秦海巖：風(fēng)電“間歇性”真會(huì )影響電網(wǎng)安全嗎？

2018年9月，美國加州州長(cháng)JerryBrown簽署“參議院100號法案”，正式將“加州清潔能源發(fā)電利用達到100%”的目標納入法律。法案規定將加州可再生能源份額目標提升，分別設定了2026年達到50％、和2030年達到60％的目標。而到了2045年，加州將實(shí)現零碳電網(wǎng)。

相比加州，丹麥的國家清潔能源政策更加雄心勃勃。丹麥在2011年就已制定目標，在2050年徹底擺脫對化石燃料的依賴(lài)。根據丹麥能源組織DanskEnergi的數據，丹麥2018年風(fēng)能發(fā)電量已經(jīng)占全國電力消費總量的40.8%。

在歐美國家清潔能源發(fā)展大踏步前進(jìn)的同時(shí)，中國近幾年風(fēng)電和光伏的發(fā)展其實(shí)也非常迅猛，但對新能源電力并網(wǎng)能否達到歐洲那么高的比例，我們自上而下的信心仍然嚴重不足。

盡管已經(jīng)大力發(fā)展了幾十年，但仍然存在一個(gè)十分普遍的觀(guān)點(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電具有“間歇性”、“波動(dòng)性”，不如火電“穩定”，因此不是安全的電力供應。甚至還有人認為，減少燃煤發(fā)電且大力發(fā)展新能源和分布式能源供應，會(huì )進(jìn)一步加劇電網(wǎng)的不穩定性，從而降低電網(wǎng)投入的積極性，最終影響城市民眾的用電安全。我國“三北”地區近年來(lái)不太合理的高比例“棄風(fēng)限電”現象，也被誤讀為是因為風(fēng)電光伏的“間歇性”和“波動(dòng)性”無(wú)法滿(mǎn)足城市用電的發(fā)展需求而造成的。

然而實(shí)際情況并非如此。

作為風(fēng)電從業(yè)人士，筆者根據國內外研究成果，嘗試對幾個(gè)容易引起誤解的基本問(wèn)題做些解答，希望用事實(shí)還原風(fēng)電的真正面貌，幫助消除社會(huì )上對風(fēng)電的一些誤解。

風(fēng)機良好的布局，可以有效地平滑其出力，具有高至60%甚至更高的保證容量

很多人看到路邊建好的風(fēng)機沒(méi)轉起來(lái)，就懷疑風(fēng)電的是否因為不穩定而被棄用。還有人覺(jué)得無(wú)風(fēng)的天氣、風(fēng)機不轉，靠風(fēng)力發(fā)電的地區是不是就徹底停電了？

這些樸素的擔心不是沒(méi)有道理，但從風(fēng)電技術(shù)角度看，我們需要討論一下所謂“風(fēng)電波動(dòng)性和間歇性”的影響到底有沒(méi)有那么大。

實(shí)際上，電力系統中的風(fēng)電不能割裂開(kāi)來(lái)分析，應將其視作一個(gè)整體。也就是說(shuō)，我們不能獨立于電力系統其他部分來(lái)分析風(fēng)電到底是不是穩定可靠。

也許我們看到的是某一臺風(fēng)機停了，或一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)都停了。但從整體看，風(fēng)能資源所能發(fā)出的電放到整個(gè)電力系統中，它并沒(méi)有全部停止。隨著(zhù)并網(wǎng)風(fēng)電機組的增多，風(fēng)電在電網(wǎng)中的變化就會(huì )越來(lái)越小。對于整體的電力供應而言，除非發(fā)生所謂的“風(fēng)電機組連鎖脫網(wǎng)事故”，某臺風(fēng)電機組或某個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)停了不會(huì )產(chǎn)生很大的影響，這就好比涓涓細流匯入汪洋大海，不會(huì )激起一絲漣漪。

分布在更廣泛區域內的風(fēng)電機組，對付突發(fā)和極端事件也更容易一些。比如極端臺風(fēng)天氣需要停機，這時(shí)可以調動(dòng)更大區域的風(fēng)電場(chǎng)來(lái)應對這一挑戰。

臺風(fēng)來(lái)襲的時(shí)候，單臺風(fēng)機必須立即停機，從“滿(mǎn)發(fā)”（即滿(mǎn)功率發(fā)電）的狀態(tài)直接降到零出力。但更大范圍內的風(fēng)電機組，不會(huì )立即全部停機，而是隨著(zhù)臺風(fēng)的進(jìn)展，利用大風(fēng)天氣條件，加緊“滿(mǎn)發(fā)”再逐漸停機，反而能搶到更多發(fā)電量。理論上，隨著(zhù)風(fēng)電場(chǎng)裝機容量的增加以及空間分布區域的增大，風(fēng)電功率的相對波動(dòng)也會(huì )變得越來(lái)越平緩，具有明顯的“平滑”效應。

圖：?jiǎn)螆?chǎng)、地區、全省風(fēng)電匯聚效應曲線(xiàn)對比

上圖分別是我國東北地區某省風(fēng)電的單場(chǎng)、地區、全省的匯聚效應曲線(xiàn)。全省的匯聚效應曲線(xiàn)是三者之中最平滑的，并且全年中都處于發(fā)電狀態(tài)。也就是說(shuō)，即使是波動(dòng)性電源，其保證容量也是顯著(zhù)的大于零的，甚至高至60%以上。

一句話(huà)概括，與“風(fēng)電不可靠，根本無(wú)法大規模并網(wǎng)應用；并網(wǎng)容量越多，越會(huì )威脅到整個(gè)電力系統的安全”這個(gè)誤導性說(shuō)法相反的事實(shí)是：更大規模、布局良好的風(fēng)電，會(huì )更大程度上保障該區域供電穩定。

“不穩定”是整個(gè)電力系統的常態(tài)，電網(wǎng)的功能與角色在提供平衡服務(wù)

首先要建立的觀(guān)念是：電力系統，包括供電和用電，其本質(zhì)上是高度不穩定的，天然受到大量計劃和非計劃因素的影響。

在用電側，由于天氣、自然災害、事故等原因會(huì )造成用電量的突然變化，導致某一地區用電負荷不同時(shí)間尺度內的不穩定。例如，夏天極端高溫或冬天突發(fā)寒潮，會(huì )造成數百萬(wàn)人同時(shí)打開(kāi)電力設備來(lái)制冷或取暖，對電的需求就會(huì )突增。開(kāi)燈或者關(guān)燈，生產(chǎn)線(xiàn)的啟停機，都會(huì )對用電量帶來(lái)波動(dòng)性影響。

而就供電側而言，所有的電源都可能發(fā)生波動(dòng)，沒(méi)有哪一種電站或供電類(lèi)型是完全穩定的，所有的系統也都可能在某一點(diǎn)發(fā)生故障。比如傳統大型電廠(chǎng)為了滿(mǎn)足電網(wǎng)調度的要求或計劃停機等，這都會(huì )造成瞬間輸出波動(dòng)。

有數據顯示，火電廠(chǎng)非計劃停運造成的損失平均占其發(fā)電量的6%。一個(gè)火電廠(chǎng)或核電站輸出的波動(dòng)，往往瞬間發(fā)生，去掉的容量高達上千兆瓦，這才是真正的間歇現象，系統不得不立即做出響應。

瞬間波動(dòng)導致整個(gè)電力系統崩潰的事故也屢見(jiàn)不鮮。例如2003年波及北美8個(gè)洲以及加拿大安大略省的、有史以來(lái)北美最大范圍的停電，其起因就是俄亥俄州的一家電力公司沒(méi)有及時(shí)修剪樹(shù)木，觸到高壓電纜造成短路。這就是一家發(fā)電廠(chǎng)下線(xiàn)產(chǎn)生的多米諾骨牌效應。

既然傳統火電、水電和核電的供電和用電都可能隨時(shí)發(fā)生變化，只單純地說(shuō)風(fēng)電的“波動(dòng)性”可能造成電網(wǎng)的“不穩定”，就既不準確、也有失公平。他們之間只存在程度的區別，而不是性質(zhì)的區別。作為從業(yè)者，我們應該做的是更多考慮如何預測、管理和改善這種電力系統天然的不穩定性，并采用合適的工具來(lái)提高可靠性與效率。

很顯然，從局部或一段時(shí)間看，風(fēng)電是有變化的，但這種變化一般可以通過(guò)數值天氣預報模型和數據統計等多種方法來(lái)進(jìn)行預報。從系統的平衡來(lái)講，波動(dòng)完全不是問(wèn)題，那些不可預計的波動(dòng)（也就是出力偏差）才是問(wèn)題。丹麥、西班牙等國已經(jīng)實(shí)現了風(fēng)電輸出功率的日前與日內滾動(dòng)預測，準確率超過(guò)90%。

其實(shí)，我國風(fēng)電的運行管理水平與這些國家的差距已經(jīng)非常接近，隨著(zhù)智能運維水平和預測準確率的提升，風(fēng)電的出力預測已經(jīng)可以滿(mǎn)足電網(wǎng)調度的需要，主要的問(wèn)題是電網(wǎng)如何改變調度策略。

圖：2013年風(fēng)電發(fā)電量時(shí)段統計曲線(xiàn)

德國能源轉型10年的經(jīng)驗證明，風(fēng)電并不會(huì )影響用電安全

可預測的風(fēng)電變化，相對于傳統電力系統，并沒(méi)有導致電力系統更不可靠。筆者試著(zhù)引用德國風(fēng)電“間歇性”與持續中斷時(shí)間關(guān)系的一個(gè)數據，來(lái)印證上述觀(guān)點(diǎn)。

基于國際“系統平均中斷持續時(shí)間指數”（下文簡(jiǎn)稱(chēng)SAIDI），德國聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò )局（BNetzA）的數據顯示，2006年到2017年，德國可再生電力生產(chǎn)的份額從11.3％上升到了33.1％，主要來(lái)自風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電站等“波動(dòng)來(lái)源”；而每年每位消費者平均停電時(shí)間從超過(guò)20分鐘，降低到只有15分鐘（2016年為13分鐘）見(jiàn)下圖。

根據歐洲能源監管委員會(huì )（CEER）的數據，德國的電力供應安全是歐洲最好的。在CEER2018報告對2016年數據的比較中，德國的SAIDI得分（包括特殊中斷）13.3分鐘在歐盟排名第二，略低于瑞士的9分鐘。新能源電力的增加，對電力供應的安全幾乎沒(méi)有影響，甚至更好。

上述事實(shí)表明，單純評價(jià)電源的波動(dòng)性本質(zhì)上是沒(méi)有任何意義的，因為所有的電源都是波動(dòng)的，都要在電網(wǎng)中實(shí)現平衡。歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì )出版的《歐洲大規模風(fēng)電并網(wǎng)研究報告》顯示，在風(fēng)電作為供電主力的電力系統中，公認的看法是在既有的電網(wǎng)框架與運行規則下，風(fēng)能可以滿(mǎn)足大型電網(wǎng)電力需求的20%甚至更高，而不會(huì )造成嚴重的技術(shù)或實(shí)際問(wèn)題。事實(shí)上，2018年丹麥電網(wǎng)中的風(fēng)電比例已經(jīng)超過(guò)40%。

全球范圍內，對風(fēng)電與電力系統的理解也是在不斷更新的。早在15年前，歐盟委員會(huì )提出風(fēng)電面臨的主要挑戰之一就是如何有效地大量并入歐洲電力系統中。當時(shí)有很多觀(guān)點(diǎn)認為風(fēng)電不穩定，無(wú)法大規模并網(wǎng)，而這些疑慮在如今已不復存在。7年前，中國可再生能源學(xué)會(huì )風(fēng)能專(zhuān)業(yè)委員會(huì )全文翻譯發(fā)表了美國國家可再生能源實(shí)驗室（NREL）撰寫(xiě)的《破解風(fēng)電迷思》引發(fā)了風(fēng)電行業(yè)對風(fēng)電能否順利并網(wǎng)，如何控制波動(dòng)性等問(wèn)題的討論。

7年后的今天，我們再次嘗試解釋這個(gè)問(wèn)題，希望無(wú)論在行業(yè)內外，能有更多人更充分地了解風(fēng)電這種清潔能源，不讓“間歇性”和“波動(dòng)性”這樣的“標簽”導致對“波動(dòng)性能源會(huì )導致突然斷電”的無(wú)謂擔心；也不能把“棄風(fēng)棄光”這些實(shí)質(zhì)上由于體制約束和利益格局沖突導致的復雜問(wèn)題，歸因為“客觀(guān)的技術(shù)挑戰”。

相反地，作為風(fēng)電從業(yè)者，筆者期待看到從決策者到從業(yè)者，可以更多地從政策和經(jīng)濟層面減少各項非技術(shù)障礙，進(jìn)一步提升電力系統中的風(fēng)電比例，讓清潔低碳的可再生能源在能源轉型、減緩氣候變化和保護環(huán)境方面發(fā)揮更大作用。