雅中—江西直流投產(chǎn)后江西新能源消納能力分析

楊 超，鄭蜀江，王 欣

（1.國網(wǎng)江西省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江西南昌 330096；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西南昌 330096）

0 引言

2020年江西全省新增并網(wǎng)新能源裝機(jī)491萬kW，全省累計新能源裝機(jī)達(dá)到1 366 萬kW，是水電裝機(jī)規(guī)模的2.07 倍，新能源在全省電源裝機(jī)中占比達(dá)到31%，其中風(fēng)電510萬kW，光伏發(fā)電776萬kWp，生物質(zhì)發(fā)電80萬kW，風(fēng)電和光伏發(fā)電在全省電源總裝機(jī)占比達(dá)到29%，順利完成《江西省電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確的風(fēng)電裝機(jī)400萬kW、太陽能發(fā)電裝機(jī)400 萬kWp 的發(fā)展目標(biāo)以及非化石能源裝機(jī)比重35%的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整目標(biāo)。新能源裝機(jī)投運(yùn)，降低了化石能源的占比，減輕了對化石能源的依賴，大大減少了環(huán)境污染，促進(jìn)了我省國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

1 江西新能源發(fā)展

1.1 “十四五”新能源發(fā)展預(yù)測

“十四五”開始，江西新能源發(fā)展將從過去補(bǔ)貼推動、跑馬圈地轉(zhuǎn)向以消納為主導(dǎo)、全面無補(bǔ)貼平價發(fā)展新階段。在新能源開發(fā)方面，一是持續(xù)優(yōu)化布局，贛中地區(qū)光伏資源稟賦好，仍有較大的開發(fā)潛力，同時繼續(xù)加大贛北和贛南地區(qū)分散式風(fēng)電的開發(fā)利用。二是新能源基地規(guī)?；蔀橹鲗?dǎo)開發(fā)方式，改變過去小而分散的開發(fā)格局，實(shí)現(xiàn)新能源的集約高效開發(fā)。三是風(fēng)光儲一體化或“新能源+儲能”開發(fā)模式的出現(xiàn)，提升新能源對電力系統(tǒng)的友好性，一定程度解決新能源棄電問題。

未來江西省風(fēng)電開發(fā)以分散式風(fēng)電和平價風(fēng)電為主，風(fēng)電開發(fā)難度加大，受風(fēng)資源限制，生態(tài)紅線和林地政策的影響，江西省風(fēng)電發(fā)展面臨了一定的“瓶頸”，預(yù)計“十四五”風(fēng)電裝機(jī)可超過700萬kW。隨著成本的不斷下降，加上消納條件和建設(shè)難度相對風(fēng)電較低，光伏發(fā)電在江西的重要地位日益提高，預(yù)計光伏發(fā)電將成為今后江西新能源發(fā)電裝機(jī)的主要增長來源，保持高速增長態(tài)勢，預(yù)計“十四五”光伏發(fā)電裝機(jī)超過1 100萬kWp。

1.2 面臨的問題

近年來江西省新能源發(fā)電規(guī)模保持較快增長，新能源發(fā)電出力頻創(chuàng)新高，新能源最大裝機(jī)占用電負(fù)荷比例達(dá)29%。江西電網(wǎng)調(diào)峰日益困難，新能源消納矛盾逐漸凸顯，存在的問題主要有以下幾點(diǎn)：

一是電網(wǎng)調(diào)峰日益困難。江西電網(wǎng)工業(yè)負(fù)荷占比較小，第三產(chǎn)業(yè)和居民用電占比逐年提高，全省統(tǒng)調(diào)用電負(fù)荷峰谷差率居高不下，年最大峰谷差率已達(dá)55%以上，電網(wǎng)調(diào)峰比較困難。特高壓入贛后，為滿足四川水電外送需求，將進(jìn)一步加大江西電網(wǎng)調(diào)峰難度。

二是新能源發(fā)電裝機(jī)占比持續(xù)提升。預(yù)計到2025 年，江西電網(wǎng)全口徑風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)容量分別為700、1 100 萬kWp，全口徑新能源占比將由2019年的24.2%提升至28.2%，新能源發(fā)電裝機(jī)占比持續(xù)提升。

三是部分時段電網(wǎng)新能源消納能力不足。春節(jié)期間全網(wǎng)負(fù)荷較低，峰谷差較大，電網(wǎng)調(diào)峰難度加劇，新能源消納矛盾日益凸顯，即使通過優(yōu)化機(jī)組開機(jī)方式、火電機(jī)組深度調(diào)峰或啟停調(diào)峰等手段，保障新能源全額消納仍將十分困難。

另外，在沒有市場激勵的前提下，電廠難以主動提高調(diào)節(jié)能力，調(diào)峰補(bǔ)償、價格響應(yīng)等市場機(jī)制尚未建立，客觀上加劇了新能源消納的難度。

2 江西新能源消納機(jī)理

電力系統(tǒng)的特性是發(fā)、輸、配、用電瞬時完成，電源調(diào)節(jié)能力、電網(wǎng)聯(lián)通規(guī)模、負(fù)荷規(guī)模及響應(yīng)能力共同決定了新能源消納潛力。電力系統(tǒng)平衡的原則是調(diào)節(jié)常規(guī)電源出力跟蹤負(fù)荷變化，當(dāng)高比例新能源接入電力系統(tǒng)時，常規(guī)電源不僅要跟隨負(fù)荷變化，還需要平衡新能源的出力波動，電源調(diào)節(jié)能力影響新能源消納程度。電網(wǎng)互聯(lián)能力強(qiáng)，可根據(jù)新能源出力靈活安排外送，能夠最大程度利用通道容量，增大新能源消納空間。

江西電網(wǎng)用電最大峰谷差已達(dá)50%左右，并呈逐步擴(kuò)大的趨勢，江西風(fēng)電日波動幅度大，且呈現(xiàn)一定的反調(diào)峰特性，光伏發(fā)電受晝夜變化、天氣變化、移動云層的影響，同樣存在間歇性和波動性，大量新能源并網(wǎng)后將增加系統(tǒng)調(diào)峰難度。目前，江西電源結(jié)構(gòu)以火電為主，抽水蓄能裝機(jī)僅有120萬kW，靈活調(diào)節(jié)電源偏少，且小型水電機(jī)組較多，調(diào)峰手段有限，電源總體調(diào)節(jié)性能主要取決于火電調(diào)峰深度，新能源高比例接入系統(tǒng)后，當(dāng)新能源出力超過系統(tǒng)調(diào)節(jié)范圍時，必須控制新能源出力以保證系統(tǒng)動態(tài)平衡，因此產(chǎn)生棄風(fēng)棄光。

常規(guī)電源調(diào)峰能力、電網(wǎng)互聯(lián)互通（聯(lián)絡(luò)線外送能力）、負(fù)荷規(guī)模，決定了新能源的消納程度。常規(guī)電源調(diào)峰能力將是限制新能源發(fā)展的主要原因，電網(wǎng)互聯(lián)不充分導(dǎo)致斷面外送受阻是次要原因。隨著新能源進(jìn)一步發(fā)展，靈活調(diào)峰電源、火電調(diào)峰能力嚴(yán)重不足，是產(chǎn)生棄風(fēng)棄光的最主要原因，而送端與主網(wǎng)的電網(wǎng)互聯(lián)不充分導(dǎo)致斷面外送受阻，是產(chǎn)生棄風(fēng)棄光的次要原因。可以這么認(rèn)為，江西新能源消納問題根源主要是電源的調(diào)節(jié)性能靈活性不足。

3 新能源消納分析方法

3.1 消納計算方法

調(diào)峰平衡方法的出發(fā)點(diǎn)是調(diào)峰盈余決定了新能源消納空間。通過測算系統(tǒng)的調(diào)峰需求與調(diào)峰供應(yīng)，以調(diào)峰能力的盈余量并考慮一定折算系數(shù)來考慮支撐的新能源裝機(jī)規(guī)模。該方法的好處在于：基本原理比較清晰，便于理解和上手，計算結(jié)果是系統(tǒng)全接納新能源并不考慮發(fā)生棄能情況下的新能源裝機(jī)規(guī)模，相當(dāng)于給出了系統(tǒng)不發(fā)生棄能情況時的接納上限。該方法的不足在于：從原理上決定了不能將棄能作為調(diào)峰手段加以考量，測算所得到的新能源裝機(jī)規(guī)模是在最為苛刻條件下（負(fù)荷低谷階段也不發(fā)生棄能）的裝機(jī)規(guī)模，同時因?yàn)椴捎昧说湫颓榫?，電源開機(jī)比例、調(diào)節(jié)能力，外送聯(lián)絡(luò)線曲線等，多采用一個平均值或者典型值加以設(shè)置，消納空間測算結(jié)果的魯棒性不強(qiáng)。

生產(chǎn)模擬方法的出發(fā)點(diǎn)是考慮給定系統(tǒng)源網(wǎng)荷邊界條件下，考慮電力電量平衡約束、運(yùn)行約束（包括電源類出力特性約束、聯(lián)絡(luò)線運(yùn)行特性約束），逐時刻校驗(yàn)電力供需平衡情況，最終確定測算周期內(nèi)各類電源的出力水平。該方法的好處在于：新能源出力和負(fù)荷的時序曲線可以直接作為輸入數(shù)據(jù)，同時對電源、聯(lián)絡(luò)線等元件可以實(shí)現(xiàn)分類聚合建模，一定程度避免了典型參數(shù)取舍籠統(tǒng)的問題。該方法的不足在于：輸入數(shù)據(jù)需求量大，特別是開展全周期時序生產(chǎn)模擬，對負(fù)荷和新能源出力需要全部輸入；同時對各類機(jī)組的細(xì)化建模中，仍然存在典型參數(shù)設(shè)計選取的問題。

3.2 電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬

時序生產(chǎn)模擬是根據(jù)電力規(guī)劃方案，對給定時間斷面內(nèi)的發(fā)電、輸電調(diào)度運(yùn)行情況進(jìn)行時序模擬，得到規(guī)劃方案下電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，從運(yùn)行角度對電力規(guī)劃方案進(jìn)行全方位評價。生產(chǎn)模擬需要充分考慮電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中的各種邊界條件的影響（備用、供熱機(jī)組運(yùn)行、斷面、聯(lián)絡(luò)線、最小利用小時數(shù)、受阻等），適用于規(guī)劃方案的電力供需平衡分析、新能源消納評估、運(yùn)行成本分析、生態(tài)環(huán)保分析等。典型日新能源的時序生產(chǎn)模擬如圖1所示。

圖1 新能源的時序生產(chǎn)模擬示意圖

文中采用的時序生產(chǎn)模擬仿真方法，對全年每個時間斷面系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行模擬[1-4]，可考慮實(shí)際運(yùn)行中機(jī)組啟停、備用容量、火電供熱、斷面、聯(lián)絡(luò)線外送等各類邊界條件。

4 雅中—江西直流對江西新能源消納影響

4.1 雅中—江西直流運(yùn)行特性

雅中—江西±800 kV特高壓直流輸電工程目前已開工建設(shè)，計劃于2021年下半年投產(chǎn)，2022年雅中—江西直流受入電力為335萬kW，2023-2025年雅中—江西直流受入電力為400萬kW。雅中—江西直流的運(yùn)行曲線符合外送通道江西受端高峰負(fù)荷需求及四川送端季節(jié)性電量差異特點(diǎn)，直流運(yùn)行特性呈階梯式，階躍時間為上午10：00和晚上23：00，雅中—江西直流枯水期受電電力較小，豐水期受電電力較大。雅中—江西直流日運(yùn)行特征見圖2，雅中—江西直流年運(yùn)行曲線見圖3。

圖2 雅中直流日運(yùn)行特性

圖3 雅中直流全年運(yùn)行曲線

4.2 雅中—江西直流對新能源消納的影響

直流計劃大多數(shù)情況下以送端電源自身運(yùn)行要求安排送電計劃，極易出現(xiàn)“直線”甚至“反調(diào)峰”計劃，導(dǎo)致受端電網(wǎng)調(diào)峰困難。特高壓運(yùn)行模式在很大程度上影響著當(dāng)前系統(tǒng)的調(diào)峰能力及新能源消納水平。隨著常規(guī)直流逐步由柔性直流替代，電網(wǎng)形態(tài)將向靈活高效、多元融合、綜合利用的能源網(wǎng)絡(luò)形態(tài)轉(zhuǎn)變。本節(jié)從雅中—江西直流運(yùn)行特性的角度著手，分析雅中—江西直流對江西電網(wǎng)的新能源消納情況影響。

若無雅中—江西直流受入，1 月、7 月、12 月負(fù)荷高峰月份會出現(xiàn)系統(tǒng)電源無法滿足用電需求的情況，導(dǎo)致系統(tǒng)整體無法達(dá)到電力電量平衡，此時可在用電需求不匹配時段增大湖北聯(lián)網(wǎng)功率的受入，使江西電網(wǎng)整體系統(tǒng)處于電力電量平衡狀態(tài)。當(dāng)雅中—江西直流受入電力時，電網(wǎng)整體新能源棄電率有所提高，但提高幅度不大（新能源棄電率由3.15% 提高3.79%）。其中雅中—江西直流對光伏消納的影響（棄光率由1.56%提高2.87%）大于風(fēng)電消納（棄風(fēng)率由4.30%提高4.45%），這是因?yàn)楣夥蟀l(fā)時候集中在白天，而雅中—江西直流的受入高峰期也在白天，二者爭搶江西電網(wǎng)的用電空間；而風(fēng)電大發(fā)時刻是在凌晨，此時雅中—江西直流的受入電力處于低谷時段，因此雅中—江西直流對江西電網(wǎng)光伏發(fā)電的消納影響更大。

分析得到以下結(jié)論：雅中—江西直流的受入導(dǎo)致江西電網(wǎng)新能源消納空間被壓縮，雅中—江西直流受入曲線為定功率曲線，系統(tǒng)整體靈活調(diào)節(jié)能力下降。如果雅中—江西直流日受入曲線形狀為負(fù)荷高峰時刻多送、低谷時刻少送，可減小江西電網(wǎng)等效峰谷差，在一定程度上有助于系統(tǒng)的調(diào)峰能力。

5 新能源消納能力測算

5.1 新能源規(guī)劃方案消納測算

推薦新能源裝機(jī)為風(fēng)電700 萬kW、光伏1 000萬kWp，2025 年新能源裝機(jī)占比29.4%，其中風(fēng)電光伏裝機(jī)占比27.2%，風(fēng)光總發(fā)電量為235 億kW·h，總棄電量為6.13 億kW·h，新能源綜合利用率為97.46%，風(fēng)電棄電率2.35%，光伏棄電率2.9%，調(diào)峰棄水為0。風(fēng)電利用小時數(shù)1 827 h，光伏利用小時數(shù)1 038 h，火電利用小時數(shù)4 487 h，水電利用小時數(shù)2 479 h[5]。

全年中9 月發(fā)電量最大，2 月發(fā)電量最小，除8 月外各月均存在棄電現(xiàn)象。全年2月棄電量最高，占全年總棄電24.2%，主要原因是2月用電水平較低，電網(wǎng)調(diào)峰容量不足，引起新能源發(fā)電受限。全年棄電最嚴(yán)重發(fā)生在春節(jié)，該日同時出現(xiàn)棄風(fēng)和棄光現(xiàn)象。春節(jié)期間生產(chǎn)活動大量停止，用電負(fù)荷低位運(yùn)行，系統(tǒng)調(diào)峰空間達(dá)到全年最低，即使火電機(jī)組降至最低技術(shù)出力，洪屏抽蓄抽水用電，電網(wǎng)調(diào)峰裕度用盡，只能限制新能源發(fā)電保證電力平衡[6]。當(dāng)天最高棄風(fēng)154萬kW，棄光495萬kWp。

“十四五”江西新能源棄電時段均主要集中在2月，2 月春節(jié)期間負(fù)荷很小，火電機(jī)組出力已壓至最低，系統(tǒng)調(diào)峰能力欠缺；對于豐水期雅中—江西直流受入電力較大的6-10 月，江西電網(wǎng)的棄電現(xiàn)象并不明顯，這主要是因?yàn)榇硕螘r間江西電網(wǎng)負(fù)荷也很高，雅中—江西直流電力曲線與負(fù)荷變化規(guī)律相近，增強(qiáng)了系統(tǒng)在豐水期的調(diào)峰能力。江西電網(wǎng)棄電情況通常集中在凌晨后半夜和中午，凌晨后半夜正是風(fēng)電大發(fā)且負(fù)荷低谷時段，中午處于光伏大發(fā)時段，電網(wǎng)調(diào)峰容量裕度減小，易發(fā)生棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。

5.2 新能源消納空間測算

清潔能源消納三年行動計劃提出：2020 年全國平均風(fēng)電利用率達(dá)到95%左右，光伏發(fā)電利用率高于95%。《國家電網(wǎng)有限公司關(guān)于下達(dá)2020 年新能源消納目標(biāo)的通知》提出風(fēng)電、光伏發(fā)電利用率均達(dá)到95%以上的目標(biāo)。但在能源轉(zhuǎn)型要求下，“十四五”期間新能源將實(shí)現(xiàn)高比例增長，將大概率突破新能源裝機(jī)規(guī)劃方案，利用率較規(guī)劃方案進(jìn)一步降低?？紤]我省風(fēng)電開發(fā)難度大，風(fēng)電到700 萬kW 基本達(dá)到經(jīng)濟(jì)開發(fā)峰值，以風(fēng)電700萬kW 為基礎(chǔ)，測算新能源綜合利用率目標(biāo)分別為93%~97%的光伏接納空間。

表1 江西“十四五”新能源消納空間 萬kW

6 結(jié)語

對于受端江西電網(wǎng)來說，雅中—江西直流送電計劃并不利于本省新能源的消納，研究表明雅中—江西直流受入曲線如果采用的典型送電模式，一定程度削弱系統(tǒng)調(diào)峰能力，也間接的降低了新能源消納空間，而且雅中—江西直流對光伏消納的影響大于風(fēng)電消納。采用時序生產(chǎn)模擬仿真方法對江西電網(wǎng)2025 年新能源消納能力進(jìn)行了測算，到2025 年江西風(fēng)電裝機(jī)700 萬kW，光伏裝機(jī)1 100 萬kWp，新能源綜合利用率可達(dá)到97.46%，新能源利用保持95%以上較高水平。