2018年9月，美國(guó)加州州長(zhǎng)Jerry Brown簽署“參議院100號(hào)法案”，正式將“加州清潔能源發(fā)電利用達(dá)到100%”的目標(biāo)納入法律。法案規(guī)定將加州可再生能源份額目標(biāo)提升，分別設(shè)定了2026年達(dá)到50％、和2030年達(dá)到60％的目標(biāo)。而到了2045年，加州將實(shí)現(xiàn)零碳電網(wǎng)。
相比加州，丹麥的國(guó)家清潔能源政策更加雄心勃勃。丹麥在2011年就已制定目標(biāo)，在2050年徹底擺脫對(duì)化石燃料的依賴。根據(jù)丹麥能源組織DanskEnergi的數(shù)據(jù)，丹麥2018年風(fēng)能發(fā)電量已經(jīng)占全國(guó)電力消費(fèi)總量的40.8%。
在歐美國(guó)家清潔能源發(fā)展大踏步前進(jìn)的同時(shí)，中國(guó)近幾年風(fēng)電和光伏的發(fā)展其實(shí)也非常迅猛，但對(duì)新能源電力并網(wǎng)能否達(dá)到歐洲那么高的比例，我們自上而下的信心仍然嚴(yán)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)十分普遍的觀點(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電具有“間歇性”、“波動(dòng)性”，不如火電“穩(wěn)定”，因此不是安全的電力供應(yīng)。甚至還有人認(rèn)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(yīng)，會(huì)進(jìn)一步加劇電網(wǎng)的不穩(wěn)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(guó)“三北”地區(qū)近年來不太合理的高比例“棄風(fēng)限電”現(xiàn)象，也被誤讀為是因?yàn)轱L(fēng)電光伏的“間歇性”和“波動(dòng)性”無法滿足城市用電的發(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(jù)國(guó)內(nèi)外研究成果，嘗試對(duì)幾個(gè)容易引起誤解的基本問題做些解答，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(duì)風(fēng)電的一些誤解。
風(fēng)機(jī)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(jī)沒轉(zhuǎn)起來，就懷疑風(fēng)電的是否因?yàn)椴环€(wěn)定而被棄用。還有人覺得無風(fēng)的天氣、風(fēng)機(jī)不轉(zhuǎn)，靠風(fēng)力發(fā)電的地區(qū)是不是就徹底停電了？
這些樸素的擔(dān)心不是沒有道理，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”的影響到底有沒有那么大。
實(shí)際上，電力系統(tǒng)中的風(fēng)電不能割裂開來分析，應(yīng)將其視作一個(gè)整體。也就是說，我們不能獨(dú)立于電力系統(tǒng)其他部分來分析風(fēng)電到底是不是穩(wěn)定可靠。
也許我們看到的是某一臺(tái)風(fēng)機(jī)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(tǒng)中，它并沒有全部停止。隨著并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的增多，風(fēng)電在電網(wǎng)中的變化就會(huì)越來越小。對(duì)于整體的電力供應(yīng)而言，除非發(fā)生所謂的“風(fēng)電機(jī)組連鎖脫網(wǎng)事故”，某臺(tái)風(fēng)電機(jī)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(xì)流匯入汪洋大海，不會(huì)激起一絲漣漪。
分布在更廣泛區(qū)域內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組，對(duì)付突發(fā)和極端事件也更容易一些。比如極端臺(tái)風(fēng)天氣需要停機(jī)，這時(shí)可以調(diào)動(dòng)更大區(qū)域的風(fēng)電場(chǎng)來應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。
臺(tái)風(fēng)來襲的時(shí)候，單臺(tái)風(fēng)機(jī)必須立即停機(jī)，從“滿發(fā)”（即滿功率發(fā)電）的狀態(tài)直接降到零出力。但更大范圍內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組，不會(huì)立即全部停機(jī)，而是隨著臺(tái)風(fēng)的進(jìn)展，利用大風(fēng)天氣條件，加緊“滿發(fā)”再逐漸停機(jī)，反而能搶到更多發(fā)電量。理論上，隨著風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的增加以及空間分布區(qū)域的增大，風(fēng)電功率的相對(duì)波動(dòng)也會(huì)變得越來越平緩，具有明顯的“平滑”效應(yīng)。
圖：?jiǎn)螆?chǎng)、地區(qū)、全省風(fēng)電匯聚效應(yīng)曲線對(duì)比
上圖分別是我國(guó)東北地區(qū)某省風(fēng)電的單場(chǎng)、地區(qū)、全省的匯聚效應(yīng)曲線。全省的匯聚效應(yīng)曲線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，即使是波動(dòng)性電源，其保證容量也是顯著的大于零的，甚至高至60%以上。
一句話概括，與“風(fēng)電不可靠，根本無法大規(guī)模并網(wǎng)應(yīng)用；并網(wǎng)容量越多，越會(huì)威脅到整個(gè)電力系統(tǒng)的安全”這個(gè)誤導(dǎo)性說法相反的事實(shí)是：更大規(guī)模、布局良好的風(fēng)電，會(huì)更大程度上保障該區(qū)域供電穩(wěn)定。
“不穩(wěn)定”是整個(gè)電力系統(tǒng)的常態(tài)，電網(wǎng)的功能與角色在提供平衡服務(wù)
首先要建立的觀念是：電力系統(tǒng)，包括供電和用電，其本質(zhì)上是高度不穩(wěn)定的，天然受到大量計(jì)劃和非計(jì)劃因素的影響。
在用電側(cè)，由于天氣、自然災(zāi)害、事故等原因會(huì)造成用電量的突然變化，導(dǎo)致某一地區(qū)用電負(fù)荷不同時(shí)間尺度內(nèi)的不穩(wěn)定。例如，夏天極端高溫或冬天突發(fā)寒潮，會(huì)造成數(shù)百萬人同時(shí)打開電力設(shè)備來制冷或取暖，對(duì)電的需求就會(huì)突增。開燈或者關(guān)燈，生產(chǎn)線的啟停機(jī)，都會(huì)對(duì)用電量帶來波動(dòng)性影響。
而就供電側(cè)而言，所有的電源都可能發(fā)生波動(dòng)，沒有哪一種電站或供電類型是完全穩(wěn)定的，所有的系統(tǒng)也都可能在某一點(diǎn)發(fā)生故障。比如傳統(tǒng)大型電廠為了滿足電網(wǎng)調(diào)度的要求或計(jì)劃停機(jī)等，這都會(huì)造成瞬間輸出波動(dòng)。
有數(shù)據(jù)顯示，火電廠非計(jì)劃停運(yùn)造成的損失平均占其發(fā)電量的6%。一個(gè)火電廠或核電站輸出的波動(dòng)，往往瞬間發(fā)生，去掉的容量高達(dá)上千兆瓦，這才是真正的間歇現(xiàn)象，系統(tǒng)不得不立即做出響應(yīng)。
瞬間波動(dòng)導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)崩潰的事故也屢見不鮮。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有及時(shí)修剪樹木，觸到高壓電纜造成短路。這就是一家發(fā)電廠下線產(chǎn)生的多米諾骨牌效應(yīng)。
既然傳統(tǒng)火電、水電和核電的供電和用電都可能隨時(shí)發(fā)生變化，只單純地說風(fēng)電的“波動(dòng)性”可能造成電網(wǎng)的“不穩(wěn)定”，就既不準(zhǔn)確、也有失公平。他們之間只存在程度的區(qū)別，而不是性質(zhì)的區(qū)別。作為從業(yè)者，我們應(yīng)該做的是更多考慮如何預(yù)測(cè)、管理和改善這種電力系統(tǒng)天然的不穩(wěn)定性，并采用合適的工具來提高可靠性與效率。
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數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等多種方法來進(jìn)行預(yù)報(bào)。從系統(tǒng)的平衡來講，波動(dòng)完全不是問題，那些不可預(yù)計(jì)的波動(dòng)（也就是出力偏差）才是問題。丹麥、西班牙等國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電輸出功率的日前與日內(nèi)滾動(dòng)預(yù)測(cè)，準(zhǔn)確率超過90%。
其實(shí)，我國(guó)風(fēng)電的運(yùn)行管理水平與這些國(guó)家的差距已經(jīng)非常接近，隨著智能運(yùn)維水平和預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率的提升，風(fēng)電的出力預(yù)測(cè)已經(jīng)可以滿足電網(wǎng)調(diào)度的需要，主要的問題是電網(wǎng)如何改變調(diào)度策略。
圖：2013 年風(fēng)電發(fā)電量時(shí)段統(tǒng)計(jì)曲線
德國(guó)能源轉(zhuǎn)型10年的經(jīng)驗(yàn)證明，風(fēng)電并不會(huì)影響用電安全
可預(yù)測(cè)的風(fēng)電變化，相對(duì)于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，并沒有導(dǎo)致電力系統(tǒng)更不可靠。筆者試著引用德國(guó)風(fēng)電“間歇性”與持續(xù)中斷時(shí)間關(guān)系的一個(gè)數(shù)據(jù)，來印證上述觀點(diǎn)。
基于國(guó)際“系統(tǒng)平均中斷持續(xù)時(shí)間指數(shù)”（下文簡(jiǎn)稱SAIDI），德國(guó)聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)局（BNetzA）的數(shù)據(jù)顯示，2006年到2017年，德國(guó)可再生電力生產(chǎn)的份額從11.3％上升到了33.1％，主要來自風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電站等“波動(dòng)來源”；而每年每位消費(fèi)者平均停電時(shí)間從超過20分鐘，降低到只有15分鐘（2016年為13分鐘）見下圖。
根據(jù)歐洲能源監(jiān)管委員會(huì)（CEER）的數(shù)據(jù)，德國(guó)的電力供應(yīng)安全是歐洲最好的。在CEER 2018報(bào)告對(duì)2016年數(shù)據(jù)的比較中，德國(guó)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(duì)電力供應(yīng)的安全幾乎沒有影響，甚至更好。
上述事實(shí)表明，單純?cè)u(píng)價(jià)電源的波動(dòng)性本質(zhì)上是沒有任何意義的，因?yàn)樗械碾娫炊际遣▌?dòng)的，都要在電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)平衡。歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)出版的《歐洲大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)研究報(bào)告》顯示，在風(fēng)電作為供電主力的電力系統(tǒng)中，公認(rèn)的看法是在既有的電網(wǎng)框架與運(yùn)行規(guī)則下，風(fēng)能可以滿足大型電網(wǎng)電力需求的20%甚至更高，而不會(huì)造成嚴(yán)重的技術(shù)或?qū)嶋H問題。事實(shí)上，2018年丹麥電網(wǎng)中的風(fēng)電比例已經(jīng)超過40%。
全球范圍內(nèi)，對(duì)風(fēng)電與電力系統(tǒng)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(zhàn)之一就是如何有效地大量并入歐洲電力系統(tǒng)中。當(dāng)時(shí)有很多觀點(diǎn)認(rèn)為風(fēng)電不穩(wěn)定，無法大規(guī)模并網(wǎng)，而這些疑慮在如今已不復(fù)存在。7年前，中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)全文翻譯發(fā)表了美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）撰寫的《破解風(fēng)電迷思》引發(fā)了風(fēng)電行業(yè)對(duì)風(fēng)電能否順利并網(wǎng)，如何控制波動(dòng)性等問題的討論。
7年后的今天，我們?cè)俅螄L試解釋這個(gè)問題，希望無論在行業(yè)內(nèi)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(biāo)簽”導(dǎo)致對(duì)“波動(dòng)性能源會(huì)導(dǎo)致突然斷電”的無謂擔(dān)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(dǎo)致的復(fù)雜問題，歸因?yàn)椤翱陀^的技術(shù)挑戰(zhàn)”。
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(jì)層面減少各項(xiàng)非技術(shù)障礙，進(jìn)一步提升電力系統(tǒng)中的風(fēng)電比例，讓清潔低碳的可再生能源在能源轉(zhuǎn)型、減緩氣候變化和保護(hù)環(huán)境方面發(fā)揮更大作用。