電力系統(tǒng)廣泛嵌入并深刻影響著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展,它的任何一些運(yùn)行特征的變化以及與之相應(yīng)的技術(shù)升級都會影響到國家和社會的諸多方面。當(dāng)前,隨著能源供應(yīng)和節(jié)能減排的約束日漸增強(qiáng),大力發(fā)展可再生能源,提高清潔能源在電源結(jié)構(gòu)中的比重將成為電力行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。大規(guī)模間歇性可再生能源并網(wǎng)使得供應(yīng)側(cè)的可控性逐漸降低,隨機(jī)性逐漸增大,電力系統(tǒng)的基本運(yùn)行特征也由此發(fā)生變化——由需求側(cè)單側(cè)隨機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)楣┬桦p側(cè)隨機(jī)系統(tǒng)。這種雙側(cè)隨機(jī)性特征對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了一系列挑戰(zhàn),如何降低雙側(cè)隨機(jī)波動對電力系統(tǒng)運(yùn)行的影響,將是電力行業(yè)未來很長一段時間面臨的重要課題。
電力系統(tǒng)的雙側(cè)隨機(jī)性特征
電力系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵在于滿足電能的實(shí)時供需平衡。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)通過調(diào)整發(fā)電機(jī)組出力滿足需求側(cè)電力負(fù)荷的隨機(jī)波動,這種系統(tǒng)具有單側(cè)隨機(jī)性特征,通過負(fù)荷預(yù)測及優(yōu)化調(diào)度可以保證電能供需平衡及電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行,電力系統(tǒng)的運(yùn)行控制理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)主要衍生于單側(cè)隨機(jī)性系統(tǒng)。未來,以風(fēng)能和太陽能光伏發(fā)電為主的可再生能源在整個電源結(jié)構(gòu)中的比例將持續(xù)增長,由于風(fēng)電和光伏發(fā)電具有波動性和間歇性特征,掌握這類機(jī)組出力的規(guī)律并對其有效預(yù)測將變得非常困難。這種情況下,供應(yīng)側(cè)也出現(xiàn)隨機(jī)波動的特性,隨著可再生能源在電源結(jié)構(gòu)中的比重不斷增加,供應(yīng)側(cè)隨機(jī)性將更加明顯。也就是說,作為促進(jìn)大規(guī)??稍偕茉撮_發(fā)利用的載體,電力系統(tǒng)在供需雙側(cè)都呈現(xiàn)出隨機(jī)性特征,我們將這一特征稱為雙側(cè)隨機(jī)性。 電力系統(tǒng)雙側(cè)隨機(jī)性的出現(xiàn)具有一定的必然性。當(dāng)前的環(huán)境承載能力已經(jīng)不允許化石能源大量的開發(fā)利用,傳統(tǒng)化石能源難以支撐人類社會的可持續(xù)發(fā)展,能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為全球的必然趨勢。在電源結(jié)構(gòu)中,可再生能源將逐步替代傳統(tǒng)的化石能源。然而,由于可再生能源的自然屬性以及當(dāng)前電力系統(tǒng)技術(shù)的局限性,短期內(nèi)無法解決可再生能源出力的間歇性和波動性問題。因此,雙側(cè)隨機(jī)性將成為未來電力系統(tǒng)的常態(tài)化特征。
雙側(cè)隨機(jī)性對電力系統(tǒng)的影響
在雙側(cè)隨機(jī)系統(tǒng)中,間歇性、波動性較大的可再生能源發(fā)電給供應(yīng)側(cè)引入了一些自由變動的因素,使得供應(yīng)側(cè)變得不是完全可控,這樣勢必對電力系統(tǒng)的各方面產(chǎn)生巨大影響,致使電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)營面臨巨大挑戰(zhàn)。
雙側(cè)隨機(jī)性對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的影響
在雙側(cè)隨機(jī)系統(tǒng)中,可再生能源的隨機(jī)性、間歇性和波動性是對電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響的主要原因。其對電網(wǎng)安全生產(chǎn)的影響主要表現(xiàn)在可再生能源的隨機(jī)功率差額及其投切過程給電網(wǎng)帶來的沖擊,并且可再生能源出力受環(huán)境和氣象等因素的影響較大,其發(fā)電設(shè)備和電氣設(shè)備也容易受到波動而發(fā)生故障。因此,雙側(cè)隨機(jī)系統(tǒng)性特征下電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)、安全穩(wěn)定等方面將面臨巨大挑戰(zhàn)。未來,隨著可再生能源比例越來越大,電力系統(tǒng)所面臨的沖擊和挑戰(zhàn)必將不斷增大,對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響更為顯著,嚴(yán)重情況下可能會使系統(tǒng)失去動態(tài)穩(wěn)定性,導(dǎo)致整個電力系統(tǒng)瓦解。
雙側(cè)隨機(jī)性對電網(wǎng)運(yùn)行控制方式的影響
供應(yīng)側(cè)的發(fā)電出力和需求側(cè)的負(fù)荷特性在雙側(cè)隨機(jī)性系統(tǒng)中的變動都將具有一定的波動性和不可預(yù)測性,使得電力系統(tǒng)的實(shí)時供需平衡增大了難度。在這種新的外部環(huán)境下要保證系統(tǒng)電力供需平衡,一方面需要供應(yīng)側(cè)發(fā)電出力能夠跟蹤需求側(cè)負(fù)荷的變化,另一方面還要求需求側(cè)的電力用戶能夠響應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。然而,在目前的運(yùn)行控制觀念中,負(fù)荷往往被認(rèn)為是剛性的,系統(tǒng)必須無條件地滿足用戶的用電需求,該控制邏輯默認(rèn)用戶沒有能力或者不愿意改變其用電行為,需求側(cè)資源的可控性并沒有引起足夠的重視。因此,電力系統(tǒng)原有的運(yùn)行方式和控制邏輯并不適用于雙側(cè)隨機(jī)系統(tǒng)。
雙側(cè)隨機(jī)性對電網(wǎng)調(diào)度計(jì)劃的影響
電網(wǎng)公司制定的調(diào)度計(jì)劃是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供需實(shí)時平衡的關(guān)鍵。傳統(tǒng)單側(cè)隨機(jī)系統(tǒng)是基于對供應(yīng)側(cè)的出力控制及需求側(cè)用戶的負(fù)荷預(yù)測來制定調(diào)度計(jì)劃,但在雙側(cè)隨機(jī)系統(tǒng)中,可再生能源出力的強(qiáng)隨機(jī)波動性、難以準(zhǔn)確預(yù)測及反調(diào)峰的特性增大了系統(tǒng)調(diào)度的難度。同時,在雙側(cè)隨機(jī)系統(tǒng)中,可調(diào)度資源除了傳統(tǒng)的火電、水電、核電等電源外,還將增加儲能設(shè)備和需求側(cè)資源。也就是說,在雙側(cè)隨機(jī)系統(tǒng)的調(diào)度環(huán)節(jié),調(diào)度對象由原有的需求側(cè)負(fù)荷不可控、供應(yīng)側(cè)出力可控的系統(tǒng)變成一個供應(yīng)側(cè)隨機(jī)性增強(qiáng)、各類可控資源總量增多,但可調(diào)度質(zhì)量相對較差的電力系統(tǒng),同傳統(tǒng)單側(cè)隨機(jī)系統(tǒng)相比,其電力調(diào)度計(jì)劃的制定依據(jù)必將存在很大不同。
雙側(cè)隨機(jī)性對電源規(guī)劃的影響 對供應(yīng)側(cè)而言,規(guī)?;稍偕茉吹慕尤?,使得電網(wǎng)不得不面對強(qiáng)隨機(jī)波動的電源形式,從目前的實(shí)踐來看,多能源互補(bǔ)是平抑可再生能源電力隨機(jī)波動性的基本手段。然而,當(dāng)前新能源與傳統(tǒng)能源電源建設(shè)規(guī)劃之間并不協(xié)調(diào),隨著雙側(cè)隨機(jī)性特征的進(jìn)一步加深,電源之間的相互影響將逐漸凸顯。此外,當(dāng)前針對可再生能源的電源規(guī)劃明顯欠缺專業(yè)性,具體表現(xiàn)為新電源建設(shè)與電網(wǎng)規(guī)劃之間的不協(xié)調(diào)現(xiàn)象明顯。例如,我國西南省份大規(guī)模水電投產(chǎn)后即面臨大量棄水,三北地區(qū)棄風(fēng)、棄光問題長期難以有效解決。供應(yīng)側(cè)電源規(guī)劃的不協(xié)調(diào)問題一方面造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi),另一方面在很大程度上降低了供應(yīng)側(cè)出力的可控性,加重了雙側(cè)隨機(jī)波動性對系統(tǒng)運(yùn)行的影響。 如何應(yīng)對電力系統(tǒng)雙側(cè)隨機(jī)性帶來的挑戰(zhàn) 在單側(cè)隨機(jī)系統(tǒng)向雙側(cè)隨機(jī)系統(tǒng)逐漸過渡的變革下,需要改變電力系統(tǒng)原有的規(guī)劃觀念和運(yùn)行控制邏輯,筆者提出“區(qū)域多能源體”的理念和能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),并建議從電力系統(tǒng)的規(guī)劃、運(yùn)行和機(jī)制三方面入手,以應(yīng)對雙側(cè)隨機(jī)性特征下電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。
“區(qū)域多能源體”的理念
“區(qū)域多能源體”是指一定區(qū)域內(nèi)由能源供應(yīng)主體、能源傳輸主體和能源消費(fèi)主體構(gòu)成的,各類能源資源多維協(xié)同、多方互動的一體化能源供用實(shí)體,是一個包含規(guī)劃、運(yùn)行和體制機(jī)制三個層面的整體解決方案。在傳統(tǒng)方式無法解決問題的情況下,“區(qū)域多能源體”將成為平抑雙側(cè)隨機(jī)性、實(shí)現(xiàn)多能源利用協(xié)調(diào)配合的必然選擇。
從區(qū)域上講,“區(qū)域多能源體”是以能源資源稟賦、地理位置、國家能源發(fā)展戰(zhàn)略為主要考慮因素劃分的地域范圍,主要分為區(qū)域內(nèi)部與跨區(qū)域兩個層面。首先,在區(qū)域內(nèi)部層面上,構(gòu)建包括能源開發(fā)利用、電能生產(chǎn)、電能傳輸、需求側(cè)用電四個環(huán)節(jié)的多能源實(shí)體,實(shí)現(xiàn)以上四個環(huán)節(jié)的有效協(xié)同。其次,在跨區(qū)域?qū)用嫔希浞挚紤]多個“區(qū)域多能源體”之間的資源稟賦差異,依托高效電能傳輸平臺(如特高壓電網(wǎng)),實(shí)現(xiàn)多個“區(qū)域多能源體”之間的優(yōu)勢互補(bǔ)與有效協(xié)同。通過區(qū)域內(nèi)、區(qū)域間的協(xié)同配合,降低整個電力系統(tǒng)的雙側(cè)隨機(jī)性。
從能源的供應(yīng)與使用上講,“區(qū)域多能源體”一方面要求在一定區(qū)域內(nèi)部實(shí)現(xiàn)能源資源的統(tǒng)籌規(guī)劃、整體開發(fā)、協(xié)同建設(shè),形成各類能源資源的優(yōu)勢互補(bǔ);另一方面要求實(shí)現(xiàn)電能生產(chǎn)與傳輸?shù)挠行浜?,同時將需求側(cè)資源納入到電力系統(tǒng)調(diào)控的范圍中來,配合儲能設(shè)施的有序充放電,實(shí)現(xiàn)需求側(cè)和供應(yīng)側(cè)雙側(cè)的有機(jī)協(xié)調(diào)。
提倡“區(qū)域多能源體”理念的必要性主要體現(xiàn)在以下三個方面:
一是“區(qū)域多能源體”能夠?qū)崿F(xiàn)可再生能源有效利用、促進(jìn)多種能源協(xié)調(diào)配合?!皡^(qū)域多能源體”理念強(qiáng)調(diào)可再生能源與傳統(tǒng)化石能源之間的協(xié)調(diào)配合,一方面,利用傳統(tǒng)化石能源發(fā)電的可調(diào)控性、靈活性彌補(bǔ)可再生能源的間歇性、波動性,形成不同類電源之間的有效協(xié)調(diào)配合與資源優(yōu)化配置,消除可再生能源并網(wǎng)障礙;另一方面,通過構(gòu)建高效能源傳輸平臺,實(shí)現(xiàn)各能源體之間的相互協(xié)調(diào)配合,促進(jìn)可再生能源電力的高效外送和消納。因此“區(qū)域多能源體”將是實(shí)現(xiàn)可再生能源電力優(yōu)化、合理開發(fā)利用的重要手段。
二是“區(qū)域多能源體”能夠優(yōu)化雙側(cè)隨機(jī)系統(tǒng)總體能源布局、促進(jìn)能源開發(fā)利用一體化?!皡^(qū)域多能源體”強(qiáng)調(diào)根據(jù)各區(qū)域能源資源稟賦進(jìn)行區(qū)域化的能源開發(fā)利用,突破時間和空間上的限制,在一定程度上實(shí)現(xiàn)區(qū)域能源一體化,通過區(qū)域內(nèi)、區(qū)域間各類能源的合理規(guī)劃,提高能源利用效率,優(yōu)化雙側(cè)隨機(jī)系統(tǒng)總體能源布局,促進(jìn)能源開發(fā)利用一體化,進(jìn)而平抑供應(yīng)側(cè)的隨機(jī)性。
三是“區(qū)域多能源體”能夠保證雙側(cè)隨機(jī)系統(tǒng)能源供需平衡、實(shí)現(xiàn)能源運(yùn)輸體系有機(jī)協(xié)調(diào)?!皡^(qū)域多能源體”強(qiáng)調(diào)區(qū)域之間的能源優(yōu)勢協(xié)調(diào)互補(bǔ),要求在加快建設(shè)鐵路、公路交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的同時,運(yùn)用特高壓等高效能源傳輸平臺,實(shí)現(xiàn)輸煤、輸電并舉,將西北部的優(yōu)質(zhì)可再生能源轉(zhuǎn)化為電的方式,輸送到東部加以有效利用,保證能源供需平衡的同時將顯著提高雙側(cè)隨機(jī)系統(tǒng)的綜合能源利用效率。
能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)
能源互聯(lián)網(wǎng)是一種互聯(lián)網(wǎng)與能源生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費(fèi)以及能源市場深度融合的能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展新形態(tài),具有設(shè)備智能、多能協(xié)同、信息對稱、供需分散、系統(tǒng)扁平、交易開放等特征,其核心特征可概括為“橫向多能源互補(bǔ),縱向源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)”。在應(yīng)對雙側(cè)隨機(jī)性變革問題時,能源互聯(lián)網(wǎng)的“縱向源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)”可以起到關(guān)鍵作用。“源—網(wǎng)—荷—儲”協(xié)調(diào)優(yōu)化技術(shù)是指電源、電網(wǎng)、負(fù)荷與儲能四部分通過多種交互手段,更經(jīng)濟(jì)、高效、安全地提高電力系統(tǒng)的功率動態(tài)平衡能力,從而實(shí)現(xiàn)能源資源最大化利用的運(yùn)行模式。通過智能電網(wǎng)技術(shù)、先進(jìn)輸電技術(shù)、負(fù)荷響應(yīng)技術(shù)及先進(jìn)儲能技術(shù)作為支撐,實(shí)現(xiàn)電源與電網(wǎng)、電網(wǎng)與用戶、電源與用戶之間的資源優(yōu)化配置。該模式是包含電源、電網(wǎng)、用戶的整體解決方案的關(guān)鍵技術(shù)。
該技術(shù)主要包含以下三個方面:
源源互補(bǔ)。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)不同電源之間的有效協(xié)調(diào)互補(bǔ),彌補(bǔ)可再生能源易受地域、環(huán)境、氣象等因素影響的缺點(diǎn),克服單一新能源固有的隨機(jī)性和波動性的缺點(diǎn),形成多樣化、協(xié)調(diào)互動的能源供應(yīng)體系。
源網(wǎng)協(xié)調(diào)。該技術(shù)將實(shí)現(xiàn)新能源電源與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)配合,可通過微網(wǎng)、智能配電網(wǎng)等技術(shù)將數(shù)量龐大、形式多樣的電源進(jìn)行靈活、高效的組合應(yīng)用,同時提高電網(wǎng)運(yùn)行的自主調(diào)節(jié)能力,降低供應(yīng)側(cè)隨機(jī)性給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來的影響。
網(wǎng)荷儲互動。該技術(shù)將需求側(cè)資源視為與儲能、供應(yīng)側(cè)資源相同的、可調(diào)控的資源,實(shí)現(xiàn)儲能、需求側(cè)資源與電網(wǎng)之間的能量雙向交互,從而使儲能、需求側(cè)資源能夠參與電網(wǎng)調(diào)控,引導(dǎo)需求側(cè)主動追尋可再生能源出力波動,配合儲能資源的有序充放電,增強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。
與適用于傳統(tǒng)單側(cè)隨機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)相比,能源互聯(lián)網(wǎng)下“源—網(wǎng)—荷—儲”協(xié)調(diào)優(yōu)化技術(shù)具有明顯的先進(jìn)性。它能夠充分發(fā)揮需求側(cè)資源在電網(wǎng)運(yùn)行中的調(diào)控作用,使電網(wǎng)、需求側(cè)資源形成真正的協(xié)調(diào)互動,保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行;能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)電源與新能源電源的協(xié)調(diào)配合,使可再生能源與具有良好調(diào)節(jié)和控制性能的可控電源的協(xié)調(diào)配合,讓可再生能源出力向可預(yù)測、可調(diào)控的方向發(fā)展;還能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)荷、儲能與電源的協(xié)調(diào)互動與動態(tài)平衡,通過完善的信息交互,使電源、負(fù)荷不僅能感知自身狀態(tài)的變化,同時還能獲知其他模塊的全面信息,從而使電源、負(fù)荷、儲能相互之間的全面互動成為可能。
應(yīng)對建議
一是規(guī)劃方面。當(dāng)前的規(guī)劃模式不足以應(yīng)對雙側(cè)隨機(jī)系統(tǒng)帶來的變革。當(dāng)前的電力系統(tǒng)規(guī)劃僅注重供應(yīng)側(cè)資源的規(guī)劃,對需求側(cè)資源重視不足。雙側(cè)隨機(jī)性系統(tǒng)中,供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)的統(tǒng)一規(guī)劃或高度協(xié)調(diào)規(guī)劃變得十分重要,而割裂這種整體性追求局部利益最大化無法應(yīng)對雙側(cè)隨機(jī)性系統(tǒng)變革。也就是說,雙側(cè)隨機(jī)性系統(tǒng)要求雙側(cè)資源規(guī)劃,這種規(guī)劃可以理解為綜合資源規(guī)劃。在未來我國“十三五”能源規(guī)劃中應(yīng)進(jìn)一步重視需求響應(yīng)資源,只有在規(guī)劃層面重視這種資源才有可能形成需求響應(yīng)資源,并參與到實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)行,從而更好地應(yīng)對雙側(cè)隨機(jī)波動。
二是運(yùn)行方面。當(dāng)前的電力系統(tǒng)控制邏輯不適應(yīng)雙側(cè)隨機(jī)性系統(tǒng),電力系統(tǒng)需要改變其運(yùn)行控制邏輯以應(yīng)對雙側(cè)隨機(jī)性變革。未來的系統(tǒng)運(yùn)行需要電源、電網(wǎng)、用戶之間協(xié)調(diào)互動,將需求響應(yīng)資源等同于供應(yīng)側(cè)資源參與到電力系統(tǒng)的運(yùn)行控制和調(diào)度中來,通過雙向響應(yīng)來應(yīng)對系統(tǒng)的雙側(cè)隨機(jī)波動,即在考慮電源結(jié)構(gòu)、負(fù)荷特性、時間尺度等因素的情況下,供應(yīng)側(cè)資源不僅要響應(yīng)需求側(cè)負(fù)荷變化,同時需求側(cè)資源也要有能力響應(yīng)供應(yīng)側(cè)的出力波動?,F(xiàn)階段,電力系統(tǒng)運(yùn)行控制技術(shù)還難以實(shí)現(xiàn)上述的控制邏輯,未來電力系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)當(dāng)依托能源互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)電源與電網(wǎng)、電網(wǎng)與用戶、電源與用戶之間的資源優(yōu)化配置,更好地保障雙側(cè)隨機(jī)性系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
三是機(jī)制方面。應(yīng)對雙側(cè)隨機(jī)性變革需要需求側(cè)資源參與電力系統(tǒng)運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)不僅需要技術(shù)上的突破,還需要體制機(jī)制的合理安排。目前,現(xiàn)有的電力管理體制在激勵需求側(cè)資源參與系統(tǒng)運(yùn)行方面還有待完善。而作為連接供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)的樞紐,電網(wǎng)企業(yè)在整個電力系統(tǒng)的資源優(yōu)化配置方面起著關(guān)鍵作用,電網(wǎng)企業(yè)的真正優(yōu)勢是基于綜合資源規(guī)劃的理念將供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)資源進(jìn)行最優(yōu)組合,開展“大節(jié)能”的工作,即站在整個系統(tǒng)的角度,在需要供應(yīng)側(cè)時投資供應(yīng)側(cè)資源,在需要需求側(cè)響應(yīng)時,投資需求側(cè)資源。做到這一點(diǎn)的前提是電網(wǎng)企業(yè)回歸公用事業(yè),只有作為公用事業(yè),電網(wǎng)企業(yè)才有動力開展“大節(jié)能”的工作。然而,現(xiàn)有機(jī)制對電網(wǎng)企業(yè)的考核過度重視經(jīng)濟(jì)性指標(biāo),而且相應(yīng)的節(jié)能減排等公用任務(wù)指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)本質(zhì)上是存在一定矛盾的,導(dǎo)致了電網(wǎng)企業(yè)需要像營利性商業(yè)企業(yè)一樣追求售電量和利潤,在節(jié)能減排工作上缺乏積極性。因此,應(yīng)對雙側(cè)隨機(jī)性系統(tǒng)變革需要在體制層面上對電網(wǎng)企業(yè)重新定位,使其回歸公用事業(yè),基于綜合資源規(guī)劃的理念開展系統(tǒng)性“大節(jié)能”的工作。(本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》(綜合)2016年5期,作者系華北電力大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師,華北電力大學(xué)能源與電力經(jīng)濟(jì)咨詢研究中心主任。華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室歐陽邵杰對本文亦有貢獻(xiàn))