电价机制影响用电需求特性,如近些年对高耗能产业实现差别化电价政策,在抑制高耗能产业过快发展的同时,用电负荷峰谷差就会相对加大、用电需求特性就会相对劣化,相应的风电消纳能力也就越低。

    总之,用电需求总量越大,用电需求特性越好,风电消纳能力就越强、消纳规模就越大。要提高风电消纳能力和消纳规模,既可以主要通过电价等市场手段改善用电需求特性,又可以通过提高电网交换能力、扩大更为紧密的同步电网来增加用电需求总量,还可以调整完善风电布局、从过去主要是集中式开发调整为分散与集中开发相结合来间接增加用电需求总量。

    二、电源结构是风电消纳的关键因素

    电力系统中必须有足够灵活的调峰能力来维持系统的功率平衡,电源结构决定电源调峰能力,大规模风电并网需要有合理规模的灵活调节电源与之匹配。在欧美等国家和地区,运行灵活性较好、能够快速调节出力的燃油、燃气、抽水蓄能以及水电等调峰电源比例相对较高,减少了电力系统接纳风电等可再生能源发电并网所面临的技术障碍。根据国网能源院的有关研究报告,在美国的发电总装机中,除水电外,仅燃油、燃气和抽水蓄能发电机组的比重就接近50%,德国、西班牙的这一比例也分别达到20%和35%。风电发展较快的国家,往往伴随着调峰电源的同步发展,西班牙在2001—2010年间,风电装机容量增加了1775万千瓦,油气机组容量同期增加了1801万千瓦,风电与油气调峰机组基本实现了同步增长。此外,西班牙电力系统中还有500多万千瓦运行非常灵活的抽水蓄能机组。由于我国一次能源资源禀赋与欧美国家及地区存在较大差异,电源结构中以可深度调峰但运行灵活性较差的煤电机组为主、发电装机占全国总装机的68%左右,且北方地区的煤电装机中供热机组占有较大比重,冬季为了满足可靠供热需求,供热机组调峰能力十分有限;水电装机比重超过20%,但径流式水电所占比重较大,调节性能好的水电所占比重小,大型水利枢纽电站受灌溉、航运、防洪等综合利用影响,调峰能力受到一些制约;出于安全性和经济性考虑,核电一般不参与调峰,运行灵活性很差;运行灵活、调峰性能好的燃气和燃油机组非常少,抽水蓄能机组比例很低,因此电力系统调峰能力不足一直是同步系统普遍存在的问题。例如在东北电网,风电大发期、枯水期和冬季取暖期三期重叠,调峰难度随着风电比重增加而越来越突出。在同等用电需求和电网结构下,要提高风电消纳能力和消纳规模,就要改善系统电源调峰性能和提高系统调峰能力。

    一是改善提高现有发电机组的调峰性能和运行灵活性。通过技术改造和优化调度运行管理,改善各类机组调峰性能和运行灵活性。例如在丹麦,热电联产机组比例较大,为深挖常规机组调峰能力,通过在电源侧配置蓄热器,提高负荷调节能力,煤/油混合燃料机组可以降低出力运行至额定功率的35%,有些机组甚至可以降至10%。随着我国风电、太阳能等新能源持续快速发展、发电比重逐步提高,在没有大规模储能设施的情况下,对煤电机组的深度调峰要求就越来越高、压力越来越大,燃煤机组的发电利用小时数也就呈下降趋势、经济性可能进一步劣化。正因为如此,为提高电力系统调峰能力和运行灵活性,相应要减少火电机组发电利用小时数,提高发电能耗,从而提高电力系统运行成本,相应要求提高发电上网电价水平和销售电价水平。

    二是优化新增电源结构,提高调峰电源比重。为提高电力系统调峰能力,未来要优先开发调节性能好的大型水电基地、实行大中小型结合的水电开发方式;抽水蓄能电站是目前最为成熟的蓄能电源,其发展能够有效降低煤电机组的调峰深度、提高煤电机组的运行效率和减少化石能源消费,天然气发电机组也具有良好的运行灵活性和调峰能力,能够快速启动,所以要加快建设抽水蓄能、燃气发电等调峰电源;要因地制宜,统筹规划和探索发展其它储能技术和装备。发展天然气发电、抽水蓄能以及其它储能设施,会带来远高于水电和煤电的发电成本,相应要求提高发电上网电价水平和销售电价水平。因此,无论是从满足电力系统电力电量平衡特别是电量平衡角度,还是从尽可能降低发电上网电价水平和销售电价水平的角度,都需要优化发展合理规模的调峰性能好、高参数、大容量、高效率的燃煤机组。

    三是主要通过电价等市场调节手段来促进电源结构优化。要建立健全发电利益分配的市场机制,从利益驱动上调动各类发电机组调峰、调压、调频的积极性和自主性。例如,在发电上网电价环节实行两部制电价,其中,发电容量电价现阶段由政府核定、未来通过发电项目公开招标确定,容量电价基本补偿合理的投资成本;电量电价在电力市场中通过竞争形成。这种发电两部制电价机制,既能够充分调动现有发电机组的调峰积极性,又能够调动社会资本投资建设调峰电源的主动性。

    四是要建设系统友好型风电场。德国、丹麦、美国、英国等风电装机容量较大的国家,为了减少风电场并网对电力系统造成的冲击,都在加快风机控制技术、功率预测技术、储能技术等新技术的研发和应用,以提升风机和风电场的可控性,如通过变频器及其软件控制实现无功功率控制、支撑电网电压和频率控制,也可以控制向电网输送有功功率,参与电网调峰和调频。同时,大多都制定了较为严格和完善的风电并网导则,对并网风机和风电场的技术指标、运行性能,包括电压、频率、功率因数/无功功率、故障穿越等提出了详细的规定,并根据风电技术发展不断进行修订和升级。这样做的目的是把风电场逐步发展成为可预测、可控制、可调节的优质电源,使大型风电场具备或接近常规发电厂的控制能力。目前,我国的商业化风电机组几乎都是在技术引进和消化吸收的基础上,通过外部采购零部件组装实现批量化生产,自主创新能力较低,风电机组的变流器主要依赖进口,国内风电机组在并网电气性能方面与国外存在较大差距,尚不能满足风电大规模发展的要求,需要下大力气予以攻克解决。

    三、电网是风电消纳的重要环节

     电网作为连接电源与用户的纽带和电力资源配置的平台,在风电消纳中起到重要作用。

     一是科学合理的电网结构是电力系统安全的基础。原水利电力部副总工程师沈根才先生曾对电力系统与公路、铁路系统的关系进行过形象的对比,认为电力系统不能视同公路、铁路系统,因为铁路、公路超载,可以停车拥堵,电力系统如果超载,某段潮流超过稳定极限,一瞬间即将出现系统功率震荡,两分钟内造成全网停电,非当时的人力所能控制。不同的电网结构会带来不同的安全稳定性,也就相应决定了不同系统的风电消纳能力。

    二是电网规模大小特别是紧密电网规模大小决定了风电消纳规模。电网规模大小决定了电网覆盖地域内全社会用电量和用电负荷的多少,电网规模越大,电网结构越合理、联系越紧密,覆盖的地域面积越大,覆盖地域内的经济总量就越大,相应的用电需求总量也就越大,风电消纳能力就越强、消纳规模就越大。所以,要提高风电消纳能力和消纳规模,就必须扩大消纳风电的电网规模即市场消纳范围,加快省内、区域内和跨大区电网建设,提高紧密度。实际上,世界上许多国家都是通过加强跨国、跨区互联电网建设来扩大风电消纳范围,如丹麦不仅本国电网坚强,而且与挪威、瑞典、芬兰、德国等周边国家通过大容量的跨国联络线实现互联,使得丹麦风电可以依托北欧水电和德国火电进行调节;德国处于欧洲电网的中心位置,与周边国家电力交换频繁;西班牙国内各区域之间通过400千伏骨干网架实现跨区电力交换,并且仍在继续加强与周边国家互联。

    三是配套送出工程的科学规划、同步核准和同时投产是确保风电及时并网的关键。