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新型电力系统建设下 海量新能源消纳如何破局?

   日期:2021-04-26     来源:浙电e家    浏览:4608    kk彩票网是黑网么直营网    
中央财经委员会第九次会议提出

要构建清洁低碳安全高效的能源体系,控制化石能源总量,着力提高利用效能,实施可再生能源替代行动,深化电力体制改革,构建以新能源为主体的新型电力系统。

至此,新能源在未来电力系统中的主体地位,首次得以明确。

新能源将呈爆发式增长成为不争的事实。如何满足大规模新能源接入、消纳也成为实现碳达峰、碳中和目标的必答题。

面对这一难题,浙江正在进行系统性思考与解决。

从传统到新型的变化

浙江省一次能源匮乏,是能源净输入省份,典型的省级受端电网,外来电占比超35%,此种能源供给模式在东部沿海地区具有代表性。

数据显示,2020年浙江能源消费占碳排放总量的80%以上,能源消费终端又以电能为主,电力占能源碳排放约50%。考虑后续供给侧、需求侧进一步清洁化,电力对浙江碳达峰贡献度将超过50%。电力是优质高效的二次能源,是能源转型的中心环节,电网作为连接能源生产和消费的平台,在实施碳达峰、碳中和行动中将发挥“纽带”“杠杆”作用。


↑2006—2018年间,浙江能源消费构成占比变化↑

与此同时,挑战也在加剧。这源于新能源的快速发展和新型用能设备的广泛接入。从传统到新型,电力系统运行特性正发生显著变化。

新能源目前主要指风电和光伏,还包括地热能、海洋能、生物质能等。构建以新能源为主体的新型电力系统,意味着风电和光伏将是未来电力系统的主体,进入倍增阶段。

到2030年,中国新能源装机可能会达到16-18亿千瓦,从现在起的未来十年,新能源装机将新增10.7亿-12.7亿千瓦左右。而“十三五”期间,我国风电和光伏平均每年新增装机为0.72亿千瓦左右。目前占全国发电装机约52%的煤电将降成辅助性能源。

总的来看,发电侧从以煤机为主、油气新能源为辅,到以新能源为主体、煤油气为辅,电网运行机理、方式路径需要系统性重塑。电力电量从强相关演变为弱相关,新能源的不确定性波动性特征更加突出,长期短时局部缺电压力凸显,在能源清洁低碳转型中的电力电量平衡问题成为焦点。

虽然新能源清洁高效、潜力无限,但同时也具有间歇性、不可控性等特征,就像草原上的“野马”,冲劲十足,但性情不定,难驯服。

拿浙江风光发电来说,“天热无风”“云来无光”,完全“靠天吃饭”,一年中具备光照发电条件的时间也有限。随着装机倍增,多发电的时候怎么消纳,不发电的时候又如何满足高峰用电需求?

三大矛盾亟待解决

概括起来,能源发展到今天,有三大矛盾亟待解决。

一是清洁发展与电网安全的关系。

以浙江为例,“十四五”期间,浙江经济和电力将保持中速增长,全社会最高用电负荷、全社会用电量预计年均增长6%、5.4%,非化石电源装机占比将超过48%,风、光新能源“倍增”;省外来电占最高负荷比例持续保持约三分之一。高比例新能源、高比例外来电、高峰谷差“三高”挑战风险加重。

二是清洁发展与电力稳定可靠保障的关系。

风电和太阳能发电随机性大,主要提供的是电量。而对于瞬时平衡的电力负荷,风电和太阳能发电则靠不住,既不受电网企业管制,又依赖气象条件,需要顶峰时顶不上,需要暂停时停不下。且用电需求呈现冬、夏“双峰”特征,峰谷差不断扩大,电力保障供应难度加大。

三是清洁发展与系统成本的关系。

为适应“三高”、冬夏“双峰”形势下新能源并网和消纳,电力系统源网荷储各环节建设和运营成本都要增加。

2020年,浙江最高电力负荷9268万千瓦,日最大峰谷差达3314万千瓦,统调尖峰负荷95%以上累计时间为27小时,为了一年中的这27小时尖峰用电,需要建设约5台百万千瓦的发电机组和相关配套设施给予保障,投资高达数百亿元。


↑2020年迎峰度夏,35天内浙江全社会用电负荷7次刷新↑

换句话说,传统的技术手段和生产模式,已不能适应高占比新能源电网的运行需求。新型电力系统建设迫切需要解决既要保障能源安全、又要推动低碳发展、还要降低用能成本的“三元矛盾”。而这也是实现碳达峰、碳中和目标所必须破解的难题。

不仅仅是浙江,放诸全国来考量,这些问题也相通。

探索破题思路

诸多矛盾亟待解决的背景下,国家电网在浙江率先探索解困碳达峰的思路,即建设能源互联网形态下多元融合高弹性电网,通过唤醒海量资源,让能源系统中的电源、电网、用户负荷、储能得以互动,让安全效率双双提升,更好地适应各类能源互联互通互济,提高能源资源在更广范围内的优化配置能力,提升全社会综合能效,从而实现保障能源安全、推动低碳发展、降低用能成本的“三重目标”。

多元融合高弹性电网给出了新型电力系统战略要求下的省域电网探索建设路径,并贯通“碳排放-能源-电力”这一核心链条,有效支撑碳达峰、碳中和行动。

目前,国网浙江电力已初步完成多元融合高弹性电网的概念设计和框架体系构建,制定了弹性指数、效能指数、互联指数三大维度指数构成的高弹性电网发展指标体系。如今形成了“四梁八柱”支撑体系,即围绕“源网荷储”四个电力系统核心环节,通过灵活规划网架坚强、电网引导多能互联、设备挖潜运行高效、安全承载耐受抗扰、源网荷储弹性平衡、各侧资源唤醒集聚、市场改革机制配套、科创引领数智赋能等八个方面,推进多元融合具体落地。

多元驱动、要素融合,解决输送“瓶颈”、提高电网承载能力,唤醒“沉睡”资源、高弹性电网可以让每个“用能者”都成为“供能者”……破题思路渐次清晰。解决壁垒的政策机制突破,也正当时。

高弹电网助力新能源消纳

当前,在浙江,源网荷储互动融合、增加电力系统弹性的实践已经展开。

在电源供给侧,浙江自身资源禀赋较少,一方面通过加快特高压环网建设,提升清洁能源入浙能力;一方面,积极发展本省风电、太阳能发电并确保全消纳。“十三五”期间,浙江光伏规模增长迅速,2020年底光伏发电装机容量1517万千瓦,较2015年增长827%。光伏发电已成为浙江仅次于火力发电的第二大电力来源。3月22日12时23分,浙江全社会光伏发电输出功率达1004万千瓦,首次突破1000万千瓦。这意味着,该时刻浙江全省超七分之一的用电由太阳能提供。

在促进光伏消纳上,国网浙江电力强化光伏发电并网和运行。通过营销用电信息采集系统与浙江调控云系统数据交互,实现全省低压并网分布式光伏的信息采集,结合数值天气预报,实现多口径、多区域、多时间尺度光伏发电功率预测,提升分布式电源与可控负荷、储能的协调配置能力,实现新能源全额消纳。

在电网输送侧,除了动态增容改变刚性输电限额,杭州、湖州等地还通过创新潮流控制技术,在不新建电网工程的情况下,将易过载的线路电流“挤压”到其他承载力更大的线路上,也可以将电流“吸引”到宽松的线路上,从而动态优化电网潮流分布,有效缓解部分重载线路的过载压力,提升区域电网的整体承载力和安全性,也为新能源消纳让出更多通道。

在储能侧,浙江电化学储能、氢能储能以及抽水蓄能等储能业务相继涌现,弹性调节水平不断提升。抽水蓄能是目前世界上技术最成熟的大规模储能方式,具有启停便捷、反应迅速、经济合理等优点,作为电力系统的“稳定器”“调节器”“平衡器”,是以新能源为主体的新型电力系统的重要组成部分。预计到2030年,抽水蓄能可新增消纳新能源5000亿千瓦时以上。2020年12月20日,浙江湖州长龙山抽水蓄能电站送出工程正式投运。该电站投产后,在夜晚用电低谷期间用电抽水,将电能转化为水的势能;到白天用电高峰期间放水发电,缩减电网负荷峰谷差。这相当于给电网安上一个巨型“充电宝”,进一步提高电网弹性和用电稳定性。

在用户侧,各地主要采用通过工厂、商场、电动汽车充电设施等电力用户参与供需调节,来实现削峰填谷。2020年,浙江省通过市场手段汇聚了577万千瓦削峰负荷、322万千瓦填谷负荷的“资源池”,折算成经济价值,相当于少建一座五百万千瓦级的大型电站,减少不必要的投资180亿元以上。

在浙江丽水,结合用电高峰的实际,探索“错峰发电”,互换峰谷发电时间,让部分小水电站主动调配到晚上发电,将白天发电时间更多让“路”给风电、太阳能等新能源发电站;利用小水电站优势,借助光纤、无线专网及北斗通信新技术,建设“虚拟电厂”,把全域星罗棋布的1000多座风、光、水等可再生能源小型电站和百万个分散的负荷用户聚集起来,让原本海量的无序资源变得有序可调节,形成一个可根据电网需求提供绿色零碳电能的百万千瓦级“超大号电池”。近日,当地发改部门还发布了探索建立“源网荷储一体化”清洁能源消纳长效机制的文件,致力于提升区域能源清洁利用水平和电力系统运行效率。(点击蓝色字可跳转阅读相关内容)

在浙江嘉兴,海宁尖山“源网荷储一体化示范区”和“绿色低碳工业园建设示范区”于3月31日挂牌成立。当地通过源网荷储主动配电网等大量试点,创新性建设了源网荷储一体的区域能源互联网,实现了新能源的100%消纳和高效利用。过去一年,尖山新区本地新能源发电量5亿多千瓦时,占地区全社会用电量比例超过30%。

浙江舟山,完成了全球首个五端柔直系统大功率试验,将最大输送功率从日常运行的25%提升至100%,有力提升海岛新能源消纳能力。柔性直流输电技术相当于“水管的开关”,可以对有功和无功功率进行独立控制,帮助电力供应和需求完美匹配。有功功率和无功功率就像是“热水”和“冷水”,常规直流输电只能调节“热水”,而柔直直流输电可同时对“冷水”和“热水”进行调节,能够让整个电力系统的运行方式更加灵活,可控性得到更大提升,海上风电、滩涂光伏、潮流能统统被全额消纳。截至2021年4月20日,舟山柔直系统运行1911天,累计新能源送出近10亿千瓦时。

在浙江温州,分布式光伏碳资产聚合试点已启动。企业的光伏发电除了售卖电量获取收益,现在还能把光伏清洁能源发电量折算成自愿减排量。这部分减排量通过国家核证后,企业就可以在碳排放权交易市场进行交易,从而获取额外利润。企业获益,助力新能源消纳,倡导节能减碳,一举多得。

国网浙江电力还推进杭州泛亚运、宁波泛梅山等多元融合高弹性综合试点示范建设,其中杭州2022年亚运会全部场馆将100%实现绿色供电。

高质量碳达峰未来可期

按照国网浙江电力的规划,预计到2023年,浙江将依托高弹性电网基本建成能源互联网示范窗口。秒级、分钟级可中断负荷达到500万千瓦,瓶颈、断面累计释放输送能力达到千万千瓦级别,全社会单位GDP能耗下降5%以上。放到全国这将是一个非常庞大的节能减排数据。依托高弹性电网建设,预计到2023年还将实现千万千瓦级别新增新能源安全消纳,提升千万千瓦级别清洁外来电受入能力,电能占终端能源消费比重达40%。

到2025年,浙江电网弹性指数将达到国际领先,效能指数和互联指数达到国际先进。在高弹性配电网建设中,通过高质量推进输配电网、城乡电网、源网荷储协调发展,到2025年,浙江城网、农网供电可靠率分别可达99.986%和99.965%。

浙江是“绿水青山就是金山银山”等重要理念的发源地,重视且珍视绿色发展,具有多种类能源电力供应方式,具有网络强省、“数字浙江”的信息技术优势,具有活跃的市场主体和高效运转的行政组织。浙江高质量实现碳达峰、碳中和目标,未来可期。 
 

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