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导读: 电力系统在全世界范围内正在加速转型,推动这一转变的主要有3个因素。

电力系统正在快速转型

电力系统在全世界范围内正在加速转型,推动这一转变的主要有3个因素。首先是因为出现了资源丰富且低成本的风能和太阳能资源。其次是分布式能源的发展,包括屋顶光伏电站和智能运输工具(例如电动车和智能应用设备等)。最后是数字化的普及,从发电到用户贯穿整个发电系统,从而带来了降低成本和提高性能的新机会。

这些变化正在推动电力系统最佳规划和运行方式的结构性转型。它们还具有确保能源安全,特别是电力供应安全的系统性含义。因此它们要求电力部门的政策制定者和相关管理者采用协调一致的积极应对措施,具体体现在电力系统改造上。电力系统改造的任务是创造适当的机会、市场和监管环境以应对变化的影响,同时实现电力系统运行和规划实践的升级。电力系统改造有利于加速投资、创新和使用智能、高效、灵活和环保的技术。电力系统改造是保证现代电力系统安全的关键。

电力系统灵活性已经成为全球优先发展事项

加强电力系统灵活性通常是电力系统改造的重要项目。本报告将电力系统灵活性定义为电力系统的相关特性,这些特性有助于对供需双方的可变性和不确定性进行可靠和成本效益管理。在许多情况下,电力系统的灵活性是政策制定者和系统规划人员需要考虑的一个日益重要的话题,这是由日常运营中间歇性可再生能源(VRE)的整合以及高影响事件的强度和频率不断增加所驱动的。缺乏系统灵活性会降低电力系统的灵活性,或由于可变可再生能源的减少导致大量清洁电力的损失。

我们把关注点放在时间尺度上(从瞬间到几年)持续平衡供需,在这些时间尺度上考虑灵活性是有用的。为了帮助理解不同的灵活性需求以及满足这些需求的不同机制,本报告根据时间尺度对灵活性需求进行分组,从短期(亚秒到小时)到中期(小时到天)和长期(天到年) (Table ES.1)。

重要的是,电力系统的设计已经可以实现灵活性带来的可变性和不确定性进行管理。在历史上,这是特别需要的,以满足多变的电力需求或一个大型发电机或输电线的突发事件。随着时间的推移,特别是随着间歇性可再生能源份额的增加,对电力系统灵活性的要求可能会增加和改变。在现代电力系统中,电力系统的灵活性对于管理断电和极端天气事件、提高灵活性和其他重要目的也是非常重要的。为了提高现代电力系统的灵活性,可以进行许多不同的投资、业务和政策调整,灵活性可以使电力系统更清洁、更安全、更有弹性、更廉价。

表1.电力系统灵活性问题的时间尺度

电力系统转型现状2018:先进电厂的灵活性

关键点:系统灵活性解决了一系列从秒到年的跨越时间范围的问题。

电厂在加强系统灵活性方面起着关键作用

基于大量的实际案例研究和数据,这份报告全面回顾了电厂如何提高电力系统灵活性的,提高电力安全的情况。它总结了参与清洁能源部长级会议(CEM)的先进电厂运营中灵活性情况的研究成果。清洁能源部长级会议的工作旨在建立政府和工业界的之间较强的契机和承诺,以实施使发电更加灵活的解决方案。本研究与业界相关人士紧密合作提出了解决方案,包括制造商、专家顾问、系统运营人员和电厂运营人员。

该报告展示了一些技术选择,以及对现有电厂进行灵活性改造的成功案例。它为如何分析发电厂对整个系统灵活性的贡献提供了指导。研究报告还提供了一些政策、市场和监管工具的例子,从而开拓发电厂的灵活性。研究结果表明,包括燃煤和天然气发电机组在内的传统发电厂能够快速采取清洁能源技术,并加速电力系统转型。根据具体的系统环境,可以采取一些低成本的措施,以可靠和符合成本效益的方式弥补风力和太阳能发电量波动的问题。

电厂在电力系统中的作用正在改变

从历史经验上看,基本负荷、中间负荷和峰值负荷电站通过提供适当的能源和容量混合,至少有助于满足特定的电力要求。从技术角度来讲,这些电厂的设计考虑了这些具体的操作条件。从经济学的观点来看,这些电厂的资金是按照一定的营业时数提供的。如今,随着具有独特成本结构和技术特征的新一代技术大规模进入电力市场,许多现有发电厂需要更加灵活地运行,在某种意义上还可以减少运行时间。

例如,为了解决中国部分地区间歇性可再生能源弃风(弃光、弃水)问题,国家能源局要求电力规划设计总院(EPPEI)研究“十三五”期间提高的电力系统灵活性的方案。研究发现,近220吉瓦(GW)火力发电厂可以通过更换旧设备或者改进运营方式等方法提高灵活性并显著降低可再生能源的弃风(弃光、弃水)问题。中国《电力发展“十三五”规划》中要求对这220GW装机容量的电厂中的部分或者全部进行改造。类似地,最近一项针对印度的研究显示,一个以煤电为主的大型电力系统可以消纳20%以上的风电和光伏发电量。降低煤电的最低发电水平可以显著降低间歇性可再生能源的弃风(弃光、弃水)问题。通过其他运营方面的改变,印度电力系统运营能够实现更多的灵活性,从而以更低的运营成本实现更大的可再生能能源利用。

多种多样的战略可以使现有的电厂更加灵活

这份报告讨论了使现有电厂更加灵活的多种策略,包括如何在现有电厂的运营中,增加新的机组而提供附加的、适合电力系统的灵活性能力。这些策略包括:

现有电厂运营实践变化。为了更灵活地操作发电厂,并不一定需要大量的新资本投资。某些电厂通常通过改变数据收集和实时监控方式来实现电厂运营实践的改变,从而可以很好地提高现有电厂的潜在的灵活性。例如,更好的监测和控制设备可以允许电厂在维持稳定性的同时,更快地启动和停止。

现有设备的灵活性改造投资。根据电厂技术,可以提供一系列的改造方式来改进发电厂的各种灵活性参数(例如,斜坡率、启动时间、最低经济或技术发电水平)。这份报告详细介绍了各种发电技术的具体改造方式,包括煤炭、联合循环燃气轮机联合发电、碳捕获和储存、核能、生物能和水力发电等。

新的灵活性发电方式。许多最先进的柔性电厂技术可以应用于电力系统;正如在本报告中所描述的几种方式。良好的长期规划实践可以确保新的灵活的发电厂投资能够经受住风险的考验。

像丹麦、德国和意大利等国,以及最近的中国和印度等国,已实施了一些战略来提高灵活性,特别是在燃煤和普遍使用的联合循环燃气轮机电厂中。例如,德国的火电厂为了达到更高的灵活性要求和大幅度提高其运行性能,40多年前建成的、最初设计为24小时运转的发电厂已升级为每天启动和停止两次,同时还为该系统提供了一系列附加服务。

全国范围延伸的选择

电力系统的灵活性取决于可用的硬件和基础设施(“什么”)、政策、监管和市场框架(“如何”)以及提供灵活性的实体(“谁”)的体制角色和责任。这三个方面必须协同工作才能提高系统的灵活性(图ES.1)。

图1 ES.1 解开系统灵活性的相关系数

电力系统转型现状2018:先进电厂的灵活性

因此,不仅技术因素将决定系统的灵活性。例如,泰国电力系统包括从技术角度改变系统的灵活性,高压输电网和相当高的水电和联合循环燃气轮机发电份额。然而,从经济角度来看,根据接受或付费电力购买协议和燃料供应协议运行可以看出许多发电机系统都是不灵活的。最近的一项分析发现,如果天然气采购安排和电力采购合同在长期内变得更加灵活,那么,放宽取付合同可以合理地削减业务成本。

在系统层面,制定适当的灵活性策略以推行系统的各种灵活性措施,不仅需要考虑当前和未来的系统需要,同时要考虑现有的发电机组、市场情况、输电网络的状况,以及创新灵活性解决方案的潜力。

提高整个系统的灵活性

加强全系统的灵活性可以减少发电厂提供额外灵活性的需要。例如,改善相邻平衡区域之间的沟通和协调,可以消除对新电厂灵活性措施的需求。对于输电网络,控制和监测的创新方法——例如动态线路额定值和对高压输电线路和设备的针对性投资——可以减少因电网拥塞而产生的额外灵活性的需求。

解锁现有电厂的灵活性

利用现有的发电资产可能具有成本效益,但可能需要对监管进行调整和采取某些经济鼓励措施。管制方法包括允许可再生能源参与储备拨备、审查对现有发电厂的必须运行条件、加快调度和分派间隔以及某些基于绩效的管制方法。在经济激励方面,需要制定政策审查缺乏灵活性的政策并奖励具有灵活性的政策,可以鼓励电厂管理层采用更灵活地运营。

激励额外的电厂灵活性投资

管制的和基于市场的电力系统都可以确定具体的灵活性服务的价值,并确保对这些服务的公平补偿,从而确保对额外发电厂灵活性措施的适当投资。在以市场为基础的电力系统中,这可以通过改进能源定价办法来实现,特别是在接近交货时刻(当天市场)和供应不足的时候。实施设计良好的市场机制,准确地奖励具有灵活性的系统价值的创建者,也可以激励增加的灵活性。这些奖励机制可能围绕着增加产能或启动时间等特定的服务开展,并且可以为系统所必需的发电厂提供额外的收入来源,但是由于利用率降低,这些发电厂无法维持常规业务的盈利能力。在受管制的情况下,发电厂的灵活性投资可以通过允许灵活性改造的成本以及为开发人员利用高度灵活的技术组件提供财政激励来实现。

长期弹性规划的政策方法

即使系统并未严重缺乏灵活性,适应未来灵活性需求的政策行动也将是有益的。准备该系统的措施包括电力系统技术灵活性的定期充分性评价,以便于建立电力系统灵活性清单,在长期规划工作中考虑运营灵活性,并在长期规划工作中要求使用最先进的决策方法。

先进电厂灵活性政策指南

所采用的策略和所制定的优先次序标准在很大程度上取决于当地电力系统的状况;然而,可以确定一套通用的政策指导方针,从而确保足够的系统灵活性和维护电力安全。政策制定者应该遵循下面的规则:

评估——委员会评估全系统的灵活性要求、机会和挑战,包括发电厂灵活性的作用,并定期更新这些评估,以告知近期和长期的决策和规划过程。

参与——与相关团体进行合作从而加强技术、政策和制度能力,以增强电力系统和发电厂的灵活性,并与国际社会合作来分享最佳做法。

加强——通过在系统层面上适应一系列的市场、监管和操作最佳方案,增强可用电力系统灵活性的使用。

开拓——更新管理电力系统运行的法规、政策和实践,以开拓潜在的灵活性。这些选择包括与独立电力生产商签订更灵活的电力购买协议,以及与热电厂签订燃料供应合同。

激励——透过改变政策、规划及市场架构,为所有可为电力系统提供灵活性的人才提供公平及适当薪酬的机会。

路线——加强规划程序以细化系统灵活性需求的未来期望;确保考虑所有可能的灵活性选项,以减轻电力系统改造的长期成本和运行影响。

下一步工作

在清洁能源部长会议的报告中,国际能源署和《21世纪电力伙伴关系倡议》通过电力系统灵活性加强电力安全的工作将继续进行。值得注意的是,清洁能源部长活动将在第9届清洁能源部长会议上重新启动,其范围将扩大到电力系统灵活性活动,涵盖未来12个月发电厂、电网、需求方资源和存储方面的概念和经验。这一重新启动的行动将补充清洁能源部长21世纪可持续发展伙伴计划的努力,该计划将继续推进最先进的解决方案,并为深入能力建设提供平台,与所有相关的可持续发展伙伴计划和互补倡议密切合作。这一重新启动的运动将进一步加强清洁能源部长《21世纪电力伙伴关系倡议》的工作,该倡议将继续推进最先进的解决方案,并为深入能力建设提供平台,与所有相关的清洁能源部长活动和补充倡议密切合作。

在向各国政府提供的分析和建议中,国际能源署继续优先考虑电力系统改造及其在加强能源安全方面的作用。

翻译:一路朝阳@ERR能研微讯

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