新型电力系统

上海茂典资产管理有限公司   2021-10-15 本文章26阅读

双碳目标的大背景下,发电侧能源结构变化

2021年3月15日下午,习近平总书记在中央财经委员会第九次会议上发表重要讲话,其中提到要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局,拿出抓铁有痕的劲头,如期实现“2030年前碳达峰、2060年前碳中和的目标。”自此国内新能源变革的序幕缓缓拉开。

碳达峰可以简单地解释为在某⼀个时点,让二氧化碳的排放不再增⻓并开始逐步回落。碳中和指的是在⼀定时间内,通过植树造林、节能减排等途径,抵消自身所产生的二氧化碳排放量,实现二氧化碳“零排放”。

想要控制碳排放量,就需要去寻找碳排放的源头。数据显示,2020年我国能源消费产生的二氧化碳排放占总排放量的88%左右, 而电力行业占能源行业二氧化碳排放总量的42.5%左右。所以电力行业碳排放量控制将直接影响总体“双碳” 目标实现的进程。进⼀步来看,我国目前电力行业碳排放量又主要来自于发电端的火力,2020年以发电量计算, 火电占比高达68%, 以装机容量计算, 火电占比也高达57%。为降低碳排放量,国家进⼀步提出要提升非化石能源消费占⼀次能源的比重,由目前的占比15%提升至2030年25%,即加大风、光、水、核等能源在发电量中的占比。


图为碳中和目标下的能源结构变化预测:

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新能源为什么需要新型电力系统

电力系统是⼀个复杂且庞大的工作系统,由发电环节、输电环节、变电环节、配电环节及终端电力用户组成。上述的能源结构由传统化石能源向清洁能源的转变主要发生在发电环节,要实现这⼀目标不仅仅是将新老能源交换那么简单,新能源发电有它们固有的难题。

例如风力发电是将自然风能转化为电能,光伏发电是将太阳能通过半导体的光生伏特效应转化为电能,这两者的供电都会受到自然环境影响,所以与火电相⽐,清洁能源具有以下难点会给整体电力系统带来挑战。

首先是清洁能源的发力曲线与负荷曲线不匹配。正常用电的负荷曲线呈现白天到傍晚的持续高峰形态,但清洁能源风电、光伏的发力曲线由于和对应自然环境相关(风力、光照),因此发力曲线与用电负荷曲线高度不匹配:光伏对午高峰会有比较好的出力支撑,但是晚间出力几乎为零,风电在午高峰、晚高峰出力均处于比较低的水平。

其次,风光发电较稳定性差,难调控。由于光伏、风电的发电功率高低与否更多取决于自然环境的变化,与传统煤电存在本质不同,因此发电功率波动性较大。且调节存在较大难度。

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所以,当新能源发电占比在能源结构中不断提升时,后续的电网和终端环节均需要进行相应的改进和升级,才能让具有波动性的新能源发电更好地为终端服务,保证供电的及时性和稳定性。因此新能源结构的转变绝不仅仅是局限于发电侧的新老能源替换,而是整体电力系统的升级。


新型电力系统是什么

传统电力系统的特征为:发电侧以大型机组为主,并与用电侧强耦合;输电侧缺乏主动调节能力, 基本没有储能能力;配电侧靠设备冗余度提高可靠性,投资边际效益低;用电侧单向受电,仅回馈用电量数据,电力系统对用户缺乏感知,更谈不上调控或精准服务。当发电侧由传统能源向新能源转变时,传统电力系统是无法解决新能源发电波动等问题的,所以需要进行对应的改善和升级。

与传统电力系统不同的是,新型电力系统的发电侧以新能源为主,并且具备主动支撑能力、 灵活调节能力;电网侧具备主动调配资源的能力, 结构坚强;负荷侧实现精准感知, 可观可测可控。调度侧实现对海量分布式对象的智能控制;体制上形成广泛参与、 充分竞争、 双向互动的电力市场。

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新型电力系统包括六大改造方向

新型电力系统的改造路径:大致可分为网架建设、 灵活性建设、 数字化转型、 调度能力升级、 电能替代及节能改造、 市场机制建设六大方面。每个方面又可分为系统级、 设备级、 组件级等若干层次。

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目前发电侧能源结构已经从传统能源向光伏和风电为代表的新能源转变,相应的整体电力系统的升级改造也会随之而来,下面以灵活性建设、数字化转型为例,一起来看看电力系统升级所带来的产业变革方向。

灵活性建设环节的核心就是储能的配备和应用。储能可以帮助发电侧的风光降低弃风弃光率,提升户用光伏峰谷电价套利的经济性以及帮助电网调峰、调频,使电力系统运行更加稳定、灵活。我国自2021年4月21日国家发改委、国家能源局联合发布《关于加快推动新型储能发展的指导意见(征求意见稿)》开始,储能发展的重要性和必要性已经不亚于风光等新能源发电。后续在2021年7-10月,国家相关部门又相继出台了《关于进一步完善分时电价机制的通知》、《关于鼓励可再生能源发电企业自建或购买调峰能力增加并网规模的通知》以及《新型储能项目管理规范(暂行)》等一系列支持户用储能和发电侧配储等政策,储能发展的方向和商业模式逐步走向明朗化。从结构上来看,无论是全球还是国内,抽水蓄能占比达到90%以上,而电化学储能占比只有4%。电化学储能在功率密度、响应速度、部署难度上面更具优势,随着电化学储能成本的优化,未来具有很大提升空间。

电网的数字化和智能化也至关重要。由于新能源利用小时数少、受天气等不可控因素影响大,对电网频率、电压、功角、谐振等稳定性形成较大冲击。所以需要在传统电力系统基础上,通过集成新能源、新材料、新设备和先进传感技术、信息技术、控制技术、储能技术等新技术,建成具有高度信息化、自动化、互动化等特征,可以更好地实现电网安全、可靠、经济、高效运行,使得电网在发生事故时可以部分自愈,抗压性强,能够适应各类能源随机接入的智慧电网。例如,可以在电网关键设备位置安装传感器,实施监督设备运行情况,通过收集的运行数据和后台经验算法,可以提前判断设备是否会出现故障以及是否需要维修,从而保障系统更加稳定的运行。我国智慧电网的建设阶段在2009-2018年,目前已进入到电力物联网信息化第二阶段。2017-2020 年智慧电网投资占电网总投资比例不断提高,2020 年占比预计达到 21%,投资规模预计达到 1080亿元。未来随着新能源结构的转变,预计电网数字化、智慧化投资将仍是电网投资的重要方向。


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