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独家 | 吴俊宏:关于发展分布式智能电网的思考

2023年8月8日

编者鉴语:近年来频发的极端天气持续为电力系统安全保供带来挑战。在构建新型电力系统的背景下,如何进一步兼顾电力系统的深度脱碳和安全保供需要各参与方的共同努力。在此背景下,上海国际问题研究院与国际环保机构绿色和平推出聚焦电力系统低碳保供方案的系列文章,旨在通过分享不同资深电力从业者的视角和观点,聚焦不同参与主体的潜在作用,为实现电力系统的安全保供提供可行的解决方案——本篇文章作者系配售电改革专家吴俊宏

 近年来,随着极端气候频发,夏季高峰负荷需求持续攀升、峰谷差不断拉大。与此同时,随着新型电力系统建设的推进,电力系统中可再生能源渗透率逐渐增加。在能源低碳转型的大趋势下,当前夏季电力安全保供形势严峻。虽然通过增加火电机组装机、增大电网输变电容量等传统措施也能发挥电力保供效果,但以这种解决方案应对一年中持续时间较短的夏季尖峰负荷会使得相关机组和电网设施的利用率下降,降低其投资经济性,进而拉高全社会电力保供的成本。为提高新型电力系统的经济性,需要深入挖掘配电网侧资源,积极发挥主动配电网、微电网、虚拟电厂等新型业态的技术作用,从而实现电力系统安全、低碳和经济的保供目标。

极端气候频发背景下的电力尖峰负荷需求

长期来看,我国电力需求仍维持稳步增长趋势,但尖峰负荷特征日益凸显。特别是近几年极端天气频发造成夏季制冷需求的电力负荷大幅攀升,同时由于受气候变化影响,水电的出力不及预期。在这样的情景下,电力负荷和电源出力的“一增一减”加剧了夏季高峰时段电力安全供应的压力。

2022年夏季,电力保供面临“高温、少水、小风”的不利局面,区域性高温事件综合强度突破了1961年有完整气象记录以来的最强记录,同时长江干流和主要支流的来水情况也打破了有水文记录以来的同期最枯记录。可以说在气候变化影响下,极端天气频发带来的降水不确定性增强进而影响水电出力的稳定性。而今年受副热带高压和台风“玛娃”外围下沉气流的影响,广东、福建和江西南部等地在5月底就已经出现破纪录的高温天气,其电力负荷也接近历史最高。例如,广东最高负荷达到1.38亿千瓦,日均空调负荷就达到4500万千瓦左右。极端气候引发夏季制冷需求下电力负荷尖峰现象成为夏季电力安全保供的重要部分。

电力系统安全保供的主要措施及特点

我国夏季尖峰负荷特征日益凸显,但其累计时间较短,所占电量小[1],这就增加了投资成本与保供难度。一般而言,从迎峰度夏的安全保供主要措施来看,除做好电力设施设备检修工作以减少设备故障停运风险外,就是增强电源侧和电网侧的供应能力。

然而,就电源侧而言,风、光甚至水等可再生能源现阶段并不具备足够稳定的电力保障能力。以2022年夏季为例,长江干流和主要支流来水为有水文记录以来同期最枯,这直接降低了相关水电机组的出力能力。化石能源机组仍然是安全保供电源的主力军。但不可忽略的是,动力煤、天然气等大宗商品价格近年来长期处于高位,燃料价格因素则直接与电厂发电意愿挂钩进而影响存量煤电出力的可靠性。除存量机组外,这两年全国多地正在加快新建煤电机组以满足电力最高负荷需求,但是以新建机组满足电力尖峰负荷是极其不经济的。尖峰负荷持续时间短的特点将降低煤电机组发电利用小时数,从而降低煤电机组的经济效益甚至导致煤电机组的亏损。

就电网侧而言,建设充足的电网输电和供电容量是保障迎峰度夏的重要措施。但由于电网的建设成本最终也将通过全社会的输配电价进行回收,以满足尖峰负荷进行大量的输配电设备投入会降低电网设施的利用率,最终结果是要么增加全社会平均输配电价去弥补电网投资成本,要么会导致电网投资没有足够电量收入而降低其经济性甚至引发电网投资亏损。

因此,为满足夏季电力安全保供符合经济性需求,需要进一步挖掘灵活性保供资源,探索和创新电力保供方案。

构建分布式智能电网助力电力安全保供

构建分布式智能电网就是一个相较于投资传统电源和电网更加经济、智慧和绿色的电力保供解决方案,其核心就是要加强对配电网侧储能资源、分布式电源资源特别是用户空调、充换电等负荷资源的有效管理和互动,减少对主网调峰能力的需求,并为主网提供功率支撑。这样,在尖峰负荷时段,此类业态将直接从配电网侧减少电力系统的调峰需求,从技术手段上有效助力安全保供。

具体而言,电力负荷集中在配电网侧,通过充分挖掘接入配电网的新能源电站、分布式电源、储能以及用户侧空调、充换电设施等调节资源,构建分布式智能电网,不仅对于夏季高峰安全保供有积极作用,在自然灾害、战争等导致大电网停电的情况下也有助于保障这些采用微电网等分布式智能电网技术的局部配电网安全供电[2]。分布式智能电网主要指基于分布式新能源的接入方式和消纳特性,以实现分布式新能源规模化开发和就地消纳为目标的智能配电网。其表现形式可以包括主动配电网、微电网、虚拟电厂等业态。主动配电网是采用主动管理分布式电源、储能设备和客户双向负荷的模式,具有灵活拓扑结构的公用配电网;微电网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统,同时可以具备孤网运行能力;虚拟电厂由用户需求响应逐步演化而来,是一种通过先进信息通信技术和软件系统,实现分布式电源、储能系统、可控负荷、电动汽车等DER的聚合和协调优化,以作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行的电源协调管理系统。

与此同时,发展分布式智能电网进行安全保供也具有更好的经济性。以虚拟电厂为例,据相关机构测算,若通过建设煤电机组满足国网经营区5%的峰值负荷需求,电厂及配套电网投资约需4000亿元;但若建设虚拟电厂,建设、运维和激励的资金规模仅需400至570亿元。为了满足夏季尖峰安全供电需求,通过虚拟电厂聚合灵活性资源的建设成本远小于火电、输电网的投入。从今年各地发布的安全保供措施来看,虚拟电厂或需求响应已经被纳入重要的安全保供措施,比如,浙江平湖市在其《2023年平湖市迎峰度夏电力保供方案》中提出建立“空调柔控—移峰填谷—需求响应—有序用电”四级电力保供措施。

发展建议

发展分布式智能电网的技术对助力电力安全保供有积极作用,但由于配电网智能化程度有待提升、电力体制机制还不完善等原因,影响了该类业态的投资积极性和运营效果。为推动此类业态更好发展和发挥其应有的技术效果,提出以下建议。

(1)优化配电网网架结构,加快配电网一、二次融合。通过优化配电网规划合理配置布点容量,强化配电网网架结构,加快配电网一、二次融合和智能化升级,持续提升配电网灵活性和承载力,以满足分布式智能电网各类新型业态发展的基本需求;

(2)重视技术创新,加强新型储能、综合能源等新技术的应用。通过储电/储冷/储热等新型储能以及分布式三联供、热泵等综合能源系统的应用,增加用户侧可调节资源,提升分布式智能电网在夏季尖峰负荷时的响应能力,充分发挥微电网、虚拟电厂等业态调节能力的技术效果;

(3)完善电力市场机制,推动微电网、虚拟电厂等参与市场。明确具备源网荷储一体化特征的微电网、虚拟电厂等业态的市场主体身份,建立相适应的电力市场交易机制,以市场价格信号为引导,充分激励可调节资源参与错峰填谷等需求响应行为;

(4)深化电力体制改革,促进分布式智能电网业态健康发展。通过深化电力体制改革进一步开放配售电业务的投资和创新,保障电网公平开放和市场公正竞争,激发社会资本参与分布式智能电网建设的市场活力,促进微电网、虚拟电厂、源网荷储一体化等分布式智能电网业态的投资建设和健康发展。

[1] 以上海市为例,《关于进一步完善我市分时电价机制有关事项的通知》(沪发改价管【2022】50号)文件认为上海市尖峰时段仅为夏季7月、8月中午的12:00~14:00,以及冬季1月、12月的19:00~21:00,占全年时间段的2.74%。[2] 微电网,或分布式电源+储能的技术方案,从技术角度而言可以在外部电网故障情况下具备孤网运行能力。

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