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英国国家电网:低碳化浪潮中艰难前行

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2015年12月14日 | 中国能源研究网  http://energy.chinairn.com |打印】【关闭

  2015年10月15日,英国国家电网公司如期公布了今年的迎峰度冬报告。与往年不同的是,在电力与天然气供应的预测文本之外,英国国家电网公司专门提供了一份清洁能源的预测报告。在过去的3年里,英国可再生能源发电量翻了一番,2015年第二季度,英国可再生能源发电占比已达25%,比2014年同期提升了8.6个百分点,首次超过煤炭的占比,居于第二。   作为英国可再生能源法的执行平台,英国国家电网公司在英国的低碳化进程中发挥着重要作用。可再生能源的快速发展和大规模使用,使得电网对出力预测准确性、电压、潮流、频率等参数的控制能力面对着更为严格的考验。电网对可再生能源的消纳与传输能力如何,是各类出力不稳定的可再生能源能否顺利发展的重要前提。

  西电东送治雾霾

  1926年,英国以132千伏、50赫兹的主网架建立统一的国家电网。在90年的发展历程中,英国电力用户、社会用电量和能源消耗量快速增长。

  1938年,英国国家电网的电力用户由1920年的75万户激增到900万户。1950年,英国国家电网公司预测,到1970年,英国社会用电量约为3000万千瓦。但实际上,1960年代的电力需求就已经突破了这一预测,英国国家电网不得不急速刷新电压等级,建设超高压电网,以适应汹涌而来的电力需求。

  超高压电网的出现及时解决了供需矛盾,它强大的能源资源配置能力和对于环境的重要意义也被社会所认识。英国用电需求快速增加,能源消耗量大幅提升,引发了严重的环境问题。尤其是东南部负荷中心区需求不断加大,发电厂数量和装机规模不断增长,但该区域环境容量已日趋饱和。从1952年12月5日开始,伦敦连续数日寂静无风,这导致整个伦敦笼罩在大雾之中。伦敦雾霾事件引起了社会普遍的恐慌,此后,英国走上了长达半个世纪的治霾之路。

  建设超高压电网是英国治霾的手段之一。1965年以前,英国电网主要采取就地平衡的方式满足区域供电需求。但随着东南部负荷中心区需求的不断加大,1968年以后,英国出台了一系列空气污染防控法案,针对各种废气排放进行了严格约束。超高压远程输送逐渐成为解决负荷中心区增量需求的主要方式。通过超高压线路,英国国家电网加强了资源富集区与负荷中心区的连接,以输电代输煤的能源运输方式节约了输煤成本,缓解了交通压力,在提升负荷中心区供电能力的同时,也减少了伦敦周边电厂和排放物的数量。1970年代,英国西电东送的规模达到了600万千瓦。

  低碳化浪潮中艰难前行

  上世纪70年代末,英国经济发展失速,电力需求增长日趋减缓。同时,英国发、配、售市场里涌入了德国意昂、莱茵集团,法国电力公司等国际巨头。发电企业从盈利角度考虑,不愿提供更多的系统备用容量,英国电力系统备用裕度持续降低,英国国家电网公司系统调控和平衡的责任日益繁重。

  随着英国政府大力推动新能源发展,备用欲度不足的问题更加突出。2008年11月,英国颁布了《气候变化法案》,成为全球第一个以法律形式设定减排目标的国家。这一减排目标意味着大量稳定的燃煤和燃油机组都将关闭,取而代之的是出力不稳定的可再生能源机组,英国国家电网备用容量不足的问题雪上加霜。

  为此,英国政府引入了能够鼓励长周期新能源投资的差价合同制度和为备用机组提供补偿的容量市场制度。作为新制度的执行平台,英国国家电网以保障供电安全、实现能源脱碳化以及电力用户负担成本最小为目标,提供有关容量市场和差价合同的分析,以监测政策效果;对拥有新能源机组的发电企业,它是控制及交易可再生能源比例配额的平台;对出力稳定的传统机组或发电企业,英国国家电网公司则运用容量补贴使其甘为备用,以尽量保障可再生能源全额上网。

  通过容量补贴进行发电侧管理,英国国家电网系统的短期备用问题得到了一定程度的解决。但由于电源建设的周期普遍较长,这项政策并没有马上改变备用裕度严重不足的局面。从2014年起,英国国家电网公司开始尝试将这一政策延伸到需求侧:邀请大用户加入一项志愿活动,参与活动的企业可以得到一笔订金,但他们需承诺在必要时缩减其用电量。2015年11月上旬,由于风力发电量小于预期,在发电侧补贴潜力挖尽,网上发电厂尽量满发的情况下,英国国家电网首次启动了需求侧补贴的非常规方式:通过给大用户资金补贴,促使其在高峰时段关掉空调等非必要设备,以维持系统平衡。

  走上“合纵连横”之路

  新能源在带来系统平衡压力的同时,也给英国国家电网带来了难得的发展机遇。

  英国是海岛国家,风能资源充足,其风能资源约占整个欧洲的40%。相对于其他清洁能源,风电开发成本相对较低。因此,英国将大力发展风电作为其实现减排目标的主要手段。然而,风电的间歇性、波动性特点对并网电网系统备用和消纳能力的要求相对较高。在风电发展初期,英国单机容量3兆瓦以内、拥有风机50台左右的小型风电场居多。这些小型风电场的总输出容量一般在20万千瓦以内,可通过配电网络向用户输送,对大电网的影响和冲击相对较小。随着政策刺激力度的加大,英国开始涌现出总输出容量在50万千瓦左右的大型风场,配电网络不再能够适应其并网需求,直接接入输电网络的风场逐年增多,对系统的备用容量和可靠性提出了较高要求。

  出于对供应安全和效益的双重考虑,2002年,英国国家电网公司与另外一家国有公共事业单位拉提斯合并,在电力供应的同时还运营天然气输配网络,两家能源公司的合并提升了英国的能源安全水平。同时,网络维护与客户服务业务的合并也节约了人工成本,提升了响应效率。

  相比陆上风电,海上风电场具有风速高、风力稳定、干扰少、发电量大等优势,建设规模不受土地制约。近年来,英国离岸风电场越来越多,规模越来越大,2013年7月运营的伦敦阵列风力发电项目是目前全球最大的近海风力发电场,总装机容量63万千瓦。很快,这项纪录又将被约克近海的一个规模为120万千瓦的近海风力发电场刷新。这些海上巨无霸的发电能力不逊于任何传统电厂,但并网工程投资量惊人,离岸风电机组之间、风场与陆地之间具有传输里程长,容量大等特点,需要大量大直径海缆。为保证电网的稳定性,需投入建设大量重型变速器等基础设施。

  根据测算,未来20年里,海上风电并网所需投资高达170亿英镑。英国国家电网公司曾经谋求投资并直接管理这些并网工程,但未获批准。2009年后,英国引入第三方企业投资建设从海上风电场到英国国家电网陆上系统的并网工程。失之东隅,收之桑榆,离岸风电的并网迅速提升了风电比重,而高占比的风电需要电网有良好的消纳能力。作为一个海岛国家,英国自身的电能消纳能力有限。

  在风电发展的过程中,英国国家电网获批建立起与法国、荷兰、北爱尔兰电网的连接,运营英法之间的海底电缆,并积极寻求与比利时、挪威、冰岛等邻近国家联网,以便在更大区域内消纳风电,实现与欧洲大陆的互联与互济。

  在与国外能源企业的竞争、合作中,英国国家电网公司也开始主动向海外出击,通过一系列并购行为,英国国家电网在美国东北部开辟了一个包含天然气和电力供应业务、超过1000万客户的能源市场,走上了一条合纵连横与自我壮大的道路。

  推动技术创新与智能升级

  近年来,英国大力发展智慧城市,智能电网是其核心技术之一。2014年,英国太阳能发电近500万千瓦。太阳能发电等分布式电源的接入、电动汽车充电、智能化家庭能源管理都需要电网与需求侧具有更好的交互性。

  为此,英国国家电网公司制订了明确的智能电网发展目标,以期实现高可靠性和高质量的电能供应,灵活接入低碳或无碳发电设备,利用需求侧管理技术鼓励用户减少能源消耗和碳排放,让电力系统运行实现碳排放和成本最优,提高整个电网的可视性和交互性。在这一目标的引领下,英国国家电网积极开展智能电网技术的研究、开发和试点,开展配网与主网的传输试验,开发能够将智能电表、集成高速通信、配电自动化以及家庭能源管理结合在一起的需求侧方案,提升了配用电网络的潮流、信息流交互性,很好地融入了英国的智慧城市战略,也帮助用户提高了能效。

  英国国家电网公司还积极借助外脑与外力,发展智能电网技术。英国国家电网公司先后与曼彻斯特大学合作建设高压研究中心和电力系统研究中心,开展降低能源消耗、可再生能源开发、储能和洁净能源等一系列研究;与福特汽车公司等机构合作开展综合性研究和示范合作项目,实现电动汽车与智能电网技术的匹配集合。在低碳化与备用容量不足矛盾较为尖锐的情况下,英国国家电网公司在网内分布式能源智能管理、流量平衡控制、智能保护等方面的技术也较为成熟和领先。

  与时俱进,方能制胜

  在如今雾霾问题尚未解决的现实环境下,英国治理雾霾的经验对于我国有很好的借鉴意义。而英国国家电网公司正是治霾的执行者之一,电压等级的升高、西电东送的布局、助力新能源发展、推动绿色科技和智能化技术升级……这一切都是绿色低碳发展的必经之路。

  对于英国国家电网而言,低碳发展的每一步都是巨大的挑战,需要面对许多尖锐的矛盾,还要平衡各方因素,不断创新,无论是机制上还是技术上。创新的力量让英国国家电网公司极大地助力英国政府治霾、发展新能源。

  如今,世界能源发展正面临着新的变化,一场以低碳化和智能化为特征的产业革命正在到来。电网正经历着从国内互联到国际互联、从单向变为双向,从输送电流到电流、信息流共同输送的一场变革。英国国家电网公司积极发展智能电网、推动电网互联,成为欧洲绿色能源转型中的先锋者。大范围电网互联是英国在间歇性特点明显的可再生能源大量进入系统后,解决备用容量不足和消纳问题的根本选择。

  同时,随着太阳能发电成本的降低,越来越多的人们将既是用电者,也是供电者。在以家庭为单元的微型电网中,与建筑一体的太阳能将成为人们生活中的基础能源,而由大电厂支持的大电网将成为家庭的备用网络,电流、信息流和资金流将在分布式的发电主体与电网间频繁流动。而家庭能源管理的互动需求,电动汽车发展对宽频电压、电流的需求,都需要电网与信息技术的深度融合。智能电网本身,也有节能降耗的功能,据测算,如果欧洲1.83亿用户全部接入智能电网,可以降低18吉瓦、约占总额12%的电力消耗。

  欧洲是世界上发展智能电网最早的地方,在住宅太阳能光伏发电装置、家用燃气热电联产装置等分布式微型发电装置集成方面最早取得突破。目前,英国的智能电网项目已得到社会的普遍呼应,人们通过智能化设置,实现部分电气设备的错峰用电,使用电行为与可再生能源发电实现同步,在解决系统容量与消纳问题的同时,促进了社会整体的节能减排。在绿色转型的步步推进中,社会发展出现了新的面貌。根据欧盟2050年能源路线图,其碳排放量要比1990年下降80%~95%,可再生能源比例还将有更大比例的上升。届时,欧洲的消纳能力又将受到考验。但新的挑战是刺激企业发展的最好契机,正如英国国家电网公司首席执行官霍利迪所言:“我们正处于这个产业的革命期,这是最令我们兴奋的事情。”

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