綠色電力發(fā)展背景下陜西“十四五”電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

王 雷,趙 娟，王 喆，吳 磊，賈宏剛

(1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075；2.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，陜西 西安 710075)

0 引言

新一輪能源革命正在逐步改變電力系統(tǒng)格局及電網(wǎng)發(fā)展模式。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向的轉(zhuǎn)變和生態(tài)環(huán)境約束的增強(qiáng)以及電力體制改革的不斷深入推進(jìn)，市場(chǎng)條件下的電源規(guī)劃工作面臨的不確定因素更為復(fù)雜〔1〕。電源規(guī)劃是電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的核心〔2〕，也是開(kāi)展網(wǎng)架結(jié)構(gòu)研究的邊界條件?！笆奈濉逼陂g是陜西電力發(fā)展轉(zhuǎn)型、電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵期，也是陜西建設(shè)能源強(qiáng)省的攻堅(jiān)期。結(jié)合陜西自身能源資源特點(diǎn)及電力綠色發(fā)展的整體思路，在滿足負(fù)荷供電需求的基礎(chǔ)上，提出結(jié)構(gòu)合理的電源規(guī)劃方案，是做好“十四五”陜西電力規(guī)劃的前提。

本文結(jié)合陜西電源發(fā)展實(shí)際，總結(jié)“十三五”陜西電源發(fā)展特點(diǎn)，以陜西電源發(fā)展在“十四五”及中長(zhǎng)期所面臨的形勢(shì)與問(wèn)題為導(dǎo)向，通過(guò)對(duì)陜西電源結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)調(diào)峰能力及新能源接納能力〔3〕、系統(tǒng)靈活性約束及需求側(cè)響應(yīng)的電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)規(guī)劃模型〔4〕進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究系統(tǒng)消納能力和可再生能源裝機(jī)規(guī)模適應(yīng)問(wèn)題；針對(duì)陜西電源結(jié)構(gòu)的大規(guī)模間歇性電源接入后電力系統(tǒng)的靈活性問(wèn)題〔5〕，研究電力系統(tǒng)靈活性評(píng)價(jià)。文中提出符合陜西實(shí)際的電源結(jié)構(gòu)方案，通過(guò)引入陜西綠色電力發(fā)展的多項(xiàng)指標(biāo)，并運(yùn)用權(quán)重系數(shù)法對(duì)不同電源結(jié)構(gòu)場(chǎng)景進(jìn)行比較，為“十四五”及中長(zhǎng)期陜西電力規(guī)劃提供參考。

1 陜西電力供需現(xiàn)狀

2005年以來(lái)，陜西電力需求快速增長(zhǎng)，全社會(huì)用電量從516億kWh增長(zhǎng)至1 683億kWh，年均增長(zhǎng)率達(dá)到8.8%；全社會(huì)最大負(fù)荷從8 740 MW增長(zhǎng)至29 500 MW，年均增長(zhǎng)率達(dá)到9.1%。電力需求在“十五”和“十一五”期間保持兩位數(shù)增長(zhǎng)，“十二五”中后期，受經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下滑的影響，電力需求增速有所降低?！笆濉币詠?lái)，隨著經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的回暖，電力需求呈現(xiàn)恢復(fù)性增長(zhǎng)。

截至2019年底，陜西發(fā)電裝機(jī)容量61 690 MW，其中水電3 908 MW、火電43 224 MW、風(fēng)電5 263 MW、光伏9 295 MW，所占比例分別為6.3%、70.1%、8.5%和15.1%，新能源裝機(jī)占比日益提升。

2 陜西電源結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)

2.1 負(fù)荷增長(zhǎng)潛力較大，電力供應(yīng)整體偏緊

近年來(lái)，陜西負(fù)荷增速高于全國(guó)增速。陜西是西北對(duì)接全國(guó)的橋頭堡，經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。隨著關(guān)中城市群建設(shè)的日益推進(jìn)，以及陜北能源化工行業(yè)的逐步回暖，同時(shí)在電能替代及新一輪電氣化的潛力推動(dòng)下，“十四五”陜西電力負(fù)荷有望保持較高的增長(zhǎng)速度。陜西目前在建火電大部分均在2020年前投產(chǎn)，電力供需在“十四五”中后期趨緊。

2.2 環(huán)保約束日益增強(qiáng)，源荷均衡格局逐步打破

隨著汾渭平原建設(shè)的逐步推進(jìn)，陜西關(guān)中地區(qū)被正式納入大氣污染防治重點(diǎn)區(qū)域。陜西省鐵腕治霾打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)方案(2018-2020年)明確〔6〕，對(duì)關(guān)中地區(qū)火電企業(yè)進(jìn)行優(yōu)化布局，關(guān)中核心區(qū)不再新建火電、熱電企業(yè)。關(guān)中地區(qū)目前相對(duì)均衡的源荷格局將被打破，彬長(zhǎng)煤電基地新建電源的不確定性增大。

2.3 新能源高速發(fā)展與外部條件的合理適應(yīng)

在能源革命新形勢(shì)下，電源結(jié)構(gòu)將逐漸從以化石能源為主向化石能源與清潔能源并重轉(zhuǎn)變，大力發(fā)展新能源已成為政府及發(fā)電企業(yè)的共識(shí)。近年來(lái)，陜西新能源裝機(jī)增速較快。目前，陜西已核準(zhǔn)備案風(fēng)電光伏規(guī)模達(dá)到約30 000 MW，約是陜西已裝新能源規(guī)模的2倍，大規(guī)模新能源裝機(jī)的儲(chǔ)備及接入需求對(duì)新能源建設(shè)硬性條件(土地、資源等)及電網(wǎng)送出與消納提出了更高的要求。同時(shí)，隨著新能源平價(jià)上網(wǎng)的逐步推進(jìn)，近年來(lái)空前高漲的建設(shè)熱情是否能得以延續(xù)均值得商榷。在新能源規(guī)劃方面，應(yīng)理性對(duì)待。

此外，陜西負(fù)荷峰谷差較大，最小負(fù)荷率β在0.6～0.7之間。隨著大規(guī)模新能源的接入，電網(wǎng)調(diào)峰壓力日益增大，容量電源利用小時(shí)逐年攀低。需要充分發(fā)揮調(diào)峰電源的作用，建立調(diào)峰輔助服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制，有效改善新能源波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊及容量電源的運(yùn)營(yíng)效益。

3 研究思路與方法

具體研究按圖1所示框圖逐步進(jìn)行。首先，對(duì)陜西電力需求進(jìn)行預(yù)測(cè)，并進(jìn)行電力平衡分析，確定容量電源建設(shè)空間；其次，在此空間基礎(chǔ)上提出新能源建設(shè)3個(gè)場(chǎng)景以及調(diào)峰電源靈活性建設(shè)3個(gè)方案，共計(jì)9個(gè)電源建設(shè)方案；第三，運(yùn)用綠色電力發(fā)展指標(biāo)體系，采用權(quán)重系數(shù)法對(duì)各方案進(jìn)行優(yōu)選；第四，得出相關(guān)結(jié)論及建議。

陜西電力新能源主要涉及陜西風(fēng)電、光伏及調(diào)峰電源建設(shè)，而省內(nèi)的水電資源相對(duì)匱乏，主要集中在漢江流域，目前已基本開(kāi)發(fā)完成〔7〕。

4 電力需求預(yù)測(cè)及電源建設(shè)空間分析

4.1 電力需求預(yù)測(cè)

“十三五”陜西國(guó)民經(jīng)濟(jì)增速7.3%左右，“十四五”增速預(yù)計(jì)達(dá)到5%以上。根據(jù)對(duì)電采暖、電鍋爐、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域替代估算，“十四五”陜西電能替代潛力約為74億kWh。綜合考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展、電能替代對(duì)人均用電量增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)，2025年陜西人均用電量預(yù)計(jì)達(dá)到6 000 kWh，全社會(huì)用電量達(dá)到約2 400億kWh。陜西“十四五”電力需求水平見(jiàn)表1。

表1 陜西“十四五”及遠(yuǎn)期電力需求預(yù)測(cè)

從區(qū)域負(fù)荷分布來(lái)看，關(guān)中是陜西經(jīng)濟(jì)的中心，隨著“西咸新區(qū)”建設(shè)進(jìn)程的加快、“關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)”的發(fā)展以及“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶新起點(diǎn)戰(zhàn)略”的實(shí)施，關(guān)中地區(qū)將帶動(dòng)全省經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)。關(guān)中電網(wǎng)是電力需求增長(zhǎng)的主導(dǎo)力量，考慮規(guī)劃期關(guān)中電網(wǎng)電力負(fù)荷約占全省負(fù)荷的60%。

陜北是陜西經(jīng)濟(jì)的重要增長(zhǎng)點(diǎn)，是國(guó)家重要的能源化工基地?？紤]到國(guó)家能源消費(fèi)革命及轉(zhuǎn)型可能會(huì)對(duì)陜北化工及煤炭工業(yè)發(fā)展造成一定影響，規(guī)劃期陜北電網(wǎng)電力負(fù)荷約占全省負(fù)荷的27%。

陜南發(fā)展將圍繞豐富的稀有金屬礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)、水資源開(kāi)發(fā)，以及依靠生態(tài)環(huán)境資源優(yōu)勢(shì)，發(fā)展生態(tài)旅游、生態(tài)產(chǎn)業(yè)，形成綠色產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)體系?？紤]規(guī)劃期陜南電網(wǎng)電力負(fù)荷約占全省負(fù)荷的13%。

4.2 電源建設(shè)空間分析

考慮如下分析原則：

1)“十四五”水電裝機(jī)在已有裝機(jī)基礎(chǔ)上，僅考慮在建的鎮(zhèn)安抽水蓄能電站4×350 MW機(jī)組、黃金峽90 MW機(jī)組。

2)陜西內(nèi)用火電在已有裝機(jī)基礎(chǔ)上，考慮已核準(zhǔn)在建6 020 MW火電機(jī)組，并退役部分關(guān)中及陜北300 MW以下火電機(jī)組。

3)發(fā)揮西北聯(lián)網(wǎng)效益，備用容量按照最大負(fù)荷的8%考慮。

4)“網(wǎng)對(duì)網(wǎng)”外送考慮德寶直流3 000 MW及靈寶直流1 110 MW規(guī)模。西北主網(wǎng)通過(guò)750 kV交流向陜西送電2 000 MW。

按照以上分析原則，陜西“十四五”電源建設(shè)空間12 600 MW，具體分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 陜西“十四五”電源建設(shè)空間 /10MW

5 電源結(jié)構(gòu)分析

5.1 新能源建設(shè)場(chǎng)景

陜西風(fēng)、光資源較為豐富的陜北地區(qū)，屬于光資源II類資源區(qū)、風(fēng)資源IV類資源區(qū)，有較大的新能源開(kāi)發(fā)潛力。陜西已核準(zhǔn)風(fēng)電15 060 MW，備案光伏15 080 MW，總計(jì)30 140 MW。

基于核準(zhǔn)備案總體規(guī)模，結(jié)合資源條件、電網(wǎng)調(diào)峰能力及新能源接納能力，提出2025年新能源3個(gè)建設(shè)場(chǎng)景見(jiàn)表3。其中，低場(chǎng)景按照目前核準(zhǔn)備案新能源容量在“十四五”全部建成考慮，高場(chǎng)景非水可再生電量消納占比約為2019年實(shí)際占比的2倍。

注：含陜武直流配套風(fēng)光各3 000 MW；消納占比不考慮棄電，并扣除直流配套新能源電量

5.2 調(diào)峰電源建設(shè)方案

根據(jù)電源建設(shè)空間分析，2025年陜西調(diào)峰電源建設(shè)空間12 600 MW。結(jié)合陜西電源實(shí)際建設(shè)條件及特點(diǎn)，主要考慮從煤電、電池儲(chǔ)能和熱電靈活性改造釋放出力3個(gè)方面滿足電力平衡需求。

2025年陜西省熱電規(guī)模約12 900 MW，其中300 MW及以上熱電機(jī)組約11 000 MW，冬季受阻出力約2 200 MW，熱電機(jī)組全部靈活性改造最大可釋放出力為2 200 MW。

結(jié)合陜西電網(wǎng)負(fù)荷特性和電源出力特性，經(jīng)濟(jì)配置運(yùn)行下電池儲(chǔ)能可替代火電裝機(jī)約1 800 MW，為了減少火電裝機(jī)和提高陜西電網(wǎng)新能源調(diào)峰消納能力，適當(dāng)規(guī)劃電池儲(chǔ)能。

為滿足電力平衡需求，在儲(chǔ)能和靈活性改造基礎(chǔ)上，陜西還需新增一定規(guī)模的煤電裝機(jī)。

陜西2025年調(diào)峰電源新增建設(shè)方案見(jiàn)表4。

表4 2025年陜西省新增調(diào)峰電源方案 /10MW

5.3 電源結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)

新能源建設(shè)規(guī)模與系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力息息相關(guān)?；谛履茉床煌ㄔO(shè)場(chǎng)景及調(diào)峰電源靈活性不同方案，可提出3大類共9個(gè)電源結(jié)構(gòu)方案：

3大類方案分別代表電源結(jié)構(gòu)中新能源的中、低、高3個(gè)場(chǎng)景，是電源結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)綠色電力發(fā)展的重要指標(biāo)。每一類方案下根據(jù)調(diào)峰電源結(jié)構(gòu)的不同分為靈活性中、低、高3個(gè)子方案。其中，方案1、2、3對(duì)應(yīng)新能源裝機(jī)結(jié)構(gòu)中場(chǎng)景及靈活性中、低、高3個(gè)方案；方案4、5、6對(duì)應(yīng)新能源裝機(jī)結(jié)構(gòu)低場(chǎng)景；方案7、8、9對(duì)應(yīng)新能源裝機(jī)高場(chǎng)景。

上述9個(gè)方案反映出電源結(jié)構(gòu)中清潔能源占比及對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的需求。

為便于對(duì)上述9個(gè)電源結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，后續(xù)引入陜西綠色電力發(fā)展的4個(gè)方面指標(biāo)(見(jiàn)圖2)，即清潔發(fā)展、能源效率、電力保障和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)〔8〕，分別考察陜西電源結(jié)構(gòu)在這4個(gè)方面的體現(xiàn)，隨機(jī)生產(chǎn)模擬結(jié)果，利用權(quán)重系數(shù)法對(duì)上述電源結(jié)構(gòu)場(chǎng)景和方案進(jìn)行如下比較分析。

權(quán)重系數(shù)法根據(jù)隨機(jī)生產(chǎn)模擬結(jié)果的不同輸出項(xiàng)，分別以非化石裝機(jī)發(fā)電量占比、發(fā)電系統(tǒng)供電煤耗、可靠性EENS、綜合上網(wǎng)電價(jià)4個(gè)指標(biāo)量化體現(xiàn)綠色電力發(fā)展的4個(gè)方面，并對(duì)不同指標(biāo)賦予了不同的權(quán)重系數(shù)。

在權(quán)重系數(shù)法中，根據(jù)每項(xiàng)指標(biāo)的生產(chǎn)模擬計(jì)算結(jié)果按照方案序次進(jìn)行排位打分，所得分?jǐn)?shù)乘以該項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)得出該方案的綜合得分，依次計(jì)算所有方案的綜合得分后，對(duì)方案進(jìn)行排名，得出最優(yōu)方案，計(jì)算方法具體見(jiàn)下式：

(1)

其中，Qi為第i個(gè)電源方案的權(quán)重分析總得分；Qj為第i個(gè)方案第j項(xiàng)指標(biāo)在所有方案該項(xiàng)指標(biāo)中的排位得分；λj為第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

利用權(quán)重系數(shù)法對(duì)各方案進(jìn)行綜合評(píng)分，得出表5所示的生產(chǎn)模擬計(jì)算結(jié)果。

評(píng)分結(jié)果顯示，新能源低場(chǎng)景靈活性高方案評(píng)分最高，靈活性低方案次之，新能源高場(chǎng)景靈活性低方案評(píng)分最低。

表5 不同電源方案下生產(chǎn)模擬計(jì)算及綜合評(píng)分結(jié)果

續(xù)表5

根據(jù)電源結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)結(jié)果，同時(shí)結(jié)合靈活性改造工程的具體實(shí)施難度及儲(chǔ)能建設(shè)條件，建議“十四五”期間陜西電源裝機(jī)方案按照新能源低場(chǎng)景靈活性中方案考慮，具體內(nèi)容見(jiàn)圖3所示，其中火電裝機(jī)包含神府、榆橫及陜北直流外送配套電源，新能源裝機(jī)包含陜北直流配套電源。

6 結(jié)語(yǔ)

在能源革命新形勢(shì)下，對(duì)電源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,以及對(duì)新的綠色替代電源技術(shù)的研究勢(shì)在必行。在深入研究?jī)?chǔ)能等新型調(diào)峰電源和靈活性改造、需求側(cè)管理等手段的基礎(chǔ)上，合理安排煤電建設(shè)規(guī)模；通過(guò)引入綠色電力發(fā)展不同指標(biāo)對(duì)未來(lái)可能的電源結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化與評(píng)價(jià)，使陜西“十四五”及遠(yuǎn)期電源結(jié)構(gòu)方案既滿足國(guó)家關(guān)于非水可再生能源配額要求，充分考慮新能源建設(shè)和消納訴求，又能夠有序安排新能源建設(shè)規(guī)模，同時(shí)采用內(nèi)用與外送相互配合多方并舉共同解決新能源消納隱患。