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分布式能源规模化发展前景及关键问题

发布时间:2020-12-12 16:51

  从分布式能源发展的历程出发,分析了国内外分布式能源发展现状以及我国分布式能源发展的新机遇和新趋势,重点研究了我国分布式电源发展潜力及典型应用场景,分布式电源电网承载力,分布式发电参与电力市场模式。得出研究结论:分布式能源是现代能源系统不可或缺的重要组成部分;我国分布式新能源资源可开发潜力约为54×10kW;分布式电源作为非公用电源,其开发建设时序布局需要电网承载力;分布式电源的规模化发展需要考虑电网承载能力,以电网承载能力为基础优化开发规模和布局。最后,提出我国分布式发电参与电力市场2种模式。

  分布式能源是一种布置在用户侧的集能源生产消费为一体能源供应方式,可为用户提供冷热电多种能源供应,具有就地利用、清洁低碳、多元互动、灵活高效等特征,是现代能源系统不可或缺的重要组成部分,分布式能源正在改变世界能源供应方式。

  党的十九大报告指出推进能源生产和消费革命,构建清洁低碳、安全高效的能源体系,明确了现阶段我国能源体系建设目标。过去,我国能源结构是以煤为主,煤电大机组的高效率优势决定了其设施越来越大型化和能源系统越来越集中化。但现在,我国可再生能源加速发展,而风电和太阳能等可再生能源本身能量密度低,以及具有分散性和不确定性,为分布式能源的发展创造了机遇。分布式能源具有灵活就地消纳、综合能源利用的优势,使得分布式能源成为新能源开发利用的重要模式。

  分布式能源是利用分布式资源,就近满足用户能源消费需求的高效利用方式[1,2]。由于各个时期用户需求和能源发展战略不同,分布式能源发展历程主要可分为3个阶段:热电联供阶段、分布式新能源阶段、综合能源系统阶段。

  (1)热电联供阶段。热电联供始于20世纪70年代,以提高能源利用效率为目标,典型的能源利用形式为分布式天然气多联供。1978年,美国颁布《公用事业管理政策法案》,鼓励发展高效小型热电联产电源。1979年,丹麦颁布《供热法》,大力发展以天然气和生物质为燃料的热电联产。1981年,日本在东京国立竞技场建设了首个天然气多联供项目。

  (2)分布式新能源阶段。21世纪初,欧盟分布式能源在用电市场的平均占比高达10%,按照欧洲各国能源发展规划,以大力推广分布式新能源的利用为主。2000年,德国颁布《可再生能源法》,通过灵活电价机制促进新能源发展,分布式新能源发电的规模已经超过分布式热电联供系统。随着技术成熟和清洁低碳需求增加,分布式新能源作为新能源利用的重要方式得到广泛关注。

  (3)综合能源系统阶段。随着新能源和互联网技术的不断发展,分布式电源向多能源互补、综合能源系统的方向发展[3,4]。近年来,日本提出构筑地区自立型能源系统,建设智能社区;德国关注多能有机协调问题;澳大利亚对光伏+储能系统在农村及偏远地区的应用方案给与资助;我国近2年出台文件支持多能互补、集成优化、互联网+、智慧能源等系列试点示范。

  国际上,分布式电源的术语、定义、统计类别和口径不尽相同。国际能源署(IEA)、世界分布式能源联盟(WADE)、美国能源部(DOE)等机构从资源、技术类型出发对分布式能源进行定义。总体上各国按照不同用户类型或容量范围对分布式电源进行统计,但具体分类和口径存在一定差异。

  (1)国际能源署(IEA)针对分布式能源给出了如下定义。分布式发电(distributed generation,DG),是指服务于当地用户或当地电网的发电站,包括内燃机、小型或微型燃气轮机、燃料电池和光伏发电系统(不包括风电)。分布式电源(distributed power,DP),是指DG加上储能。分布式能源(distributed energy resource,DER),是指DP加上需求侧管理,能够进行能量控制、需求侧管理的综合能源系统。

  (2)世界分布式能源联盟(WADE)将分布式能源(decentralized energy,DE)定义为:在用户当地或附近产生电能和热能,不考虑项目的规模大小、澳门赌场。采用的燃料或技术,以及是否与电网相连接,包括高效的热电联产系统和分布式可再生能源发电。

  (3)美国能源部(DOE)将分布式能源(distributed power,DP)的定义为:产生或储存电能的系统,通常位于用户附近,包括生物质能、太阳能、风能发电,燃气轮机、微型燃气轮机、内燃机发电,燃料电池以及相应的能量存储装置。

  (6)德国Fraunhofer研究所规定,分布式光伏分为独立屋顶光伏(1~10 kW)、中小型多户住宅或商业建筑屋顶光伏(10~100 kW)、大型商业建筑屋顶光伏(100~500 kW)、光电建筑一体化(0.5~1 kW)四种类型。

  根据美国研究机构Navigant Research关于全球分布式电源统计[5],截至2017年全球分布式电源装机132 GW,类型主要为分布式光伏和分布式天然气。全球分布式能源主要分布在北美、西欧和亚太地区,特别是美国、德国、日本等发达国家。

  我国分布式能源从分布式天然气发电起步,2003年前后,陆续开始建设天然气分布式能源站,受限于气源紧张和装备国产化程度低,目前发展趋缓。2011年,国家出台政策明确天然气分布式能源发展目标。然而,2014年天然气价格出现大幅上涨,天然气分布式项目发展受到影响。

  近年来,随着光伏发电成本大幅下降,分布式光伏发电迅猛发展,后来居上。2009年开始,受益于金太阳工程支持(采用初投资补贴方式),分布式建筑光伏开始起步。2013年,在电价补贴政策刺激下,分布式光伏规模迅速扩大。2016年之后随着国家光伏开发布局的调整,进入规模化发展新阶段。2017年出现爆发式增长,2018年开始对分布式光伏进行分类管控,引导有序发展。

  随着关键技术获得突破,政策环境初步形成,分散式风电蓄势待发。2011年开始探索分散式风电开发模式,2012年核准18个分散式风电示范项目。受到资源条件、开发成本、本地负荷等条件限制,分散式风电规模增长缓慢。随着风电西部集中开发的限制以及2017年支持政策出台,分散式风电将受到广泛关注[6]。

  我国分布式电源尚未建立统一的全国范围统计口径,根据各机构统计累加[7],截至2018年底,我国分布式电源装机约为6×107kW,占总电源装机的3%。

  (1)分布式光伏。截至2018年底,我国分布式光伏发电累计装机容量5.061×107kW,同比增长190%;新增装机容量1.944×107kW,同比增长3.7倍。

  (2)分布式天然气。截至2018年底,我国分布式天然气发电累计装机容量约为0.3×107kW,距2020年达到1.5×107kW的规划目标差距较大。主要位于京津冀、长三角、珠三角和川渝地区。

  (3)分散式风电。截至2018年底,我国分散式风电装机容量近400×104kW。其中示范项目15项,并网规模76.2×104kW,主要位于陕西省。

  国家发展改革委、国家能源局关于推进风电、光伏发电无补贴平价上网有关工作的通知(发改能源〔2019〕19号)明确市场化交易两种方式:分布式发电市场化交易试点、中长期电力交易。2019年分布式发电市场化交易试点名单出台。国家发展改革委办公厅、国家能源局综合司关于公布2019年第一批风电、光伏发电平价上网项目的通知(发改办能源〔2019〕594号)发布2019年分布式发电市场化交易试点名单,涉及10个省区、26个试点项目、总量限额165×104kW,其中新建147×104kW。

  3分布式能源发展的新机遇和新趋势 3.1分布式能源发展的推动因素 3.1.1分布式电源技术的进步

  分布式电源本体技术装备水平的不断提升和产业的逐步成熟,推动分布式电源在园区、负荷密集商圈、偏远地区、海岛等多种场景得到广泛应用。微电网技术、可再生能源+储能协调运行技术、能源互联网技术等系统集成技术的快速发展,使得分布式发电能够为用户提供多样化的能源供应[8]。

  随着光伏、风电等可再生能源成本的持续下降,分布式电源的投资吸引力迅速提升,尤其是分布式光伏投资门槛低,各行业争相参与投资建设。分布式发电经济性的提升促使园区、大工业、工商业等高电价用户利用分布式发电的意愿增加[9]。

  国家能源及电力十三五规划中,进一步强调了分布式电源发展的重要性,提出要坚持可再生能源集中式和分布式开发利用并举。弃风弃光问题引起重视(2016年双弃问题最为严重,全国弃风率17%,弃光率10%),国家可再生能源开发布局开始从西部向东中部地区转移,如图1所示[10]。由图1可知:东中部地区新增风电装机容量占全国的比例由2016年的25%提高至2017年的38%;东中部地区新增光伏发电装机容量占全国的比例由2016年的33%提高至2017年的48%。

  分布式发电市场化交易试点探索分布式电源直接售电,创新经营模式得以扩展,有望提高收益水平和稳定性。增量配电投资方可通过建设分布式电源,形成区域发配售一体化模式,发展分布式电源已成为一些利益主体进入配售电领域的重要突破口。

  分布式电源可因地制宜,就近取材,是解决新型城镇化和新农村用能以及废弃物处理的重要手段。针对农村用户分散居住特点,分布式电源是解决我国农村用能问题,特别是远离大电网的偏远农牧区和海岛用能问题的更经济方式。《可再生能源十三五规划》指出在东中部等有条件的地区,开展人人1 kW光伏示范工程,建设光伏小镇和光伏新村。2002年,国家实施光明工程、西部省区无电乡通电计划,通过光伏发电解决西部无电地区用电问题;2016年以来下达多批光伏扶贫项目。

  推动分布式电源发展,有利于体现平等参与、自由分享的现代社会文明和互联网理念。从国外发展经验来看,民众投资建设分布式电源与投资回报的关系趋弱,对绿色能源的公共责任意识越来越强。

  趋势一:从规模总量上来看,分布式电源在未来电源中的占比将大幅增加。分布式电源具有清洁、就地平衡、效率高等优势,在多重推动因素下快速发展,将成为大机组大电网的有益补充。为满足大量分布式电源接入的要求,未来传统电力系统需要加快向新一代电力系统升级换代。如图2,图3所示,国外预测,2030年分布式电源占电源装机比重将达30%。

  趋势二:从技术类型上来看,分布式电源类型将继续以分布式新能源为主,燃气多联供为辅。随着全球气候变化压力增大和清洁能源的技术经济性提升,风电和光伏发电将成为全球能源清洁低碳发展和能源转型的主要推动力,也是分布式电源的主要类型。

  趋势三:从物理形态上看,分布式电源发展呈现出分布广泛化、多元集成化和管理平台化趋势。分布式电源的更广泛接入将打破传统电力系统集中式、大机组供电方式,推动传统无源配电网向现代有源配电网过渡,带来信息接入、运行检修等现实问题。随着平台化管理技术的应用,分布式电源将从单一电源系统向多能源类型高效集成、与电网灵活互动的能源单元形式转化。十三五以来,国家已批复了23个多能互补集成优化示范工程、55个互联网+智慧能源等一系列试点示范项目,已成为各利益主体争相抢占的技术和市场领域。

  4实现分布式能源规模化发展的几个关键问题 4.1发展潜力及典型应用场景 4.1.1分布式电源开发潜力

  开发潜力包括资源可开发、技术可开发和经济可开发潜力等,各类潜力数据差别较大。不同技术类型分布式电源的可开发潜力影响因素不同,需要结合电源特点进行评估[11]。

  (1)资源可开发潜力评估。通过风速以及太阳能辐照度等数据,测算出的分布式电源可开发规模。评估方法常用直接观测法和数值模拟法。分布式光伏资源可开发潜力评估重点考虑城镇和农村住宅屋顶、工矿用地屋顶、铁路高速公路、滩涂水库坑塘和农业大棚等五大类分布式光伏。根据测算,我国分布式光伏资源可开发潜力为50×108kW;分散式风电资源可开发潜力为4×108kW。

  (2)技术可开发潜力评估。主要考察在现有技术条件下能够开发利用的分布式电源规模,重点需要考虑可利用面积、单位面积平均开发容量、可用天然气供应量等。分布式光伏技术可开发潜力主要受可安装分布式光伏的场地或者设施面积制约。重点考虑城镇和农村住宅屋顶、工矿用地屋顶、铁路高速公路、滩涂水库坑塘和农业大棚等五大类分布式光伏,初步测算,2025年我国分布式光伏技术可开发潜力为12×108kW,分散式风电技术可开发潜力为2.5×108kW;2030年我国分布式光伏技术可开发潜力可达到15×108kW,分散式风电技术可开发潜力为3×108kW。

  (3)经济可开发潜力评估。在技术可开发潜力的基础上,进一步考虑开发经济性,确定具有商业开发价值的分布式电源可开发规模。重点需要考虑度电成本、电网改造成本、系统平衡成本等。分布式电源经济可开发潜力考虑项目本体发电成本、电网改造成本、系统平衡成本等,2030年全国分布式光伏经济可开发潜力约为5×108kW左右,其中东中部地区约3×108kW;分散式风电经济可开发潜力2×108~3×108kW。

  我国分布式新能源资源可开发潜力约为54×108kW,受资源条件、可开发利用面积等条件制约,初步测算:

  2025年我国分布式电源技术可开发潜力约16×108kW。其中光伏、风电、天然气发电和生物质发电占比分别为79.9%、15.5%、3.1%和1.5%;经济可开发潜力约2×108kW。

  2030年,考虑光伏可用建筑面积增长、风电开发土地类型基本不变、天然气供应能力和发电用气占比提升等因素,分布式电源技术可开发潜力约提升至20×108kW,经济可开发潜力约5×108~8×108kW。

  按照开发场景来分,分布式电源开发主要集中在农村和偏远地区、园区、新城镇三个场景,技术可开发潜力占比分别为39%、35%和26%,如图4所示。

  (1)在具备条件的农村地区,建设新农村综合能源站;在偏远农牧区和海岛地区,建设小型离网型分布式能源供能系统或海岛微网系统。分布式光伏、分散式风电、生物质发电的潜力分别为5.2×108、1.0×108、0.15×108kW。

  (2)在新建产业园区,分布式光伏、分散式风电、分布式天然气、生物质发电的潜力分别是3.9×108、1.5×108、0.3×108、0.03×108kW。

  (3)在具备资源条件的地级市、县城及乡镇,在具有冷热电气用能需求的新建公共场所,分布式光伏、分布式天然气、生物质发电的潜力分别为3.9×108、0.2×108、0.08×108kW。

  分布式电源的非公用电源属性是分布式电源区别与常规电源的重要属性,也是分布式电源就近就地利用、实现高效经济利用的基础。从环境保护和可再生能源利用的角度考虑,希望尽可能扩大风力发电和光伏发电等新能源的开发规模,但由于其出力特性,高渗透率将改变分布式电源的特定用户专有电源的属性,增加其公共电源属性,并对电网的安全稳定运行带来影响,增加其利用成本。因此,分布式电源的发展需要考虑其作为非公用电源电网承载能力,需要根据电网承载能力优化分布式电源的开发规模和布局。

  电网的分布式电源承载力受多方面因素制约,在大电网层面受系统调峰、输送通道能力等约束,在配电网层面受供电电压、设备过载等约束[12](见图5),需要综合考虑。由于全省各个配电网基于供电电压和设备过载约束的承载力合计值,要明显大于整个省级电网基于调峰和输送约束的承载力,因此可根据调峰和输送约束确定全省整体的承载力,将各个配电网的承载力作为省内新能源布局优化的考量条件。

  省级电网新能源承载力分析综合考虑未来负荷增长、发电机组投运、跨省区输电线路建设、分布式电源对负荷曲线的影响等因素,以新能源最大消纳为目标,按合理弃电率为5%,确定省级电网新能源承载力。分析模型如下。

  (2)约束条件:功率平衡约束;备用容量约束;各类机组出力约束;各类机组启停约束。

  (2)分布式新能源。按负荷处理,从负荷曲线中扣除得到净负荷曲线,基于净负荷曲线进行系统平衡。

  通过对典型A(A+)/B/C/D/E类配电网的电网承载力分析(见图6),由于主流双馈风机和光伏发电提供的短路电流较小,目前制约配网新能源承载力的因素主要是电压越限问题,尤其是在农村电网地区。

  (1)当光伏发电占新能源装机的比例较小时,站内新能源出力特性和负荷匹配性较差,容易在凌晨出现电压越限问题,允许的渗透率相对较低。

  (2)随着光伏发电占比的提高,站内新能源出力特性曲线平缓,允许的渗透率逐步提高。

  (3)随着光伏发电占比的进一步提高,站内新能源出力特性曲线会出现午高峰,可能会带来电压越限问题,使得允许的渗透率反而降低。

  国外对于分布式发电如何参与电力市场也还处于探索期,尚没有成熟经验。美国加州是探索分布式发电参与市场较早的州。2016年6月,FERC批准加州的分布式发电以聚合体形式参与加州电力批发市场,但受经济、技术、监管等因素影响,并未有实质性进展。2016年11月,FERC发布分布式能源参与电力批发市场的提议,要求美国各大系统运行商修改电力市场规则,允许分布式发电公平参与电力批发市场,但该提议引发较大争议,目前美国尚未出台分布式发电参与电力市场的正式法案。2018年11月,澳大利亚能源市场运营商(AEMO)启动国家电力市场虚拟电厂示范项目研究,截至目前,还未进入项目建设阶段。

  一是采用净电量计量不进入电力市场。该模式下分布式发电的余电上网电量抵扣用户电网购电电量。美国很多州都采用这种机制支持分布式光伏的发展,但要求分布式发电规模不超过500 kW。

  二是直接进入电力批发市场。该模式下分布式发电组成聚合体参与电力批发市场,提供类似于常规电源的电量与辅助服务,并与传统的发电机组统一出清。电力市场运营机构对分布式发电聚合体参与市场的最小规模、控制能力、数据传输与计量等提出准入要求。

  三是主要进入售电市场。售电市场方面,配电网运营商提供交易平台,分布式发电根据配电网运行需求,提供需求侧响应、电压控制、缓解线路阻塞等服务。

  结合分布式发电技术经济特性以及国内外进入电力市场的探索,我国可以开展两类分布式发电进入电力市场模式的探索。

  模式一:直接进入电力批发市场。通过聚合直接进入批发市场。根据市场准入要求,通过交易实现多个分布式发电等聚合,形成虚拟电厂等运营主体,统一进入电力批发市场。

  模式二:进入电力市场,开展两级交易。在配电网侧新建运营平台开展交易。一是聚合体与配电网其他主体开展就近交易。可依托现有省级电力交易平台,由地市公司开展交易,可探索采用区块链等技术。二是以聚合体形式进入批发市场开展交易。

  模式一适用于规模较大、上网电量较大的项目类型,需要满足进入市场的准入要求。模式二适用于规模较小、数量较多、类型多元的多种分布式发电聚合体,采用两级交易的模式。

  (1)分布式能源具有就地利用、清洁低碳、多元互动、灵活高效等特征,是现代能源系统不可或缺的重要组成部分。发展分布式能源是能源转型的必然选择。

  (2)我国分布式新能源资源可开发潜力约为54×108kW,2030年分布式电源技术可开发潜力约20×108kW,经济可开发潜力约5×108~8×108kW。

  (3)根据分布式能源发展的技术经济水平,近期分布式能源开发利用的重点领域集中在农村和偏远地区、园区、新城镇,占比分别为39%、35%和26%。

  (4)分布式电源的规模化发展需要考虑电网承载能力。以电网承载能力为基础优化开发规模和布局。

  (5)国际上分布式发电参与电力市场也还处于探索期,结合分布式发电技术经济特性以及国内外分布式电源进入电力市场的探索,我国可以开展两类分布式发电进入电力市场模式的探索。一是直接进入电力批发市场,二是进入电力市场,开展两级交易。

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