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秦海岩:不要让并网标准杀死新能源产业

导读: 《风电场接入电力系统规定》GB/T-19963-2011自发布以来已经执行到了第六个年头,当时风电行业内关于这个标准的争议和讨论,以及随之而来的大改造过程和几十亿元的改造投入还历历在目,岁月如梭,新的一轮修订工作已经开始。

风电场接入电力系统规定》GB/T-19963-2011自发布以来已经执行到了第六个年头,当时风电行业内关于这个标准的争议和讨论,以及随之而来的大改造过程和几十亿元的改造投入还历历在目,岁月如梭,新的一轮修订工作已经开始。

秦海岩:不要让并网标准杀死新能源产业

过去的6年新能源发电高速发展,技术革新日新月异,由微不足道的补充电源成为了占比5%的重要替代能源。遗憾的是,当时寄希望于用规范的电网技术标准来解决刚露苗头的技术矛盾,也许收到了短时的效果,但旋即就在更大更难解决的体制和利益矛盾面前一溃千里,弃风弃光问题逐年恶化。时至今日,我国在电力系统整体技术水平并不落后的情况下,以高于世界常规水平10-20倍的限电率(部分地区限电率高达30%-40%)为代价,维持运行着仅相当于美欧等国一半甚至几分之一电量贡献率的新能源电源。

常年的弃风弃光以及新能源、火电、电网、政府机构之间交织的利益格局冲突,已经剪不断理还乱,一段时间出现了一种倾向,即想尽办法把弃风弃光这样实质上由于体制约束和利益格局冲突导致的复杂问题,描述为“客观的技术挑战”。

这显然对很多方面是有很大好处的:因为局部利益没理顺而导致新能源的空前浪费,相关各方毫无疑问难逃“不顾大局”的诟病;如果主要因为“技术挑战”导致不能消纳,则变成了大家都不得不尊重的“客观现实”。如果事情仅止于此,倒也无伤大局,毕竟现状是体制与利益矛盾交织的产物,不能简单归咎于任何一方,更不能归咎于个人。如果上上下下都认可“技术上不可解决”,起码可以让企业和个人不要承受太大的压力。

然而,如果演员入戏太深,假戏真做,开始为某些似是而非的“技术挑战”找起解决手段来了,还强行让新能源企业为这些手段买单,那问题就变味了。新能源装机是全社会的财富,尤其是一多半都是央企的资产,都是人民的财产。人民的血汗钱不是天上掉下来的,投资了清洁发电资产却不让发清洁电造福社会,非要烧煤,这先按下不表,还要再往里面砸进巨额的改造费用,去圆那些个“技术挑战”的戏码,这个问题就严重了。新的《风电场接入电力系统规定》以及一系列分项细则行业标准,就在这个阴影下,在2015年底启动。

如果说弃风弃光问题恶化的头一两年,业内还有很多争论的话,现今恐怕矛盾各方从上到下都不会否认,资源是否能够市场化配置,或者经济低碳最优配置,局部利益与全局利益、短期利益与长期利益之间的冲突,才是这个问题的源头和关键。无论是欧洲还是北美,当他们的新能源电量占比达到我们目前水平的时期,其无论整体电源装备还是信息化水平都远远不如今天的我们,一次能源结构也只有少数比我们条件更好,可他们几乎没有限电,至今如此。因此,指望靠提高某些技术要求就能“解决机网协调问题”,恐怕连提出来的人自己能够相信多少都是个问号。

具体的标准修订内容很多,三天三夜也讨论不完,仅仅举几个例子吧:

新能源必须提供模拟转动惯量、强制参与一次调频

“转动惯量”是指传统发电机转子的物理转动惯量在电力系统动态特征中的表现;“一次调频”是指系统中的部分电源应当留有一定的出力冗余,并且自动根据实时测得的系统频率快速调整,以在系统中发电和用电突然产生较大的不平衡,频率快速偏离50Hz工频的情况下,尽快将系统频率支撑住。两者均是传统理论中电网频率稳定的关键因素之一。

2015年9月华东电网锦苏线出现闭锁故障,系统瞬间丢失了约500万千瓦电源,随后的频率下跌远超预期,实际原因是网内电源(主要是大容量火电)一次调频能力严重不足,区外特高压直流电力大量馈入导致系统转动惯量下降,以及原有仿真建模需改进等等(见《电力系统自动化》2017, 41(7): 149-155,华东调度主导的事故分析)。但神奇的是,此次事故原因随即被迅速引申到新能源行业,提出了“新能源电源不具备常规的转动惯量,严重减少了全系统转动惯量,因此频率下跌更快”,“新能源电源必须参与调频”,最后不断演绎,终于炼成了一套“虚拟同步电机”理论,也就是要求新能源电源必须在任何特性上都符合传统的同步电机模型。真正导致系统惯量减少的原因“大容量特高压直流馈入”反而被有意忽略了。新能源成为特高压输电的“专用背锅侠”。

就算忽略那个事实上的“主犯”特高压,“虚拟同步机”看似一环一环的推论,逻辑充满了似是而非和矛盾,只是行外人士不易发现罢了:

系统转动惯量的减少,是实实在在减少同步机运行的情况下才会发生的,也就是说,因为并网新能源多了而关掉相应多余的火电机组。然而事实上至今为止,两大电网公司控制区内没有任何一家调度机构会因为新能源多了而大量关掉火电(火电自身太多了导致部分被关掉自然与此无关)。他们只会让火电压低出力以空出新能源发电的空间。因为,调度需要保证,如果下一刻钟所有的风和光都没了,这些在线运行的火电站也能立即顶上支撑住所有的负荷(这个极为保守原则其实也是现在“灵活性不足问题”的根源,这又涉及到另外一个巨大的浪费,大家有时间可以去读读张树伟的文章《系统“调峰服务与辅助服务”是啥意思》,《风能》杂志2017年第10期)。因此粗略的来看,无论当天网内是否有新能源机组发电,需要并网并运行的常规机组数量并不会有很大差别。其差别只是这些常规机组是全力运行还是低载运行提供备用而已。

秦海岩:不要让并网标准杀死新能源产业

既然该在的传统机组们绝大多数都在线,谈何严重减少全系统转动惯量呢?机组带给系统的转动惯量可和它是重载还是轻载没什么关系。再退一步说,系统的转动惯量不仅仅是火电机组提供的,相同容量的水电机组提供的转动惯量远大于火电;此外还有大量的转动惯量来自于负荷侧由电网电直接驱动的旋转设备,通常是各类工业用电机。(随着电力电子拖动产业的发展,这部分正在明显减小倒是真的)。更不用说事实上特高压直流一条线路就能将上千万千瓦火电机组的惯量“归零”。由于来自特高压的远方电能实实在在地对本地电源形成了永久性的替代,这部分机组是真的停下去了,其对应的惯量自然就从网上消失了。

在这种客观事实下,竟然有人提出:只占到全网5%发电量的新能源机组“严重减少了系统的转动惯量”,岂不是滑稽而令人哭笑不得的“神推论”?

也许未来新能源真的成为最重要的电源主力的那一天,这个说法会开始有点道理,那么,悖论来了:

为什么在一个新型发电装置为主的系统中,还必须去模拟传统同步机的性状呢?为何不是反过来呢?为什么不是各取所长呢?不能因为我们研究了100年的同步电机,对它最熟悉,就形成这样的路径依赖吧?这才是科研真正应该投入的方向,而不是卯足了劲削足适履。

至于“新能源电源必须参与调频”这样的结论,就更加是借题发挥了。就华东那次事故而言,结论其实很明确:网内火电机组一次调频响应普遍不合格(大机组合格率仅30%,中小机组尚无统计)。不知什么样的逻辑能够推导出“因此新能源需要参与调频”。要知道15年底华东网境内新能源装机容量占比不过5%,平均出力恐怕1%多一点,这样的细小胳膊不知能产生多大的影响。监管机构出几个短差,下几个文件,随机抽检几个火电的一次调频响应,产生的效果足以让新能源的任何改变都忽略不计了。

其实真正的杀招在这里:参与调频的电源是必须留出足够旋转备用的!某些方面直接提出:因为必须参与调频,所以新能源电源必须常态限电其总容量的6%-10%以备不时之需,无论是不是真的不能消纳!(注意是总容量的6%-10%,新能源无论是风还是光由于自然禀赋因素通常平均利用功率也不过11%-30%,这意味着平均弃电30%以上),这不仅让我们想到了“图穷匕现”的故事。如果真的实行了这个参与一次调频的要求,再给大家粗略地算一个数:全国风电累计装机容量1.7亿千瓦,年平均功率按额定功率的25%计算,上网电价按全国平均0.5元/千瓦时,备用6%额定容量参与一次调频,将造成全国每年限电损失电量约890亿千瓦时,直接经济损失约446亿元。光伏发电由于利用率只有风电一半上下,损失比例比风电还要高得的多,基本接近于不让发电了。

为什么一个出趟差检查几次就能有效的事情,却有人想出、并力推永远放弃全网1/3以上的清洁电力,还几乎注定没有效果的解决方案呢?这其中的真实目的究竟是什么呢?

即使是新能源装机占比较高的西北东北,由于他们是毫无疑义的大送端,如果同样的直流事故发生,只会面临大量的功率过剩,那自然也不需要新能源出来顶出力,赶快麻利的切除,别发了才是正事儿。

这个“新能源调频”究竟是拿来干什么的呢? 恐怕给常态的高额弃风限电这种显而易见的违法行为找一个固定明确的“合法理由”算是一个效果,亦或者是为现有频率稳定问题找一个“背锅侠”?

风电和光伏的高电压穿越能力

所谓“高电压穿越能力”,就是说当电网由于故障等紧急情况短暂出现高于额定电压范围的电压时,设备应该能顶一段时间不要脱网以扩大事故。

随着三北地区大型特高压直流线路投产,某些机构越发急迫地要求新能源电源具备“高电压穿越能力”,而且是全世界最高的“高穿能力”。那么问题来了,模模糊糊一句“电网由于紧急故障导致网内高电压”,似乎是不愿意阐述太多细节。然而细节出魔鬼。

短暂的高电压是怎么来的呢?暂态过电压在系统中有不同的时间尺度,最短的来势凶猛的通常称为“雷击过电压”(因为主要来源是雷击),稍长的称为“操作过电压”(主要来源于设备连接状态的突变),这俩都是微秒级,至多毫秒级。从此番修改的动议来看,要求新能源电源承受的是秒级时间尺度的过电压,显然针对的不是前两位。事实上,这一要求的针对对象只有一个,那就是“特高压直流”事故导致的送端系统工频、长时间大幅的过电压。

我国建设超高压直流已有近30年历史,我国第一条特高压直流楚穗也至少是7年前的事情了,之后的溪洛渡、锦屏等特高压直流送出工程陆续投产,我国风电光伏的大规模发展也快10年了,怎么如今突然冒出了“送端系统工频、长时间大幅的过电压”了呢?

原来近期投产的项目,送端都给放在电网结构薄弱,短路容量严重不足的地方去了,而且单个容量还越建越大。2014年投产的某特高压输电工程,总计800万千瓦的输送容量,送端就给安排了近700万千瓦的新建煤电机组,剩下的稍微搭配一些新能源,美其名曰“促进新能源送出”。不成想到,投产以后几乎从未能长期达到送出500万千瓦以上的工作状态。技术上运行上问题多多,故障情况下送端电网的长时间大幅值过电压现象只是其中之一罢了。

“小的送端短路比必然带来直流故障情况下的严重过电压”,也许对于非专业人士来说这句话每个字都认识,就是不知道什么意思,但是对于直流领域专业人士来说就像是“大米饭放一个星期会馊掉”一样的生活常识。这样的一种“没有问题也要制造问题”的工程规划安排,是怎么被号称技术实力“世界最强”的电网企业给执行到底的,为什么不能稍微多花点钱绕开这个问题,圈内争议10多年了,不是我们今天讨论的对象。就说后果,那个原计划只是用来“锦上添花”,搭便车被送出的一点“新能源”怎么又躺枪成了特高压直流的“背锅侠”了呢?

据测算,单台机组改造费用约为4-7万元,对全国存量风电机组的改造费用约为50-80亿元,且1MW及以下老旧机组不具备改造条件;改造期间的电量损失也是天文数字。谁犯的错误,谁付出代价解决难道不是社会共同价值观么?为什么要新能源来背?

即使不去讨论谁付出代价的问题,就谈技术上的亡羊补牢,某些单位提出的技术指标也严重缺乏严肃性:新能源电源需要耐受1.3倍的额定电压,至于必须耐受的时长几乎每个季度都要提出新的指标,越来越长,已经向秒级迈进了,拍脑袋的痕迹极为明显。然而,还是细节里的魔鬼,这么高的持续工频电压,在我国普遍没那么高磁通冗余度的中低压箱变面前,先不说是不是首先就会点爆一批,就说大幅攀升的涌流带来的非线性电感效应,也足以让后面的新能源设备根本看不到1.3倍的额定电压了。想当然地把750kV的电压动态当作690V的普遍现象,这样的“严谨”工作态度实在让人大跌眼镜。

小结

修订草案中,似是而非的地方还有很多,例如要求风电机组具有几乎等同于“同步调相机”的无功支持能力(请一视同仁按此要求改造所有电源),要求有远超火电机组的无功响应速度,还要能解决“次同步谐波”问题,虽然这个“次同步谐波”问题是不是个真命题学术界都没个一致意见,通用解决方案更不知道什么时候才能有眉目,也许永远不会有——但是也要写进“国家标准”当中去强制要装(再一次的,直流线路在历史上可是次同步震荡事故最主要的来源之一,近来在我国某“新能源重要送出直流通道”周边也发生了这样的事故,为什么都和他有关系呢?)。

如果修订标准的目标就是把新能源一把掐死,毕竟在至今很多人眼里新能源都是个“惹麻烦的孩子”,也许这些似是而非,包藏杀机的要求还能让人理解其动机。可是这个目的谁都知道是和习近平总书记在十九大报告中提出的“加快生态文明体制改革,推进绿色发展”的理念是背道而驰的。考虑到前述这几个“锅”或远或近地都和近年来严重争议的特高压直流工程有联系,就不能不让人产生其他的理解。

特高压从提出伊始就充满争议,但有关方面排除争议大干快上,同时提出并炒作了“特高压是三北地区新能源送出的灵丹妙药”这样一个貌似合理的预期。然而西北、东北地区新建的特高压直流线路,由于规划初期无视当地电网客观实际削足适履,盲注追求“特”“大”“高”,建成至今在解决当地新能源消纳问题上几无亮点,反而造成一系列电网稳定问题。几百亿投资的工程,建成多年以来无法在设计功率下稳定运行,只能降容。反过来为了解决这些“人造”问题,又强行要求新能源电源付出巨大的经济和社会代价做技术改造,对其发展做出种种限制,以补救和掩盖这些线路和电网的技术困境。某些言论甚至直言“新能源电源的技术缺陷造成了特高压的运行问题”,完全倒因为果。

在宣传要大干快上这些巨额投资工程的时候,打出的都是“帮助新能源送出”的绿色低碳旗帜,怎么建成之后就变成了“新能源阻碍了系统运行”了呢。如此巨额投入,不能如承诺的一般“帮助新能源送出”,已经应该有人为此承担责任,至于倒打一耙的制造舆论将责任推到本应服务的对象身上,则更是全无职业精神和基本操守,并且是对国家能源转型长期战略的反动。

当然,一些宣传上仍然坚称这些工程送出了大量的清洁电力,以至于行业内很多上市企业都不得不面对外行的投资者这样令人哭笑不得的问题:“你们生产的清洁电力有多少依靠XX特高压线路送到XX电网?”以弥漫空间的电磁场形态传输流动的电能量,是如何统计出“什么样的电厂出来的能量有多少比例走了某条线路”这样言之凿凿的数字的,人类的物理学电磁学是肯定无法解释的。正如你无法说出我国岸边的海水和亚马逊河注入大西洋的水有什么一一对应的关系,更加无法说出亚马逊河水是通过哪个海峡流到上海的。“A省电网通过某条线路向B省电网送出某电源XXX电量”这样的说法绝大部分情况下没有任何物理意义。只有市场化条件下双边约束性发用电合同才能让这样的说法具有财务上的意义,而这样的电力市场在我国还是将来时。至于宣传这样的“伪命题”究竟是为了什么,自然只有炮制这些伪命题的人心中清楚。

这一连串的锅,新能源不能背,也不可能背得起;这些看似“帮助”新能源的大型基建工程,还是“不看广告,看疗效”比较好,尤其是“疗效”几乎全靠“伪命题”宣传,“副作用”却直接要命的情况下。

发展新能源已经成为全球各主要国家应对环境气候变化,实现可持续发展的普遍共识,更是我国实现低碳绿色发展理念的重要内容。近年来,我国新能源产业发展取得了举世瞩目的成就,成本大幅下降,经济社会效益逐渐凸显,但作为成长中的战略新兴产业,仍需要健康的环境和有力的支持,才能进一步降本增效,成为主流能源。这种情况下,将一些无用的技术要求纳入标准并强制执行,无疑是在扼杀来之不易的新能源产业。这从来就不是一场简单的技术标准之争。

作者:秦海岩

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