我國新能源消納面臨的挑戰(zhàn)與思考

中國電力科學(xué)研究院新能源研究中心主任 王偉勝

黨的十九屆五中全會提出“生態(tài)文明建設(shè)要實現(xiàn)新進(jìn)步”，并強(qiáng)調(diào)加快推動綠色低碳發(fā)展，推進(jìn)能源革命，能源資源配置更加合理、利用效率大幅提高，主要污染物排放總量持續(xù)減少，生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善。而在此前的第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上，國家主席習(xí)近平向世界宣示“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。這意味著今后較長時期，我國電力清潔化必須提速，以風(fēng)電和光伏發(fā)電為主的新能源將迎來加速發(fā)展。

“十四五”新能源發(fā)展形勢

新能源裝機(jī)增長將更加強(qiáng)勁?！笆濉逼陂g我國新能源裝機(jī)年均增長約6000萬千瓦，增速為32%，是全球增長最快的國家。截至2019年底我國新能源裝機(jī)容量達(dá)到4.14億千瓦，占全部電力裝機(jī)的20.63%，其中風(fēng)電2.1億千瓦、光伏發(fā)電2.04億千瓦，新能源發(fā)電量6300億千瓦時，占全部發(fā)電量的8.6%?！笆奈濉逼陂g，隨著風(fēng)電和光伏發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，資源豐富地區(qū)的風(fēng)電、光伏發(fā)電將逐步全面實現(xiàn)平價上網(wǎng)、成本優(yōu)勢以及碳中和目標(biāo)的要求，推動新能源發(fā)展速度進(jìn)一步加快?！笆奈濉逼陂g預(yù)計我國年均新增新能源裝機(jī)將遠(yuǎn)超過6000萬千瓦，達(dá)到1億千瓦的規(guī)模。

分布式新能源和儲能快速發(fā)展。隨著光伏發(fā)電成本的下降、平價上網(wǎng)政策的實施以及中東部地區(qū)基本全額消納的電力系統(tǒng)條件，分布式光伏發(fā)電將以“全民光伏”的形式迅速增長。加之儲能電池成本的快速下降，“光伏+儲能”、大規(guī)模儲能、綜合能源系統(tǒng)等將在用戶側(cè)全面發(fā)展，分布式光伏裝機(jī)容量很快將超過集中式光伏裝機(jī)容量。

新能源裝機(jī)布局變化明顯?！笆奈濉逼陂g，受“三北”地區(qū)新能源消納困難影響，新能源裝機(jī)空間分布將繼續(xù)向消納形勢較好的中東部轉(zhuǎn)移。另外隨著技術(shù)進(jìn)步、成本下降和建設(shè)經(jīng)驗的積累，“十四五”期間我國海上風(fēng)電將迎來大發(fā)展，具備建設(shè)條件的海上風(fēng)電將全面開工，接入消納條件好的華北、華東電網(wǎng)。我國將成為全球海上風(fēng)電增速最快、潛力最大的國家。

市場成為促進(jìn)新能源消納的有力手段。電力市場化改革繼續(xù)向縱深發(fā)展，調(diào)峰調(diào)頻等輔助服務(wù)、省間電力交易、現(xiàn)貨市場等將快速發(fā)展，市場機(jī)制不斷完善，新能源電力將越來越多通過市場來消納，市場將成為促進(jìn)新能源消納的有力手段。

新能源消納面臨的挑戰(zhàn)及相關(guān)措施建議

目前，全國6個?。▍^(qū)）新能源裝機(jī)占比超過30%，7個電網(wǎng)新能源發(fā)電量占比超過20%，局部地區(qū)已形成了高比例新能源電力系統(tǒng)。受風(fēng)/光資源、土地資源等因素影響，當(dāng)前新能源占比高的?。▍^(qū)）的裝機(jī)仍將進(jìn)一步發(fā)展?！笆奈濉逼陂g，高比例新能源電力系統(tǒng)將從局部地區(qū)向全國擴(kuò)展且比例進(jìn)一步提升，未來新能源消納將面臨諸多挑戰(zhàn)。

高比例新能源加大電力系統(tǒng)電力平衡難度。新能源隨機(jī)波動性強(qiáng)，高比例新能源并網(wǎng)將導(dǎo)致發(fā)電波動大幅增加，2019年國家電網(wǎng)有限公司經(jīng)營范圍內(nèi)新能源日最大功率波動已超過1億千瓦，山東、山西、寧夏、新疆等地區(qū)日最大功率波動已超過1000萬千瓦。在電源跟隨負(fù)荷變化調(diào)節(jié)的運(yùn)行要求下，其他常規(guī)電源必須跟隨新能源波動調(diào)節(jié)。然而我國電源結(jié)構(gòu)以火電為主，可隨新能源波動靈活調(diào)節(jié)的電源較少，未來高比例新能源并網(wǎng)將導(dǎo)致電力平衡非常困難。

高比例新能源并網(wǎng)導(dǎo)致電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行風(fēng)險劇增。新能源發(fā)電具有弱支撐性和低抗擾性，隨著新能源大規(guī)模接入，常規(guī)電源被大量替代，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量和調(diào)頻、調(diào)壓能力持續(xù)降低，電網(wǎng)發(fā)生大范圍、寬頻帶、連鎖性故障的風(fēng)險持續(xù)累積。同時新能源機(jī)組有功調(diào)節(jié)能力不足，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率控制能力不斷下降，故障沖擊下電網(wǎng)頻率跌落速度更快、幅度更大。新能源集中接入地區(qū)短路電流水平普遍較低，故障沖擊下電壓波動大，易引發(fā)新能源連鎖脫網(wǎng)事故。此外，大量分布式新能源接入配電網(wǎng)可能引起系統(tǒng)功率失衡、線路過載、節(jié)點電壓超限等問題，對供電可靠性帶來極大挑戰(zhàn)。

新能源發(fā)電單元與可控負(fù)荷信息感知能力不足，難以支撐精細(xì)化調(diào)控。新能源發(fā)電單元總量遠(yuǎn)超常規(guī)水電、火電機(jī)組，全國目前有超過6000座大型新能源電站和幾百萬個低壓接入的分布式發(fā)電系統(tǒng)，未來新能源發(fā)電單元數(shù)量將達(dá)到數(shù)千萬，氣象環(huán)境、運(yùn)行控制等各類信號數(shù)十億個。新能源發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)感知能力弱，運(yùn)行管理極其復(fù)雜，現(xiàn)有信息化手段不能充分滿足新能源功率預(yù)測與控制、可控負(fù)荷與新能源互動等需要。

高比例新能源對電力市場機(jī)制建設(shè)提出新的要求。隨著我國電力市場建設(shè)逐步深入，多地區(qū)開展了基于中長期電量交易的發(fā)電權(quán)置換、大用戶交易等新能源市場化交易品種。但受風(fēng)光資源特性影響，高比例新能源波動需通過實時電力平衡進(jìn)行消納，實時市場中新能源低邊際成本降低了市場出清價格，影響靠電量市場收益的常規(guī)電源獲益，長期造成發(fā)電資源充裕性不足，對容量市場設(shè)計提出新的需求。如何建立一套適合我國國情且滿足高比例新能源消納的電力市場交易機(jī)制面臨挑戰(zhàn)。

新能源消納涉及電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、用多個環(huán)節(jié)，與發(fā)展方式、技術(shù)進(jìn)步、市場機(jī)制以及政策措施等密切相關(guān)，實現(xiàn)新能源高效消納，既要遠(yuǎn)期規(guī)劃，又要有運(yùn)行優(yōu)化，既要技術(shù)驅(qū)動，也需要政策引導(dǎo)和市場機(jī)制配合。

加強(qiáng)新能源與靈活調(diào)節(jié)電源統(tǒng)籌規(guī)劃。一方面考慮新能源資源的差異性，進(jìn)一步開展全國風(fēng)能、太陽能等新能源資源勘查和評估，確保資源的精準(zhǔn)、高效利用；充分利用風(fēng)、光資源自身互補(bǔ)性，在全國范圍廣域優(yōu)化布局新能源，制定各區(qū)年度新增建設(shè)規(guī)模、裝機(jī)布局和開發(fā)時序。另一方面加強(qiáng)新能源開發(fā)與靈活調(diào)節(jié)電源的協(xié)調(diào)規(guī)劃?？紤]新能源發(fā)電波動性，在發(fā)展新能源的同時，優(yōu)化電化學(xué)儲能、抽水蓄能、燃?xì)怆娬镜褥`活電源規(guī)劃，支撐新能源消納能力持續(xù)提升。

提升新能源并網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行管理水平，實現(xiàn)新能源高效消納。借助人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，提升電網(wǎng)對海量新能源發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行管理能力，提升新能源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)質(zhì)量和預(yù)測建模的智能化水平，建立高精度、高可信度的新能源功率預(yù)測系統(tǒng)，為高比例新能源并網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行奠定堅實基礎(chǔ)；從源、網(wǎng)、荷、儲、市場交易等多方面發(fā)力，不斷挖掘電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性，提升適應(yīng)新能源隨機(jī)波動性的調(diào)度運(yùn)行水平和風(fēng)險防御能力，支撐高比例新能源高效消納。加快推進(jìn)新能源并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)升級，加強(qiáng)新能源并網(wǎng)性能的檢測認(rèn)證和在線評估，提升高比例新能源安全運(yùn)行水平。

發(fā)揮市場配置資源的作用，促進(jìn)新能源消納?？紤]中長期市場、現(xiàn)貨市場、輔助服務(wù)市場與容量市場，完善高比例新能源消納的市場機(jī)制，加快推進(jìn)適應(yīng)波動性新能源消納的市場體系建設(shè)，發(fā)揮市場在更大范圍內(nèi)優(yōu)化配置資源的作用。建立適應(yīng)高比例新能源的消納考核機(jī)制，核算不同地區(qū)新能源發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，以全社會效益最大為目標(biāo)，分?。▍^(qū)）設(shè)置合理的新能源利用率考核指標(biāo)。

加強(qiáng)科研攻關(guān)，引領(lǐng)新能源高質(zhì)量發(fā)展。加快太陽能發(fā)電、海上風(fēng)電等基礎(chǔ)設(shè)施及相關(guān)測試平臺建設(shè)，提升新能源發(fā)電對系統(tǒng)運(yùn)行的主動支撐和并網(wǎng)友好性能，促進(jìn)新能源發(fā)電設(shè)備性能升級，使新能源成為優(yōu)質(zhì)電源。建立大規(guī)模新能源集群多場站、跨時空尺度協(xié)調(diào)仿真平臺，攻關(guān)高比例新能源并網(wǎng)的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行技術(shù)瓶頸，提出能源轉(zhuǎn)型中新能源與電網(wǎng)安全運(yùn)行協(xié)調(diào)發(fā)展技術(shù)解決方案，引領(lǐng)新能源高質(zhì)量發(fā)展。