新能源发的电,电网为什么接不住?






作者 | 凌霜微雨
来源 |  放大灯

 储能堪称是为新型电力系统量身订做的调节方式。

目前的一种常见思维是,当建设了足够多的可再生能源发电设备后,碳排放问题就自然而然的得到了解决,我们就能实现“碳中和”。

这显然不可能。

事实上,大量的新能源发电设备的接入,会对当前的电网造成很大影响——放大灯在《如何从零造一台风力发电机》一文中就描述过,能源结构中高占比的风光电如何恶化了我国东北与美国得州的用电危机。

因此,关于新能源并网,绝不是一个简单的“越多越好”的二元问题。

针对新能源发电的管理,2021年3月,中央财经委员会第九次会议上指出“要着力提高利用效能,实施可再生能源替代行动,深化电力体制改革,构建以新能源为主体的新型电力系统”——这正是解决方案。

“以新能源为主体的新型电力系统”是什么?有什么特征?要实现需要做些什么?在哪些领域有更多的机会?本文将对这些问题一一解答。

新型电力系统

目前,新型电力系统仍然没有官方的明确定义,但各方共识基本集中于“新能源为主体”,这意味着我国电力系统的新能源占比未来将达到50%以上。

从发展阶段来看,“以新能源为主体”将分为两个主要阶段:

新能源装机占50%以上;新能源发电量占50%以上。

然而在现阶段,从装机量看,2020年我国电源总装机22亿千瓦,其中风、光、生物质共占比26%。

可如果从发电量来看,风、光、生物质的占比迅速跌到11%,与目标差距很大,可见未来的很长一段时间,大力发展风、光等新能源将成为构建新型电力系统的当务之急。

中国电源结构(数据来源《中国能源发展报告2020》)

相对来说,只要考察的当,建设加速,以我国的新能源基建水平,将装机容量快速提升至50%水平并不困难。

预计到2025年,可再生能源(含水电)装机就将超过50%,而到2035年,新能源的装机占比就可以提升到50%以上。

与装机相比,新能源的发电想达到50%以上则是一个更为长期、艰巨的任务,因为风、光等新能源本身就具有不确定性,其利用小时数远低于火电。

统计数据显示,风电的年发电利用小时数约是火电的一半左右,光伏则更低,所以为了发同样的电,需要的新能源装机容量可能是火电的两到三倍。

数据来源:能源研究俱乐部

然而如果新能源的占比真的如此之高,将给电力系统带来一系列艰巨的挑战。

面临的挑战

从下图可以看出,新能源有很强的波动性,出力忽大忽小;同时新能源天然也具有不确定性,你用电的时候不一定有风吹、有光照。

当前电网中,新能源的占比还不高,火电机组就全权负责承受这种波动和不确定性:风光发电少了,火电就多发电。风光发电多,火电就少发电。

但是未来呢?如果新能源成为了我们最主要的电源,又该如何解决问题?


调节能力缺陷干扰电网稳定性。电力系统想正常运行,就涉及了两个重要的稳定概念:频率稳定,电压稳定。而传统的同步发电机是维持这两个稳定性的最大支柱。

但风、光等新能源并不具备传统发电机维持电压和频率的能力。甚至接入会消耗大量无功,还可能破坏电力系统的稳定,为电力系统的安全带来风险。

频率稳定:是指电力系统受到严重扰动后,发电和负荷需求出现大的不平衡,系统仍能保持稳定频率的能力,主要由同步发电机中的调频装置负责。

频率与发电机的转速息息相关,一般的电机一般会维持3000转/分钟(1对极,50转/s),或1500转/min(2对极,25转/s)的转速,对应的则是电网供电的50Hz交流电。

当供电的功率比用电功率低的时候,发电机的转速就会下降,将发电机巨大转子(可参考下图)里储存的一部分动能转化为电能供给到电网里,转速下降带来的就是电压频率的下降。

例如降低到49.8Hz,此时频率调节机构就会开始启动,对于火电厂就加大蒸汽的流量、对于水电厂就增加水流的流量,来输出更多的功率,让发电机加速,继而维持50Hz的频率。


然而,风电、光伏往往靠天吃饭,当频率下降的时候,没有额外的方式可以让他们输出更多的功率,其频率调节能力远远低于传统火电机组。

电压稳定:是指处于给定运行点的电力系统在经受扰动后,维持所有节点电压为可接受值的能力。它依赖于系统维持或恢复负荷需求和负荷供给之间平衡的能力。

发电机组在发电时,除了输出有功功率外,还会输出无功功率,而无功功率则是维持电力系统电压的核心。

然而,风电、光伏基本上不具备为电网提供无功功率的能力,或者只能提供非常少的无功功率,在很多时候可能还需要从电网吸收无功才能维持运行,这就降低了电网电压的稳定性。

同时,风、光发电的输出功率波动很大(由于风、光资源不稳定),功率发生变化也就会带来电压的波动,这会让电网电压更加的不稳定。


电力电子设备接入的系统性问题。

传统的电力系统及其分析理论建立在所有电源都是同步发电机的基础上,也就是说我们的分析与调控手段都是基于发电机转速下降/上升,线圈的磁场如何变化来制定的。

但新能源作为电源,他们依托了大量电力电子设备进行发电,比如双馈异步风力发电机、永磁直驱风力发电机里面都含有电力电子部件,而光伏的逆变器更是纯电力电子设备。

当这些设备成为主流后,建立在“发电机转子转动惯量”“线圈磁通磁导”这样概念上的分析理论将不再适用,以往的调控方式也将难以应用于这样的新型电力系统。

例如我们前面说过,发电机拥有巨大的转子,里面在正常转动时储存了大量的动能,也就是所谓的“惯性”。

当功率不足时,发电机转速下降,但损失的动能会变成电能继续供电,这就为调节争取了时间,但像光伏这样的新能源根本就没有“转子”,更无从谈起所谓的“惯性”了。

所以原来的调节方式将不再适用,这也让新能源占比很高的电力系统变得异常脆弱。

建设的主要方向

上文我们提到了电力系统面对的新问题,那么如何解决这些问题?这就需要做好三件事:看的准、调得动、储得住。

看得准。

可再生能源的不确定性带来了新型电力系统中的很大一部分问题,那么最直接的思路自然是赋予电网确定性,也就是提高对发电能力预测的准确性。

举个例子,电网可以知道明天下午3:00风光端发不出电,就可以提前给旁边的煤电厂打个电话,告诉对方在这一时段提高多发电来弥补缺口。

电力预测是门技术活,需要结合气象、大数据分析、人工智能等一系列的新技术。

事实上我们国家每个风电场并网,都要求他们对自己的功率进行预测,并且规定了必须达到的预测精度,每个省各有不同。

下图是国家能源局东北监管局发布的关于风电预测准确性的考核。


而且要知道,如果预测总出错,是要罚钱的!例如河北南部电网,2021年2月风电场考核总费用就达到了422.54万元,所以风光电厂往往有很强的动力去提升自己的预测精度。

那么要如何进行预测呢?从技术角度说,我们可以将预测按照时间进行分类,分为超短期功率预测、短期功率预测、中长期功率预测三类。

不同预测的特点与适用范围,以及对应的典型方法如下所示:(节选于《中国电机工程学会专题技术报告2018 下卷 新能源发电功率预测技术》)


其中典型方法具体的方式如下:

持续法:持续方法是以当前时刻实测功率值作为未来时刻预测功率的风电功率预测方法。其模型简单,预测精度随预測时间增加而迅速下降,通常适用于时间尺度较短的预测。
 
物理法:物理方法的原理是根据风电场周围的地形地貌信息和物理信息,采用微观气象学理论或流体力学方法,建立起符合风电场气象特征信息的流体力学模型,然后采用该模型预测风电机组轮毂高度的风速、风向等信息,进而预测风电场的功率。
 
统计方法:统计方法不考虑风速变化的物理过程,以对历史统计数据和NWP数据的分析研究为基础,建立NWP数据与风电场输出功率之间的映射关系。该方法直接利用NWP数据对风电场输出功率进行预测。

统计方法同时适用于超短期、短期和中长期预测,进行超短期风功率预测时只需使用历史数据,短期和中长期预测时要使用历史数据和NWP数据。

统计方法相对物理方法而言更加简单、使用的数据单一,但对突变信息的处理能力较差。
 
人工智能方法:属于统计方法,但更为先进。人工智能方法需要大量的历史观测数据来建立模型,但其具有模型修改方便、精确度高的持点。

人工智能方法同时适用于超短期、短期和中长期预测,进行超短期风功率预测时只需使用历史数据,短期和中长期预測时要使用历史数据和NWP数据。

调得动。

另一方面,既然风光总是波动来波动去,那电网是不是能跟上波动就行了呢?现在依靠大量的煤电去调节,未来煤电虽然越来越少,但是我们可以去找新的资源调节。

需要明确的是,其实煤电并不是一种非常好的调节资源。首先是它的调节范围并不大,现有传统煤电的调峰深度大概在50%左右。

也就是说一台满发100MW的发电机,它的输出功只能维持在50MW~100MW,低于50MW就要停机。东北常见的供热机组的调峰深度更是只有30%,基本上没有调节空间。

其次是变的慢,火电的爬坡速度约是1.5%~3%/min,也就是100MW的机组,每分钟最多变化1.5MW~3MW的出力,非常缓慢。

相比之下水电的爬坡速率可以达到50%~100%/min,天然气发电也有20%/min,调节能力都比火电强(核电的调峰能力更差)。

之前依靠煤电数量多才压住了新能源的波动性,用10台机组,调1台的波动,未来随着煤电越来越少,这种情况一定要改变。

我从《2030年前碳达峰行动方案》(以下简称行动方案)中,节选了部分与之相关的材料:

“因地制宜开发水电。积极推进水电基地建设,推动金沙江上游、澜沧江上游、雅砻江中游、黄河上游等已纳入规划、符合生态保护要求的水电项目开工建设,推进雅鲁藏布江下游水电开发,推动小水电绿色发展。推动西南地区水电与风电、太阳能发电协同互补。

统筹水电开发和生态保护,探索建立水能资源开发生态保护补偿机制。“十四五”“十五五”期间分别新增水电装机容量4000万千瓦左右,西南地区以水电为主的可再生能源体系基本建立。”

“大力提升电力系统综合调节能力,加快灵活调节电源建设,引导自备电厂、传统高载能工业负荷、工商业可中断负荷、电动汽车充电网络、虚拟电厂等参与系统调节,建设坚强智能电网,提升电网安全保障水平。”

可以看到,国家点名了要“因地制宜”的“积极”发展水电,但完全没提气电,只是笼统的说了一句“加快灵活调节电源建设”。

这是因为水电是非常棒的资源,清洁无污染,调节能力强,其实是未来的首选电源,但是我们国家的水电开发成绩有目共睹,事实上开发已经非常充分了。

根据测算,我们国家可开发水电5.41亿千瓦,经济可开发装机4.02亿千瓦,但根据2020年的数据,已经装机的水电大概是3.3亿千瓦,也就是说具有经济性的可开发容量已经开发了82.1%。

因此我们只能“积极”的根据具体情况,“因地制宜”去找到还未被开发的水电资源进行开发。

至于天然气发电虽然很优秀,但不幸的是我国的燃气非常依赖进口。

2020年我国天然气消费3288亿立方米,其中进口1400亿立方米,占消费量的42.57%,而工业用气1240亿立方米,城市燃气消费量1205亿立方米——也就是说如果进口被卡脖子,我们正常家里炒菜做饭取暖都会受影响,更不要说发电了。

因此虽然气电性能很好,但不是未来发展的重点。

那么除了电源我们还有没有其他的调节方式呢?文件中说:“引导自备电厂、传统高载能工业负荷、工商业可中断负荷、电动汽车充电网络、虚拟电厂等参与系统调节”,又是什么意思?

上面的内容除了自备电厂外和虚拟电厂外,基本都是去通过引导我们怎么用电,来提升调节能力。电力系统是双向的,电源负责发电,用户负责用电,发电和用电总是平衡的。

如果电源发电一会高一会低要怎么办?“传统高载能工业负荷、工商业可中断负荷”参与调节的方式就是“少用电”,电网可以提前与一些工厂签协议,给你钱或者电价优惠一点,但是在我让你少用电的时候你必须要少用电,这就增加了电网的调节能力。

电动汽车充电网络则是利用海量电动汽车充电的功率进行调节,电多的时候功率大一点,电少的时候功率小一点,甚至在特殊情况下让电动汽车作为储能电池给电网供电。

“虚拟电厂”则更加复杂。我们可以将屋顶上的分布式光伏、小风电、储能电池以及上文提到的各类系统统一调度,在电网看来这就像是一个电厂。

电网给你下命令,你今天下午3点,必须发500千瓦的电,这个时候这个虚拟电厂就算来算去,发现下午光伏可以发300千瓦,我们手里的负荷可以少用100千瓦的电(少用电等于发电),储能可以再发100千瓦,齐活~

通过这样底层的协调控制,像一个电厂一样参与到电网的运行里,不是电厂、胜似电厂,所以叫“虚拟电厂”。

储得住。

在《行动方案》里,还提到:“积极发展‘新能源+储能’、源网荷储一体化和多能互补,支持分布式新能源合理配置储能系统。

制定新一轮抽水蓄能电站中长期发展规划,完善促进抽水蓄能发展的政策机制。加快新型储能示范推广应用。”

概括来说,就是重要的储能说三遍。

储能堪称是为新型电力系统量身订做的调节方式,多的时候可以充电,少了可以放电。

其他调节往往是单向的,只能选择少发电或多发电;负荷只能选择少用电或多用电,而储能则可以选择到底发电还是用电,调节能力极强。
阿尔法工场研究院 阿尔法工场旗下研究院.定期发布覆盖A股、美股、港股的上市公司研究报告.
评论
  • 深圳触觉智能SOM3506核心板现已上市,搭载瑞芯微RK3506B/J超低功耗处理器(1.5GHz三核A7+M0),低功耗满载仅0.7W,支持40℃~85℃工作环境,即日起宽温级59元/工业级68元,特价开售!芯片介绍RK3506是瑞芯微Rockchip在2024年第四季度全新推出的Arm嵌入式芯片平台,三核Cortex-A7+单核Cortex-M0多核异构设计,CPU频率达1.5Ghz, M0 MCU为200Mhz。RK3506适用场景简介工业控制‌:RK3506适用于工业控制、工业通信、人机
    Industio_触觉智能 2025-03-07 10:03 210浏览
  •        深夜的公园里,当路灯熄灭后,传统监控摄像头只能拍出模糊的黑白画面,仿佛老式胶片电影里的场景。而搭载为旌瑶光ISP的摄像头,却能像猫科动物一样,在几乎全黑的环境中捕捉到行人衣服的颜色、树叶的纹理,甚至快速跑动的宠物狗毛发细节。这种从“黑白默片”到“全彩4K电影”的跨越,背后是为旌瑶光ISP对传统红外补光技术的颠覆性创新。一、传统方案之困:被红外光“绑架”的夜视世界        传统安防摄像头依赖红外
    中科领创 2025-03-07 16:50 537浏览
  • 近年来,越来越多的企业在5S管理的基础上,开始追求6S、7S甚至8S管理,仿佛S越多,管理就越先进,企业就越优秀。于是,6S增加了“安全”,7S又加上了“节约”,8S甚至引入了“学习”……看似更加全面,实则很多企业只是机械地增加S,却忽略了管理的核心目标:提升效率、降低浪费、优化工作环境。优思学院认为,5S本身已经是一套成熟的精益管理工具,它的核心理念不仅简单高效,而且易于实施和推广。如果企业只是为了赶时髦,盲目增加S,而没有真正理解5S的本质,那么这些额外的“S”很可能会变成管理上的负担,而不
    优思学院 2025-03-07 12:43 334浏览
  • 一、系统概述MYD-LD25X搭载的Debian系统包含以太网、WIFI/BT、USB、RS485、RS232、CAN、AUDIO、HDMI显示和摄像头等功能,同时也集成了XFCE轻量化桌面、VNC远程操控、SWITCH网络交换和TSN时间敏感网络功能,为工业设备赋予“超强算力+实时响应+极简运维”的体验!类别名称描述源码TF-AArm Trusted Firmware 2.8OP-TEEOP-TEE 3.19BootloaderU-boot 2022.10KernelLinux Ke
    米尔电子嵌入式 2025-03-07 14:08 390浏览
  • 在企业管理和职场环境中,权力是一个常被提及却又让人感到微妙的话题。有人觉得它充满吸引力,有人却对它避之不及。然而,不管你对权力的态度如何,理解它、掌握它,甚至善用它,都是职场成功的重要一环。今天,我们就来深入探讨权力的本质,特别是个人权力和社会权力的区别,以及如何在职场中逐步建立属于自己的影响力。权力的两种面貌:你掌控自己,还是掌控他人?说到权力,首先要区分它的两种类型。个人权力是你对自己生活的掌控感。比如,你能自由决定自己的职业方向,不用总是请示他人。这种权力让人感到踏实和满足,是我们在生活中
    优思学院 2025-03-07 15:56 332浏览
  • ​CS6212是一款可分别用于USB Type-C主机/显示端口源应用的带重定时的有源开关。这设备符合USB 3.2标准版本1.0和USB Type-C标准上的VESA DisplayPort Alt模式 1.0版,支持通过GPIO或12C进行灵活的模式切换。此设备支持USB 3.2第2x1代 运行速度高达10Gbps,DisplayPort 1.4运行速度高达HBR3 8.1Gbps。CS6212管脚分布及功能定义:CS6212支持重定时器训练,并支持USB 3.2标准中定义的状态状态机(RT
    QQ1540182856 2025-03-07 10:09 237浏览
  • 3月9日,海信电视举行“巅峰画质 影游旗舰”新品发布会,正式发布E8Q旗舰系列电视新品,搭载全球首颗信芯AI画质芯片H7、全新升级的黑曜屏Ultra、330Hz系统级高刷、U+Mini LED光晕控制系统、影院级帝瓦雷声学系统五大行业首发科技,为极致影游爱好者打造电视画质的巅峰之作。海信电视E8Q系列提供65/75/85/100/116英寸五个版本,其中E8Q Pro零售指导价为75英寸/13599元、85英寸/17999元、100英寸/27999元;E8Q零售指导价为65英寸/7499元、75
    华尔街科技眼 2025-03-09 20:52 145浏览
  • Sub-GHz,即工作频段低于1GHz的无线通信技术,常见频段有315MHz、433MHz、868MHz与915MHz等。其可借助无线电波在自由空间传播的特性,把数据调制到射频载波上进行传输,达成物联网设备间的无线通信,是物联网设备实现高效、稳定、无缝交互的“通信基石”。典型射频信号(无线电波)收发电路简示在工业自动化、智慧城市、智慧农业与智能家居等物联网领域中,LoRa、Wi-SUN、Z-Wave、Sigfox等工业级通信协议大多运行在Sub-GHz频段。而正是通过Sub-GHz射频技术,传感
    华普微HOPERF 2025-03-07 11:39 276浏览
  • 文/郭楚妤编辑/cc孙聪颖在这个瞬息万变的时代,流量的到来毫无预兆,不知哪片云会带来降雨。哪怕行事极为低调,也可能在不经意间成为舆论焦点。原本团结、紧张、严肃的全国两会,就因一位来自商界的人大代表周云杰的意外走红,变得活泼起来。周云杰是海尔集团董事局主席、首席执行官,在两会期间以一种意想不到的方式进入大众视野,成为网络热议的焦点人物。故事得从 3 月 5 日讲起。当日,第十四届全国人民代表大会第三次会议首场 “代表通道” 集中采访活动在北京人民大会堂举行。小米公司创始人雷军以全国人大代表的身份亮
    华尔街科技眼 2025-03-08 20:30 143浏览
  • 文/Leon编辑/cc孙聪颖2025年全国两会进行时,作为“十四五”规划收官之年,本届两会释放出坚定目标、稳中求进、以进促稳等信号。其中,企业家们的建议备受关注,关系到民营经济在2025年的走向。作为国内科技制造业的“老兵”,全国人大代表、TCL集团创始人及董事长李东生在本届两会中提出三份代表建议,包括《关于优化中国科技制造业融资环境的建议》、《关于加强AI深度伪造欺诈管理的建议》和《关于降低灵活就业人员社会保险参保门槛的建议》,表现出对科技制造、AI发展和劳动者保障方面的关注。会后,李东生接受
    华尔街科技眼 2025-03-06 19:41 176浏览
  • 文/Leon编辑/cc孙聪颖2025 年全国两会正如火如荼地进行,这一备受瞩目的年度盛会,再度成为社会各界聚焦的核心。会议期间,代表们积极建言献策,诸多建议迅速引发舆论热潮,频繁登上热搜榜单。其议题范畴极为广泛,紧密围绕产业革新、民生保障与就业促进、教育优化升级、AI 技术规范与发展等多个关键领域展开探讨。这些热点议题不仅精准呼应了当下经济社会发展的紧迫需求,更深度契合了民众对美好生活的向往与诉求,因此在网络空间中激起千层浪,吸引了海量网民的高度关注 。全国人大代表、美的集团首席财务官钟铮,今年
    华尔街科技眼 2025-03-08 20:11 141浏览
  • 深圳触觉智能RK3506开发板现已上市,开启预售!搭载瑞芯微RK3506B/J超低功耗工业处理器(1.5GHz三核A7+M0,主频1.5GHz);支持1280×1280显示、双百兆网口、星闪无线三模,板载高达2路CAN FD与5路串口。RK3506适用场景简介工业控制‌:RK3506适用于工业控制、工业通信、人机交互等应用场景。其多核异构架构(3xCortex-A7+Cortex-M0)和外设接口丰富,支持Buildroot、Yocto系统,适合轻量级HMI应用‌。‌工业通信‌:RK3506均支
    Industio_触觉智能 2025-03-07 10:04 169浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦