中國儲能網(wǎng)訊：隨著光伏發(fā)電量的飛速增長，中國現(xiàn)行電網(wǎng)的容量正面臨嚴峻挑戰(zhàn)，尤其是在農(nóng)村地區(qū)。由于光伏容量的急劇增加，部分地區(qū)的安裝容量已超過戶均容量的10倍以上，引發(fā)了一系列電網(wǎng)安全問題。已有跡象顯示，反送電現(xiàn)象在電壓等級上已從110千伏上升至220千伏。鑒于電網(wǎng)擴建的滯后性，部分地區(qū)的分布式光伏可接入容量正接近飽和。
農(nóng)村地區(qū)的配電網(wǎng)，特別是其升級和新建項目，迫切需要大量投資。光伏發(fā)電的快速發(fā)展進一步加劇了對配電網(wǎng)建設(shè)與升級的需求。然而，這些項目的投資回報周期較長，且前期資金需求巨大，這成了光伏發(fā)電發(fā)展的一個主要障礙。因此，電網(wǎng)的安全和規(guī)劃成為了兩個亟待解決的問題。值得注意的是，中國目前面臨的問題與德國過去經(jīng)歷的問題有著顯著的相似之處。事實上，這些問題也是能源轉(zhuǎn)型過程中的典型問題。
德國新能源發(fā)展面臨的“反送電”挑戰(zhàn)
在德國，多達97%的新能源發(fā)電設(shè)施安裝在配電網(wǎng)，尤其是農(nóng)村電網(wǎng)中。德國曾遭遇類似挑戰(zhàn)。以德國北部的農(nóng)村電網(wǎng)為例，其風能和光伏的反送功率在2014年就已經(jīng)超過了當?shù)仄骄摵傻氖兑陨希ㄒ妶D1）。
圖1 德國農(nóng)網(wǎng)反送電的情況
德國的能源轉(zhuǎn)型主要在農(nóng)村地區(qū)展開，原因在于只有農(nóng)村具有可以安裝新能源設(shè)施所需的廣闊土地。如果按照就地消納的原則，德國新能源的比例很難達到當前的50%。因此，僅僅依靠就地消納來推廣新能源并不是一個普遍適用的策略。在德國的農(nóng)村電網(wǎng)中，反送電現(xiàn)象已成為日常。這一現(xiàn)象在某種程度上表明，能源轉(zhuǎn)型乃至能源革命的實現(xiàn)，實際上是以農(nóng)村為主戰(zhàn)場，這一點不僅適用于德國。
由于新能源發(fā)展的速度遠遠超過輸電網(wǎng)擴建的步伐，德國配電網(wǎng)的反送電現(xiàn)象也開始影響到超高壓輸電網(wǎng)。根據(jù)德國網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管局的統(tǒng)計，2022年輸電網(wǎng)的棄風棄光電量達到了733吉瓦時，而賠償電量高達2816吉瓦時。同時，配電網(wǎng)的棄風棄光電量為2531吉瓦時，賠償電量為448吉瓦時。這一數(shù)據(jù)表明，棄風棄光現(xiàn)象主要出現(xiàn)在配電網(wǎng)中，而輸電網(wǎng)的反送電問題也日益嚴重。由于高壓變壓器是輸電網(wǎng)的一部分，這使得輸電網(wǎng)的賠償電量遠超配電網(wǎng)。因此，高壓變壓器已經(jīng)成為電網(wǎng)潮流安全運行的一個關(guān)鍵瓶頸。
通常情況下，低壓電網(wǎng)主要面臨電壓升高的問題，而超高壓輸電網(wǎng)則主要受到過載的影響，高中壓電網(wǎng)則同時面臨這兩種問題。此外，高壓和超高壓電網(wǎng)還需要處理系統(tǒng)平衡的問題（圖2）。
圖2 德國電網(wǎng)消納高比例新能源的主要問題
根據(jù)德國的新能源法，電網(wǎng)運營商不僅負有消納新能源的責任，而且必須優(yōu)先考慮這些資源。這一政策使電網(wǎng)面臨巨大挑戰(zhàn)。在德國，擴建輸電線路極為困難，因為輸電線的審批過程既繁瑣又耗時，通常需長達5年之久。此外，還需得到地方政府的復(fù)審和居民的意見。這些因素導(dǎo)致輸電網(wǎng)的擴建速度遠遠落后于新能源的增長速度，尤其在農(nóng)村的配電網(wǎng)中，棄風棄光問題尤為突出，成為配電網(wǎng)亟需解決的重要問題。
“削峰規(guī)劃”在德國的實踐探索
為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，德國政府在2009年對新能源法進行了修訂，規(guī)定在電網(wǎng)無法及時擴建的情況下，可以實施分布式電源饋入管理。該措施允許電網(wǎng)運營商在電網(wǎng)安全面臨嚴重威脅時，暫時中斷風電和光伏發(fā)電。同時，要求運營商對新能源發(fā)電運營商進行賠償。這在一定程度上緩解了電網(wǎng)的安全問題，但并未根本解決電網(wǎng)擴建嚴重滯后的問題。
在傳統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃中，電網(wǎng)容量是根據(jù)電流峰值確定的。根據(jù)德國以前的新能源法規(guī)，電網(wǎng)必須接收新能源發(fā)電的每一度電。這意味著電網(wǎng)必須根據(jù)新能源的峰值電流進行規(guī)劃和擴建。從成本角度來看，這不僅增加了電網(wǎng)公司的建設(shè)壓力，還可能產(chǎn)生居民和工業(yè)用戶難以承擔的高昂電費，因為電網(wǎng)的過網(wǎng)費是構(gòu)成電費的一部分。
為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，德國第5大能源集團EWE的配電網(wǎng)公司提出了“5%實時削峰”概念。根據(jù)這一原理，對分布式新能源進行5%的電量削峰，就能有效地將配電網(wǎng)容量擴大至一倍以上。該原理的核心在于分布式新能源緊貼負荷，使峰值部分更加集中，容易被負荷吸收，從而降低了所需削峰的能量（圖3）。
圖3 5%實時削峰的概率潮流理論基礎(chǔ)
EWE公司采用的策略是利用實時動態(tài)削峰原理，旨在將電網(wǎng)擴建的需求降至最低，甚至避免進行大規(guī)模的電網(wǎng)擴建。然而，在實施這一策略的過程中，也遇到了一些挑戰(zhàn)。例如，需要將風電機組的調(diào)節(jié)能力從5級提升至10級，并且還需要投資大量的測控設(shè)備。這些額外成本的分攤方式，成了一個待解決的關(guān)鍵問題。最終，電網(wǎng)規(guī)劃策略為這一問題提供了解決方案。在電網(wǎng)規(guī)劃過程中，不需要改變現(xiàn)有設(shè)備或進行新的投資。只需在電網(wǎng)規(guī)劃的定容中考慮減少3%的電量，就能顯著降低電網(wǎng)擴建的成本。在最佳情況下，這種設(shè)置可以減少高達一半的投資費用。得益于行業(yè)的持續(xù)努力，德國政府在2017年修訂了能源法，允許在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中實施3%的削峰規(guī)劃原則，從而避免了電網(wǎng)資源的大量浪費。這項法律規(guī)定實際上意味著，對于不超過3%的削峰需求，電網(wǎng)無需進行成本補償，從而間接地減輕了電力用戶的負擔。
圖4 電網(wǎng)規(guī)劃靜態(tài)削峰規(guī)劃原理
多年來，德國棄風棄光率一直維持在大約3%左右。這一統(tǒng)計數(shù)字為最終確立3%的削峰規(guī)劃原則提供了實踐經(jīng)驗基礎(chǔ)。
“削峰規(guī)劃”在中國的適用性探討
實際上，中國對全額保障性消納高比例新能源的策略也提出了質(zhì)疑，建議轉(zhuǎn)向更經(jīng)濟的新能源消納方式。谷峰、劉連奇撰寫《從全額保障轉(zhuǎn)向經(jīng)濟性消納迫在眉睫》一文指出，由于新能源能量密度低，線路承載率僅為煤電的20%至50%，光伏電站所需的接入及改造費用是同等容量煤電廠的2至3倍，并且呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢。
高比例新能源的經(jīng)濟性消納問題也引起了國網(wǎng)的關(guān)注。國網(wǎng)能源研究院一項關(guān)于系統(tǒng)規(guī)劃的研究成果《含大比例新能源的電力系統(tǒng)規(guī)劃中“合理棄能”問題探討》發(fā)現(xiàn)，為了消納占比極小的新能源尖峰電量，需要占用系統(tǒng)大量調(diào)峰資源，這降低了系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟性。研究表明，通過適當放棄一部分新能源電量，即實施3%至10%的削峰，可以有效降低整體系統(tǒng)的調(diào)峰需求，減少調(diào)峰電源的建設(shè)，從而避免高昂的消納成本。國網(wǎng)智研院也啟動了研究農(nóng)村電網(wǎng)規(guī)劃的重大課題，其中包括探討削峰規(guī)劃的可行性。
從理論上講，削峰規(guī)劃原理在中國應(yīng)該同樣適用，特別是在光伏并網(wǎng)領(lǐng)域。以德國為例，其光伏發(fā)電的年利用小時數(shù)約為900小時左右。但考慮到實際的負荷消納情況，電網(wǎng)電流的實際最大峰值小時數(shù)僅為幾百小時。這表明，按照光伏發(fā)電的最大峰值設(shè)計的配電網(wǎng)，其實際利用率非常低。因此，削峰規(guī)劃原理能夠在最大化消納新能源的同時，滿足電網(wǎng)擴建最小化的需求，這對農(nóng)村電網(wǎng)尤其重要。這一原理曾對德國能源轉(zhuǎn)型產(chǎn)生過重大作用。對于中國來說，光伏發(fā)電的平均利用小時數(shù)大約在1000至1200小時之間。盡管中國農(nóng)村平均負荷可能低于德國，但考慮到配電網(wǎng)的巨大體量，通過削峰規(guī)劃可節(jié)省的投資也相當可觀，這對中國的能源轉(zhuǎn)型同樣具有重要意義。
在實際操作中，削峰規(guī)劃原則可以通過多種方法實現(xiàn)，分為靜態(tài)和動態(tài)兩種方式。其中，常用的靜態(tài)方法側(cè)重于控制發(fā)電設(shè)備的發(fā)電功率（見圖4），動態(tài)方法主要用于擴建電網(wǎng)的標準。
靜態(tài)削峰規(guī)劃的第一種方法涉及到設(shè)置發(fā)電裝置，以限制光伏的發(fā)電功率不超過額定功率的70%，風電不超過87%，這一策略需要由新能源運營商來執(zhí)行。第二種方法則依賴于對發(fā)電設(shè)備進行就地實時控制，以限制其功率輸出。這兩種方法均能確保發(fā)電量損失不超過3%，并在理想條件下實現(xiàn)新能源消納量的增加。其中，第一種方法實施起來非常簡便，為解決中國當前的配電網(wǎng)容量瓶頸問題提供了一種可能的方案。而第二種方法則適用于條件允許進行就地實時控制的場景。
動態(tài)削峰規(guī)劃方法的原理采用潮流優(yōu)化方法，并考慮到假想的故障情況（即靜態(tài)安全穩(wěn)定性），還需對電量的3%限制條件進行檢查，以判斷是否有必要對配電網(wǎng)進行擴建。這種方法充分吸收了實時動態(tài)削峰原理幾乎所有的優(yōu)點。雖然其結(jié)果略遜于實時控制效果，但卻節(jié)省了通信和控制系統(tǒng)的費用。相較于靜態(tài)削峰規(guī)劃方法，該方法還可以檢查電壓越限問題，但需要依賴新能源發(fā)電和負荷的歷史數(shù)據(jù)，因此計算工作量較大，對規(guī)劃專家的技術(shù)要求也更高。
然而，德國與中國還存在一個重要的區(qū)別。德國的分布式新能源不僅包括分布式光伏發(fā)電，還包括分布式風電。由于削峰原則主要解決的是新能源的匯流問題，即分布式新能源在配電變壓器處造成的線路匯集瓶頸問題，因此對分布式風電的效果尤為顯著。而在中國，分布式新能源主要以光伏為主。由于大部分光伏安裝在低壓電網(wǎng)，主要引發(fā)的是電壓升高越限問題，不僅僅是匯流問題，因此3%的削峰原則在中國實行的效果可能不如在德國那樣明顯（圖5）。
圖5 新能源的類型對削峰規(guī)劃的影響
此外，從圖中我們還可以觀察到，在較遠距離的應(yīng)用場景中，光伏系統(tǒng)所適用的配電網(wǎng)類型存在一定的局限性。這表明，尤其是對于農(nóng)村配電網(wǎng)，需要更深入的研究以明確存在的問題，并改進削峰規(guī)劃的策略。
削峰規(guī)劃原里的核心在于利用現(xiàn)有負荷對新能源的峰值進行自動平滑，因此，該原則特別適用于裝備了大量光伏發(fā)電設(shè)施的分布式新能源的配電網(wǎng)，如光伏設(shè)施眾多的農(nóng)村電網(wǎng)。在那些能夠同時推廣光伏發(fā)電和熱泵技術(shù)的農(nóng)村地區(qū)，這一規(guī)劃原則由于就地負荷的重要性，能夠發(fā)揮更加顯著的效果。
根據(jù)研究預(yù)測，到2035年，中國約62%的家庭可能安裝熱泵系統(tǒng)。盡管電動汽車的普及和定時充電將對能源需求產(chǎn)生一定影響，但考慮到電動汽車的能耗預(yù)計僅占總能耗的4%至5%，而供暖和制冷需求則占總能耗的16%至17%，因此相比之下，電動汽車對削峰規(guī)劃的影響相對較小。
然而，由于光伏在低壓電網(wǎng)中主要引起電壓問題，因此有效地利用低壓可調(diào)配電變壓器以提高削峰規(guī)劃的協(xié)同效果，顯得尤為關(guān)鍵（見圖6）。
圖6 低壓可調(diào)變壓器的削峰規(guī)劃協(xié)同效應(yīng)
削峰規(guī)劃可以更有效地利用綜合能源服務(wù)。例如，通過生物質(zhì)和光伏發(fā)電的錯峰運行以及需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)實現(xiàn)負荷的移峰（見圖7），這些措施在中國提高削峰協(xié)同效應(yīng)方面具有巨大潛力。
圖7 綜合能源的削峰規(guī)劃協(xié)同效應(yīng)
德國EWE配電網(wǎng)公司的研究指出，高壓配電變壓器是配電網(wǎng)穩(wěn)定運行和擴建配電網(wǎng)的關(guān)鍵瓶頸。研究發(fā)現(xiàn)，通過利用配電變壓器的溫度特性，理想情況下，其容量有可能增加一倍以上（見圖8）。這種溫度特性尤其適用于分布式風電居多的地區(qū)，因為天氣越冷風越大，變壓器可以傳輸?shù)墓β试酱蟆?
圖8 配電變壓器的溫度特性
然而，配電變壓器的老化程度各不相同，因此需針對每個變壓器進行定制化的“體檢”。這一點增加了其大規(guī)模應(yīng)用的復(fù)雜性。IEC的標準（見圖9）傾向于更加保守，但在中國的實際應(yīng)用可能具有更廣闊的潛力。但是，德國某配電網(wǎng)公司的研究的發(fā)現(xiàn)，IEC的變壓器模型未考慮老化因素，其恒定的熱電阻與實際情況存在偏差。因此，在實際應(yīng)用中應(yīng)考慮這一影響，并制訂合理的保險系數(shù)。
圖9 IEC變壓器的溫度特性
通過利用變壓器的溫度特性進行擴容，不僅有一定潛力緩解中國光伏發(fā)展因配電網(wǎng)容量限制所面臨的緊急問題，還能增強削峰規(guī)劃的效果。當然，這種應(yīng)用將受到地區(qū)和季節(jié)因素的影響。
鑒于中德兩國配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)差異，分布式風電的比例可能較低，主要面臨光伏發(fā)電的挑戰(zhàn)。因此，進一步深入研究以選擇最佳削峰規(guī)劃（見圖10）是必要的，相關(guān)光伏設(shè)備的額定功率亦需明確。面對能源危機，德國在電力短缺的情況下放寬了適用于小型光伏發(fā)電設(shè)備的削峰規(guī)定。削峰規(guī)劃的研究在德國主要聚焦于中低壓配電網(wǎng)，高壓配電網(wǎng)方面的研究相對有限。另外，根據(jù)德國的研究，化學電池在配電網(wǎng)削峰規(guī)劃中的十分有限。在缺乏補貼的情況下，包括家用光伏電池在內(nèi)的所有電池應(yīng)用難以實現(xiàn)盈利。
圖10 配電規(guī)劃的經(jīng)濟性問題
另外，德國的研究表明，在老舊住宅中應(yīng)用熱泵的效果并不理想，相比之下，太陽能熱利用更為經(jīng)濟。目前，中國正在研究的太陽能熱發(fā)電技術(shù)，不僅能實現(xiàn)調(diào)峰，還具備儲能功能。這在適宜條件的農(nóng)村電網(wǎng)中，估計也能提高削峰規(guī)劃的經(jīng)濟效率。
當光伏發(fā)電功率超出削峰規(guī)劃設(shè)定的物理范圍時，便需要擴大電網(wǎng)容量。在電網(wǎng)擴建方面，德國遵循一項基本原則：優(yōu)先優(yōu)化現(xiàn)有電網(wǎng)運行，其次加強電網(wǎng)設(shè)施，最后考慮進行電網(wǎng)擴建。
電網(wǎng)投資面臨的一個主要挑戰(zhàn)是如何確保投資的回報。在德國和歐洲，電網(wǎng)投資成本通常包含在過網(wǎng)費用之中，從而能夠保障一定的投資回報。相比之下，在國內(nèi)，電網(wǎng)投資成本還未完全納入過網(wǎng)費用中，或者說其分配方式尚不明確。這意味著，如果電網(wǎng)擴建不能使電費相應(yīng)增加，電網(wǎng)可能面臨投資回報不足的風險。對私人投資者和合資配電網(wǎng)企業(yè)來說，這一風險同樣存在。新能源的消納與電網(wǎng)擴建緊密相連，但最終都受制于國家政策。因此，當前的投資決策主要依賴于國家政策的調(diào)整。
綜上所述，實施削峰規(guī)劃原則可能是解決當前中國電網(wǎng)投資瓶頸問題的一個有效策略。這需要引起電力行業(yè)的高度關(guān)注。由于中國配電網(wǎng)的規(guī)模巨大，削峰規(guī)劃措施所能帶來的經(jīng)濟效益也相當可觀。更為重要的是，削峰規(guī)劃的實施還能在一定程度上維持電價的穩(wěn)定。當然，首要任務(wù)是解決過網(wǎng)費用的問題，尤其是電價定價機制的調(diào)整。這對于光伏發(fā)電的有序和可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。展望未來，光伏并網(wǎng)的瓶頸問題、新型電力系統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃，以及過網(wǎng)費用的公平分攤，都將成為今后兩年內(nèi)電力行業(yè)發(fā)展的焦點。
