基于多能互補機理的新能源消納模式研究

聶 狀，任佳偉，白光國，童 鑫，張富厚

（四川農(nóng)業(yè)大學 水利水電學院，四川 雅安 625000）

0 引 言

我國用電量中火電占據(jù)了主導地位，造成了嚴重的溫室效應。因此，合理開發(fā)利用風電、光電等清潔可再生能源，通過清潔能源逐步代替火電能源，對國家實現(xiàn)節(jié)能減排等具有重要意義。國家能源局有關數(shù)據(jù)顯示，我國每年陸地面積地區(qū)所接受的太陽輻射總量為3 300～8 400 MJ/m2，相當于2.4×1012t標準煤的儲量[1]?？傮w來看，我國風能資源比較豐富。據(jù)統(tǒng)計，目前我國的風能可開發(fā)量達2.53×108kW。

在我國風、光能資源快速開發(fā)的同時，由于風、光電具有出力不確定性，導致當下棄風、棄光現(xiàn)象嚴重，資源利用效率偏低，也使其環(huán)境效益和經(jīng)濟效益難以發(fā)揮。因此，如何利用具有良好的調(diào)峰調(diào)頻能力的水電、火電等對其進行調(diào)節(jié)消納，以提高其利用率、經(jīng)濟效益是急需解決的問題。下面對我國現(xiàn)有的風、光電等清潔能源消納模式進行梳理分析，總結(jié)風光儲互補消納模式、風光火電互補消納模式、風光水電互補消納模式以及主網(wǎng)深度調(diào)節(jié)互補消納模式4種消納模式，并在系統(tǒng)分析各類模式的現(xiàn)狀與特點的基礎上，指出各類模式未來的發(fā)展趨勢。

1 “風—光—儲”消納模式

風光儲互補消納模式是利用儲能裝置平抑風電、光電的不確定性，發(fā)電高峰期蓄能，低谷時段發(fā)電[2]，通過組成“風電—光伏發(fā)電—儲能裝置—智能調(diào)度系統(tǒng)”綜合能量系統(tǒng)，打捆并網(wǎng)實現(xiàn)風、光清潔能源消納的方式。常見的儲能裝置包括抽水蓄能電站、物理儲能、電化學儲能等，主要作用是對能量進行調(diào)節(jié)和平衡負載保持電力系統(tǒng)穩(wěn)定；智能調(diào)度系統(tǒng)則負責制定計劃出力，并控制發(fā)電單元和儲能系統(tǒng)的運行。目前，我國在風—光—蓄電池儲能模式應用方面已有相應的示范工程。

1.1 典型工程

1.1.1 風光綜合儲能裝置儲能模式

三十里井子風光儲電網(wǎng)融合驗證示范項目，是我國第一個能源儲能商業(yè)化試點項目和甘肅省首個風光儲電網(wǎng)融合驗證示范項目。項目主要利用風電、光電、儲能互補，通過能量實時管理系統(tǒng)、兆瓦級儲能技術、功率裕度預判控制技術實現(xiàn)儲能秒級調(diào)控，有效控制新能源的電力穩(wěn)定性，實現(xiàn)風、光出力平穩(wěn)并入電網(wǎng)。

1.1.2 風光抽蓄模式

抽水蓄能電站能利用多余的電力抽水，儲存水體勢能，高峰時段利用水體勢能發(fā)電，是非常好的調(diào)峰電源。利用抽水蓄能電站的調(diào)峰能力對風、光電提供輔助后打捆并網(wǎng)，是典型的風—光—儲消納形式。我國抽水蓄能技術起步較晚，已見的抽水蓄能電站主要分布在水電資源相對匱乏或風、光等清潔能源相對豐富的東南、華北、東北、新疆等地區(qū)[3]。

1.2 特 點

由于各類儲能系統(tǒng)占地面積小，修建速度較快，當風光聯(lián)合出力處于波動時，依靠儲能裝置或抽水蓄能電站進行削峰填谷，保障了國家電力系統(tǒng)電力的穩(wěn)定供應，減少了棄風、棄水以及為風光互補發(fā)電系統(tǒng)削峰填谷，提高了電力輸出的平穩(wěn)性和可靠性，并解決了可再生能源時空分布不均的問題。其中，風光抽蓄模式建設技術相對成熟，相對成本較低，運行安全可靠，供電質(zhì)量高，在電力系統(tǒng)得到了廣泛應用。

1.3 發(fā)展趨勢

目前，國內(nèi)外對風光儲消納模式的研究主要集中在互補發(fā)電系統(tǒng)的靜態(tài)體系結(jié)構、蓄能設備的配置及控制、系統(tǒng)計算機仿真和設計優(yōu)化以及聯(lián)合運行系統(tǒng)的運行規(guī)劃及策略等方面[4]。目前，適用于“風—光—抽蓄”聯(lián)合消納模式的地理環(huán)境、資源條件比較稀少，難以同時滿足。因此，如何將這種模式運用到實際生活進行跨區(qū)域的聯(lián)合消納，將會是風光抽蓄的一大發(fā)展趨勢，或者利用河谷自然形成的地形條件，研究在技術經(jīng)濟可行的情況下適當建抽水蓄能電站以互補風光的可能性[5]。

2 “風—光—火”消納模式

目前，我國的電源結(jié)構主要以火電為主。據(jù)統(tǒng)計，2015年全國火力發(fā)電裝機總?cè)萘窟_到1.53×109kW。由此，中國已成為世界上碳排放量最多的國家之一[6-8]。

用戶每日活躍在社交網(wǎng)絡上，維護網(wǎng)絡社交關系，在這一過程當中就極容易透露很多個人信息。比如不少用戶愿意隨時隨地使用分享地理位置的服務，將個人的地理位置坐標分享給社交網(wǎng)絡中的好友，于是就會把個人活動路線告知他人?？梢哉f用戶在頻繁應用信息分享服務的過程中，其本身可以保留的隱私數(shù)量就會逐步減少。除了發(fā)布文字信息之外，用戶還會在社交網(wǎng)絡上發(fā)布一些圖片與視頻類的信息，而借助這些信息碎片，商業(yè)公司能夠收集獲取用戶手機號等信息，還可以推測出消費特征、婚姻狀況、工作狀況等極為隱私的內(nèi)容。網(wǎng)絡黑客也極有可能利用分享的信息這一片從事網(wǎng)絡詐騙和資金盜取活動。

由于我國能源與負荷中心呈逆向分布，西北地區(qū)風、光、煤炭資源豐富，適合大規(guī)模開發(fā)，而大規(guī)模風光就地消納困難。因此，利用在西北地區(qū)的集中式風、光電清潔能源的基地與當?shù)氐幕鹆Πl(fā)電廠聯(lián)合，先“打捆”形成穩(wěn)定的負荷過程后“外送”并網(wǎng)，能規(guī)避風、光電不確定性對受端電網(wǎng)的沖擊，是我國解決大規(guī)模集中式新能源并網(wǎng)問題的有效方式。

2.1 典型工程——哈密南—鄭州±800 kV特風光火打捆外送

哈鄭特高壓直流工程，是“800 kV、800萬kW”特高壓直流輸電標準化示范工程，也是首個“風光火打捆”外送的特高壓直流工程。哈鄭線全長2 191.5 km，線路橫跨6省（自治區(qū)），沿線地理環(huán)境和社會環(huán)境復雜。哈密風電基地最終確定送出風電規(guī)模為8×106kW，同時確定新增光伏發(fā)電規(guī)模1.25×106kW[9]。

天中直流工程是將大型火電、風電基地電力“打捆”送出的首個特高壓工程。該工程每年可向河南省提供超過4×1010kW·h的電量，相當于向河南省輸送超2×107t煤炭，在服務西部大開發(fā)戰(zhàn)略、推動新疆資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為發(fā)展優(yōu)勢、緩解華中地區(qū)用電緊張方面發(fā)揮了重要作用。

2.2 發(fā)展趨勢

我國煤電基地主要集中在“三北”地區(qū)，火電基礎良好，同時3種能源重疊，發(fā)展風光火打捆的基本條件良好。但是，由于“三北”地區(qū)風光火發(fā)電設施與東部、中部主要需電地區(qū)之間的距離超過2 000 km，而直流輸電技術是一項能達到遠距離、大容量、低損耗輸電的可靠的技術。因此，采用風光火打捆外送的方式，不僅可滿足我國中東部地區(qū)的電力能源要求，而且可以保證直流輸電通道輸送功率的安全性和高效性。因此，風光火打捆外送在處于能源轉(zhuǎn)型期的現(xiàn)在具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 “風—光—水”消納模式

我國西南地區(qū)水能資源十分豐富，同時各流域沿線的風、光能也非常豐富。利用該地區(qū)豐富的水電資源對風、光電進行互補調(diào)節(jié)、打捆外送，可以實現(xiàn)風、光電的有效消納，這種模式稱為“風—光—水”互補消納模式。

3.1 典型工程

3.1.1 雅礱江流域風光水互補能源基地

水能方面，雅礱江流域共規(guī)劃了22級水電站，總裝機容量約3×107kW。在風能、光能方面，初步估計，雅礱江流域風電可開發(fā)量約1.3×107kW，光電可開發(fā)量約1.8×107kW[10]。目前，雅礱江流域正在規(guī)劃建設風光水互補能源示范基地。該基地建成后，可以實現(xiàn)流域內(nèi)風、光、水綜合開發(fā)，利用特高壓外送通道，將流域內(nèi)風光出力就近接入水電站，并通過水電站升壓站進入特高壓送出通道，送往華東地區(qū)負荷中心，實現(xiàn)流域內(nèi)風、光、水電的綜合消納。

3.1.2 金沙江下游風光水互補能源基地

金沙江下游流域的風、光、水能資源都十分豐富。水電總裝機容量為4.296×107kW，風電總裝機容量約為4.044×106kW，光電總裝機容量約為4.02×106kW。由于金沙江下游的風、光電廠分布比較分散，所以該能源互補基地采用各梯級電站就近接收消納的原則[11]。利用流域內(nèi)水電資源對風、光電提供補充，實現(xiàn)流域內(nèi)的分光水互補，通過特高壓外送通道送往華東負荷中心，實現(xiàn)清潔能源的消納。

3.2 發(fā)展趨勢

在西南地區(qū)利用梯級電站良好的調(diào)峰調(diào)頻能力，以及現(xiàn)已建成的3條±800 kV特高壓輸出通道把風、光、水電打捆外送，不僅能解決風、光電并網(wǎng)難、輸出難等問題，而且有利于節(jié)約輸電線路的建設成本，提高風、光電能的利用率和經(jīng)濟效益。這樣的互補調(diào)節(jié)方式是目前西南地區(qū)風、光電綜合消納的主要手段。雖然現(xiàn)已規(guī)劃了金沙江、雅礱江流域的互補能源基地建設，但是其具體消納細節(jié)、配套外送通道需要進一步論證。

4 主網(wǎng)調(diào)節(jié)消納模式

根據(jù)國家能源“十三五”發(fā)展規(guī)劃，新能源就近消納是解決我國風電光電與負荷逆向分布[12]以及風光并網(wǎng)困難問題的重要思路[13]。因此，風、光電等清潔能源直接并入當?shù)仉娋W(wǎng)，利用主網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻能力對風、光電的不確定性、隨機性和波動性提供補充，實現(xiàn)風光清潔能源的消納，是現(xiàn)行風、光清潔能源消納的最有效的模式。

4.1 現(xiàn) 狀

整體來看，全國各省份都有風、光電新能源并網(wǎng)消納，依據(jù)不同區(qū)域負荷特性與資源分布特性的不一致，各自區(qū)域呈現(xiàn)一定的特點。

內(nèi)蒙古東部、冀北地區(qū)、東南沿海地帶風電富集，又靠近負荷中心，新能源的開發(fā)以集中式風電與分布式光伏發(fā)電為主，進入主網(wǎng)后，為華北及東部地區(qū)提供電能。

西北甘肅、青海等地區(qū)風電富集，但與負荷中心距離較遠，就地消納能力有限，因此需要在就地部分消納的基礎上，通過區(qū)域間的電網(wǎng)互聯(lián)，將區(qū)域電網(wǎng)吸收的風光能通過主網(wǎng)輸送至華北、華東負荷中心實現(xiàn)清潔能源的消納。

東北地區(qū)屬于風能資源富集區(qū)域，風能進入東北電網(wǎng)后通過火電及抽水蓄能電站的聯(lián)合運行實現(xiàn)消納。

西南地區(qū)以水電資源豐富為主，同時風、光資源分布相對集中，以大規(guī)模集中式開發(fā)為主，且離負荷中心較遠，因此，除了將集中式的水電基地通過高壓輸電線外送之外，風、光電就近上網(wǎng)比重較小，通過水電對電網(wǎng)進行調(diào)節(jié)，基本可以實現(xiàn)風、光清潔能源的就地消納。

南方地區(qū)整體風、光電資源相對匱乏，風電、光伏發(fā)電規(guī)模相對較小，清潔能源進入主網(wǎng)后，通過南方電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻能力可以實現(xiàn)消納。

4.2 特 點

鑒于我國風光電資源中心與負荷中心相聚甚遠的特點，風、光電并網(wǎng)后難以實現(xiàn)就地消納，造成棄風、棄光問題嚴重。因此，通過國家區(qū)域性電網(wǎng)互聯(lián)[14]，將富余的清潔能源外送至負荷中心，實現(xiàn)跨區(qū)域消納成為實現(xiàn)清潔能源消納的有效途徑。

將計劃性的電力行業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌龌碾娏ιa(chǎn)與消納是國家能源轉(zhuǎn)型的大趨勢。通過市場的調(diào)節(jié)，充分發(fā)揮風、光電的清潔屬性。雖然目前采取的措施是通過保障風、光清潔能源全額消納，但是將來需在電力市場中實現(xiàn)風、光清潔能源的高質(zhì)量消納，這就對提高電網(wǎng)輸電能力與建立合理的價格機制[15]提出了更高的要求。

5 結(jié) 論

本文主要梳理了風光儲系統(tǒng)、風光火電互補、風光水電互補消納、主網(wǎng)深度調(diào)節(jié)4種風、光電消納模式。在我國復雜的資源分布與負荷需求下，風光電資源各類消納模式在國家能源轉(zhuǎn)型發(fā)展中承擔了重要的角色。根據(jù)國家能源戰(zhàn)略與清潔能源并網(wǎng)消納的發(fā)展趨勢，提出如下建議。

（1）興建抽水蓄能電站等儲能裝置，提高電網(wǎng)調(diào)峰能力。隨著國家風、光電并網(wǎng)規(guī)模的逐漸增多，利用主網(wǎng)深度調(diào)節(jié)成為解決不確定性風光出力消納問題的主要方式，這對主網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻能力提出了更高的考驗。在電網(wǎng)側(cè)修建大規(guī)模抽水蓄能電站，提高電網(wǎng)調(diào)峰能力，成為破解這一瓶頸的關鍵思路。

（2）加強長距離輸電線路建設，提高輸電能力。上文表明，資源富集中心與負荷需求中心相距甚遠，超大規(guī)模的千萬千瓦級的風、光電基地如采用就近并網(wǎng)的形式，對當?shù)刂骶W(wǎng)的穩(wěn)定性造成沖擊。針對這種情況，建議通過資源地優(yōu)勢的火電或水電為風光電提供補充，打捆后通過長距離高壓輸電線路將大規(guī)模的風電、光電送往負荷中心，以有效解決部分地區(qū)的并網(wǎng)問題。