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辛耀中:以新能源为主的电力系统更需要大规模储能

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2021-06-02 浏览:
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中国储能网讯:5月24-26日,由中国化学与物理电源行业协会主办,200余家机构共同支持的第十一届中国国际储能大会在杭州洲际酒店召开。本次大会主题是“坚守储能安全底线,推动产业创新发展”。

在5月25日上午的“ 高比例可再生能源与储能产业协调发展路径”专场,国家电网公司国家电力调度控制中心原副主任辛耀中分享了主题报告《以新能源为主的电力系统更需要大规模储能》。经演讲人本人授权同意,小编整理了演讲速记,并将速记内容分享如下:

辛耀中:各位同仁,今天给大家汇报《以新能源为主体的新型电力系统与储能》,跟表上印的题目稍微有点变化,PPT可以留给各位,不涉密,本人已经退休了,不再用国家电网的PPT模板,今天讲的自由一点,完全是个人观点,不代表任何单位。虽挂了个工业控制系统产业联盟理事长,也是个民间组织,如果讲错了,请大家批评指正。

下面分六个方面讲,“双碳”背景,电源结构及储能、电网结构及储能、用电结构及储能、电力储能运行控制、储能市场价格机制等。

一、“双碳”背景

全球可再生能源上下五千年,这是前几年听一个国外的朋友讲的,我自己重新画的,在约两百多年发现化石能源之前,人类都是日出而作、日落而息,对于可再生能源都是自然使用的;在发现化石能源之后,才开始大规模应用。化石能源据说够用300年,已经过了200年,煤炭还有100年,石油还剩50年。搞石油的同志说不止50年,后面还有新增储备。总体来说,也就是100年左右,之后怎么办?在100年之内,如果核聚电发电不成功,其他新型大规模电源技术也没有,则只能依赖可再生能源,构建一个全球电网。这也是一个更根本性的问题,比气候因素还重要,化石能源完全没了怎么办?现在为了气候问题,碳达峰、碳中和,应该会大大促进这个过程。

国际能源署2050年的净零排放目标,请大家注意两个事,第一个是“双碳”目标或者是净零排放,是全社会、全球的事,绝不是一个行业,特别不是一个电力行业的事,一个行业做不来。这里列的建筑、交通、工业、电和热,电和热是合在一起的,后面还会提到,电力一个行业做不来这个事。所以相关的专业,不要说大话,这是全社会的事,全球的事。

国际能源署的这张片子大家可能也注意到了,风电光伏到2030年还差4倍,电动汽车还差18倍,我觉得这个数统计得不够,何止18倍,可能要大得多。还有GDP的单位能耗,每年要降4%,这是国际平均的,我国的GDP能耗比欧美国家要高2-3倍,咱们的任务更重,怎么降下来?电动汽车储能差距巨大,单位GDP降耗任重道远!我们是制造强国,大量出口,,但是我们出口的相当一部分是能源,不仅是出口产品,而且出口能源,怎么持续发展?

这张PPT是我们国内的,根据公开资料,用Excel把这个图重新画了一下。从2020年、2030年、2050年、2060年,来看看趋势。总装机到2030年是38亿,现在是22亿,到2060年是80亿左右,其中主要的是光伏,是红色的曲线,第二是风电,蓝色曲线。但存在“高温无风、高峰无光”问题,高温天气有风吗?有风就不高温了;晚高峰的时候有光吗?太阳已经落下去了,这是自然的属性。我把这张表实际的数据比例放在这儿(PPT图示),这样的电网怎么运行呢?怎么保持稳定?煤电、气电、核电、水电,全加起来,可能也就10个多亿左右,到2060年的时候火电几乎为0了。这就意味着80亿的总装机,只有10个亿左右具有转动惯量,其他的都在空中漂着,这样的系统怎么运行?我已经退休了,真替在职的同志们发愁,呼吁大家一定要关注这个重要问题。

我国风电及光伏光热发电高速发展,很荣幸在退休之前相当长一段时间分管新能源,将原来的水电专业,改为水电及新能源专业,差不多在我手上建立起来,所以很有感情。这个数据是从2013年开始的,风电光伏从2013年讲到2060年,前面的数据就被淹没了,把它展开分成两段,从2013年到2020年,从2020年到2060年,这样就看出来了。咱们国家前面十几年发展非常快,快到什么程度?10年增长100倍,平均每小时一台风机投运,平均每小时多少平方公里的光伏投运。一个风机是几十吨重,吊上去,每小时一台。前几年在国外做报告,他们都震惊了,怎么可能这么快?人家不信,我们就是这样的速度,全世界都没有。

再看看后面,从2020年到2060年,有没有超过前10年?原来是翻番,现在何止翻番?这么高的速度,其他的电源怎么匹配?

电力系统调度控制,就像一个天平,我干了一辈子这个事,这个事越来越难干,电网调度的本质工作就是保证电力系统的实时平衡,用多少发多少,当然还要加上线损网损。现在两侧都在变,电源侧越发不可调,用户侧变化更大,原来是个纯负荷,现在成了有源配电网。中间可调节的电源没有增加,怎么运行呢?电力系统调节能力严重匮乏,电网调度巧妇难为无米之炊,这个问题一定要请社会理解。

电力系统运行有其基本规律,有些是物理的,有些是行业特有的。国家标准《电网运行准则》中一共有8个运行准则。第一个是实时功率平衡准则,这是能量守恒定律,自动控制、继电保护,调度指挥,都是依据这个准则,本区域的发电加上区外受电,必须等于本区域的用电负荷加上损耗,而且必须保持实时平衡。如果对等式两边微分,微分是调节平衡,日调节、小时级的调节,15分钟的调节、分钟的调节、秒级的调节都必须平衡。现在中国存在的问题,全世界存在的问题,就是调节不平衡,为什么?就是可再生能源的随机性太大了,真正可调可控的电源总量很少,电力系统调节能力严重不足。怎么解决这个问题?实时市场、日前市场就是解决这个事,日前市场解决调峰问题,实时市场解决调频调压问题。长期市场是解决投资问题的,这个咱们就不说了。核心问题就是系统调节能力严重不足。

现在全球的电力系统,尤其是中国,都存在三大结构性问题。电源结构是灵活调节电源严重不足,电网结构问题是跨区互济能力严重不足,用电结构问题是社会需求响应严重不足。这三个严重不足,制约了电力系统的安全稳定运行,也制约了可再生能源的有效消纳,更是制约了“双碳”目标的达成。大家想想是不是这个道理。

这三大结构问题犹如三座大山,压在电网运行机构的肩上,我本人也曾经背着这个约30年。但是这三座大山怎么解决?我们就是愚公,但电网调度移不走这三座大山,但是我们必须天天挖山不止,子子孙孙,直到感动上帝。上帝是谁?一是人民,二是政府,如果人民都高峰时少用电、低谷时多用电,那好多事都解决了。如果我国加快建设实时和日前电力市场,或出台双边峰谷电政策,那也好办了。这三个结构性问题,涉及规划阶段、建设阶段、运行阶段等,运行阶段能解决三大结构问题吗?数字化和智能化能解决吗?这个事要深入思考,根本的问题是什么?需要时间,需要全社会来解决。

二、电源结构及储能

我们国家的电源结构(如PPT图示),右边是德国、西班牙、美国的电源结构,黄颜色的是气电,欧美燃气轮机较多,快速调节能力较强。我们国家甘肃西北地区风电光伏都已经超过40%了,这样的结构怎么调节?前几年领导让我们去学西班牙,考察一圈,发现学不来,人家40%燃机,还有背靠欧洲电网,在风电光伏发电量占54%的那一天,两个抽水蓄能电站都不需启动,中国拿什么跟他们比?完全不在一个水平上,中国问题更严重。

电力系统的频率稳定是靠有功频率调节,最好的是转子的转动惯量,包括发电机转子和电动机转子,之后是一次调频,所有机组都应参与,再往后是二次调频AGC。

系统转动惯量持续降低,新能源光伏没转动惯量,直驱型的风电机组也没转动惯量,因为全隔绝了,双馈型的风电机组有一些转动惯量;直流输电的受端为零转动惯量。这些因素加起来,转动惯量问题非常严重,没有转动惯量,如何保障频率稳定?怎么解决?

电力系统一次调频能力下降,此图是2015年9月19日华东电网的故障,上面的红线是模拟出来的,如果一次调频都在,就会是这个线。就一个换相失败小故障,,导致系统频率降到了这条蓝线,差了多少?好多机组都不参与一次调频了,频率快速降。把它展开就是这个图,一共四个阶段,第一个阶段是惯性缓冲阶段,第二个阶段是一次调频,第三个是二次调频,第四个阶段是抽蓄机组等快速电源启动。如果没有抽蓄怎么办?非常危险。

大家说搞储能就好了,储能确实管用。各类储能,我这儿列了一下,是一本书上抄下来的,就缺一个超级电容储能。其中有物理方式、化学方式,电化学的主要是电池和燃料电池,都是小容量的。大容量的储能是抽水、储热、压缩空气,其他种类的容量都太小,起码近期太小。美国有一个报告,说电池储能在10年之内可能工程化都有问题。

电化学储能,大家都很关注,这几年统计了32起爆炸起火事故,韩国占最多,24起,前几天4月16日北京大红门储能电站起火爆炸,还死了3个人,这些问题都值得引起我们重视。

为什么韩国储能电站起火事故频发?它今年4月份又出了一起事故。韩国政府不得不下令关停345个储能电站,建在公共设施上面的都要求拆除、关停,为什么?韩国是世界上大规模建设电化学储能电站最多、最早的国家,它遇到的这些问题,我们没遇到吗?最近成都的电动车在电梯里起火爆炸,还有超过2万毫安时的充电宝不让上飞机,需要综合起来考虑,主要是电池本身的问题。

北京大红门事故发生后有很多分析,找出很多原因,今天就不展开了,听说储能行业还搞了个专题研讨会,进行了很好的分析总结。

抽水储能电站是当前唯一实用的大规模储能,也不展开说了,仅点一下抽水储能的几个特性,备用属性,可作为黑启动电源,快速备用电源,泵机快速转换。还有调节属性,大家往往注重了调节属性没有注重备用属性。有的领导认为抽水储能主要是备用,所以没有给调节机制,没有相应的电价机制。电网公司为了消纳风电和光伏,在没有双边峰谷电价的情况下,强行调节抽水储能电站抽四发三,损失很多,还好国网是央企,私企谁干?备用属性可由电网承担,但调节属性就应该由全社会参与。储能的调节运行需要双边峰谷电价或实时及日前电力市场。

传统压缩空气储能技术的发展,前些年不太成功,进展较慢,这些年有些进步,主要是新一代的,主要是压力提高了,容量比较大。现在用盐岩洞可以达到8兆帕到10兆帕,原是储存天然气的,可把压缩机放的热存储起来,发电的时候吸热再加进去,总体效率和抽水储能差不多,这个技术国内有几家研究,但总体重视不够。

更重要的是电网与城市热网协同,这是从丹麦学来的,丹麦的老领导还专门到中国来考察,我给介绍到东北,介绍到发改委去。丹麦所有的火电机组都供热,供热火电机组加个热水罐就能深度调峰50%,我们国家的火电机组供热时调峰深度仅为5%了,夏天不供热时才能达到50%;丹麦火电机组联入城市热网后,调节深度可达100%!丹麦的纬度跟我们东北地区一样,都很冷。那位老先生考察了一圈回来告诉我说,你们中国学不来,中国电价低,热价更低,冬季供暖费都收不上来,谁搞谁亏钱。我赶紧告诉发改委的领导,后来出台了一系列的政策,但是发展太慢。北京的东郊热电厂,与城市热网协同运行后,发电和供热的总效率可达到80%以上,几乎比纯发电效率高1倍。再看看我国的GDP能耗,如果这项技术实现了,就解决了一倍的问题,超临界机组总效率约为46%,离80%还远着呢。所以就这一项,解决了多大的问题?但现在国内有多少研究的?虽然引起大家重视了,但进度还不够快。

还有一个是光伏和光热发电,光伏不能储能,但光热发电可以储能调峰。现在发展得不错,这是从源头上解决,可发展一部分光伏、一部分光热,图片很壮观。

三、电网结构及储能

现在电网都才用免费的空气绝缘,所以所有的自然灾害电网都扛不住。我国的骨干电网,比如特高压直流和交流多少多少回,都是几个干柴棒子,尚不成网,不成网怎么发挥网络效益?大家注意黑河腾冲线,到现在为止这条线还没有突破。现在电网的强直弱交问题突出,应该是直流输电、交流联网,形成一个花篮结构,现在大量采用直流,甚至有的同志提出交流电网直流化,一个简单的问题就是每个PN结有1伏的压降,500kV需要多少个管子串起来?那些压降都是损耗,大量串联降低了可靠性,这个问题已经暴露得非常充分了。几大直流输电运行起来,故障率较高,损耗较大。还有直流双极闭锁的问题,这个问题是直流本身的,用直流点对点输电挺好,但是用于组网,直流断流器都很难做出来。还有电压稳定问题,换流站两端大量的电容储能元件,故障期间对电网的电压稳定多是负贡献。

怎么办?我们国家的骨干电网应该尽快成网,成网了以后,这个水池子就大了,系统越大调节互济能力越强。这里把黑河腾冲线再画一下,三北地区,能源丰富、人烟稀少;中部沿海,经济发达,人口稠密;北方电源潜力巨大。这是很现实的问题。华北京津地区、华东长三角地区、华中三峡近区、南方珠三角地区的500kV电网已经密到短路电流超标,超过64千安,断路器都做不出来了,需要更高一级电压组网。

从全球来看,欧洲和非洲、亚洲和大洋洲、北美和南美连起来,这三部分是不是跟三瓣一样,每瓣时差都是8小时,南北温差是半年,冬季对夏季,这是不是天然的调峰?本质上是利用地球的自转角动量守恒,实现太阳能发电的全球动态平衡。这张片子是在前几年世界智能电网大会上讲的,会后好多人围过来,问这能避免第三次世界大战吗?我说真的呀,如果你们今天用的电就是我送的,我今天用的电是你们送的,那我们还能打仗吗?但这里面有重大的政治的、军事的一系列的问题。但是我相信如果100年之内没有其他办法,则只能走这个路了。

四、用电结构及储能

年度、周、日的用电曲线是这样的形状。长期调节应该对应长期电力市场,调峰对应日前电力市场,还有一个实时电力市场,对应于调频和调压。总结美国加州电力市场危机的教训,得到理想的三类市场比例为:长期市场占80%,日前占15%,实时占5%,为什么是5%?这是有物理依据的,因为系统的旋转备用是3-5%,所以不能高于这个比例,日前电力市场占15%。但是我也亲身经历了三轮电力市场的试点改革,现在正在加速。电力市场必须坚持市场调节机制,不能沦为降价甩卖的市场。现在是第三轮,不少省市仍然是逼着市场降价,降价是调节吗?所以要还原市场机制。

我们说到用电的需求侧响应,电力行业是全世界服务最好的行业,随时随地随意用,你想想还有哪个行业比这个好?现在要节能,说大家不能随意用了,我们不能忽悠老百姓,现在是把原来的随意用改成了要节约使用,高峰的时候少用电,低谷的时候多用电,不能说我们现在智能了,老百姓更方便了,是更不方便了,但是为了节能。

电动汽车储能,G2V与V2G,这个饼画得很大,但是到现在为止,还有很多具体的问题远未解决。

综合园区的综合能源服务,局限在园区,更大区域很难。

前几天发现了一篇报道,说高耗能行业参与储能节能,我很高兴,马上就给它放在这儿了。全国电解铝用电量约为7%,是耗电大户,如果他们能够实现储能调节,则对系统非常有意义。这是郑州的,如果有河南的同志你们去了解一下,是不是真这么回事。如果真有这个技术,是个好事,应该鼓励。所有的高耗能企业,都应该向他们学习。

用电侧还有一个措施,需要人人做贡献,家家做贡献,你们家的光伏、光热、智能家用电器等,都可参与调节。这是前几年国家01专项(核高基)列的一个课题,海尔承担了,给家用电器加一个功能,高峰的时候退出,低谷的时候可以投入,主要是指热水器、空调、洗衣机这一类电器。相应的光伏储能设备,也应该参与就地调节控制。怎么控制呢?不需要什么复杂设备,只需要监测并网点上的电压和频率,两个都高的时候,家用电器退出,家用发电设备接入,两个都低的时候反过来。储能是既用电,又储电和放电。这是很简单控制原则,已经建议海尔跟江苏、广东等电网合作,取得了一定的成效,还需要继续大力推广。

五和六、电力储能运行控制和储能市场价格机制

电力系统安全稳定三道防线。2020年发布了强制性国标《电力系统安全稳定导则》,还有前几年的国家标准《电网运行导则》,电网运行控制都必须满足这些标准。从图中可以看到,如果三道防线都没防住,电网全停后,就只能靠抽水储能电站进行黑启动了。

各类电力储能的控制方式,大型储能电站由省级以上调度中心统一控制。小型储能的应该采用就地控制方式,微型家用储能采用自主控制方式。有人说你们电网是集中控制,我说错了,电力系统从来都是分层分布控制,从来不能集中控制。如果采用云控制,给国调装个巨型机,直接控制全国电网?根本不可能,电网历来都是分层分布控制。

有人也说,电力系统搞智能化、数字化,可以解决系统调节和三大结构问题,我就是搞自动化专业的,搞了一辈子,自动化能够优化,但是解决不了三大结构性的根本问题。我国智能化水平已经是全世界最高的了,在自动化、继电保护、智能电表、智能变电站、电网控制专有云、电网控制专有物联网等方面,已经超过了欧美电网。在数字化和智能化方面,国内其他行业可能还有差距,但电力行业已经领先欧美,所以再在这方面加大投入就过头了,要防止过度智能化,所有的智能设备都有半导体器件,所有半导体都是高耗能器件,过度智能化也属高耗能,就跟比特币挖矿一样,那是典型的高耗能。

要破解电力系统的三大结构问题,解决电源结构问题,可能需要20-40年,原来说100年,现在气候问题加速了能源转型。解决电网结构可能需要10年-20年,现在认识到了需要尽快成网,但从规划设计到建设实施还需要时间。然而,解决用电结构问题,只要坚持实时和日前电力市场的机制,或者实施双边峰谷电价,可当天见效!这个话不是瞎说的,十几年前江浙一带限电,当时后半夜低谷时段的电价比白天便宜约2角钱,许多私营企业白天放假、晚上开工,于是后半夜成了高峰,原来的高峰成了低谷,效果非常明显。希望大家联合起来,一起感动上帝,感动人民和政府,赶紧实施双边峰谷电价或者实时和日前电力市场,真正的电力市场应该具有调节能力,不能是纯粹降价的,如果近期电力市场走不出来,还不如尽快实施双边峰谷电价,由各省发改委自己定。分类电价主要为抑制高耗能产业,现在一般工商电价已经降了25%了,约一半的省级电网亏损,正常基建和技改大修都已大幅压缩,哪有钱去建设那些赶时髦的东西?还是搞点实实在在的技术,逐步解决三大结构问题。阶梯电价已经实施了,但是效果不太好。

最后一页,“双碳”目标是全球全社会的共同任务,可别都揽到电力行业身上。主要问题是三大结构问题,关键约束是电力系统调节能力严重不足,应该加快发展安全可靠、经济高效、绿色环保的大规模储能,切实提高电力系统总体调节能力,这是储能行业的立足之本。电价机制是解决调节问题的关键环节和重要措施,有电力市场更好,如果没有,先上双边峰谷电价也非常有效。以上是个人观点,错了请大家批评,有问题个人负责,谢谢各位!

关键字:新能源 储能

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