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(jù)丹麥能源組織DanskEnergi的數(shù)據(jù)，丹麥2018年風能發(fā)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(fā)展大踏步前進的同時，中國近幾年風電和光伏的發(fā)展其實也非常迅猛，但對新能源電力并網(wǎng)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(fā)展了幾十年，但仍然存在一個十分普遍的觀點，風力發(fā)電具有“間歇性”、“波動性”，不如火電“穩(wěn)定”，因此不是安全的電力供應。甚至還有人認為，減少燃煤發(fā)電且大力發(fā)展新能源和分布式能源供應，會進一步加劇電網(wǎng)的不穩(wěn)定性，從而降低電網(wǎng)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(qū)近年來不太合理的高比例“棄風限電”現(xiàn)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(fā)展需求而造成的。
然而實際情況并非如此。
作為風電從業(yè)人士，筆者根據(jù)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(wěn)定而被棄用。還有人覺得無風的天氣、風機不轉，靠風力發(fā)電的地區(qū)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(tǒng)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(tǒng)其他部分來分析風電到底是不是穩(wěn)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(fā)出的電放到整個電力系統(tǒng)中，它并沒有全部停止。隨著并網(wǎng)風電機組的增多，風電在電網(wǎng)中的變化就會越來越小。對于整體的電力供應而言，除非發(fā)生所謂的“風電機組連鎖脫網(wǎng)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(qū)域內的風電機組，對付突發(fā)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(qū)域的風電場來應對這一挑戰(zhàn)。
臺風來襲的時候，單臺風機必須立即停機，從“滿發(fā)”(即滿功率發(fā)電)的狀態(tài)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(fā)”再逐漸停機，反而能搶到更多發(fā)電量。理論上，隨著風電場裝機容量的增加以及空間分布區(qū)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(qū)、全省風電匯聚效應曲線對比
上圖分別是我國東北地區(qū)某省風電的單場、地區(qū)、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(fā)電狀態(tài)。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(guī)模并網(wǎng)應用;并網(wǎng)容量越多，越會威脅到整個電力系統(tǒng)的安全”這個誤導性說法相反的事實是：更大規(guī)模、布局良好的風電，會更大程度上保障該區(qū)域供電穩(wěn)定。
“不穩(wěn)定”是整個電力系統(tǒng)的常態(tài)，電網(wǎng)的功能與角色在提供平衡服務
首先要建立的觀念是：電力系統(tǒng)，包括供電和用電，其本質上是高度不穩(wěn)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(qū)用電負荷不同時間尺度內的不穩(wěn)定。例如，夏天極端高溫或冬天突發(fā)寒潮，會造成數(shù)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(fā)生波動，沒有哪一種電站或供電類型是完全穩(wěn)定的，所有的系統(tǒng)也都可能在某一點發(fā)生故障。比如傳統(tǒng)大型電廠為了滿足電網(wǎng)調度的要求或計劃停機等，這都會造成瞬間輸出波動。
有數(shù)據(jù)顯示，火電廠非計劃停運造成的損失平均占其發(fā)電量的6%。一個火電廠或核電站輸出的波動，往往瞬間發(fā)生，去掉的容量高達上千兆瓦，這才是真正的間歇現(xiàn)象，系統(tǒng)不得不立即做出響應。
瞬間波動導致整個電力系統(tǒng)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(fā)電廠下線產生的多米諾骨牌效應。
既然傳統(tǒng)火電、水電和核電的供電和用電都可能隨時發(fā)生變化，只單純地說風電的“波動性”可能造成電網(wǎng)的“不穩(wěn)定”，就既不準確、也有失公平。他們之間只存在程度的區(qū)別，而不是性質的區(qū)別。作為從業(yè)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(tǒng)天然的不穩(wěn)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(shù)值天氣預報模型和數(shù)據(jù)統(tǒng)計等多種方法來進行預報。從系統(tǒng)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(xiàn)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(wǎng)調度的需要，主要的問題是電網(wǎng)如何改變調度策略。
圖：2013 年風電發(fā)電量時段統(tǒng)計曲線
德國能源轉型10年的經驗證明，風電并不會影響用電安全
可預測的風電變化，相對于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，并沒有導致電力系統(tǒng)更不可靠。筆者試著引用德國風電“間歇性”與持續(xù)中斷時間關系的一個數(shù)據(jù)，來印證上述觀點。
基于國際“系統(tǒng)平均中斷持續(xù)時間指數(shù)”(下文簡稱SAIDI)，德國聯(lián)邦網(wǎng)絡局(BNetzA)的數(shù)據(jù)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(fā)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(jù)歐洲能源監(jiān)管委員會(CEER)的數(shù)據(jù)，德國的電力供應安全是歐洲最好的。在CEER 2018報告對2016年數(shù)據(jù)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(wǎng)中實現(xiàn)平衡。歐洲風能協(xié)會出版的《歐洲大規(guī)模風電并網(wǎng)研究報告》顯示，在風電作為供電主力的電力系統(tǒng)中，公認的看法是在既有的電網(wǎng)框架與運行規(guī)則下，風能可以滿足大型電網(wǎng)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(wǎng)中的風電比例已經超過40%。
全球范圍內，對風電與電力系統(tǒng)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(zhàn)之一就是如何有效地大量并入歐洲電力系統(tǒng)中。當時有很多觀點認為風電不穩(wěn)定，無法大規(guī)模并網(wǎng)，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(yè)委員會全文翻譯發(fā)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(fā)了風電行業(yè)對風電能否順利并網(wǎng)，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(yè)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(zhàn)”。
相反地，作為風電從業(yè)者，筆者期待看到從決策者到從業(yè)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(tǒng)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(huán)境方面發(fā)揮更大作用。
