能源行業(yè)是實現(xiàn)碳達峰碳中和目標(biāo)的重點領(lǐng)域,新能源的大規(guī)模接入對電網(wǎng)的平衡調(diào)節(jié)能力提出了更高要求。“雙碳”目標(biāo)下,國家電網(wǎng)如何提升電網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)能力?本報記者帶您一探究竟。
“水火” 聯(lián)合
當(dāng)前,“碳中和”已經(jīng)成為全球共識。實現(xiàn)碳達峰碳中和是我國向世界作出的莊嚴承諾,也是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會變革。
能源行業(yè)是實現(xiàn)碳達峰碳中和目標(biāo)的重點領(lǐng)域。我國已成為全球新能源裝機規(guī)模最大的國家,能源結(jié)構(gòu)也在發(fā)生變化,可再生能源發(fā)電裝機容量在2020年年底已經(jīng)占全部發(fā)電裝機容量的41%。新能源具有隨機性、波動性、間歇性等特點,大規(guī)模開發(fā)并網(wǎng)后,電力系統(tǒng)“雙高雙峰”特征日益凸顯,對確保電網(wǎng)安全運行和電力可靠供應(yīng)帶來了巨大挑戰(zhàn)。
提高平衡調(diào)節(jié)能力,電網(wǎng)需要一個“智慧大腦”。“電難以大規(guī)模儲存,它就像一輛沒有制動裝置的車輛一樣,無法在某個地方停留,其生產(chǎn)、輸送和消費在同一時間完成,因此大電網(wǎng)需要調(diào)度系統(tǒng)這一‘智慧大腦’作為靈活高效運轉(zhuǎn)的‘指揮’。”華東電力調(diào)控分中心水電及新能源處副處長陸建宇表示。
電力調(diào)度不僅關(guān)乎電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行,更關(guān)乎千家萬戶用電和社會經(jīng)濟的正常運轉(zhuǎn)。今年,國家電網(wǎng)有限公司“一體四翼”發(fā)展布局提出將進一步加強全網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度,完善跨省備用共享機制,統(tǒng)籌全網(wǎng)調(diào)峰資源,在電源清潔化水平快速提升的基礎(chǔ)上,繼續(xù)助力新能源利用率保持在較高水平。
火電的靈活性改造一直是提升電網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)能力的重要內(nèi)容。2020年,“三北”地區(qū)完成火電機組改造2466萬千瓦。“十三五”期間,國家電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)內(nèi)累計完成煤電機組改造1.62億千瓦,其中“三北”地區(qū)完成火電機組容量改造8241萬千瓦,增加調(diào)節(jié)能力1501萬千瓦。
“簡單來講,火電靈活性改造,就是解決‘吃’和‘消化’的問題。所謂‘吃’就是燃料,所謂‘消化’就是運行控制,兩者缺一不可。”東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院博士生導(dǎo)師呂劍虹這樣解釋靈活性改造的實質(zhì)。
呂劍虹介紹,機組靈活性改造主要包括兩個方面的含義,一是增加機組運行靈活性,即要求機組具有更快的變負荷速率、更高的負荷調(diào)節(jié)精度及更好的一次調(diào)頻性能;二是增加鍋爐燃料的靈活性,即機組在摻燒不同品質(zhì)的燃料下,確保鍋爐的穩(wěn)定燃燒以及機組在摻燒工況下仍有良好的負荷調(diào)節(jié)性能。
想要電網(wǎng)更加靈活,不僅要改造“火”,還要利用“水”。3月19日,國家電網(wǎng)發(fā)布了服務(wù)碳達峰碳中和、構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、加快抽水蓄能開發(fā)建設(shè)重要舉措。一座座抽水蓄能電站開工建設(shè),對于優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)、提高電力安全穩(wěn)定運行水平、促進節(jié)能減排和清潔能源消納等具有重要意義。
陸建宇解釋,大規(guī)模開發(fā)的風(fēng)電最終能順利并網(wǎng)消納,需要大規(guī)模抽水蓄能電站來實現(xiàn)配套輸送。抽水蓄能電站利用電力系統(tǒng)中多余電能,把下水庫內(nèi)的水抽到上水庫內(nèi),以位能方式蓄存起來,系統(tǒng)需要電力時,再從上水庫放水至下水庫進行發(fā)電。
“抽水蓄能是目前技術(shù)最為成熟的大規(guī)模儲能方式,具有調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、儲能、系統(tǒng)備用和黑啟動六大功能,以及超大容量、系統(tǒng)友好、經(jīng)濟可靠、生態(tài)環(huán)保等優(yōu)勢,有效保障了高比例新能源電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行和提升新能源利用水平。”陸建宇說。
如今,抽水蓄能機組網(wǎng)廠協(xié)調(diào)能力不斷提升。以華東地區(qū)為例,今年,國網(wǎng)華東分部已經(jīng)成功組織了溧陽、績溪、宜興等3家抽水蓄能電站完成首批成組啟停機優(yōu)化試驗,并投入試運行。優(yōu)化后,抽蓄機組啟停時對電網(wǎng)的功率波動影響下降50%以上,抽水蓄能電站科學(xué)調(diào)度水平再上新臺階。
據(jù)了解,2020年,國家電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)抽水蓄能電站平均綜合利用小時數(shù)為2585小時,多消納新能源電量306億千瓦時。“十三五”期間,國家電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)抽水蓄能電站累計多消納新能源電量864.3億千瓦時,抽水蓄能已成為新型電力系統(tǒng)促進新能源消納,服務(wù)碳達峰碳中和目標(biāo)的重要支撐。
源荷互動
今年年初,國網(wǎng)吉林省電力有限公司承建的東北地區(qū)首個火電—儲能聯(lián)合調(diào)峰示范工程并網(wǎng)運行,該工程成為科技項目“儲能融合火電機組參與電網(wǎng)調(diào)峰輔助服務(wù)的源儲網(wǎng)協(xié)調(diào)運行關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用”成果落地的重要一環(huán)。
“按照吉林電網(wǎng)現(xiàn)有的調(diào)峰需求,以單個火電廠增配5萬千瓦/20萬千瓦時的磷酸鐵鋰儲能電站來測算,一年可為新能源發(fā)電增加上網(wǎng)空間9000萬千瓦時,相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2.7萬噸,減排二氧化碳7.3萬噸。”吉林電力科學(xué)研究院新能源技術(shù)研究專責(zé)王佳蕊介紹。
在推進火電機組靈活性改造、滿足新能源調(diào)峰需求的同時,國網(wǎng)吉林電力還通過優(yōu)化新能源機組運行管理,提升了新能源利用率。
“風(fēng)電場單場站容量小、接入點分散,現(xiàn)場人員發(fā)現(xiàn)和解決電能質(zhì)量問題的能力弱,急需可靠的現(xiàn)場并網(wǎng)性能測試和技術(shù)監(jiān)督。”中廣核大崗子風(fēng)電場運維總監(jiān)郭永剛說出了很多新能源場站面臨的共同問題。如今,國網(wǎng)吉林電力初步建成了新能源優(yōu)化運行管理與調(diào)控平臺,實現(xiàn)了對新能源場站涉網(wǎng)性能、運行質(zhì)量的全息立體診斷,輔助電網(wǎng)側(cè)有針對性地加強新能源涉網(wǎng)安全管理,提供技術(shù)支撐服務(wù),促進新能源場站運行水平提升。
源網(wǎng)荷儲互動支撐平臺基于市場機制,引導(dǎo)分布式發(fā)電、儲能、電動汽車、智能家居等負荷主動參與電網(wǎng)調(diào)控,增強了電網(wǎng)備用、調(diào)峰、調(diào)頻能力。以可調(diào)節(jié)資源庫建設(shè)為基礎(chǔ),國家電網(wǎng)積極拓展源網(wǎng)荷儲應(yīng)用場景,不斷挖掘各類調(diào)節(jié)資源潛能,進一步促進電力系統(tǒng)運行由“源隨荷動”向“源荷互動”“荷荷互動”轉(zhuǎn)變。
不僅如此,國家電網(wǎng)還聚焦電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力,開展多元智能協(xié)同調(diào)度,完善了調(diào)度支持手段,在陜西,開發(fā)虛擬電廠協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),將常規(guī)電源、新能源等多種電源組成聯(lián)合控制單元,通過多能互補和復(fù)雜斷面的協(xié)調(diào)控制,智能化實現(xiàn)新能源發(fā)電最大化;在四川,研發(fā)聯(lián)合運行控制與智能調(diào)度系統(tǒng),優(yōu)化提出水光蓄聯(lián)合運行模式及調(diào)控方式,支撐水電和光伏電站中長期、日前、日內(nèi)滾動發(fā)電計劃制定;在安徽,開展虛擬電廠試點建設(shè),初步建成虛擬電廠集中控制平臺,具備類似常規(guī)電廠的調(diào)頻、調(diào)峰、調(diào)壓能力。
此外,國家電網(wǎng)還攻關(guān)新能源關(guān)鍵技術(shù),精細化分析新能源及網(wǎng)架運行特性,在保障安全的情況下大幅提升通道送出能力。
5月6日,華北電網(wǎng)新能源最大發(fā)電電力達9600萬千瓦,占當(dāng)時華北電網(wǎng)負荷比例的46.5%;日發(fā)電量達15.46億千瓦時,占華北電網(wǎng)當(dāng)日用電量的33.7%,發(fā)電電力和電量均創(chuàng)歷史新高。當(dāng)日新能源發(fā)電出力創(chuàng)新高時,國網(wǎng)華北分部對新能源發(fā)電出力的預(yù)測準(zhǔn)確率達97%,為新能源高比例納入電力平衡和高效消納提供了支撐。
“我們在調(diào)度系統(tǒng)首次應(yīng)用了電磁暫態(tài)仿真技術(shù)分析新能源送出能力,研究細化系統(tǒng)短時過電壓耐受能力,提高新能源送出能力。今年4月,錫盟特高壓送出工程、張北—雄安特高壓交流工程送端的新能源送出能力分別提高到了370萬千瓦、290萬千瓦,較原能力分別增加220萬千瓦、90萬千瓦。”華北電力調(diào)控分中心主任江長明表示。
省間互濟
跨區(qū)輸電是解決新能源消納、加強區(qū)域資源互濟的重要渠道。想要為網(wǎng)內(nèi)富余新能源“謀出路”,可調(diào)節(jié)負荷資源的跨省互濟必不可少。
3月15日,河南省結(jié)束了調(diào)峰相對困難的供暖期。“十三五”期間,河南新能源裝機容量年均增速達到93%,為全國增速最快的地區(qū)。在供暖期內(nèi),河南電網(wǎng)“一日兩難”特征明顯,午間、后夜時段新能源電力存在較大消納壓力。
“省間調(diào)峰輔助服務(wù)機制本質(zhì)屬于發(fā)電替代,通過富余可再生能源電力對燃煤火電實現(xiàn)替代,可以提高新能源利用率,促進火電減發(fā)減排。”國網(wǎng)華中分部相關(guān)負責(zé)人表示,國網(wǎng)華中分部充分發(fā)揮省間調(diào)峰輔助服務(wù)市場機制作用,利用省間通道剩余空間和網(wǎng)內(nèi)其他省份富余調(diào)峰資源,在電網(wǎng)調(diào)度環(huán)節(jié)靈活組織實施跨省調(diào)峰互濟,保障了河南電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。
省間電網(wǎng)調(diào)峰互濟增多,是全網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度的重要體現(xiàn)。2020年,西北、東北、華北、華中電網(wǎng)組織省間調(diào)峰互濟分別達到3.5萬次、700次、508次、280次,共計多消納新能源電量344.8億千瓦時,打破了省間壁壘,提高了跨區(qū)輸電通道利用效率。
值得注意的是,華中電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場于2020年5月15日正式運行,進一步豐富了消納河南新能源電力的調(diào)度“工具箱”。
4月27日,華中電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場開展了首次調(diào)電結(jié)算試運行,對華中電網(wǎng)調(diào)峰資源進行跨省配置。其間,河南在低谷和腰荷兩個時段分別申報了調(diào)峰需求,湖北、湖南、江西分別申報了富余調(diào)峰能力。湖北、湖南、江西11家燃煤火電廠和抽水蓄能電站通過自主報價參與省間調(diào)峰輔助服務(wù)日前市場競價,經(jīng)過市場出清,湖北2家燃煤火電廠、江西3家燃煤火電廠和1家抽蓄電站中標(biāo),其中,江西某抽水蓄能電站1臺30萬千瓦機組在低谷時段抽水幫河南調(diào)峰。
這是華中電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場開展的省間調(diào)峰輔助服務(wù)交易品種之一。華中電力調(diào)控分中心調(diào)度計劃處副處長黃海煜表示,目前華中電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場有兩個交易品種,除上述的省間調(diào)峰輔助服務(wù)交易外,另一個是省間備用輔助服務(wù)交易。
“省間調(diào)峰輔助服務(wù)交易是指在省內(nèi)火電已達最小開機方式且省內(nèi)調(diào)峰資源用盡后,負備用不足省的發(fā)電廠與調(diào)峰資源富余省的發(fā)電廠之間開展的日前、日內(nèi)省間發(fā)電替代交易和抽水蓄能機組跨省調(diào)用;省間備用輔助服務(wù)交易是指省級電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)正備用容量無法滿足備用要求時,正備用不足省級電網(wǎng)企業(yè)與備用富余省的發(fā)電廠之間開展的日前省間備用容量交易。”黃海煜解釋道。
燃煤機組參與深度調(diào)峰時,不但供電煤耗會增加,對機組壽命也會有較大影響。在讓煤電承擔(dān)更多調(diào)峰功能的同時,如何補償這份責(zé)任造成的損失,也是一個值得探討的問題。
對此,國網(wǎng)能源研究院副總工程師馬莉指出,一是構(gòu)建調(diào)峰、備用省間輔助服務(wù)市場,省內(nèi)調(diào)節(jié)能力不足時可以省間調(diào)峰。二是構(gòu)建輔助服務(wù)成本分攤機制,按照“誰受益、誰承擔(dān)”原則,建立用戶與發(fā)電共同承擔(dān)輔助服務(wù)成本的機制。三是豐富輔助服務(wù)交易品種,如開發(fā)爬坡類產(chǎn)品、系統(tǒng)慣性服務(wù)、無功支撐服務(wù)等。
此外,國家電網(wǎng)還為調(diào)峰輔助服務(wù)市場的推進提供了技術(shù)支撐。
自動發(fā)電控制(AGC)是并網(wǎng)發(fā)電廠提供的有償輔助服務(wù)之一,發(fā)電機組在規(guī)定的出力調(diào)整范圍內(nèi),跟蹤電力調(diào)度交易機構(gòu)下發(fā)的指令,按照一定調(diào)節(jié)速率實時調(diào)整發(fā)電出力。
今年以來,國網(wǎng)華北分部加大網(wǎng)企(廠)雙向交流溝通,組織聯(lián)絡(luò)協(xié)調(diào)會加強宣貫,實施機組計劃檢修“20%深度調(diào)峰改造優(yōu)先”等具體舉措。 華北電力調(diào)控分中心黨總支書記張哲表示,下半年,京津唐電網(wǎng)列入計劃開展20%深度調(diào)峰改造機組32臺、總裝機容量1516萬千瓦。20%~50%不同程度深度調(diào)峰改造機組8臺、總裝機容量262萬千瓦,共計容量1778萬千瓦,占當(dāng)前京津唐電網(wǎng)火電總裝機的25.6%,并將全部通過AGC自動調(diào)整實現(xiàn)深度調(diào)峰。全部完成改造后,將提高京津唐電網(wǎng)調(diào)峰能力410萬千瓦,相當(dāng)于增加約800萬~1000萬千瓦風(fēng)電機組建設(shè)空間,預(yù)計全年可增加新能源發(fā)電量200億千瓦時。 “調(diào)度機構(gòu)進行火電機組深調(diào),通常低于50%需要退出AGC,通過電話指令對火電機組進行深度調(diào)峰。但國網(wǎng)華北分部的AGC低于50%也不用退,實現(xiàn)了機組出力深調(diào)自動調(diào)整,自動執(zhí)行市場出清結(jié)果,不用人為干預(yù),效率顯著提高。”華北電力調(diào)控分中心計劃處處長陳之栩說。
原標(biāo)題:“雙碳”目標(biāo)下 國家電網(wǎng)如何“調(diào)”綠電?