看新型电力系统如何解题——电力电量平衡问题

来源:浙电e家 作者:董炜 华文 唐雅洁 江航 发布时间:2022-04-22 09:32 关键词: 新能源
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伴随高比例新能源接入并网,源网荷储四侧正发生着特性变化,电力系统将面临安全稳定方面的六大核心问题——电力电量平衡、短路电流、同步稳定、宽频振荡、电压稳定和频率稳定。


这六大核心问题是如何引起的?新型电力系统又是如何解题的呢?本期,先对电力电量平衡相关内容进行解析。


一、电力电量平衡是什么?


由于电能无法被大量存储,因此电力系统具有即发即用的特性。这种特性使得电网需要实时满足发电与用电的平衡,即电力电量平衡。


电力平衡是一种瞬时平衡,指在某一时刻,用电功率与发电功率保持平衡。


简单化至家庭场景,家里配备了一台小型发电机,若某一时刻这台发电机所发的电,能满足同时工作的所有电器用电,这家就达到了电力平衡。


而电量平衡是一种过程平衡,指某一段时间内,用户需求的电能量与发电厂发出的电能量之间的平衡。


电力电量平衡属于电力系统的基本安全稳定问题。在传统电力系统中,衡量电力电量是否平衡的标准一般看最大负荷时刻。发电机组若能满足最高负荷的用电需求,即可实现实时平衡。而在新型电力系统中,却有了不一样的平衡标准。


二、电力电量平衡面临的挑战


在传统电力系统中,负荷侧以刚性、纯消费型的用电负荷为主,负荷预测准确度较高。电源侧以火电和水电装机为主,发电可控且出力连续、稳定。因此可较准确地预测电网用电负荷和发电能力,维持电力电量平衡难度较小。


而随着新型电力系统建设的推进,新能源大规模接入电网,浙江电源结构将发生深刻变化。根据《浙江省可再生能源发展“十四五”规划》中“风光倍增计划”,到“十四五”末,浙江光伏装机达到2750万千瓦以上,风电装机达到640万千瓦以上,风、光新能源装机占比超过装机总量的23%。

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电源将由火电、水电、核电的传统旋转发电机为主,转变为由新能源为代表的静止发电机与传统旋转发电机共同主导。此类变化使得电力电量平衡有多场景特征,即使最大负荷时刻可达到平衡,但在某些时刻新能源大发或无出力情况下可能无法平衡。


电力电量平衡面临新的挑战。


1.“虚胖”导致可信出力有限


新能源装机容量虽大,却都是“虚胖体质”,可信出力有限。可信出力是指,在电力负荷需求最大时,新能源能够提供的电力供应能力。


火电、水电等常规电源的出力可控性强,可以做到“源随荷动”。而新能源出力受到天气影响,出力与负荷需求无法实时匹配。


据统计,相同装机容量下,新能源发电年平均利用小时数远小于火电机组。以2021年为例,浙江火电平均发电利用小时4762小时,风电平均发电利用小时2165小时,而光伏仅1122小时。在浙江夏季午间用电高峰时刻,光伏的可靠出力仅占装机容量的16%,而风电的可靠出力仅占装机容量的6%。

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新能源与负荷的“错峰”现象,以及新能源出力的不确定性,导致在负荷高峰时段,电力电量平衡支撑能力较弱。


2.新能源开发利用受技术限制


在风电开发利用方面,目前我国已开发的海上风电以近海风电为主。受生态环境保护、交通航道占用等因素影响,近海风电项目的站址资源日趋紧张。


相比之下,中远海具有更广阔的海域资源,风能资源丰富,风速更稳定,因此大家对海上风电开发的目光逐渐转向中远海。


目前对于与陆地距离80千米以下的近海风电,主要采用50赫兹交流海缆进行输电。但受到交流海缆特性影响,距离80千米以上的中远海风电送出在技术上存在问题。如何实现大容量中远海风电跨海输送成为中远海风电开发的关键技术难题。


在光伏开发利用方面,分布式光伏的大规模开发给电网的运行带来了新的挑战。传统的配电网内只有负荷,没有电源,配网的主要职责只是保障配网内负荷电力的可靠供应。


随着分布式光伏的开发和接入,配电网将转变为含有大量分布式电源的有源配电网,在保障电力供应的同时,还需实现分布式光伏的可靠消纳,配电网运行管理变得更加复杂。因此,亟需对配电网进行智能化升级和改造,以此促进分布式光伏的消纳能力。


3.短期调节能力有限


由于新能源出力具有波动性且不可控制,传统电源的出力需要配合新能源出力变化进行实时调节,以满足电力电量平衡的需求。传统电源需要满足的调节需求也称为“净负荷”,即为总用电负荷扣除新能源出力后的负荷。受大规模光伏接入的影响,电网的短期(日内)电力电量平衡调节难度日益增大。


电网的日内净负荷呈现“鸭子曲线”特征。早上,随着光伏开始发电,净负荷下降(鸭尾巴)。当中午太阳最强的时候,净负荷达到最低点(鸭的腹部)。在傍晚时分,随着光照的下降,净负荷迅速上升(鸭脖子)。夜间用电负荷需求逐渐下降,净负荷也开始下降(鸭头)。


电网净负荷低谷从以往的单一夜间时段低谷变为午间光伏大发时段和夜间时段的双低谷。随着光伏装机占比的不断增加,鸭肚子会越来越深,鸭脖子越来越长。

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目前,煤电在电源结构中仍占主导地位,因此燃煤机组承担了最主要的调节任务。根据“鸭子曲线”特性,在午间时段,光伏大量发电,煤电需要降低出力。但为保证锅炉的稳定燃烧,降低出力具有一定下限(浙江燃煤机组的最小技术出力限制为40%额定功率),可能出现调节不足的问题。


而在晚高峰时段,失去光照后的光伏出力快速下降,煤电出力需要快速爬坡增长。因此亟需全面提高燃煤机组灵活调节能力,实现“上得去、下得来、爬得快”,来应对新能源出力变化带来的短期调节需求。


4.中长期调节能力有限


新能源“靠天吃饭”的属性明显,给中长期(周、月、年)电力电量平衡也带来新挑战。


在极冷无光、极热无风等极端天气,或是梅雨季节影响下,新能源出力不足的时间持续数天或数周,可能造成长时间尺度的新能源部分供电缺口。


2022年1至2月,浙江出现长期阴雨天气,全省1700万千瓦装机容量的光伏,最大出力维持在400万千瓦以下,最低时只有100万千瓦,对电力可靠供应的支撑有限。


在国庆、春节等假日期间,工厂、写字楼等休假停工,出现极端小负荷情况,这时新能源的消纳也是一个难题。部分时段新能源出力大发时,可能导致燃煤机组出力需低于40%的情况,给相关机组的稳定运行带来挑战。随着新能源的进一步大规模接入,未来部分时段新能源出力甚至有可能超过负荷总量,新能源消纳难度增大。


目前电力系统中虽已配置了抽水蓄能、电化学储能等储能设备,但此类储能电力电量调节时间尺度一般为小时级,面对新能源中长期出力不足或出力过大时,难以满足几天甚至几十天中长时段的电力电量平衡的调节需求。


三、破题思路


新型电力系统的建设使得源网荷储四侧涌现了大量新技术、新设备,也给针对因新能源接入而加剧的电力电量平衡问题,带来了新的解题思路。


以浙江电网为例:


在应对新能源“虚胖”方面,国网浙江电力正开展新能源多时空尺度功率高精度技术的研究,降低电网调度难度、增加新能源并网友好性,减少新能源出力运行波动性和不确定性对电网运行带来的冲击。目前,已构建了“点-线-面”分布式新能源多时空尺度功率预测体系,搭建基于云计算与人工智能的智能化预测服务,同时为全省11地市的600余个分布式光伏站点提供多尺度功率预测,实现面向绿色调度的分布式新能源功率精准态势感知。


为了提高新能源开发利用水平,国网浙江电力正开展大规模新能源柔性接入优化技术研究,利用柔性低频输电、多电压等级直流电网新技术,提高中远距离规模化海上风电开发和送出能力;同时开展高比例分布式光伏灵活并网技术研究,增强高密度光伏的开发利用能力。目前已在台州开展世界首个柔性低频输电示范工程的建设,可实现80-185公里范围内风电的经济高效送出,为中远海风电的开发利用提供了解决方案。


在提高短期调节能力方面,国网浙江电力从源荷储多侧协同发力,构建多元灵活调节体系。源侧,开展火电灵活性改造,降低煤电机组最小出力限制,实现20%-30%额定出力下安全运行。负荷侧,不断扩充需求响应资源池,通过可中断负荷、虚拟电厂、负荷聚合商等提供辅助服务,积极参与电网调节互动,实现“源荷互动”。储能侧,积极布局抽水蓄能及其他新型储能,充分发挥多类型储能资源的灵活调节能力。


在提高中长期调节能力方面,国网浙江电力正开展氢能、电能、热能等异质能源互联互通技术的研究。在新能源发电大量盈余的时段,通过新能源制氢、甲醇和氢衍化物等进行消纳。在长时间新能源发电不足时,通过将氢能、甲醇等异质能源转换为电能实现电力供应保证。目前,已在宁波慈溪、杭州、丽水缙云、台州大陈岛建设氢电耦合能源枢纽示范工程,工程投运后将创新电能与氢能的协同运行方式,为中长期电力可靠供应提供解决方案。


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