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  电力 > 从间歇性到不稳定性:我们能管理好风能吗?    

从间歇性到不稳定性:我们能管理好风能吗?

可再生能源行业,尤其是风力发电受风力的间歇性影响很大,但是这种情况可以得到改变,至少从最近一些研究报告中可以得到这样的结论。即使是以前对风力发电有很大保留意见的电网公司,现在也开始认真考虑如何应付风力不稳定的特性。george marsh发现,大多人认为这个问题是可以得到解决的。

英国风能协会(bwea)表示,他们对2009年6月发布的一份“不稳定性管理(managing variability)”报告得出的结论表示欢迎。该结论与2008年初分别由英国国家电网公司(national grid)和总部位于赫尔辛基的p歽ry能源咨询公司发布的另外两份关于风能的报告所得出的结论相一致。英国风能协会ceo maria mccaffery表示以上这份报告可以彻底解决风力不稳定性的问题。

“不稳定性管理”报告是能源咨询专家david milborrow为四个环境部门专门撰写的。这四个部门分别是英国绿色和平组织(greenpeace uk)、地球之友(friends of the earth)环保组织、英国皇家鸟类学会(rspb)及世界自然基金会英国分会(wwf-uk)。在这份报告中,milborrow针对一些关于风力发电的言论,比如“风停了,灯也就灭了”,“发多少电就需要多少备用电”等,从质和量两个方面进行了反驳。报告指出,风力发电不稳定性可以而且必须得到管理,这点得到了越来越强烈的认可。事实上,“不稳定性”要比“间歇性”更准确,因为后者的隐含着开/关或停止/运转的意思,而事实上风能资源很大程度是“一直存在只是处于变化中”。

“现在政府公共事业部门已经普遍接受这样一个事实,”milborrow告诉《可再生能源聚焦》杂志说,“那就是很大一部分风能无法转变为电能并不存在根本的技术性问题。全球风能市场稳定的增长表明这种可再生能源已经被看作是一种减少温室气体排放的有效途径。”

注重总的波动

milborrow表示,在任何情况下都应该从整体的角度看待风力的不稳定性。不列颠群岛部分地区常年都有风,该地区整体的风力波动要远远低于单个风力发电机或风场上的风力变化。而对风力发电总量造成影响的正是这个总的风力变化量,而不是局部的波动。

事实上,经验告诉我们,风力发电整体的变化一般要小于电网上消费者每天电力需求的波动。此外我们还应该记住即使在遇到一些重大问题时,如某一发电站突然出现故障,电网依旧可以保持稳定的电力供应。相比较来说,传统的大型热电或核电厂出现“跳闸”现象则是灾难性的,往往会造成供电的间断,而风力发电的不稳定性相比反而不是那么严重。

解决方法

目前已经有一些用于解决系统供电稳定性问题的方法。其中值得指出的是,目前风力发电拥有短期“运转”储备和长期储备,约为电力高峰需求的五分之一。报告指出,虽然目前风电场穿透功率(指风电场装机容量占系统总负荷的比例 —译者注)依然不高,但是该储备比例基本无需增加。即使穿透功率提高,电力储备量也只需在电厂额定发电量的基础上提高几个百分点,而不是100%。

这假定了电力系统运营商仅仅依赖所有风电场总额定容量的一部分,而不是全部。在英国,历史经验表明在较低的风电场穿透功率下,这种“可靠容量”大约占总容量的30%。随着运营经验的增加,“可靠容量”也会随之提高,而电力储备的需求量也会下降。

不过,快速反应方面的投入和备用发电资产的存在也是必要的,而且随着风电场穿透功率不断提升且超过20%时,这些投入和资产也会不断上升。在风速较低或没风的时候,这种需求尤其突出,而在风速增加的时候,这些成本也会上升,因为达到电力并网要求的风能比较有限,因此电力供给就得进行限制。不过普遍认为,只有当风力发电量达到总电力需求的四分之一时,这种“约束成本”才有可能大幅提升。

缓解方式

这份报告还给出了一些对风力发电不稳定性的管理方法。风力的整体性和地理分布的平滑作用非常明显。一项研究表明,丹麦整个西部地区风力发电功率的波动约为该地区某一具代表性风场功率波动的四分之一。可以考虑在英国、法国和爱尔兰之间增加更多的电力连接网络来提高风电场的分散范围,同时也实现了所谓的“超级电网”。

此外,如果将不同类型的能源包括其他可再生能源也整合到系统中,这种平滑作用会更加明显。比如可以将潮汐能接入到系统中,这种可再生能源虽然也不稳定,但是可以预测的。

减少电力储备和备用电量需求的关键在于提高风力的预测方式。风力的变化并不是任意的,无规律可循的。当知道了某一时期风力的强度时,可以采用概率的方式进行风力预测。也就是说,不同时期的风力强度可以根据某一特定时间的风力情况通过特定的概率极限值推断出来,而这种概率极限值可以根据几年来的风力强度数据进行设定。采用这种方式进行风力预测就可以以小时为单位,这样就增加了电网系统运营商对风力的控制。

风力强度的预测非常重要,因为风力发电的不确定性会让运营商面临的其他不确定因素更加复杂,尤其是在消费者用电需求和普通供电波动方面的不确定性。运营商在计算所需的电力储备量和备用电量水平及相应的成本时须允许“整体不确定性”的存在。很显然,这种水平会随着风电场穿透功率的提高而提高。英国国家电网公司估计,在英国,风电场穿透功率达到40%时,电力储备及备用方面的成本就会增加10%。

最终,约束成本可以通过增加电网传输容量得到进一步降低,甚至完全消除,这样风场最高输出功率才可以被接受。这同样适用于大型核电厂和热电厂的建设。虽然严格来说,相对于风能不稳定性,约束成本更多地与电力消耗主要地区的可再生能源地理位置相关,但是这种成本依然是与可再生能源有关的额外成本,而且必须允许其存在。

以英国为例:英国的北部和西部为多风地带,而人口密集区主要在南部,因此,需要额外建立从北朝南的传输电网,报告指出该项建设约需47亿英镑。

储备的考虑

当风电场的穿透功率超过25%时,有时候会出现发电量超过需求量而被浪费掉的情况。如果出现这种情况,浪费的电量就会带来额外的不必要的成本,因为风电场的固定成本是分摊到相对较少的单位发电量上的。当然,如果市场可以消化掉这部分额外电能,或者这部分电能可以通过某种方式储存起来,如通过热能或抽水蓄能的方式,这部分损失就可以避免。未来的技术及市场应该朝这方面发展。

如果电能存储的成本合理,这种解决办法还有助于平衡能源需求。额外的风电能量可以以热能的方式存储起来,用于建筑取暖或其他热水系统中。同样,电动车也可以在夜间非用电高峰时段进行充电来平衡需求。液流电池如果可以得到广泛应用,可以在这方面发挥重要的作用,因为这种电池可以在用电高峰时段将电能反向输送回电网。从理论上说,电动车也可以实现这一点,这样就可以将电能存储的成本维持在可接受水平。

需求侧管理

还有一个解决方法就是需求侧管理(dsm),目前已经得到广泛应用。这种方法可以大大降低高峰电力负荷以及电力储备成本。负荷管理可能需要切断一些不可断电设备的供电,比如在用电高峰时段短暂地停掉冰箱和取暖器的电力供应。这些设备可以通过由本地智能电表激发的开关装置,或通过设立在中央控制站的遥控开关实现。动态需求系统可以对因用电需求上升造成的供电频率下降自动做出反应。报告指出,需求侧管理方法效果明显,在风电场穿透功率达到20%时可以进一步降低成本,最高可达10%。

通过与其他国家的对比发现,额外电力储备所带来的成本基本都差不多。在英国,20%风电场穿透功率下储备成本预计低于3英镑/兆瓦时。即使为了抵消因风力不确定性引致的所有相关成本而提升国内电价的话,david milborrow表示电价也不会增加很多。

“以英国为例,通过模拟计算发现,如果到2020年风电场发电容量占系统总容量可以达到22%,国内电价只需提高2%就可以抵消相应的成本。如果这个比例达到40%的话,电价的提升依然不大;即使再高的比例依然可以通过提高电价来平衡成本。”

这是个好消息,因为风电无论从环境保护还是电力供应安全性方面来看都很有可能成为欧洲能源结构中重要的一份子。丹麦政府计划到2025年将风电场穿透功率提高到50%,主要依靠电动车和热泵方式消化过剩电能,此外还计划采用需求侧管理方式。

丹麦设立的目标,加上爱尔兰、德国、葡萄牙、希腊及其他一些国家具有挑战性的规划,表明风能的利用不会有很大的问题。如果风能产业即使在经济消退的环境下依然可以保持每年25%的增长速度的话,这足以表明政府及公共事业部门已经将风能看作是可行的碳中性发电资源。正如milborrow指出:“对公共事业部门及一些投资者来说,风能不稳定性已经不再是大规模风电开发不可逾越的障碍了— 即使以前曾经是这样。风电场可以取代传统的发电工厂,虽然在发电容量方面不是一对一的。”

数据模型

芬兰pöyry能源咨询公司采用仿真的方法预测了到2030年爱尔兰和英国两个国家风能发电的情况。该研究结果包含了对风能市场规模的分析,而david milborrow的报告并没有涉及这一点。

研究人员搜集了2000年到2007年这两个国家中36个已经开发及具有开发潜力的风电场位置的相关历史数据。最后大约将2500万个数据点输入到风能功率分析模型中,计算机采用超前推算的方式进行计算,同时将2030年前预计出现的变化也考虑在内,这样可以得到以小时为单位的风力强度的计算结果(英国国家电网公司也在进行以小时为单位的分析模型,但是时间范围是到2020年)。

芬兰研究人员对风能的极值给予了特别的关注,同时指出政策制定者过多地将重点放在平均值上,因此常常低估了“曲线尾部”带来的影响。

研究人员还通过这些预测及发电容量的计算机模型探究了未来电价可能的走势。仿真显示风电穿透功率越高,以小时为分析单位的价格走势曲线就越会呈现“尖头”状,价格峰值就越会增加市场运营的风险。这种影响在低风期转入高风期时最为明显,就好像长期高压转入低压情况时一样。在这种情况下,电价范围会在高风期的超低价,甚至负价到反气旋期极端高价之间波动。

研究还指出当风电穿透功率较高时,风力不稳定性还会使热电厂出现不稳定性,主要体现在效率、维修及成本方面。如果风力发电可以为基本负荷贡献大部分电量时,风力发电高峰及低谷时期需通过传统发电厂进行平衡。考虑到风电每年甚至每个小时都处于变化中,因此在某些年份里可能会出现热电厂运营时间非常短的情况。

在面临传统发电厂利润收入不稳定及不确定的情况下,投资者可能还需要其他的理由才会在所需的电能储备方面进行投资。研究还发现爱尔兰的单一电力市场(sem)机制相比英国电力交易和输电制度(betta)模式更有利于激发新的发电量。英国的betta机制以输送的电量而不是发电容量为交易的标准。研究人员认为betta机制在处理未来市场方面略显不足,因为未来风电市场,在风电穿透率很高的情况下,将比现在更容易受到天气变幻不定的影响。

研究还发现在英国和爱尔兰市场之间实现电网互联也是解决风电不稳定性的一种有效方式,尤其对爱尔兰来说更是如此。此外甚至还可以与欧洲实现电网互联。

总体上看,研究小组似乎对2030年风电市场抱着谨慎乐观的态度。研究人员强调该行业的参与者需接受因风力不稳定性造成的市场不确定性,但是同时他们在报告中又指出在风电穿透功率较高的情况下,电网的运营并不需要太多额外的快速反应备用发电厂的配合。即使如此,爱尔兰所需的备用发电厂还是要比英国多。不过,我们依然需要长期的大规模基础风能储备,尽管要求可能会比较高,难以管理。事实上,相对未来市场给电网运营公司带来的挑战,研究人员更加担心未来风能市场的经济形态。

英国国家电网公司

在英国,国家电网公司也同样对未来风能资源充足的发电市场方面得出了一些鼓舞人心的结论。同样地,英国国家电网公司在其最近的一些刊物中的立场也是建议人们要学会接受可再生能源与生俱来的不稳定特性,同时也相信这种困难也是可以解决的。

目前,为了验证其对未来的一些推测和结论,英国国家电网公司正在寻求一些投资方等相关方的帮助。在2009年6月发布的一份咨询文件中,英国国家电网公司针对其对2020年的一些看法起草了一份调查问卷,试图引发市场的热议。

英国国家电网公司对风电市场未来的展望是同其他能源公司、政府及电网战略集团(ensg)旗下的能源监管机构ofgem联合做出的,主要建立在其已经发布的“gone green”提案之上。“gone green”预测到2020年大约有32gw风电容量将接入电网中,其中20gw来自陆上,12gw来自海上。英国国内小型风力发电厂将贡献15gw。这意味着未来发电市场将发生较大的变化,首先陈旧的燃煤发电厂和燃油发电厂会被淘汰(根据欧盟《大型燃烧设备规程》(lcpd)中的规定),当前大部分核电设施也会关闭,但是燃气发电预计会有12gw新的发电容量并入到电网中。

风电容量预计到2020年会增长12倍,燃气发电预计会增加25%。燃煤发电容量会减少三分之一,核电也会减少约三分之一,因为陈旧的发电站关闭起来比替换升级更容易。此外,预计嵌入式发电如现场热电联供预计将达到15gw。

英国国家电网公司认为其按分钟来平衡电能供需关系的工作会异常复杂。未来大规模不稳定风力资源需要更加主动的网络管理方式,以及更加智能、效率更高的控制解决方案。此外还需大力拓展输电网路,实现更多的电网互联。

咨询文件还要求回答者根据自身经验对英国国家电网公司的观察结论做出判断,也就是针对公司对未来的展望征求他们的意见。英国国家电网公司认为到2020年英国电力需求与目前相比不会有很大的差异,约为60gw。之所以持有这样的观点是因为他们认为经济发展的影响会被能源效率的提高、损失的减少以及小型嵌入式发电方式(不接入电网)的增加抵消掉。问题是这样的观点能否站得住脚。

英国国家电网公司还问了哪些问题?

◆ 风力发电

英国国家电网公司还提出了一些更加具体的问题,比如,能否有效地控制风力发电并保证其对电网的补充作用,尤其是风力发电能否随时满足电力平衡所需等。文件还提到了电力电子转换系统及现有的风力发电机的一些特点和相对灵活性,比如普通感应式、双馈感应式、永磁式、超导、全频变换器等发电机。此外还有一些关于未来电力平衡和储备服务方面的问题,以及应该采取怎样的措施才能促进电力储备服务的提高,同时又不会给电力批发市场带来太多负面的影响。

有些问题尤其吸引了可再生能源专家的兴趣。在风能方面有一个话题是围绕低风项目在全国范围内开展的程度的。英国国家电网公司很明确地想知道市场参与者如何处理低风甚至无风时期(即使这种情况很少出现),以及如何维持运营的利润。文件还指出电网互联,包括国家之间的电网互联非常关键,此外还需要采用降低高峰用电需求措施,及启动电力储备资源如备用发电机,以及作为最后手段,在必要时采用需求侧管理措施。

英国国家电网公司表示,他们会考虑任何关于到2020年电网运营灵活性不足的建议,以及在面对未来挑战时管理、通讯及信息系统应该扮演怎样的角色方面的建议。

◆ 海上能源

英国国家电网公司还询问了海上可再生能源技术应该重视的程度。英国国家电网公司在其文件中几乎没有提到这个话题,但是提到了潮汐和堰坝的发展潜能。可预见性是潮汐发电的一个有利因素,但是就好像风能一样,大规模开发同样需要采取电力平衡措施,比如像塞文河潮汐发电大坝项目(severn barrage)。该项目并没有出现在英国国家电网公司的“gone green”提案中,但是该公司参与了该项目最初几个方案的咨询工作。

◆ 负荷平衡问题

还有一个征求意见的领域是如何利用可再生能源帮助减轻电网高峰负荷,平衡用电需求。嵌入式发电,包括微型可再生能源发电和热电联产项目,加上智能电表和电动汽车等可以扮演重要的角色。不过关于这方面还存在一些疑问,比如到2020年电动汽车市场可以达到怎样的规模,充电次数能否通过智能电网得到合理化,以及是否可以自动对电价信号做出反应等。

◆ 需求侧管理

需求侧管理的作用带来了一个疑问:配电公司、供应商、集成商以及英国国家电网公司是否会重视并参与到需求侧管理所带来的服务市场。这可能包括服务的平衡、主动负荷管理、智能家庭和商业建筑的实现,以及能源价格和使用相关数据的提供等。

总体来看,英国国家电网公司在“2020年输电系统的运营”文件中表达了他们将积极迎接公司所面临的一些严峻挑战的热情。不过争论变得越来越激烈和具体,英国国家电网公司将认真处理来自各方的观点和建议。正如david milborrow所说,“这对所有感兴趣的人来说都是一个难得的机会,对那些到目前为止还没有表达他们观点的人来说,也是一个很好的机会。”

 


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