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减少弃风:提高电力系统调度比改造燃煤电厂更高效

中国的风能和太阳能装机容量世界第一,且有望成为“世界可再生能源的超级大国”。然而,中国也遇到了弃风限电问题。虽然近年来可再生能源弃电量有显著下降,但在很多省份仍然存在问题,且将随着风能和太阳能发电装机量的增长而持续成为挑战。幸运的是,政府部门正在制定诸多应对的战略措施。成功的关键要看这些战略是否协调一致。 近来,刊登在“气候政策”上的文章提出了两个突出的策略:改善电力调度和改造燃煤电厂以更灵活的运营。作者(包括睿博能源智库技术顾问团,国网能源研究院研究员)认为改进电力调度是降低系统成本,减少弃电和减少排放的一种非常有效的方法。与此同时,改造燃煤电厂可以提高灵活性,但改造的成本很高,而且随着整个系统范围的改造工作增加,额外的好处逐渐减少。考虑到煤电行业倾向于将灵活性改造作为可再生能源弃电的主要解决方案,以及抵制中国近年来在提高调度效率方面取得的重大进展,这一结果非常重要。 背景 众所周知,中国是风能和太阳能装机容量的世界领先者,到2018年底,风能达到184吉瓦,太阳能光伏发电达到174吉瓦。包括生物质和水电,可再生能源占中国装机容量的38%,占中国发电量的26.7%。 虽然弃电比例在不断降低,但部分地区,特别是在东北和西北风力和太阳能高度集中的地区仍然发生弃电。 2018年,弃电率平均为7%,低于2016年的17%和2017年的12%。同时,2018年太阳能发电弃电率下降至3%,而2017年为6%左右。在新疆和甘肃,2018年太阳能光伏弃电达16% %和10%。 2018年新疆的弃风超过23%,其次是甘肃(19%)和内蒙古(10%)。 中国已采取显著的措施减少风电和太阳能弃电。政府在中国东北地区实施了降出力调峰辅助服务市场,根据政府的设置的底价和上限,火力发电机组可以参与调度竞标。 中国的“十三五”规划还提出到2020年在西北,东北和华北地区改造133吉瓦的燃煤热电联产机组,将下调频(downward regulation)能力提高46吉瓦。 中国还正在实施电力行业改革,包括中长期电力市场,跨省电力可再生能源交易和省级电力现货市场。 由技术和体制障碍引起的风能和太阳能弃电仍然存在。技术原因包括在具有大量风能和太阳能容量的地区,不灵活的燃煤发电厂占据优势; 拥有丰沛风能和太阳能的东北和西北地区与东部负荷中心之间的输电和电网互连不足(尽管近年来中国已经采取措施增加了几条大型输电线路); 在风电和太阳能满发期间,吸收风电和太阳能的需求响应能力很小。这些技术原因并非中国独有,其他国家诸如美国,也有风力和太阳能资源丰富的地区缺乏足够的传输能力将其输送到负荷中心。 然而,中国确实拥有独有的制度因素,即制定发电运行小时数以及固定的年度发电计划的历史条件。在这些历史条件中: 年度发电计划中,同一发电类型的所有发电机组的年度发电小时数相当。 固定电价、批发电价激励着发电商最大限度地发电,同时限制了发电机降出力去整合更多的风电和太阳能。 对这些降出力调峰的发电厂的补偿有限,只有在发电厂减速超过其最大发电容量50%的情况下才能支付。 中国正处于电力部门的转型过程中,但是这些历史条件在中国大部分地区仍在不同程度上产生影响。中国的确提出优先调度可再生能源发电,但实施起来并不均衡。幸运的是,现在有几个省正在设计和实施以经济调度为特征的电力市场,由于风能和太阳能的边际成本低至零,因此应首先调度这些可再生能源。 煤电厂改造v.s. 经济调度 我们使用了机组组合模型来比较。我们将燃煤电厂改造和改善调度战略。当前的调度方法建模为平均发电小时数调度方法,其采用忽略风电预测的每周机组组合,第二,采用包含了每四小时更新一次的风电预测更有效的方法。第二种方法代表着经济调度,中国的电力系统正在朝着这种调度机制发展, 至少在部分地区如此。 我们创建了两组情景分析来比较更灵活的燃煤发电与改进的电力调度的影响。在这两种情景中,我们使用每周机组组合,且不将风电预测纳入基准内。第一组情景通过测量当燃煤发电机的最小负荷减少时弃风的减少量,来关注燃煤机组灵活性的影响。 换句话说,仅依靠燃煤发电机的灵活性来减少弃风量。 第二组情景设计中使用改进的机组组合,包括每周和每日的机组组合,并纳入风力发电预测。 分析表明在较高比例的风电装机容量下降低燃煤电厂最低出力的收益递减。而且,改进的机组组合在减少弃风方面甚至更有效。图1展示了代表中国西北地区高风能水平的情景分析结果。 将燃煤发电的最低出力降低10个百分点,可以将弃风率从基准的25%降低到17%左右。 相比之下,改进调度将弃风率从25%降低到9%。 图1. 高比例风电情境下燃煤发电机组改进电力调度和降低最小出力影响的比较* 总结 总而言之,在模型分析中发现,现有燃煤电厂增加灵活和改善电力调度这两种手段,都有助于减少弃风。然而,改善调度在高比例风能情境下效果更好,同时燃煤电厂灵活性改造也体现了边际效益递减。或许最重要的是,煤电增量的灵活性可能需要额外的投资,这可能非常昂贵。 此外,在较低水平运行煤电厂可能会降低电厂的效率并增加电厂的空气污染物排放(部分抵消了可再生能源弃电减少所带来的空气质量效益)。 而对改进电力调度就不会受到这些因素的影响。 这些结果表明,中国应加大力度采取基于边际成本的经济调度。中国八个省的“现货市场”试点的开始,应该集中在包含这一原则的实用调度模型上。令人鼓舞的是,其中一些省份最近发布的市场设计公告确实提出要实施经济调度。 随着新的现货市场开始生效,我们建议这些省份创建一个公平的竞争环境,以便该系统可以利用所有发电资源的全部功能,包括可再生能源发电。与此同时,与其他国家一样,中国的决策者需要继续重新考虑更广泛的选择方案和战略的最佳组合,以增加电网灵活性,提高可再生能源并网和减少弃电。 * Reducing wind power curtailment in China: comparing the roles of coal power flexibility and improved dispatch;…