1、電力結構將更“綠色”
清華大學氣候變化與可持續發展研究院近日聯合印發的《中國長期低碳發展戰略與轉型路徑研究》提出,低碳路徑下,我國能源消費總量在2030-2035年之間進入峰值,“十四五”期間非化石能源必須成為能源消費增量主體。
中國工程院院士郭劍波指出,為了構建清潔低碳、安全高效的能源體系,我國能源轉型主要朝兩個方向進行:終端消費側,電能深度替代化石能源;能源生產側,以電能形式開發利用新能源。
上述《報告》指出,截至今年9月,我國并網風電2.2億千瓦,并網太陽能發電2.2億千瓦,合計占全國全口徑發電裝機容量的21.05%;全口徑并網風電和并網太陽能發電量合計5331億千瓦時,占全國規模以上電廠總發電量的9.8%。
“根據預測,2030年全國新能源總發電量占比將達20%,2050年高達48%。未來高比例新能源電量的電力系統將從局部地區逐步向全國擴展。” 郭劍波指出。
中電聯行業發展與環境資源部副主任張琳表示,“十四五”時期,“風光”將成為可再生能源開發的主題增量。“根據預測,2025年風電、太陽能發電裝機均突破4億千瓦,非化石能源裝機占比將超過50%,電力碳排放強度將降低5%。”
水電水利規劃設計院總院副長易躍春指出,按照努力爭取2060年前實現碳中和的目標,經測算,可再生能源大約將占我國一次能源消費總量的75%左右。
2、經濟和安全問題待解
根據中國人民大學應用經濟學院教授鄭新業提出的“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、清潔環保。高比例的清潔電源并網后,“經濟賬”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問題,而是經濟和機制問題 。“電力系統硬件結構決定了新能源消納潛力,但政策和經濟激勵決定了消納潛力能否充分發揮。近中期看,‘挖潛’是促進新能源消納最經濟、有效的措施。”
目前,國家電網經營區域內大型新能源場站4000多個,西北新能源場站超1500個,分布式發電約170萬個。郭劍波預測,未來我國新能源發電單位將達數千萬,氣象環境、運行控制等信號可達數十億,系統調度運行極其復雜,控制配置措施和實施難度大。“以某省級電網為例,在火電最小技術出力50%條件下,新能源消納問題十分突出。當新能源發電量占比達30%時,新能源限電率將達23%,且此時已出現全部由新能源供電的時段。
“2019年,國家電網公司經營區內,新能源日最大功率波動達1.07億千瓦,占其裝機的31%,預估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電源火電、水電總裝機容量相當,僅靠常規電源調節難以應對新能源日內功力波動,新能源消納挑戰巨大。”
“同時,新能源尖峰出力功率大、電量小,保證尖峰出力需調動巨大的靈活性資源,但對全年發電量貢獻極小。未來,高比例新能源電力系統中保證尖峰出力的全額消納代價大。”郭劍波指出,2018年,新疆電網風電出力陡增至890.5萬千瓦,占風電裝機容量的46%,持續時間僅為5分鐘,累計電量74萬千瓦,但對應的電量僅占全天風電發電量的3.3%。
安全方面,郭劍波直言,新能源大規模接入擠占常規機組開機空間,或出現系統運轉調頻能力下降、無功支撐不足、電壓穩定問題突出、越限風險增加等問題。
3、靈活電力系統是大勢
對于高比例新能源電力系統情景下電力系統的變化,郭劍波認為可能會有兩種演化方式:通過改造新能源電站,使其具有同步發電機的特性;改造傳統發電站使其具有逆變器特性,在此方式下,系統的穩定性、分析理論和方法都將不同于傳統電網。
而針對新能源既不參與電力平衡調節,也不參與電量平衡調節的“權責利”問題,郭劍波表示:“新能源發電因不確定性、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,將催生新的商業模式,市場和政策及只需考慮新能源與常規電源以及用戶的配合,協調市場內多利益主體。”
易躍春指出,未來,數字化和信息化技術將被廣泛應用,推動系統安全性和靈活性大幅提升。電力系統靈活性從目前的發電側為主向發電側、電網側、用戶側并重轉變,構建適應高比例可再生能源的智能電力系統。“另外,可再生能源加速發展面臨的空間發展約束開始顯現,‘十四五’要關注其開發與國土空間規劃的銜接。”