如果掌握了大规模储能技术,可以在一定程度上化解上述矛盾,但目前的储能技术尚无法实现电荷大容量、大功率存储,所以需要从调整电力系统的结构形态与运行控制方式出发,用动态思维来解决。理想的新电力系统需要满足三方面响应机制,即电源响应、电网响应、负荷响应,我们可以将满足这些要求的电力系统称为“新能源电力系统”。
电源响应就是要实现新能源发电功率的灵活控制。一方面,要研究精确的风能、太阳能功率预测方法、大规模新能源发电基地的功率分配策略,以及灵活的新能源发电单元功率控制技术。另一方面,也要意识新能源发电功率输出的强随机波动性本质上是由一次能源特性决定的,不可能彻底改变,因此必须有火电、水电等可控装机进行多源互补。依靠互补特性,可以有效地突破大规模新能源电力并网导致的电源功率随机波动问题。
电网结构与输送极限是决定电网配置资源能力的两个重要方面,电网响应即从调整这两项内容着手。其一,是依靠先进的输电方式,增强电网在大时空范围内的输送能力与资源优化配置能力,合理运用大规模集中电站并网外送、基于可调负荷和储能的就地消纳、基于微网的分布式接入等多种方式,提高电力系统对新能源的接纳规模。在这方面,特高压技术的研发做出了积极尝试,特高压海底电缆、柔性直流输电技术都是未来的探索方向。其二,需要基于新能源电源的时空特性与多种新型输电方式的特征优化电网结构,硬件上构建区域电网间解耦连接、分层分区的输电网架,软件上研发可以同时响应负荷和电源功率随机波动性的电网结构渐进优化理论方法。
随着智能家居、电动汽车等设备的普及,负荷响应对于提高新能源接纳比例越来越重要。其实,目前的电力系统中已存在大量电网友好型的可平移负荷,要进一步发掘这些用负荷响应潜力,需要相关政策、价格机制、市场手段来引导用户主动参与电网互动。同时,必要的技术条件可以在不改变用户消费习惯的前提下极大地提高负荷响应比例。为实现人与电网和谐互动的用电方式,用电设备应当可以实时获取并分析精确、可靠的电网数据信息,并及时、正确地响应电网运行状态的改变。要做到这一点,在现有通信网络、智能电表、柔性电力负荷控制等技术的基础上,还需要有针对性地研发家庭控制网关、智能插座等电网友好装置以及具有用电信息采集、处理、监控、计费、资源调度等功能的高级量测系统。
此外,与传统发电厂/站相比,新能源发电设备运行环境恶劣、工况多变的客观条件导致其出现故障的概率增大,从而增加了电力系统发生事故的风险,因此先进的电网控制与安全防御技术也是决定新能源接纳极限的重要因素。传统的电网保护与安全防御系统采用的是“以保守性换取可靠性”的策略,即采取离线仿真方式按最恶劣的情况设定保护控制策略,这极大地限制了电网优化配置资源的能力。智能电网建设的推进正在改变这种局面,各种传感器的大量应用与监测平台的建设,让电力系统信息化程度显著提高,系统安全防御将可以从常规的故障控制,转变为针对系统实时状态的评估、预警、保护与安全控制体系,这将会更加适合新能源电力系统的发展趋势。
在上述特性都具备的前提下,电力系统才可能具备完全的新能源接纳能力,风能、太阳能发电也才能真正进入大发展时期。
大突破:混合能源关键技术
建设全球能源互联网,需要突破性的关键技术支撑。
在过去15年中,新能源经历了一个快速发展时期。2015年,全球风能和太阳能发电装机容量分别达到了4.33亿千瓦和2.27亿千瓦,2000~2015年间分别增长了23倍、175倍,年均增长率为24%、41%。我国更是后来居上,风能、太阳能发电装机容量在15年间分别增长了280倍、1400倍,在2015年分别达到了1.28亿千瓦和0.42亿千瓦,均居世界第一位。