西北大規(guī)模新能源消納問題成因分析及綜合應(yīng)對(duì)策略研究

王敏驍，蘇娟，梁琛

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083；2.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州 730070）

2017年4月18日，《2016年度全國(guó)可再生能源電力發(fā)展監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)報(bào)告》稱，中國(guó)風(fēng)能、太陽能發(fā)電行業(yè)2016年浪費(fèi)的電力仍然大幅度攀升，中國(guó)的棄風(fēng)率從2014年的8%增加到2016年的17%，其中甘肅省棄風(fēng)率高達(dá)43%。從2015年到2016年，中國(guó)太陽能浪費(fèi)率上升50%，其中甘肅和新疆30%以上的發(fā)電量不能并網(wǎng)[1]。造成這一現(xiàn)象的原因涉及政策、機(jī)制、技術(shù)等不同層面，涉及電網(wǎng)的規(guī)劃、運(yùn)行、調(diào)度等不同環(huán)節(jié)，還涉及管理者、發(fā)電商、電網(wǎng)及用戶等不同主體。

從政策角度看，政策具有導(dǎo)向性，鼓勵(lì)外送消納或就地消納，但是受現(xiàn)有技術(shù)手段制約，可操作性上不能滿足市場(chǎng)化運(yùn)作的需要[2-3]。從交易機(jī)制看，目前主要針對(duì)跨省跨區(qū)交易，交易主要是在發(fā)電商-電網(wǎng)、電網(wǎng)-用戶之間，雙方地區(qū)利益缺少協(xié)調(diào)機(jī)制，缺少統(tǒng)籌[4-6]。從技術(shù)層面看，目前消納的評(píng)估手段研究較多，但聯(lián)動(dòng)調(diào)控手段由于涉及復(fù)雜電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定問題，研究較少，是下一步技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)[7-8]。

從電力生產(chǎn)配送的各個(gè)環(huán)節(jié)看，現(xiàn)有研究主要針對(duì)電網(wǎng)調(diào)度、規(guī)劃或運(yùn)行中的某個(gè)方面[9-10]。由于可控手段有限及電網(wǎng)改造投資巨大，三者協(xié)調(diào)統(tǒng)籌的研究較少，而下一步拓展新能源消納必須要考慮到電網(wǎng)、電源及負(fù)荷的協(xié)調(diào)規(guī)劃與運(yùn)行控制，以統(tǒng)籌解決消納問題。

從參與到新能源消納的各方主體看，在發(fā)電商調(diào)控手段已經(jīng)取得一定突破的基礎(chǔ)上[11-12]，現(xiàn)有工作主要集中在需求側(cè)，特別是針對(duì)高載能企業(yè)的自備電廠、電動(dòng)汽車及其他形式的電能替代[13-15]。需求側(cè)改革以及電源與負(fù)荷的聯(lián)動(dòng)將成為新能源消納的重點(diǎn)，圍繞該方法的政策、機(jī)制及技術(shù)研究將成為下一步工作的主要著力點(diǎn)。

綜上所述，本文以甘肅為例，從電力系統(tǒng)規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行等方面進(jìn)行系統(tǒng)分析棄風(fēng)棄光的成因，并提出解決新能源消納問題的措施與建議。

1 甘肅風(fēng)電、光伏發(fā)展現(xiàn)狀

截至2016年年底，甘肅電網(wǎng)總裝機(jī)容量45 762 MW，其中風(fēng)電12 773 MW，光伏6 801 MW，甘肅大約90%的風(fēng)電光伏集中在河西地區(qū)[1]。2016年甘肅最大負(fù)荷13 391 MW，外送最大電力負(fù)荷2 700 MW，即使將外送電力計(jì)算到負(fù)荷中，發(fā)電裝機(jī)容量與最大負(fù)荷的比例高達(dá)2.84∶1，電力電量屬于嚴(yán)重供大于求。為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排政策，甘肅增大風(fēng)電和光伏發(fā)電量，發(fā)電量如表1所示。2016年甘肅省風(fēng)電發(fā)電量同比增長(zhǎng)8.64%，2016年光伏發(fā)電量同比增長(zhǎng)0.72%。2016年火電發(fā)電利用小時(shí)數(shù)下降8.27%。

表1 風(fēng)電光伏火電發(fā)電情況統(tǒng)計(jì)表Fig.1 Statistical table of wind power and photovoltaic power generation

甘肅省電力公司通過開發(fā)和應(yīng)用風(fēng)電、光伏有功控制系統(tǒng)，杜絕了大規(guī)模風(fēng)電光伏機(jī)組的脫網(wǎng)事故，確保了在甘肅500余家風(fēng)電光伏發(fā)電企業(yè)公平、公正并網(wǎng)運(yùn)行。但甘肅仍有大面積棄風(fēng)棄光問題發(fā)生。因此，有必要對(duì)棄風(fēng)棄光問題產(chǎn)生的原因及對(duì)策進(jìn)行分析與研究。

2 “棄風(fēng)棄光”問題成因分析

2.1 電力系統(tǒng)規(guī)劃缺乏系統(tǒng)性

目前，電力系統(tǒng)中各種形式儲(chǔ)能總體容量較小，發(fā)電、輸電、用電必須同時(shí)完成，因此發(fā)電、輸電、用電的規(guī)劃必須協(xié)調(diào)統(tǒng)籌，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都有可能破壞整個(gè)電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)穩(wěn)定運(yùn)行。自“廠網(wǎng)分開”的電力體制改革以來[16]，我國(guó)成立了兩家電網(wǎng)公司和多家發(fā)電公司，電網(wǎng)與電源開始獨(dú)立規(guī)劃，加之各發(fā)電公司之間處于競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，各家無論發(fā)展常規(guī)電源還是清潔能源，都是按照先做大的思路，比拼裝機(jī)容量，結(jié)果造成裝機(jī)容量嚴(yán)重過剩。這是造成甘肅棄風(fēng)棄光問題的根本原因。

2.2 電網(wǎng)、電源建設(shè)周期不同步

火電廠的建設(shè)周期大約1年左右，風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)周期大約半年，光伏電站建設(shè)周期不到3個(gè)月。而電網(wǎng)建設(shè)受到沿輸電線路的征地、環(huán)保等諸多不確定因素的制約，特高壓線路建設(shè)周期在3年以上。即使電網(wǎng)、電源同時(shí)規(guī)劃建設(shè)，由于建設(shè)周期不同步也可能造成局部地區(qū)窩電現(xiàn)象發(fā)生。以甘肅河西地區(qū)為例，風(fēng)電光伏裝機(jī)容量接近20 000 MW，但當(dāng)?shù)禺?dāng)?shù)刈畲筘?fù)荷只有4 250 MW，大多數(shù)清潔能源要依靠電網(wǎng)外送，至2016年年底，該地區(qū)輸電線路的最大送出能力只有5 000 MW。正在建設(shè)的+ 800 kV祁韶直流輸變電工程，設(shè)計(jì)對(duì)6 000 MW火電、7 000 MW風(fēng)電和2 800 MW光伏進(jìn)行打捆外送，設(shè)計(jì)最大輸送能力8 000 MW，目前該地區(qū)風(fēng)電光伏電源已經(jīng)建成待送，而配套的火電容量從6 000 MW壓縮到2 000 MW，將影響整條線路的輸送能力。建設(shè)周期不同以及電網(wǎng)建設(shè)中諸多不確定因素，是造成棄風(fēng)棄光問題的原因之一。

2.3 負(fù)荷和電源發(fā)展呈現(xiàn)出剪刀差

“十二五”期間，甘肅省電源裝機(jī)年均增長(zhǎng)率18.15%，是全社會(huì)用電量年均增長(zhǎng)率的2.34倍，統(tǒng)調(diào)最大負(fù)荷年均增長(zhǎng)率的2.59倍。其中清潔能源年均增長(zhǎng)率62.87%，而負(fù)荷年均增長(zhǎng)率為3.05%，兩者的差距越來越大。雖然建設(shè)了多條外送輸電線路，但是送端的本地負(fù)荷需求也在減少，造成總體負(fù)荷與電源之間的差值越來越大。不僅出現(xiàn)棄風(fēng)棄光問題，甚至出現(xiàn)棄水問題，火電機(jī)組基本按照最小方式運(yùn)行，根本談不上經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式。由此可見，負(fù)荷增長(zhǎng)放緩也是棄風(fēng)棄光的原因之一。

2.4 調(diào)峰能力不足制約了對(duì)風(fēng)電光伏的有效消納

由于甘肅境內(nèi)黃河流域的水電站是按照“以水定電”的模式發(fā)電[17]，水庫調(diào)度具有對(duì)下游地區(qū)防凌、防汛、灌溉等綜合用水的要求，水電在不同時(shí)段的調(diào)峰能力有較大差別，最大調(diào)峰能力5 480 MW熱電由于供熱需求，調(diào)峰能力十分有限，火電基本按照最小方式運(yùn)行，其調(diào)峰能力也大打折扣。綜合起來，2016年甘肅電網(wǎng)最大調(diào)峰能力6 390 MW。由于風(fēng)電光伏發(fā)電間歇性特點(diǎn)，其發(fā)電區(qū)間在零到額定出力之間，在某些運(yùn)行方式下，風(fēng)電光伏最大出力只能按照電網(wǎng)最大調(diào)峰能力確定，調(diào)峰能力不足也是棄風(fēng)棄光的原因之一。

此外，發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越能力、斷面潮流控制等也對(duì)棄風(fēng)棄光造成不同程度的影響。

3 解決棄風(fēng)棄光問題的探索和實(shí)踐

3.1 系列科技攻關(guān)活動(dòng)的組織開展

針對(duì)甘肅提出建設(shè)“陸上三峽”的戰(zhàn)略目標(biāo)[18]，甘肅省電力公司成立了風(fēng)電技術(shù)中心，組織專門力量進(jìn)行科技攻關(guān)，在國(guó)家863項(xiàng)目、國(guó)家支撐項(xiàng)目等支持下，與國(guó)內(nèi)外科研院所建立長(zhǎng)期的合作關(guān)系，開發(fā)了風(fēng)電光伏集群控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)甘肅所有風(fēng)電光伏發(fā)電的有功、無功及安全穩(wěn)定控制，可提高風(fēng)電光伏并網(wǎng)能力7%，系統(tǒng)投入運(yùn)行后未再發(fā)生大面積脫網(wǎng)事故。在甘肅河西地區(qū)正在建設(shè)電網(wǎng)、電源、負(fù)荷協(xié)同控制系統(tǒng)，通過有效挖掘負(fù)荷的調(diào)節(jié)特性，提高風(fēng)電和光伏的發(fā)電能力，該系統(tǒng)投入運(yùn)行后預(yù)計(jì)每年可多消納棄風(fēng)棄光電量15億kW·h以上。針對(duì)甘肅分布式電源快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，提出分布式電源必須就地消納的思路，在國(guó)網(wǎng)公司、地方政府的支持下，正在建設(shè)分布式電源與智慧農(nóng)業(yè)負(fù)荷協(xié)調(diào)發(fā)展示范工程，旨在通過科學(xué)發(fā)展農(nóng)業(yè)負(fù)荷實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式電源的就地消納。

3.2 電網(wǎng)、電源、負(fù)荷協(xié)調(diào)規(guī)劃的加強(qiáng)

國(guó)家電網(wǎng)公司和有關(guān)發(fā)電企業(yè)進(jìn)一步加強(qiáng)了電力系統(tǒng)的整體規(guī)劃，“十三五”期間對(duì)電源限制發(fā)展，加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)特別是外送通道建設(shè)，重點(diǎn)培育新增負(fù)荷，做好外送電力電量的統(tǒng)籌規(guī)劃，保持發(fā)電、用電的相對(duì)平衡，是減少棄風(fēng)棄光電量的主要途徑。源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)必須協(xié)調(diào)發(fā)展，只有三種資源統(tǒng)籌協(xié)調(diào)才能從根本解決這一問題。目前已經(jīng)建成甘肅酒泉至湖南株洲的特高壓直流電力輸送通道并投入試運(yùn)行，這彌補(bǔ)了原有750 kV超高壓交流線路對(duì)外輸送能力不足的問題，另外直接落地至負(fù)荷中心，可更好實(shí)現(xiàn)外送消納，保證消納電量。

3.3 電網(wǎng)調(diào)峰能力大力提升

國(guó)家電網(wǎng)公司把甘肅確定為全球能源互聯(lián)網(wǎng)西部示范基地建設(shè)的牽頭單位，通過解決甘肅的問題，為全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)起到示范作用。以此為契機(jī)，甘肅正在進(jìn)一步挖掘火電熱電機(jī)制深度調(diào)峰快速響應(yīng)能力，研究黃河梯級(jí)水電站反調(diào)峰能力和河西地區(qū)9家光熱電站的調(diào)節(jié)特性，加快+800 kV祁韶直流輸電工程建設(shè)，有效提高風(fēng)電和光伏發(fā)電的外送能力，通過提高電網(wǎng)的調(diào)峰能力進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)新能源的消納能力。

3.4 電能替代與可時(shí)移負(fù)荷發(fā)展

我國(guó)北方城市霧霾嚴(yán)重，大力發(fā)展電能替代，減少可吸入顆粒物的排放成為了地方政府惠民的必要舉措。目前，電能替代主要為電動(dòng)汽車、電鍋爐與分布式電采暖，而該類負(fù)荷具有輸出容量快速可調(diào)特性，負(fù)荷特性可隨時(shí)間移動(dòng)，可作為有效消納新能源波動(dòng)性的低成本手段，相關(guān)技術(shù)已被研究，并已實(shí)際應(yīng)用，具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景[19-21]。

3.5 新型儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用

由于新能源的隨機(jī)性波動(dòng)，在源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)下仍難避免等效凈負(fù)荷小于0的情況，即短時(shí)內(nèi)發(fā)大于用。此時(shí)需要通過儲(chǔ)能進(jìn)行調(diào)度，但是傳統(tǒng)的儲(chǔ)電方式面臨能量密度、充放電功率約束、環(huán)保及經(jīng)濟(jì)性等方面的問題，但尚未在新能源電力系統(tǒng)中取得重大突破。而儲(chǔ)熱方式成為大規(guī)模儲(chǔ)能的新方向，已進(jìn)入工程化應(yīng)用階段[22-24]，特別是大規(guī)模儲(chǔ)能中基于熔融鹽的太陽能塔式發(fā)電技術(shù)可通過熔融鹽蓄熱有效控制輸出發(fā)電功率，保持平穩(wěn)輸出[25]。

3.6 建議與改進(jìn)措施

1）發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)公司及地方政府應(yīng)爭(zhēng)取國(guó)家對(duì)消納棄風(fēng)棄光電量的支持政策，賦予參與消納的企業(yè)靈活的定價(jià)政策。

2）對(duì)于甘肅、新疆的風(fēng)電、光伏發(fā)電，建立發(fā)電效益、碳交易效益及環(huán)保效益的分配機(jī)制，爭(zhēng)取在我國(guó)的更大范圍進(jìn)行消納，并充分調(diào)動(dòng)參與的各利益主體積極性。

3）鼓勵(lì)在清潔能源過剩的地區(qū)，實(shí)施電能替代，發(fā)展與清潔能源相適應(yīng)的負(fù)荷，增加就地消納的份額。

4）適當(dāng)鼓勵(lì)發(fā)展相變蓄熱儲(chǔ)能技術(shù)，通過大規(guī)模儲(chǔ)熱，有效消納新能源發(fā)電輸出功率波動(dòng)，增強(qiáng)新能源發(fā)電可用性。

4 結(jié)論與建議

本文針對(duì)西北地區(qū)的棄風(fēng)棄光及新能源消納問題，在調(diào)研西北地區(qū)源網(wǎng)荷現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，提出了源-網(wǎng)-荷、規(guī)劃-調(diào)度-運(yùn)行及發(fā)電商-電網(wǎng)-用戶-監(jiān)管等多個(gè)層次統(tǒng)一協(xié)調(diào)的發(fā)展策略，重點(diǎn)分析了源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)調(diào)度、電網(wǎng)調(diào)峰能力挖掘、可時(shí)移負(fù)荷及新型儲(chǔ)能能關(guān)鍵技術(shù)，給出了建議與改進(jìn)措施。

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