秦海巖：風電“間歇性”真會影響電網安全嗎

　　2018年9月，美國加州州長Jerry Brown簽署“參議院100號法案”，正式將“加州清潔能源發電利用達到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，加州將實現零碳電網。

　　

　　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。根據丹麥能源組織DanskEnergi的數據，丹麥2018年風能發電量已經占全國電力消費總量的40.8%。

　　

　　在歐美國家清潔能源發展大踏步前進的同時，中國近幾年風電和光伏的發展其實也非常迅猛，但對新能源電力并網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。

　　

　　盡管已經大力發展了幾十年，但仍然存在一個十分普遍的觀點，風力發電具有“間歇性”、“波動性”，不如火電“穩定”，因此不是安全的電力供應。甚至還有人認為，減少燃煤發電且大力發展新能源和分布式能源供應，會進一步加劇電網的不穩定性，從而降低電網投入的積極性，最終影響城市民眾的用電安全。我國“三北”地區近年來不太合理的高比例“棄風限電”現象，也被誤讀為是因為風電光伏的“間歇性”和“波動性”無法滿足城市用電的發展需求而造成的。

　　

　　

　　作為風電從業人士，筆者根據國內外研究成果，嘗試對幾個容易引起誤解的基本問題做些解答，希望用事實還原風電的真正面貌，幫助消除社會上對風電的一些誤解。

　　

　　風機良好的布局，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機沒轉起來，就懷疑風電的是否因為不穩定而被棄用。還有人覺得無風的天氣、風機不轉，靠風力發電的地區是不是就徹底停電了？

　　

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

　　

　　實際上，電力系統中的風電不能割裂開來分析，應將其視作一個整體。也就是說，我們不能獨立于電力系統其他部分來分析風電到底是不是穩定可靠。

　　

　　也許我們看到的是某一臺風機停了，或一個風電場都停了。但從整體看，風能資源所能發出的電放到整個電力系統中，它并沒有全部停止。隨著并網風電機組的增多，風電在電網中的變化就會越來越小。對于整體的電力供應而言，除非發生所謂的“風電機組連鎖脫網事故”，某臺風電機組或某個風電場的風停了不會產生很大的影響，這就好比涓涓細流匯入汪洋大海，不會激起一絲漣漪。

　　

　　分布在更廣泛區域內的風電機組，對付突發和極端事件也更容易一些。比如極端臺風天氣需要停機，這時可以調動更大區域的風電場來應對這一挑戰。

　　

　　臺風來襲的時候，單臺風機必須立即停機，從“滿發”（即滿功率發電）的狀態直接降到零出力。但更大范圍內的風電機組，不會立即全部停機，而是隨著臺風的進展，利用大風天氣條件，加緊“滿發”再逐漸停機，反而能搶到更多發電量。理論上，隨著風電場裝機容量的增加以及空間分布區域的增大，風電功率的相對波動也會變得越來越平緩，具有明顯的“平滑”效應。

　　

　　圖：單場、地區、全省風電匯聚效應曲線對比

　　

　　上圖分別是我國東北地區某省風電的單場、地區、全省的匯聚效應曲線。全省的匯聚效應曲線是三者之中最平滑的，并且全年中都處于發電狀態。也就是說，即使是波動性電源，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“風電不可靠，根本無法大規模并網應用；并網容量越多，越會威脅到整個電力系統的安全”這個誤導性說法相反的事實是：更大規模、布局良好的風電，會更大程度上保障該區域供電穩定。

　　

　　

　　首先要建立的觀念是：電力系統，包括供電和用電，其本質上是高度不穩定的，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、事故等原因會造成用電量的突然變化，導致某一地區用電負荷不同時間尺度內的不穩定。例如，夏天極端高溫或冬天突發寒潮，會造成數百萬人同時打開電力設備來制冷或取暖，對電的需求就會突增。開燈或者關燈，生產線的啟停機，都會對用電量帶來波動性影響。

　　

　　而就供電側而言，所有的電源都可能發生波動，沒有哪一種電站或供電類型是完全穩定的，所有的系統也都可能在某一點發生故障。比如傳統大型電廠為了滿足電網調度的要求或計劃停機等，這都會造成瞬間輸出波動。

　　

　　有數據顯示，火電廠非計劃停運造成的損失平均占其發電量的6%。一個火電廠或核電站輸出的波動，往往瞬間發生，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。

　　

　　瞬間波動導致整個電力系統崩潰的事故也屢見不鮮。例如2003年波及北美8個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修剪樹木，觸到高壓電纜造成短路。這就是一家發電廠下線產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發生變化，只單純地說風電的“波動性”可能造成電網的“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，而不是性質的區別。作為從業者，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提高可靠性與效率。

　　

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

　　

　　其實，我國風電的運行管理水平與這些國家的差距已經非常接近，隨著智能運維水平和預測準確率的提升，風電的出力預測已經可以滿足電網調度的需要，主要的問題是電網如何改變調度策略。

　　

　　

　　圖：2013 年風電發電量時段統計曲線

　　

　　

　　可預測的風電變化，相對于傳統電力系統，并沒有導致電力系統更不可靠。筆者試著引用德國風電“間歇性”與持續中斷時間關系的一個數據，來印證上述觀點。

　　

　　基于國際“系統平均中斷持續時間指數”（下文簡稱SAIDI），德國聯邦網絡局（BNetzA）的數據顯示，2006年到2017年，德國可再生電力生產的份額從11.3％上升到了33.1％，主要來自風能和太陽能發電站等“波動來源”；而每年每位消費者平均停電時間從超過20分鐘，降低到只有15分鐘（2016年為13分鐘）見下圖。

　　

　　

　　根據歐洲能源監管委員會（CEER）的數據，德國的電力供應安全是歐洲最好的。在CEER 2018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有影響，甚至更好。

　　

　　上述事實表明，單純評價電源的波動性本質上是沒有任何意義的，因為所有的電源都是波動的，都要在電網中實現平衡。歐洲風能協會出版的《歐洲大規模風電并網研究報告》顯示，在風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框架與運行規則下，風能可以滿足大型電網電力需求的20%甚至更高，而不會造成嚴重的技術或實際問題。事實上，2018年丹麥電網中的風電比例已經超過40%。

　　

　　全球范圍內，對風電與電力系統的理解也是在不斷更新的。早在15年前，歐盟委員會提出風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。當時有很多觀點認為風電不穩定，無法大規模并網，而這些疑慮在如今已不復存在。7年前，中國可再生能源學會風能專業委員會全文翻譯發表了美國國家可再生能源實驗室（NREL）撰寫的《破解風電迷思》引發了風電行業對風電能否順利并網，如何控制波動性等問題的討論。

　　

　　7年后的今天，我們再次嘗試解釋這個問題，希望無論在行業內外，能有更多人更充分地了解風電這種清潔能源，不讓“間歇性”和“波動性”這樣的“標簽”導致對“波動性能源會導致突然斷電”的無謂擔心；也不能把“棄風棄光”這些實質上由于體制約束和利益格局沖突導致的復雜問題，歸因為“客觀的技術挑戰”。

　　

　　相反地，作為風電從業者，筆者期待看到從決策者到從業者，可以更多地從政策和經濟層面減少各項非技術障礙，進一步提升電力系統中的風電比例，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境方面發揮更大作用。