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(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，風(fēng)電光伏等可再生能源需要在未來(lái)30年內(nèi)實(shí)現(xiàn)跨越式的發(fā)展，為電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、低碳運(yùn)行帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。未來(lái)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(shì)如何？需要從系統(tǒng)性的視角進(jìn)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(wèn)題，通過(guò)廣泛總結(jié)不同發(fā)展階段的挑戰(zhàn)以及各項(xiàng)技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，分析了挑戰(zhàn)出現(xiàn)的遞進(jìn)層次和各項(xiàng)技術(shù)方案的比較優(yōu)勢(shì)與未來(lái)發(fā)展定位。對(duì)各項(xiàng)解決方案的發(fā)展前景與經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行了討論。希望本文提供的觀點(diǎn)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(gè)“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(yùn)行規(guī)劃各個(gè)方面。在可再生能源滲透率不斷增高的過(guò)程中，系統(tǒng)的穩(wěn)定問(wèn)題由局部的電源脫網(wǎng)和電能質(zhì)量問(wèn)題逐步向全網(wǎng)的慣性與穩(wěn)定問(wèn)題擴(kuò)展，最終將深刻改變?nèi)到y(tǒng)的穩(wěn)定特性與機(jī)理。高比例可再生能源滲透對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定與保護(hù)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(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定與保護(hù)的挑戰(zhàn)
在運(yùn)行時(shí)間尺度上，可再生能源帶來(lái)的一系列挑戰(zhàn)源自于其固有波動(dòng)性與隨機(jī)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(chǎng)組織問(wèn)題，在中比例滲透階段的時(shí)候便會(huì)出現(xiàn)，隨著滲透率的增加，問(wèn)題逐漸凸顯。極端潮流模式與大發(fā)電力過(guò)剩的問(wèn)題，在高比例與極高比例滲透階段才會(huì)出現(xiàn)。高比例可再生能源滲透對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)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(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行的挑戰(zhàn)
電力系統(tǒng)規(guī)劃需要在保證系統(tǒng)安全運(yùn)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(duì)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(duì)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(duì)高比例可再生能源并網(wǎng)在穩(wěn)定、運(yùn)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(shí)間尺度上面臨的挑戰(zhàn)主要來(lái)自于風(fēng)光電力電子設(shè)備高比例并網(wǎng)帶來(lái)的穩(wěn)定性問(wèn)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(duì)比
可再生能源出力的波動(dòng)性與不確定性造成了多個(gè)時(shí)間尺度上的電力電量不平衡，為電力系統(tǒng)供需平衡帶來(lái)了挑戰(zhàn)，短期體現(xiàn)為電力不平衡，長(zhǎng)期體現(xiàn)為電量的不平衡。應(yīng)對(duì)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(fù)荷曲線的變化。具體描述如圖6所示。
圖6 電力電量的時(shí)序平衡技術(shù)成本對(duì)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(guò)電網(wǎng)的大范圍互聯(lián)與多能源形式之間的互濟(jì)轉(zhuǎn)化實(shí)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(duì)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(bǔ)協(xié)同效應(yīng)也是實(shí)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(duì)比
04、觀點(diǎn)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(duì)應(yīng)關(guān)系
高比例可再生能源并網(wǎng)是一項(xiàng)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(duì)應(yīng)的，對(duì)于同一類挑戰(zhàn)有多種技術(shù)手段可以應(yīng)對(duì)，一項(xiàng)技術(shù)或裝備往往也能解決多方面問(wèn)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(bǔ)關(guān)系，也可能存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。我國(guó)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(guó)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(jì)性相對(duì)比較。
對(duì)于某一項(xiàng)技術(shù)而言，其對(duì)于高比例可再生能源并網(wǎng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性往往體現(xiàn)在多個(gè)方面。
基于以上對(duì)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(gè)具體技術(shù)研究方向。
我國(guó)高比例可再生能源電力系統(tǒng)未來(lái)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(jī)理
考慮系統(tǒng)復(fù)雜穩(wěn)定機(jī)理的電力系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行技術(shù)
多時(shí)間尺度儲(chǔ)能協(xié)同規(guī)劃與運(yùn)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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