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編者按：對(duì)現(xiàn)有的電力系統(tǒng)進(jìn)行全方位的改進(jìn)和升級(jí)以增強(qiáng)其靈活性，以應(yīng)對(duì)日益增加的波動(dòng)性可再生能源高比例并網(wǎng)帶來(lái)的電網(wǎng)穩(wěn)定性沖擊問(wèn)題顯得尤為重要，報(bào)告提出了提高電網(wǎng)靈活性的建議，并提出評(píng)估電網(wǎng)靈活性的新工具FlexTool。

國(guó)際可再生能源機(jī)構(gòu)（IRENA）發(fā)布《能源轉(zhuǎn)型之電網(wǎng)靈活性》報(bào)告中提到，能源轉(zhuǎn)型以及可再生能源電力增加，要求電網(wǎng)具備更強(qiáng)的靈活性。電網(wǎng)靈活性技術(shù)方面來(lái)源于供應(yīng)側(cè)、儲(chǔ)能、需求側(cè)、以及電網(wǎng)等。

《能源轉(zhuǎn)型之電網(wǎng)靈活性》報(bào)告指出，全球能源系統(tǒng)正在加速邁向綠色低碳的未來(lái)，伴隨這一轉(zhuǎn)變可再生能源部署速度和規(guī)模不斷增加，尤其是風(fēng)能和太陽(yáng)能光伏發(fā)電，使其在電網(wǎng)中的占比不斷增加。然而當(dāng)前的電力系統(tǒng)無(wú)法同等消納隨之產(chǎn)生的可再生能源電力，同時(shí)可再生能源固有的波動(dòng)性給電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來(lái)了潛在的威脅，上述問(wèn)題給電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商和監(jiān)管當(dāng)局帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在此背景下，對(duì)現(xiàn)有的電力系統(tǒng)進(jìn)行全方位的改進(jìn)和升級(jí)以增強(qiáng)其靈活性，以應(yīng)對(duì)日益增加的波動(dòng)性可再生能源高比例并網(wǎng)帶來(lái)的電網(wǎng)穩(wěn)定性沖擊問(wèn)題顯得尤為重要。為此，報(bào)告提出了提高電網(wǎng)靈活性的建議，并提出評(píng)估電網(wǎng)靈活性的新工具FlexTool，該工具目前已用于哥倫比亞、巴拿馬、烏拉圭和泰國(guó)。報(bào)告要點(diǎn)如下：

1、能源轉(zhuǎn)型中的靈活性需求

以化石燃料為主體的能源系統(tǒng)正逐步轉(zhuǎn)變成以可再生能源為主體的能源系統(tǒng)，意味著將消納更多可再生能源電力，這就要求電網(wǎng)具備更強(qiáng)靈活性。IRENA的全球能源轉(zhuǎn)型路線圖表明，到2050年，可再生能源將占全球一次能源供應(yīng)總量的60%。能源系統(tǒng)向可再生能源為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變帶來(lái)了一系列挑戰(zhàn)，因?yàn)楦哒急鹊牟▌?dòng)性可再生能源（VRE）增加了對(duì)供需平衡的要求。在傳統(tǒng)的不包括VRE或VRE比例較低的電力系統(tǒng)中，通常由電力供應(yīng)方提供靈活性，通過(guò)基于高效循環(huán)系統(tǒng)的火力發(fā)電（例如開(kāi)式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)）、靈活的可再生能源（如水力發(fā)電）和抽水蓄能以及儲(chǔ)能電池等平衡需求波動(dòng)并提供備用容量。在過(guò)去五年中，太陽(yáng)能和風(fēng)能變化的影響已經(jīng)開(kāi)始在許多電力系統(tǒng)中體現(xiàn)：多個(gè)國(guó)家成功實(shí)施了若干復(fù)雜程度、時(shí)間尺度、有效性和成本各有特點(diǎn)的解決方案，這些方案促進(jìn)了高比例VRE在大型電力系統(tǒng)（如丹麥）、吉瓦級(jí)電力系統(tǒng)（如愛(ài)爾蘭）和小島系統(tǒng)（如澳大利亞的金島）中的整合。解決方案主要包括分布式風(fēng)能和光伏發(fā)電、集中式風(fēng)能和光伏發(fā)電、電力系統(tǒng)靈活性改造、改善電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、部署先進(jìn)的儲(chǔ)能系統(tǒng)、開(kāi)發(fā)需求側(cè)管理計(jì)劃以及提高火力發(fā)電廠熱效率。

為了進(jìn)一步推進(jìn)和實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)，需要充分發(fā)揮能源系統(tǒng)的靈活性，而需求側(cè)響應(yīng)管理和終端用能耦合將在發(fā)揮系統(tǒng)靈活性中發(fā)揮關(guān)鍵作用。通過(guò)使用電阻制熱和熱泵來(lái)供暖，可以顯著提高需求靈活性。此外，區(qū)域供熱系統(tǒng)中存儲(chǔ)著大量熱能，可作為電力系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)方式，提高需求靈活性，降低成本和排放，提高電力系統(tǒng)可靠性。公路貨運(yùn)、航運(yùn)和航空等部門無(wú)法使用電纜輸送的電力，只能靠燃料供能。一些工廠的加工過(guò)程也需使用燃料而非電力，如氨、聚合物生產(chǎn)需要?dú)湟约澳承└邷毓に囆枰剂?。在VRE占比較高的系統(tǒng)，通過(guò)可再生電力生產(chǎn)氫等無(wú)碳燃料能為能源部門脫碳發(fā)揮重要作用。供暖方面，氫氣生產(chǎn)可以為電力系統(tǒng)提供靈活性（取決于電解槽的類型），最重要的是，將氫氣混合到天然氣網(wǎng)絡(luò)中可以實(shí)現(xiàn)可再生電力的季節(jié)性儲(chǔ)存。

許多國(guó)家需要將太陽(yáng)能和風(fēng)能利用率提高到60%以上，以實(shí)現(xiàn)未來(lái)能源可持續(xù)發(fā)展。如丹麥和愛(ài)爾蘭是風(fēng)能并網(wǎng)的領(lǐng)跑者，風(fēng)電份額分別為44%和27%，最大瞬時(shí)滲透率分別超過(guò)需求的150%和60%。兩國(guó)的電力系統(tǒng)都經(jīng)歷了一個(gè)轉(zhuǎn)型過(guò)程，其中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)包括：1）提前設(shè)計(jì)靈活性比電力系統(tǒng)出現(xiàn)靈活性問(wèn)題后再尋求解決方案更為經(jīng)濟(jì)；2）通過(guò)釋放現(xiàn)有電力系統(tǒng)的靈活性而不是投資新的昂貴設(shè)施，可以整合大量的VRE；3）在選擇解決方案時(shí)，必須考慮項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)間，特別是許可和施工時(shí)間；4）靈活性的規(guī)劃需要采用復(fù)雜的工具和方法，這些工具和方法隨著政策、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)/科學(xué)的發(fā)展而變化。

2、電力系統(tǒng)靈活性

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)靈活性主要針對(duì)非波動(dòng)性電力來(lái)源。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)不包含VRE，其主要變化來(lái)源是電力需求，這取決于氣候和社會(huì)經(jīng)濟(jì)。電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商通過(guò)電力市場(chǎng)輔助服務(wù)，應(yīng)對(duì)發(fā)電機(jī)隨機(jī)停運(yùn)、負(fù)荷波動(dòng)、線路故障等導(dǎo)致的電力系統(tǒng)失衡以及由于需求預(yù)測(cè)錯(cuò)誤導(dǎo)致的實(shí)時(shí)不平衡。為系統(tǒng)提供基本負(fù)荷的發(fā)電機(jī)組，如煤電、生物質(zhì)發(fā)電和核電，多使用蒸汽輪機(jī)發(fā)電，循環(huán)能力有限。峰值發(fā)電機(jī)專為靈活運(yùn)營(yíng)設(shè)計(jì)，通常是燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)?，F(xiàn)代聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)和水力發(fā)電機(jī)組被稱為中間發(fā)電機(jī)，可用于提供基本負(fù)荷或峰值負(fù)荷。

隨著波動(dòng)性可再生能源的份額上升，電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)復(fù)雜性也在增加。在VRE份額較低時(shí)，凈負(fù)荷和需求之間差異很小。隨著VRE的增加，兩者之間出現(xiàn)越來(lái)越明顯的差異。靈活性不足的電力系統(tǒng)可能會(huì)削減VRE，在極端情況下會(huì)出現(xiàn)負(fù)荷損失。在凌晨以及光伏發(fā)電高峰期，則可能出現(xiàn)電力過(guò)剩，并導(dǎo)致電價(jià)下降。除了電力過(guò)剩的經(jīng)濟(jì)影響之外，VRE瞬時(shí)份額過(guò)高還會(huì)造成電網(wǎng)慣性不足的可靠性風(fēng)險(xiǎn)，通常通過(guò)削減VRE，減少其輸出作為緩解措施，但這會(huì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境、電力、燃料的負(fù)面影響。高比例的VRE還會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)凈負(fù)荷增長(zhǎng)速度變快，為系統(tǒng)帶來(lái)更大考驗(yàn)。在應(yīng)對(duì)系統(tǒng)不確定性方面，電力系統(tǒng)監(jiān)管要求運(yùn)營(yíng)商時(shí)刻保證一定數(shù)量的儲(chǔ)備電力，隨著VRE占比提高，對(duì)VRE發(fā)電的預(yù)測(cè)誤差成為不確定性的主要來(lái)源。另外，太陽(yáng)能和風(fēng)能的不確定性還從時(shí)間尺度上（幾秒鐘到幾個(gè)月）影響系統(tǒng)運(yùn)行。例如，幾秒鐘的變化會(huì)影響系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)能力，15到30分鐘的變化會(huì)影響運(yùn)行儲(chǔ)備的負(fù)荷跟蹤和規(guī)模，季節(jié)性變化會(huì)影響水電中期存儲(chǔ)規(guī)劃和電網(wǎng)長(zhǎng)期容量規(guī)劃。

靈活的電力系統(tǒng)應(yīng)在所有時(shí)間尺度上經(jīng)濟(jì)、高效、可靠。主要包括如下特征：1）滿足峰值負(fù)荷和峰值凈負(fù)荷，避免負(fù)荷損失；2）始終保持供需平衡，確保提供足夠的出力調(diào)節(jié)能力、快速啟動(dòng)能力以及在低凈負(fù)荷下運(yùn)行的能力；3）具有足夠的存儲(chǔ)容量以平衡高VRE發(fā)電時(shí)段和高需求但低VRE發(fā)電的時(shí)段；4）整合發(fā)電以調(diào)整需求應(yīng)對(duì)供應(yīng)短缺或電力過(guò)剩的時(shí)段；5）通過(guò)始終保持足夠的儲(chǔ)備供應(yīng)，以減輕電力系統(tǒng)失穩(wěn)；6）在精心設(shè)計(jì)的市場(chǎng)下運(yùn)營(yíng)，其靈活性不受市場(chǎng)不足的影響。

3、電網(wǎng)靈活性來(lái)源

•技術(shù)靈活性。技術(shù)靈活性與系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，主要包括：（1）供應(yīng)側(cè)靈活性。這與發(fā)電技術(shù)密切相關(guān)，如水力發(fā)電機(jī)和開(kāi)式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)是最靈活的常規(guī)發(fā)電機(jī)之一。（2）儲(chǔ)能。抽水蓄能電站、飛輪和壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）在發(fā)電突然損失的情況下可以作為第一道防線，并且減少系統(tǒng)對(duì)火力發(fā)電的依賴。在幾秒到幾分鐘的時(shí)間范圍內(nèi)，主要通過(guò)電池和抽水蓄能電站提供儲(chǔ)備。在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，通過(guò)抽水蓄能電站、CAES、長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能電池和蓄熱等技術(shù)提供靈活性。此外，電池還可以提供廣泛的服務(wù)，例如安裝在電動(dòng)汽車中取代化石燃料，在微型電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)高比例VRE。在VRE集成水平很高的情況下，還可利用可再生能源生產(chǎn)的氫氣為工業(yè)、建筑、運(yùn)輸?shù)炔块T提供燃料，下游的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施、氫供應(yīng)鏈等行業(yè)可作為VRE季節(jié)性存儲(chǔ)的緩沖器。（3）需求側(cè)靈活性。需求響應(yīng)可以與儲(chǔ)能共同提高系統(tǒng)靈活性，通過(guò)價(jià)格信號(hào)或長(zhǎng)期直接負(fù)荷控制協(xié)議調(diào)整用戶電力需求。通過(guò)使用時(shí)間定價(jià)機(jī)制，在電力過(guò)剩期間調(diào)整需求以支持VRE發(fā)電。電力公司通過(guò)直接負(fù)荷控制減少VRE不確定性對(duì)電網(wǎng)的影響，一些電力市場(chǎng)鼓勵(lì)負(fù)荷聚合商參與其中，提升系統(tǒng)靈活性。（4）電網(wǎng)靈活性，通過(guò)強(qiáng)大傳輸網(wǎng)絡(luò)平衡較大區(qū)域的供需；通過(guò)跨境互連確保國(guó)家或地區(qū)電力交換的靈活性（如果市場(chǎng)允許）；通過(guò)先進(jìn)控制技術(shù)以加強(qiáng)系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的自動(dòng)控制、需求響應(yīng)的自動(dòng)激活或先進(jìn)電流控制（如柔性交流輸電系統(tǒng)<FACTS>）。圖1顯示了提高系統(tǒng)靈活性的技術(shù)。


圖1增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性的技術(shù)選擇

•運(yùn)營(yíng)靈活性。除了電網(wǎng)中各項(xiàng)技術(shù)的限制之外，運(yùn)營(yíng)靈活性還與監(jiān)管和市場(chǎng)環(huán)境有關(guān)。如大型國(guó)有電力系統(tǒng)被分解為各省份獨(dú)立運(yùn)營(yíng)，通過(guò)集中調(diào)度或電力市場(chǎng)管理電力交換，某些情況下由于缺乏有效協(xié)調(diào)導(dǎo)致電力交換受到限制，抑制了系統(tǒng)靈活性。通過(guò)中央調(diào)度和建立根據(jù)價(jià)格信號(hào)安排電力交易的市場(chǎng)是解決該問(wèn)題的較好方法，區(qū)域定價(jià)和節(jié)點(diǎn)定價(jià)也有助于解決傳輸擁堵問(wèn)題，避免重新調(diào)度。電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)決策應(yīng)確保系統(tǒng)需求、技術(shù)限制和盈利之間的平衡。

原標(biāo)題:IRENA：增強(qiáng)電網(wǎng)靈活性有助于促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型