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破解風電迷思

2015-07-16 來源:美國國家可再生能源實驗室(NREL)作者:Michael Milligan、Kevin Porter、Edgar De Meo 瀏覽數:1358


  4、風電很難預測嗎?
  通過數值天氣預報模型和數據統計等多種方法,可以對風能進行預報,從而預測風電出力情況。相對于負荷預測,風能預測是一個新興事物,準確性也不如前者。目前的經驗表明,大多時候風電出力情況是可以預測的,只是在程度和時間上會有誤差,所以電網運營商可能對某一種預測的不確定性以及整體預測的準確性更感興趣。風電的短期預測要比長期預測準確得多,對于單個風電場,提前1到2小時的預測平均絕對誤差在5%~7%(相對于風電裝機容量),而提前一天預測錯誤率將達到20%。
  圖6顯示了風能預測的巨大集群效應。如圖所示,750公里以上范圍的風電集群預測誤差降低了50%。圖中顯示了誤差率已經降至區域預測和單一風電場的標準誤差(RMSE)之間,以上數據是基于對德國40個風電場所發電量的測量結果得到的。德國的一些其他研究顯示,對于一個獨立風電場的典型風能預測誤差約為該風電場裝機容量的10%~15%標準誤差(RMSE),而對未來一天某一區域的誤差率降至6%~8%,對于整個德國的風能預測誤差降至5%~7%。如標準誤差(RMSE)法所測算的那樣,綜合應用不同的風能預測模型,也能提高最多20%的風能預測精度。
  更重要的是,預測誤差對于單個風電場的影響并不大。對于所有風電場的整體預測誤差才會影響到發電和調度。
  5、風電并網成本是不是很高?
  當風電成為電源之一時,風電并網成本是除風電以外的電力系統設計和運行的額外成本。一般地,風電占比達到20%時,因風電所增加的平衡成本約為風電整體銷售價的10%或更低。在不同的平衡區域(或電網覆蓋區域)接入風電所產生的影響大不相同,這取決于區域規模、資源配置以及風電的地理分布情況等因素。
  風電的變化并不與負荷的變化完全一致,這意味著現存系統變量能夠攤配一定的風電變量,也意味著電力系統中這種新變量成分的介入,并不會恰巧導致總變量或極端變量的增大,因為與極端變量重合的幾率微乎其微。總的變量取決于各變量平方和的平方根(而不是算術和),這表明用于平衡除風電外的凈負荷變化的備用容量要低于單獨用于平衡負荷變化與單獨平衡風電變化的備用容量之和。
  風電在較大的消納區域內的并網運行成本要比在較小的區域更低。如果風電遍布整個區域,那么每臺機組的波動降低而整體的預測能力會提高,這樣就降低了并網的成本。可能需要更多的運行備用容量,但不一定非要增加新的發電廠。按照風電占比較高的國家和地區的經驗(風電占整個電力需求的5%~20%),風電場建成后已有備用容量得到了更多的利用,而不需要新增備用。

  6、風電需要新的輸送通道嗎?這樣會增加風電成本嗎?
  歷史上,美國在接入新電源時需要同步建設新的輸送通道。1930、1940和1950年代的聯邦水電開發都包括輸電設施建設,設備都歸聯邦政府所有。1960和1970年代的大型核電站和火電廠建設,催生了洲際電網。同樣,芬蘭、瑞典和意大利也建造了輸送水電的線路。在美國及世界其他地方發展風電,也同樣涉及到建設新的輸送通道問題,為滿足不斷增長的電力需求,保證電力的穩定可靠以及接入除風電以外的其他電源,輸送通道建設勢在必行。
  圖6 集群風電場的風能預測誤差因空間平滑效應而減小
  一些研究發現,盡管風電輸送通道造價高昂,消費者仍然受益,原因在于風電取代其他發電方式能夠降低發電成本。電網協調系統規劃(JCSP),即美國東部電網公司關于輸電和發電規劃的概念性設計顯示,假設2024年20%的電力來自風電,收益成本比率將從1.7降至1。另外,與電力生產成本(如燃料、運行和維護等)及開發電力所需的資本金相比,電力輸送支出在消費者所有電力支出中的比重,已經微不足道。電網協調系統規劃(JCSP)研究表明,增加的傳輸成本預計將占2024年全部能源銷售額的2%。
  7、風電需要備用電源嗎?是否會因啟動備用電源而消耗更多的化石能源?
  在電力系統中,必須維持發電量和用電量之間的持續平衡。電網通過控制發電來遵循總需求量的變化,而不是遵循某一個發電機組變量或某一個客戶負荷的變化。當風電接入電力系統中時,凈負荷變化成為電網運營商的操作對象。電網針對某一個發電站的變量或某一個用戶用電量的變化進行調整的成本相當巨大,事實上,也沒有這個必要。在這種情況下,并不要求有專門針對風電場、其他發電廠或個體負荷變化的備用電源,否則將是對電力資源的誤用和浪費。
  至于風電的并網是否會導致更多化石燃料消耗的問題,可以這樣理解,風力發出的1度電替代了通常由化石燃料發出的1度電,由此風電減少了化石燃料的消耗和污染物的排放。但是因風電變量而增加的備用容量(無論是熱備用還是計劃備用)本身也會消耗燃料和排放污染物,所以在替代效果上會小于理論值。但是需要多少的備用容量呢?迄今為止,大量的研究發現,風電所需的備用容量只占了全部風電容量的一小部分,且隨風電的出力情況而變化。通常來講,有些備用容量是熱備用,有些是計劃備用。調峰電廠在強制降功率運行時,會增加單位出力的燃料消耗和污染物排放量。
  一個保守的例子可以用來說明風電管理規范對燃料消耗和排放所產生的影響。比較3種情況:(1)由化石燃料電廠生產一定量的電能;(2)由風電生產同樣多的電能且不需要增加備用;(3)由風電生產同樣多的電能且需要增加備用。假設第一種情況和第三種情況中有關化石燃料的平均利用率沒有發生任何變化。從嚴格意義上講,這并不十分精確,而是需要進行復雜的模擬實驗才能定量地說明這一問題。事實上,對此已進行過一些研究,驗證了這個簡單的例子所得出的結論。
  在第一種情況下,消耗了一定量的化石燃料;在第二種情況下,節省了這些燃料,并避免了由此產生的排放;在第三種情況下,假設需要3%的化石燃料電源作為備用(熱備用),并假設其有25%的效率損失,那么備用電源所耗燃料則相當于第一種情況中所用燃料的4%。因此,相對于第一種情況,第三種情況實際上減少了96%的燃料消耗和污染物排放,而不是100%。但是,最初預估的燃料節約量總體上是正確的,認為風電的變動性實際上會增加系統中燃料消耗的觀點是站不住腳的。
  英國能源研究中心的研究證明了上述例子的正確性。該中心綜合了四項研究結果,這四項研究都直接論述了由于增加運行備用以及化石燃料機組降功率運行,風電的接入是否會造成二氧化碳排放量增加這一問題。該中心認為,在風力發電占比為20%的情況下,因風電并網造成的“效率損失”僅為7%,幾乎可以忽略不計。

標簽:

電網
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