新型电力系统如何跨过气象关

近年频发的极端天气使精确的气候变化预测能力成为电力系统之刚需。

(资料图)

新型电力系统的稳定性与气候条件密切相关。近年频发的极端天气使精确的气候变化预测能力成为电力系统之刚需。

近日，在由国网四川省电力公司、四川省电力行业协会、四川省电机工程学会指导，清华四川能源互联网研究院与天府永兴实验室新型电力系统研究中心联合主办的“兴隆湖能源电力高峰对话——极端气象条件下新型电力系统构建”专题论坛上，业内专家围绕如何在科学有序实现“双碳”目标背景下增强电力系统应对极端气象条件的能力展开探讨，为电力安全保供把脉问诊。

新型电力系统对气象极度敏感

“去年夏天，四川遭遇了历史同期最极端高温、最少降雨量、最大电力负荷的‘三最’叠加局面，全省电力系统面临严峻挑战。”四川省能源局副局长林挺介绍，“三最”叠加给四川省社会经济发展造成了严重影响，同时暴露了以可再生能源为主的电力系统在极端气温条件下的诸多短板。“要进一步增强系统观念，加快新型电力系统建设，增强供电保障能力。”

中国科学院院士周孝信采用情景分析法研判了2020－2060年中长期能源电力发展趋势，并探讨了我国未来能源电力系统发展前景。他指出，根据非化石能源电力按照发电煤耗法计算，2035年我国非化石能源发电量占比将达52.9%，2060年达93.5%。“2035年电源装机情况比较均匀，风电装机约8亿千瓦，煤电11亿千瓦，核电1.4亿千瓦；电力情况也比较均匀，煤电发电量占比超1/3。2035年，非化石能源消费比重在2030年达到25%的基础上进一步大幅提升，可再生能源成为主体电源。”

不论从发电、输电还是用电来看，新型电力系统的各关键环节都与天气、气候密切相关。“从发电端看，传统能源和可再生能源对天气变化高度敏感。从输电环节看，输电线路对灾害性天气高度敏感，极端高温和持续性高温对用电负荷影响巨大。”中国气象局风能太阳能中心科学主任申彦波坦言。

针对2023年汛期气候变化趋势，申彦波分析：“全国不同地区今年汛期经历的主要气象灾害可能不尽相同。东北、华北主要以暴雨洪涝为主，长江中下游区域以高温干旱为主，海南地区以台风为主；云南要注意地质灾害，新疆要注意高温影响。长江中游地区，包括四川东部今年可能会发生阶段性干旱，有中等及以上干旱风险。”

突破性灵活调节手段依然欠缺

中国电科院首席技术专家惠东认为，未来新能源将逐渐从装机主体变为电量主体，再变为出力主体。“这就需要考虑电网传统惯量受到制约后，电力系统是否还能承载更多新能源，承载是否达到饱和。以现有电网技术看，新能源渗透率无法超过50%。”对此，有业内专家指出，新型电力系统的保供矛盾在本质上是新能源在各时间轴上的波动与灵活调节能力之间的问题。

“保安全、促消纳涉及从秒级到更长时间跨度的跨越。”惠东进一步分析，现有任何一种灵活性手段都无法达到四两拨千斤的效果。“一度电就是一度电，目前的灵活性调节资源如火电、气电等还存在较大缺口；抽蓄调节速度较快，但布局不尽合理。此外，电力市场和需求侧响应之间的调度有待进一步激活。”

不同的灵活性调节资源的爬坡能力、启停时间、额定续航能力、惯量支撑和电压支撑能力都不同。“经过改造的火电机组具有电压支撑能力和惯量支撑能力，但爬坡响应能力和额定续航能力不足。电化学储能响应速度快、调节准确，但只能定位在日内调节资源，很难做到长期调节。”从调节成本来看，惠东分析，改造后的火电机组调节度电成本大约在0.05元到0.12元，抽蓄调节成本大约度电0.25元，电化学储能在有市场、有价格时运行利用率较高，如参与调频市场。“但在新能源配置储能的情况下其利用非常低，一年不足50－80次，有的场站一年都用不了一两次，经济性比较差。”

在清华四川能源互联网研究院常务副院长鲁宗相看来，在极端气候条件下，新型电力系统首先要解决的是电源问题。“比如在多日无风无光、无法依靠新能源发电时，如何保证电力系统稳定？即使有了充足电源，也需充分合理利用。如果所有用户全都在中午12点用电，那么即使发再多电也不够用。因此，如何优化运行并调配用户参与到电力系统中，同时做到预先预判、筹措足够多的资源，对新型电力系统稳定供电尤为重要。”

综合能源智能系统是破题方向

业内认为，从未来电力系统所需的技术层面看，储能是必选路径。但对于突发性急迫性的电力供应问题，由于目前长周期储能技术还没有较成熟的解决方案，其所能发挥的作用较为有限。

“2030年以后，电力系统需要解决三天、五天甚至周级极热高峰时段的供应能力，所以要布局长时间的储能。”惠东建议，2030年以后应深化新能源场站+储能的构网型技术。“新能源波动性是遍布全时间尺度的，需要多类型的储能弥补。所以，多元储能融合是一种技术路线。”

为应对未来电力系统灵活性和韧性方面的挑战，周孝信提出一种融合煤电机组碳捕集、可再生能源电解水制氢、甲烷/甲醇合成、新型燃气发电等技术的设想——综合能源生产单元（简称IEPU）。他指出，综合能源生产单元作为煤电机组低碳、无碳转型路径方案的一种选择，既可生产电和各种近绿色燃料，又能以高灵活性调节能力支撑高比例可再生能源电力系统稳定运行。常规化生产便于运输储存的甲烷甲醇等绿色燃料可成为新型电力系统应对中长周期能源电力供需平衡的储能介质，达到“西能东输”的远景目标。

“相比常规机组调节能力，IEPU虚拟机组的调节能力范围可以是常规机组的70%到183%。”周孝信举例，“在极端天气情况下，比如一周内前半周是正常天气，后三天是极端天气，这时可以通过IEPU储存前半周的剩余能量，利用氢气、甲烷等发电。极端天气下风光发电大幅减弱期间，IEPU发挥的就是长周期储能作用。”

“运用大中型城市虚拟电厂的管理平台，以及分布式电源集成的智慧能源管理装备，对未来含有极端天气保电背景的电网运行和规划而言，是行之有效的技术解决方案。在扩展电源方面，可以考虑在用户周边建设分布式资源的电厂。”鲁宗相建议，新型电力系统一定要融入气象体系，形成服务电力行业特征的电力气象技术体系。