卓振宇, 張寧, 謝小榮, 等/高比例可再生能源電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展挑戰(zhàn).
01、研究背景
為實現(xiàn)“雙碳”目標，風(fēng)電光伏等可再生能源需要在未來30年內(nèi)實現(xiàn)跨越式的發(fā)展，為電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟、低碳運行帶來巨大挑戰(zhàn)。未來構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)需要突破那些關(guān)鍵技術(shù)？各種技術(shù)之間的耦合關(guān)系與比較優(yōu)勢如何？需要從系統(tǒng)性的視角進行分析和回答。
本文著眼于高比例可再生能源電力系統(tǒng)中的技術(shù)問題，通過廣泛總結(jié)不同發(fā)展階段的挑戰(zhàn)以及各項技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟性，分析了挑戰(zhàn)出現(xiàn)的遞進層次和各項技術(shù)方案的比較優(yōu)勢與未來發(fā)展定位。對各項解決方案的發(fā)展前景與經(jīng)濟成本進行了討論。希望本文提供的觀點與數(shù)據(jù)能夠幫助研究人員在開展具體領(lǐng)域的深入研究之前獲得一個“全景”概覽。圖1系統(tǒng)性梳理了不同可再生能源發(fā)展階段可能面臨的挑戰(zhàn)與解決方案。
圖1 可再生能源不同發(fā)展階段的挑戰(zhàn)與解決方案
02、高比例可再生能源電力系統(tǒng)挑戰(zhàn)
高比例可再生能源電力系統(tǒng)挑戰(zhàn)體現(xiàn)在穩(wěn)定、運行規(guī)劃各個方面。在可再生能源滲透率不斷增高的過程中，系統(tǒng)的穩(wěn)定問題由局部的電源脫網(wǎng)和電能質(zhì)量問題逐步向全網(wǎng)的慣性與穩(wěn)定問題擴展，最終將深刻改變?nèi)到y(tǒng)的穩(wěn)定特性與機理。高比例可再生能源滲透對系統(tǒng)穩(wěn)定與保護的挑戰(zhàn)總結(jié)如圖2所示。
圖2 高比例可再生能源滲透對系統(tǒng)穩(wěn)定與保護的挑戰(zhàn)
在運行時間尺度上，可再生能源帶來的一系列挑戰(zhàn)源自于其固有波動性與隨機性。風(fēng)光可再生能源電源出力上限通常不可調(diào)度，系統(tǒng)調(diào)峰與電力市場組織問題，在中比例滲透階段的時候便會出現(xiàn)，隨著滲透率的增加，問題逐漸凸顯。極端潮流模式與大發(fā)電力過剩的問題，在高比例與極高比例滲透階段才會出現(xiàn)。高比例可再生能源滲透對系統(tǒng)經(jīng)濟安全運行的挑戰(zhàn)總結(jié)如圖3所示。
圖3 高比例可再生能源滲透對系統(tǒng)經(jīng)濟安全運行的挑戰(zhàn)
電力系統(tǒng)規(guī)劃需要在保證系統(tǒng)安全運行的基礎(chǔ)上，綜合考慮可再生能源發(fā)展與相關(guān)消納手段的成本與收益。高比例可再生能源滲透對系統(tǒng)規(guī)劃與發(fā)展的挑戰(zhàn)總結(jié)如圖4所示。
圖4 高比例可再生能源滲透對系統(tǒng)規(guī)劃與發(fā)展的挑戰(zhàn)
03、高比例可再生能源電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
針對高比例可再生能源并網(wǎng)在穩(wěn)定、運行、規(guī)劃各方面的新挑戰(zhàn)，目前已有眾多學(xué)者與工程人員在提出了各種解決方案。暫態(tài)短時間尺度上面臨的挑戰(zhàn)主要來自于風(fēng)光電力電子設(shè)備高比例并網(wǎng)帶來的穩(wěn)定性問題。具體描述如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)慣性與穩(wěn)定控制技術(shù)成本對比
可再生能源出力的波動性與不確定性造成了多個時間尺度上的電力電量不平衡，為電力系統(tǒng)供需平衡帶來了挑戰(zhàn)，短期體現(xiàn)為電力不平衡，長期體現(xiàn)為電量的不平衡。應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的根本方法是提高系統(tǒng)的靈活性，使系統(tǒng)出力可調(diào)節(jié)資源可以適應(yīng)凈負荷曲線的變化。具體描述如圖6所示。
圖6 電力電量的時序平衡技術(shù)成本對比
高比例可再生能源電力系統(tǒng)必然存在電力電量空間的不平衡。為此，需要通過電網(wǎng)的大范圍互聯(lián)與多能源形式之間的互濟轉(zhuǎn)化實現(xiàn)電力電量的空間平衡。具體描述如圖7所示。
圖7 電力電量的空間平衡技術(shù)成本對比
雖然當(dāng)前新增可再生能源電力以風(fēng)電與光伏為主，但其他可再生能源與清潔能源如光熱、生物質(zhì)能等的發(fā)展?jié)摿σ嗖蝗莺鲆?。依靠多類型電源的互補協(xié)同效應(yīng)也是實現(xiàn)高比例乃至極高比例可再生能源電力系統(tǒng)的重要途徑。具體描述如圖8所示。
圖8 其他清潔能源電力技術(shù)成本對比
04、觀點與展望
圖9 高比例可再生能源挑戰(zhàn)與技術(shù)解決方案對應(yīng)關(guān)系
高比例可再生能源并網(wǎng)是一項系統(tǒng)工程，各種挑戰(zhàn)與解決方案并不是完全孤立的、一一對應(yīng)的，對于同一類挑戰(zhàn)有多種技術(shù)手段可以應(yīng)對，一項技術(shù)或裝備往往也能解決多方面問題。
解決高比例可再生能源并網(wǎng)的技術(shù)選擇并不是唯一的，不同技術(shù)之間可能存在互補關(guān)系，也可能存在競爭關(guān)系。我國高比例可再生能源電力系統(tǒng)發(fā)展路徑的技術(shù)選擇，取決于國家及行業(yè)政策選擇以及各類技術(shù)的綜合技術(shù)經(jīng)濟性相對比較。
對于某一項技術(shù)而言，其對于高比例可再生能源并網(wǎng)的技術(shù)經(jīng)濟性往往體現(xiàn)在多個方面。
基于以上對高比例可再生能源電力系統(tǒng)挑戰(zhàn)與技術(shù)解決方案的探討，總結(jié)該領(lǐng)域值得關(guān)注的幾個具體技術(shù)研究方向。
我國高比例可再生能源電力系統(tǒng)未來形態(tài)與轉(zhuǎn)型路徑
高比例可再生能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性機理
考慮系統(tǒng)復(fù)雜穩(wěn)定機理的電力系統(tǒng)規(guī)劃與運行技術(shù)
多時間尺度儲能協(xié)同規(guī)劃與運行優(yōu)化技術(shù)
跨能源系統(tǒng)的可再生能源消納
延伸閱讀
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