“預(yù)計'十四五'時期，我國陸上風(fēng)電和光伏發(fā)電將全面平價或低于火電，部分地區(qū)可實現(xiàn)低價。同時，隨著大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)，電力系統(tǒng)需要在隨機(jī)波動的負(fù)荷需求與隨機(jī)波動的電源之間實現(xiàn)供需平衡，其結(jié)構(gòu)形態(tài)、運(yùn)行控制方式和規(guī)劃建設(shè)將發(fā)生根本性變革，形成新一代電力系統(tǒng)及新能源電力系統(tǒng)。” 中國工程院院士劉吉臻近日在中電聯(lián)舉辦的“2020年中國電力技術(shù)經(jīng)濟(jì)高端論壇”上表示。
中電聯(lián)日前發(fā)布的《2020年前三季度全國電力供需形勢分析預(yù)測報告》（以下簡稱《報告》）顯示，前三季度全國電源工程建設(shè)完成投資3082億元，同比增長51.6%，其中“風(fēng)光”發(fā)電投資分別增長138.4%、113.9%。全國全口徑非化石能源發(fā)電裝機(jī)容量合計8.9億千瓦，占全口徑發(fā)電裝機(jī)容量的42.6%。
新能源高比例并網(wǎng)，將給電力系統(tǒng)帶來哪些挑戰(zhàn)？“十四五”時期，如何應(yīng)對和解決這些挑戰(zhàn)？成為專家熱議的焦點。
電力結(jié)構(gòu)將更“綠色”
清華大學(xué)氣候變化與可持續(xù)發(fā)展研究院近日聯(lián)合印發(fā)的《中國長期低碳發(fā)展戰(zhàn)略與轉(zhuǎn)型路徑研究》提出，低碳路徑下，我國能源消費(fèi)總量在2030-2035年之間進(jìn)入峰值，“十四五”期間非化石能源必須成為能源消費(fèi)增量主體。
中國工程院院士郭劍波指出，為了構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，我國能源轉(zhuǎn)型主要朝兩個方向進(jìn)行：終端消費(fèi)側(cè)，電能深度替代化石能源；能源生產(chǎn)側(cè)，以電能形式開發(fā)利用新能源。
上述《報告》指出，截至今年9月，我國并網(wǎng)風(fēng)電2.2億千瓦，并網(wǎng)太陽能發(fā)電2.2億千瓦，合計占全國全口徑發(fā)電裝機(jī)容量的21.05%；全口徑并網(wǎng)風(fēng)電和并網(wǎng)太陽能發(fā)電量合計5331億千瓦時，占全國規(guī)模以上電廠總發(fā)電量的9.8%。
“根據(jù)預(yù)測，2030年全國新能源總發(fā)電量占比將達(dá)20%，2050年高達(dá)48%。未來高比例新能源電量的電力系統(tǒng)將從局部地區(qū)逐步向全國擴(kuò)展。” 郭劍波指出。
中電聯(lián)行業(yè)發(fā)展與環(huán)境資源部副主任張琳表示，“十四五”時期，“風(fēng)光”將成為可再生能源開發(fā)的主題增量。“根據(jù)預(yù)測，2025年風(fēng)電、太陽能發(fā)電裝機(jī)均突破4億千瓦，非化石能源裝機(jī)占比將超過50%，電力碳排放強(qiáng)度將降低5%。”
水電水利規(guī)劃設(shè)計院總院副長易躍春指出，按照努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，經(jīng)測算，可再生能源大約將占我國一次能源消費(fèi)總量的75%左右。
經(jīng)濟(jì)和安全問題待解
根據(jù)中國人民大學(xué)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)學(xué)院教授鄭新業(yè)提出的“能源不可能三角”理論，任何一種能源都無法做到既供給充足，又價格便宜、清潔環(huán)保。高比例的清潔電源并網(wǎng)后，“經(jīng)濟(jì)賬”和“安全賬”如何算？
對此，易躍春表示，近中期提升新能源消納能力的主要障礙不是技術(shù)問題，而是經(jīng)濟(jì)和機(jī)制問題。“電力系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)決定了新能源消納潛力，但政策和經(jīng)濟(jì)激勵決定了消納潛力能否充分發(fā)揮。近中期看，'挖潛'是促進(jìn)新能源消納最經(jīng)濟(jì)、有效的措施。”
目前，國家電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)域內(nèi)大型新能源場站4000多個，西北新能源場站超1500個，分布式發(fā)電約170萬個。郭劍波預(yù)測，未來我國新能源發(fā)電單位將達(dá)數(shù)千萬，氣象環(huán)境、運(yùn)行控制等信號可達(dá)數(shù)十億，系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行極其復(fù)雜，控制配置措施和實施難度大。“以某省級電網(wǎng)為例，在火電最小技術(shù)出力50%條件下，新能源消納問題十分突出。當(dāng)新能源發(fā)電量占比達(dá)30%時，新能源限電率將達(dá)23%，且此時已出現(xiàn)全部由新能源供電的時段。
“2019年，國家電網(wǎng)公司經(jīng)營區(qū)內(nèi)，新能源日最大功率波動達(dá)1.07億千瓦，占其裝機(jī)的31%，預(yù)估2050年新能源日最大功率將超過10億千瓦。”郭劍波說，“波動功率與屆時常規(guī)電源火電、水電總裝機(jī)容量相當(dāng)，僅靠常規(guī)電源調(diào)節(jié)難以應(yīng)對新能源日內(nèi)功力波動，新能源消納挑戰(zhàn)巨大。”
“同時，新能源尖峰出力功率大、電量小，保證尖峰出力需調(diào)動巨大的靈活性資源，但對全年發(fā)電量貢獻(xiàn)極小。未來，高比例新能源電力系統(tǒng)中保證尖峰出力的全額消納代價大。”郭劍波指出，2018年，新疆電網(wǎng)風(fēng)電出力陡增至890.5萬千瓦，占風(fēng)電裝機(jī)容量的46%，持續(xù)時間僅為5分鐘，累計電量74萬千瓦，但對應(yīng)的電量僅占全天風(fēng)電發(fā)電量的3.3%。
安全方面，郭劍波直言，新能源大規(guī)模接入擠占常規(guī)機(jī)組開機(jī)空間，或出現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)頻能力下降、無功支撐不足、電壓穩(wěn)定問題突出、越限風(fēng)險增加等問題。
靈活電力系統(tǒng)是大勢
對于高比例新能源電力系統(tǒng)情景下電力系統(tǒng)的變化，郭劍波認(rèn)為可能會有兩種演化方式：通過改造新能源電站，使其具有同步發(fā)電機(jī)的特性；改造傳統(tǒng)發(fā)電站使其具有逆變器特性，在此方式下，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、分析理論和方法都將不同于傳統(tǒng)電網(wǎng)。
而針對新能源既不參與電力平衡調(diào)節(jié)，也不參與電量平衡調(diào)節(jié)的“權(quán)責(zé)利”問題，郭劍波表示：“新能源發(fā)電因不確定性、邊際成本低等特點，電力電量總量充盈與時空不平衡矛盾突出，將催生新的商業(yè)模式，市場和政策及只需考慮新能源與常規(guī)電源以及用戶的配合，協(xié)調(diào)市場內(nèi)多利益主體。”
易躍春指出，未來，數(shù)字化和信息化技術(shù)將被廣泛應(yīng)用，推動系統(tǒng)安全性和靈活性大幅提升。電力系統(tǒng)靈活性從目前的發(fā)電側(cè)為主向發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)并重轉(zhuǎn)變，構(gòu)建適應(yīng)高比例可再生能源的智能電力系統(tǒng)。“另外，可再生能源加速發(fā)展面臨的空間發(fā)展約束開始顯現(xiàn)，'十四五'要關(guān)注其開發(fā)與國土空間規(guī)劃的銜接。”