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【国际报告】IEA:转型中的电力系统——电力安全面临的挑战和机遇(I):能源转型中的电力安全


【编者按】近日,国际能源署(IEA)发布《转型中的电力系统——电力安全面临的挑战和机遇》报告,分析了电力部门正在进行的多种深刻转变,首次同时讨论了电力安全的3个关键点:能源转型背景下更高比例可再生能源、信息网络安全风险和气候变化对电力系统的影响。此外,还探讨了多种新技术、需求侧响应以及其他部门电气化的作用。报告描述了现有的电力安全框架,并为决策者适应当前的各种变化提供了最佳实践案例及建议。报告正文共4章,分别是能源转型中的电力安全、信息网络安全韧性、气候韧性以及政策建议。限于篇幅,本条微信消息编译了第1部分内容,与各位读者一起分享,其他内容将在今后陆续发布,感兴趣的读者也可直接阅读原报告。如转载请标明译文来源。

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电力对社会繁荣至关重要。电力是所有现代经济的有机组成部分,从医疗保健到银行,再到交通运输,各种关键服务都离不开电力的支持。因此,供电安全至关重要。电力行业正在经历根本性的变化:波动可再生资源(VRE)快速增长,数字化扩大了信息网络攻击范围,气候变化导致极端天气事件增。作为应对,政府、业界和其他利益相关者需要通过更新的政策、法规和市场设计来改善其框架,以确保电力安全。

能源转型中的电力安全比以往任何时候都重要

清洁能源转型将给全世界的电力系统带来重大结构性变化。在过去十年,VRE发电经历了爆发式增长。光伏和风力发电成为最便宜的电能之一,为实现气候变化目标做出贡献,并将持续甚至加速发展。在IEA可持续发展情景中,到2040年,VRE在总发电量中的年均份额将达到45%。

VRE的快速增长将有助于减轻对传统燃料安全的顾虑,但要求电力系统必须快速提高灵活性。而当前为电力系统提供绝大部分灵活性的常规发电厂发展停滞或逐步退出,特别是煤电厂和核电站。与此同时,在需求侧,电气化将增加电力需求,而新技术和数字化将使消费者在逐渐去中心化的电力系统中发挥更积极的作用。

电力行业格局正在急剧变化,新趋势要求更新电力安全框架经过一个多世纪发展,大多数中等和高收入国家的电力供应可靠性已经达到了很高水平。现有的电力安全框架建立在一个多世纪的经验、相对成熟的技术选择和充分掌握风险的基础上。但是,过去的经验在越来越多的国家和地区已经不再适用,不足以为未来做准备。受监管的区域垄断电力市场已被分类竞价的竞争体系所取代;光伏和风力发电占比不断提高,对整个系统的灵活性以及风光发电功率预测精度提出了更高要求;光伏和风力发电作为没有惯性的非同步发电机也给系统安全运行带来挑战;分布更广泛的可再生能源系统可以比集中式系统更具韧性,但要求操作人员具有更强的态势感知能力;电网运营商将越来越依赖需求侧响应作为关键的系统灵活性来源;为了管理日趋复杂的电力系统,数字信息技术的作用正呈指数级增长,但也带来了信息网络安全威胁。电力系统必须应对各种新旧威胁,包括充裕性、运行安全和韧性,传统的电力安全框架已无法应对这些变化。政策制定者和系统规划者面临的挑战是更新政策、法规和市场设计功能,以确保清洁能源转型期间的电力系统安全性。

表1 电力系统趋势及其对电力安全各个方面的潜在影响

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确保电力供应安全要求适当的治理。监管者将在确保能源转型期间的电力安全方面发挥重要作用,包括修改法律、调整市场设计和标准,以反映电力系统供需两方面越来越大的变化,以及信息网络安全和气候变化等新威胁。例如,为了支持可再生能源安全接入电网并管理电网安全运行风险,美国联邦能源管理委员会于2018年2月发布了第842号命令。它要求所有新的发电机(无论大小或技术)都能够提供一次频率响应作为接入电网的先决条件,这是一种用于应对供需突然变化的特定辅助服务。同样,欧盟在2016年要求所有新接入电网发电设备应具有基本的辅助服务功能。这为未来更高占比VRE和分布式发电的运营规则和市场平衡铺平了道路。

需要更多方参与的超越传统管辖边界的综合规划。电力系统可靠性面临的新威胁和正在出现的威胁对电力规划框架提出了挑战。日益一体化和协调的规划框架提高了透明度,向市场参与者和一般利益相关者提供信息,通知项目开发商、电网运营商和政府部门,协调发电和电网方面的投资,还有助于预测低概率但影响大的事件的潜在结果,以保证整个系统在满足成本效益和安全前提下实现转型过渡。新的规划方法必须扩大传统范围并更具协调性和综合性,包括:跨不同司法管辖区的区域间规划和平衡区域、对多种供需资源进行综合规划、电力部门与其他部门之间的综合规划。由于中低压配电网中有越来越多的分布式电源,一方面在分布式电站集中的地区,电力从配电网向输电网反向流动会变得越来越普遍,必须保证安全管理;另一方面,大部分配电网需要管理双向电力潮流,其电压管理、保护方案和操作规程都需要升级和修改。输电系统运营商和配电系统运营商之间更紧密的协调对于应对这一变化非常重要。决策者可以确保将传输和分配规划过程更好地与发电规划相融合,特别是在配电运营商开始考虑系统灵活性时。同时涵盖电网、新发电装备、储能和其他灵活性资源的规划导则将在电力拓展过程中发挥关键作用,并能够更好地预见低概率但影响大的事件。

能源转型将带来VRE的大幅增长。低成本的VRE发电大规模部署,为世界上许多电力系统运行方式带来显著的变化。

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⬆ 图1 2015—2024年VRE在全球电力结构中的份额

低碳可调度资源(如核能)在能源领域的作用降低。核电站尽管具有低碳、可调度的特点,而且在某种程度上属于灵活电源,但在全球范围内,核电站的数量正在下降。IEA在《清洁能源系统中的核电》(Power in a Clean Energy System)报告中预测了一种核电衰落情景,探讨了在未来几十年内,如果在延长寿命或新建项目上没有任何额外投资时可能发生的情况。这种情况越来越可能在发达经济体的未来几十年里发生:到2040年,发达经济体的核电装机容量将下降三分之二,从2018年的约280 GW下降到2040年的90 GW。欧盟的降幅最大,核电在发电量中所占的比例将从2018年的25%下降到2040年的不足5%。

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⬆ 图2 新政策情景与核电衰落情景下的全球核电装机容量

预计生物质等其他发电形式将增长,但增长速度比煤电和核电的下降要慢得多(在既定政策情景中,装机容量从2018年2.0%增长到2030年的2.2%)。配备了CCUS的发电厂等新技术的发展速度也远远低于实现可持续发展所要求的速度。所以,存在风电和光伏以外的其他低碳技术的增长不足以弥补煤电和核电退出的风险。促进氢能产业已经写入各种政策倡议,如果氢能在未来十年内扩大规模,作为长期的储能形式具有强大的发展潜力。

能源转型将改变每一个电力系统的多样性——应对冲击的脆弱性正在改变。到目前为止,风电和光伏已经为发电结构的多样性做出了积极贡献,由于是本地资源,燃料进口国可以减少进口费用并增加自给自足。风电和光伏发电有助于实现多样化的发电结构,可以减轻因燃料供应中断和价格波动而产生的风险从而改善电力安全。相比大型火电厂则需要较长的时间才能恢复正常运行,小型发电机,例如分布式风电和光伏,有很大潜力帮助大规模停电事故后的电力恢复。这些是增加风电和光伏比例后提高的电力安全性的积极方面。以中国为例,从严重依赖煤炭向增加风电和太阳能发电过渡,到2040年,发电结构的多样性将显著增加。

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⬆ 图3 中国的发电结构预测(既定政策情景STEPS与可持续发展情景SDS)

(注:HHI指数(The Herfindahl-Hirschman Index)经常被用作多样性的指标,HHI越低,表示结构越多样化)

展望未来,一些地区的供电系统可能会面临发电结构多样性的减少。欧洲电力市场实现了许多国家电力系统之间高度互联,拥有多种能源形式,包括天然气、煤炭、核能、水力、风能、太阳能和其他能源。发电形式的多样化为横跨更大地区的供电安全提供了信心。由于某些发电形式的装机容量可能会下降,未来电力系统的多样性将主要体现在低碳发电组合、供给和需求侧响应的灵活性以及日益提高的电网互联方面。

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⬆ 图4 欧盟的发电结构预测(既定政策情景STEPS与可持续发展情景SDS)

当前电力系统的投资低于所需水平会给未来带来风险。尽管近年来风能和光伏已经取得了令人瞩目的增长,但电力部门的整体投入似乎不足以应付即将到来的安全挑战。为此,IEA《2020年世界能源投资报告》描绘出一幅严峻的场景。新冠疫情之后,全球在能源领域的投资将在2020年下降20%(4000亿美元)。与电力部门相比,石油和天然气上游部门受到的负面影响最大。尽管如此,2020年电力的总投资将下降10%。这场危机预计将使全球电网的投资进一步下降9%,该数字在2019年已经下降了7%。此外,2019年新的大规模可调度低碳发电厂的审批也减少了(水电和核电是十年来最低水平),天然气电厂投资停滞,电池储能投资趋于稳定,这些趋势显然与可持续和弹性电力系统的未来需求不符。

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⬆ 图5 2010—2020年全球电力行业的年均投资以及到2040年的需求

保证电力可靠性的服务应该相应发展。除了控制系统总成本并确保必要的投资速度之外,决策者还需要考虑到未来的低碳发电结构需要采取专门行动来确保系统安全。无论各国遵循既定政策情景(STEPS)还是可持续发展情景(SDS),VRE的份额在全球范围内都将很高,在一些地区将非常高。这意味着技术和经济挑战与传统电力系统面临的挑战存在根本差别。

为研究VRE占比不断增长给电力系统带来的影响、挑战以及为实现增长目标应优先解决的问题,将VRE发展分为6个阶段。虽然电力系统不会从一个阶段剧烈过渡到下一阶段,但是分阶段的框架可以帮助确定机构、市场和技术措施的优先级。例如,与灵活性相关的问题将在成为第3阶段特征之前在第2阶段逐渐显现。

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⬆ 图6 VRE并网的不同发展阶段

世界大多数电力系统目前仍处于第1到第3阶段,VRE在年发电量中的份额最高10%-20%。但是对于大多数国家来说,总体趋势是VRE并网将迈向更高阶段,预计许多国家将在未来几年进入第4阶段。在较高的阶段,以光伏和风电为代表的高比例VRE发电将减少系统的转动惯量,使系统在维持稳定性方面面临挑战。

确保足够可调度资源的可用性已成为保证电力系统可靠性的主要考验。尽管煤炭和石油越来越多地退出电力系统,但其他主要的化石燃料发电技术(天然气)的作用仍在激烈辩论中。新型天然气发电厂作为一种灵活性资源占有重要的地位,通常可以在较短的时间尺度内投入使用,同时与煤炭和石油相比更加低碳。电转气技术还具有进一步减少或消除净CO2排放的潜力。总体而言,这并不影响生物质、核能或水电的作用。公众的讨论通常围绕一些分歧:低碳电力结构中是否需要天然气,它是转型中的过渡还是电力系统实现完全脱碳的阻碍。

政策制定者应注意,及时将整个经济体的净排放降到可接受的水平,并不一定必须完全消除电力系统中非常少量的排放。如果能够在非常少的系统满负荷运行时段获得相应的收益,那么灵活天然气调峰电厂可以以可行的方式为低碳系统提供安全保障。但是,在当前市场条件下,低碳情景中依靠天然气电厂调峰的情况不会自发实现。承认天然气(或其他)化石燃料发电在安全的低碳电力结构中的作用,聚焦在确保充足性和补充性,并促进低碳技术的部署。

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⬆ 图7 到2030年不同发电技术净增加的可调度发电容量

显然,在电力系统中允许一定程度的碳排放会增加其他难以减排行业(例如工业和交通运输)的压力。这需要基本政策问题去平衡其他部门的努力并规避风险。未来,电池储能的技术突破、可再生合成燃料推广以及需求侧响应的大规模增加都可能会减少或替代当前对天然气发电灵活性的需求。

依赖燃气发电保证电力充足性,使电力安全与天然气供应密切相关。在许多电力系统中,随着VRE占比的增加、灵活性发电的减少,电力系统在尖峰负荷且风光出力不足时更加依赖天然气发电,使得供电安全与天然气供应能力之间联系紧密。因此,有必要评估天然气系统的供应能力,尤其是在考虑国内天然气生产下降和潜在的储气站关闭时。

未来十年,欧盟的能源系统将加速上述转型,光伏和风电的年发电量将增加一倍,而同期煤炭和核能发电量几乎将减少一半。燃气发电对于满足极端天气事件的尖峰负荷将变得至关重要,其发电量比2018年峰值时高约85%,天然气的需求也相应增加。

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⬆ 图8 2018和2030年欧洲西北部单日用电量峰值

数字化将愈发重要。政策制定者需要更新保证供电安全的技术目录,并恰当描述其贡献。还需要利用在运输和供热等其他终端用能电气化的过程中的数字化增加的能力,降低供电安全的成本。从运行的角度来看,数字化和电池储能等技术可以使决策者和系统运营商有更多手段来维护供电安全。数字化技术可以使许多终端设备通过调整负荷来响应电力系统在关键时刻的需求。电池储能能够在短时间注入功率,避免系统发生连锁事故。深度电气化将要求利用数字化来控制一系列电气设备,在响应价格信号或与电力系统运行压力相关的技术订单之后,这些设备可以临时降负荷。

储能、VRE和电动汽车等新技术将改变供电安全观念。更大范围的互联电网可以利用地理分布来平滑需求曲线以及太阳能和风能的波动。需要新的方法评估各种电源和不同程度需求侧响应给大规模电力系统充裕性带来的影响,政策制定者需要定量分析电网互联带来的抑制波动作用。风能和光伏输出在特定地区具有一定的互补性。特别是海上风电有较高的容量系数,可以更大程度通过调度满足负荷曲线,大地理范围的风电场比各独立的风场输出功率更稳定。但是,这种平滑效果是有限度的。在极端天气等运行方式下,可调度的发电资源、储能以及更智能的电网和灵活性负荷至关重要。

电池技术和需求侧响应技术在容量规模和性能方面正不断提高,可以为系统提供分钟级和小时级的灵活性,这对电力系统接入更高比例VRE方面有重要作用。但两种技术无法提供周或月时间尺度的灵活性需求。许多国家在经历连续数日的低风速和阴雨天气时,成功通过其他类型灵活性发电和跨地区电力交易实现了供电安全。抽水蓄能是提供短期到中期储能的有效技术。电制氢或生物甲烷等新兴技术有潜力成为长期灵活性的来源。但是,当高比例VRE系统进入第5和第6阶段时,如果要提供所需的季节性储能,则仍需要进行技术开发以降低其商业规模应用的风险,这些挑战取决于当前的技术成熟度。各种关键技术的突破,有望在未来几年以合理的成本提高含非常高比例的风能和光伏的电力系统安全性。

新技术需要新的规划工具,概率分析提供更好的供电安全评估。决策者、监管机构和系统运营商可以放弃过去采用规划裕度限制的确定性方法,通过考虑各要素波动性及相互影响的概率仿真,来提高评估电力充裕性的准确度。通过仿真,可以更深入地了解系统各要素对供电充裕性的影响,包括:VRE 波动性、发电机和输电线路的中断、区域互联可用性、系统裕度和主要意外事件、负载波动性、需求响应。仿真可以把发电和输电故障统计结合到电力系统的详细物理拓扑中,模拟所有技术的不同随机故障模式,这提供了更准确的答案,并可以给出可能结果的统计分布图。

市场设计应使有供电压力时间段的电力有更高的批发价格。在不断发展的系统中,保持供电安全所需的服务也将不断演变。更重要的是,要核实电力部门的参与者是否获得适当的激励措施,不仅提供清洁能源,而且提供净峰值负荷能力、灵活性和储备等服务。为确保安全运行,政府和监管机构应确定可接受的供电中断水平。决策者必须考虑客户对电力的价值以及有限停电的经济和社会影响——这正是可靠性标准的作用。监管者需要创建能够带来所需安全水平的市场和投资框架。市场不仅必须像传统电力系统那样提供峰值容量,还要提供确保系统安全运行所需的所有服务。或者通过行政管理或市场设计来满足预期安全水平所需的各种资源,决策者应确保认可系统中所有形式的灵活性,并使其以经济上合理的方式为系统提供服务,以减少整体系统成本。

本文内容节选自IEA,不代表本刊观点,编者水平有限,内容请以英文原文为准,版权归原作者所有。读者可登录IEA官网(www.iea.org)免费下载报告全文,或直接点击文末阅读原文下载。小编加班不易,如转载请标明译文来源于全球能源互联网微信公众号。

全球能源互联网,以清洁和绿色方式满足全球电力需求。

GEI meets global power demand with clean and green alternatives.

编辑:李锡

审核:白恺


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