“雙碳”背景下可再生能源發(fā)展中“棄風(fēng)棄光”的問題及消納措施

岑 彬

（國能浙江北侖第一發(fā)電有限公司,浙江 寧波 315800）

能源是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展不可缺少的生產(chǎn)要素和物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，對能源的需求量日益增加，供求矛盾將愈發(fā)突出。由于傳統(tǒng)能源消耗量的迅速增加以及環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，許多國家和地區(qū)大規(guī)模地開展了新能源的探索工作。近年來，為推動實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，我國在堅(jiān)持安全降碳，在保障能源安全的前提下，大力實(shí)施可再生能源替代，加快構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系。然而，由于以風(fēng)能、太陽能等為代表的新能源存在出力不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，“棄風(fēng)棄光”問題也日益突出，甚至對電網(wǎng)的運(yùn)行帶來一定的威脅。因此，為了能夠消納逐漸增加的可再生能源，需要積極采取相應(yīng)的舉措。

本文對國內(nèi)外可再生能源消納問題的科研進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)研，分析造成“棄風(fēng)棄光”現(xiàn)象的主要原因，并提出解決新能源消納問題的對策和具體措施，以期為推動我國能源事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

1 我國可再生能源發(fā)展現(xiàn)狀

我國能源結(jié)構(gòu)的基本特征是“富煤、貧油、少氣”，長期以來，我國能源消耗以煤為主（我國煤炭消費(fèi)量每年約占全世界煤炭消耗總量的26.6%，約占我國能源消耗總量的67%），這在很大程度上使我國成為世界最大的碳排放國，占世界能源碳排放總量比重的28.8%。2020年9月22日，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上宣布，中國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(shí)現(xiàn)碳中和。為了實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，展現(xiàn)我國作為負(fù)責(zé)任大國積極應(yīng)對全球氣候變化的決心，推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型已成為我國當(dāng)下社會發(fā)展的重要議題。

圖1是2011—2020年我國電力裝機(jī)結(jié)構(gòu)比例圖[1]。由圖1可知，我國的太陽能、風(fēng)能等可再生能源的開發(fā)力度逐年增大，風(fēng)能、太陽能發(fā)電裝機(jī)容量占比逐年穩(wěn)步上升。在這10年間，風(fēng)電裝機(jī)容量提高了約6倍，太陽能發(fā)電裝機(jī)容量提高近120倍?？傮w來看，我國新能源發(fā)展取得了舉世矚目的成績，裝機(jī)總量已躍居世界第一[2]。然而，現(xiàn)階段，大規(guī)模、高比例的可再生能源發(fā)電并網(wǎng)尚存在一定的技術(shù)瓶頸，影響其消納比例。僅在2019年上半年，棄風(fēng)電量和棄光電量分別為10.5 TW·h和2.6 TW·h。此外，由于易受自然條件的影響，可再生能源出力一般具有隨機(jī)性和波動性，這會影響到電網(wǎng)中電力平衡的維持。同時(shí)，可再生能源電力市場交易機(jī)制不成熟等問題也隨之產(chǎn)生。因此，提高電力系統(tǒng)消納可再生能源的能力已成為我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型進(jìn)程中的當(dāng)務(wù)之急。

圖1 2011—2020年全國電力裝機(jī)結(jié)構(gòu)比例圖

2 可再生能源難以消納的原因

2.1 區(qū)位因素

據(jù)相關(guān)研究中所闡述的我國風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電容量系數(shù)狀況可知，從地域方面來看，我國風(fēng)能資源豐富的地區(qū)主要分布在“三北”（華北、東北、西北）地區(qū)[3]。但受到經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平和人口數(shù)量的制約，當(dāng)?shù)赜秒娦枨蟛蛔阋韵{大量可再生能源；同時(shí)，現(xiàn)有的電網(wǎng)規(guī)劃難以滿足大量可再生能源并網(wǎng)的需求，導(dǎo)致可再生能源上網(wǎng)增速與電站建設(shè)速度不匹配，跨區(qū)域配電網(wǎng)建設(shè)改造與可再生能源的發(fā)展不協(xié)調(diào)，以至于這些電力資源不能被很好地輸送到用電負(fù)荷中心地區(qū)而造成浪費(fèi)。

2.2 調(diào)峰因素

可再生能源發(fā)電存在隨機(jī)性和間歇性的缺點(diǎn)，而通過提升電力系統(tǒng)調(diào)峰能力的方法可以有效促進(jìn)可再生能源的消納。水電的調(diào)峰能力強(qiáng)，啟停速度快，能夠很好地承擔(dān)部分調(diào)峰和填谷工作。但是由于我國地理等條件限制，水電的發(fā)電量和裝機(jī)容量占比較小，因此依靠水電進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)峰任務(wù)并不現(xiàn)實(shí)。而采用核電調(diào)峰，會導(dǎo)致核電機(jī)組的發(fā)電效率和運(yùn)行安全性降低。由于核電機(jī)組對安全性有極高的要求，因此在非必要情況下不會使用核電進(jìn)行調(diào)峰。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電是解決電網(wǎng)調(diào)峰問題的方法之一，其具有能夠?qū)崿F(xiàn)快速啟停、操作靈活、負(fù)荷升降快、運(yùn)行安全的特點(diǎn)。然而，受制于我國的資源現(xiàn)狀，燃?xì)鈾C(jī)組只能在小范圍內(nèi)得到應(yīng)用，因此燃?xì)庖膊荒艹蔀檎{(diào)峰的主要手段。作為我國發(fā)電行業(yè)的主體，火電機(jī)組承擔(dān)了調(diào)峰任務(wù)的大部分工作。然而目前，我國火電機(jī)組的調(diào)峰能力仍低于國際水平，且在可再生能源較為豐富的“三北”地區(qū)，火電機(jī)組冬季還需進(jìn)行供暖工作，導(dǎo)致其調(diào)峰能力大大降低[4]。

2.3 市場及政策因素

近年來，全國電力需求增速放緩，傳統(tǒng)能源由于成本低廉且出力穩(wěn)定，對可再生能源的發(fā)展造成一定程度的限制，成為導(dǎo)致可再生能源消納難的重要原因之一。此外，我國的電力市場建設(shè)仍處于初步階段，關(guān)于可再生能源的價(jià)格補(bǔ)貼、調(diào)峰補(bǔ)償機(jī)制等具體政策的研究尚未完善，難以推動火電靈活性改造、儲能裝置的建設(shè)，也未能調(diào)動火電企業(yè)參與調(diào)峰的積極性。電力的跨區(qū)域輸送并未被納入國家能源戰(zhàn)略指定的送受電計(jì)劃中，相關(guān)政策的不完善導(dǎo)致各地對消納可再生能源的積極性不足，阻礙了可再生能源向外輸送。

3 可再生能源的消納措施

3.1 火電機(jī)組深度調(diào)峰改造

2021年8月10日，國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布《關(guān)于鼓勵可再生能源發(fā)電企業(yè)自建或購買調(diào)峰能力增加并網(wǎng)規(guī)模的通知》（以下簡稱《通知》）。《通知》明確，在電網(wǎng)企業(yè)承擔(dān)可再生能源保障性并網(wǎng)責(zé)任的基礎(chǔ)上，鼓勵發(fā)電企業(yè)通過自建或購買調(diào)峰儲能資源的方式，擴(kuò)大可再生能源發(fā)電裝機(jī)并網(wǎng)規(guī)模。自建調(diào)峰資源指發(fā)電企業(yè)按全資比例建設(shè)抽水蓄能、化學(xué)儲能電站、氣電、光熱電站或開展煤電靈活性改造。2021年10月，國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布的《全國煤電機(jī)組改造升級實(shí)施方案》提出，各地在推進(jìn)煤電機(jī)組改造升級工作過程中，需統(tǒng)籌考慮煤電節(jié)能降耗改造、供熱改造和靈活性改造制造，實(shí)現(xiàn)“三改”聯(lián)動。同時(shí)，要合理安排機(jī)組改造時(shí)序，保證本地電力安全可靠供應(yīng)。

火電靈活性是電力系統(tǒng)靈活性的關(guān)鍵指標(biāo)?；痣婌`活性通常指火電機(jī)組的運(yùn)行靈活性，即火電機(jī)組的出力變化范圍、響應(yīng)時(shí)間、負(fù)荷變化速率等反映機(jī)組適應(yīng)電網(wǎng)出力波動大、響應(yīng)速度快的要求的能力[5]。

由于我國的火電機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮深度調(diào)峰需求，只能通過技術(shù)改造提高火電機(jī)組的靈活性。其中最為常見的方法是對鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒方面進(jìn)行相關(guān)改造，具體工作內(nèi)容包括制粉系統(tǒng)改造、煤質(zhì)摻燒、精細(xì)化調(diào)整、燃燒器改造、智能控制等。實(shí)際工程中，西安熱工研究院有限公司對330 MW亞臨界熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化，將鍋爐不投油最低穩(wěn)燃負(fù)荷降低到額定負(fù)荷的25%～30%，并將機(jī)組的負(fù)荷變化速率提升至2% Pe/min[6]。2019年，大唐三門峽發(fā)電公司機(jī)組深度調(diào)峰取得新突破，該公司二期630 MW機(jī)組單機(jī)深度調(diào)峰至135 MW穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)組調(diào)峰深度達(dá)到21.4%，各項(xiàng)參數(shù)及環(huán)保指標(biāo)均正常穩(wěn)定。

除此之外，通過對鍋爐性能進(jìn)行調(diào)峰實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而提出針對性的優(yōu)化建議，也是常見的靈活性改造方案。陳宇等（2019）對浙江省58臺300 MW及以上的火電機(jī)組40%額定負(fù)荷進(jìn)行了調(diào)峰試驗(yàn)，分析汽輪機(jī)及其輔助設(shè)備運(yùn)行時(shí)對調(diào)峰能力的影響[7]。洪軍等（2021）對某660 MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了提高鍋爐調(diào)峰性能的試驗(yàn)研究，調(diào)整后，實(shí)現(xiàn)了鍋爐在30%額定負(fù)荷下的穩(wěn)定運(yùn)行[8]。

3.2 提高可再生能源出力預(yù)測精度

提高可再生能源出力的預(yù)測水平，可以有效降低新能源出力的不確定性。圖2、圖3分別為海南省光伏發(fā)電典型日出力曲線和風(fēng)力發(fā)電典型日出力曲線[9]。由圖2、圖3可以看出，光伏發(fā)電出力主要集中在日間11:00—16:00，風(fēng)力發(fā)電出力具有夜間出力大、白天出力小的特點(diǎn)，兩者的典型日出力都具有一定的時(shí)間規(guī)律?？稍偕茉窗l(fā)電企業(yè)可以運(yùn)用大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)，根據(jù)過往發(fā)電數(shù)據(jù)，結(jié)合外界影響因素（如太陽輻射強(qiáng)度、氣溫、風(fēng)速等），對可再生能源的發(fā)電量進(jìn)行時(shí)序預(yù)測。這一措施可以為可再生能源發(fā)電項(xiàng)目的興建與調(diào)度提供充分的數(shù)據(jù)支撐，有利于促進(jìn)電網(wǎng)工作方式的合理發(fā)展，保障電力系統(tǒng)的安全性。此外，可再生能源發(fā)電量的預(yù)測也有助于主體多元、競爭有序的電力交易市場體系的構(gòu)建。綜上，通過數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)可再生能源的高精度預(yù)測，對其在電力系統(tǒng)中的消納有著積極的影響。

圖2 海南省光伏發(fā)電典型日出力曲線

圖3 海南省風(fēng)力發(fā)電典型日出力曲線

3.3 推動儲能技術(shù)發(fā)展

電網(wǎng)的運(yùn)行具有發(fā)電與用電動態(tài)平衡的特點(diǎn)，傳統(tǒng)能源可以做到通過統(tǒng)一調(diào)度規(guī)劃來滿足用電需求，而可再生能源大多受到外界氣候因素、自然資源的影響，出力具有很強(qiáng)的波動性，且出力規(guī)律時(shí)常與實(shí)際用電需求相悖。為了解決可再生能源發(fā)電與用電不匹配的問題，突破發(fā)電不能存儲的困境，儲能技術(shù)逐漸進(jìn)入大眾視野。儲能技術(shù)是指利用大容量且能實(shí)現(xiàn)快速充放電的儲能設(shè)施裝置或物理介質(zhì)將能量存儲起來的技術(shù)，主要有物理儲能、電化學(xué)儲能、儲熱和儲氫、電磁儲能等。大量儲能電站的建設(shè)與投用可以在電網(wǎng)負(fù)荷處于高峰期時(shí)輸出功率，負(fù)荷處于谷值期時(shí)吸收功率，縮小系統(tǒng)的峰谷差，平滑負(fù)荷曲線，從而提升電網(wǎng)的可再生能源消納能力，保障電網(wǎng)運(yùn)行的靈活與穩(wěn)定。

3.4 加快電力市場建設(shè)

由于我國電力市場建設(shè)起步較晚，可再生能源領(lǐng)域相關(guān)的政策法規(guī)還不夠完善。近年來，國家推出多項(xiàng)舉措，通過市場手段來改善可再生能源的消納問題。2021年，國家發(fā)改委、國家能源局等9部門聯(lián)合印發(fā)《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》，《規(guī)劃》中明確指出，一方面要健全可再生能源電力消納保障機(jī)制，強(qiáng)化可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重引導(dǎo)，加強(qiáng)可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重評價(jià)考核，建立健全可再生能源電力消納長效機(jī)制；另一方面，要完善可再生能源市場化發(fā)展機(jī)制，完善可再生能源全額保障性收購制度，發(fā)揮全國統(tǒng)一電力市場體系價(jià)格信號引導(dǎo)作用，通過市場機(jī)制優(yōu)化可再生能源開發(fā)建設(shè)布局。這些舉措能夠有效激發(fā)市場主體活力，完善可再生能源電力消納保障機(jī)制，充分發(fā)揮市場在資源配置中的決定性作用[10]。

此外，擴(kuò)大可再生能源外送區(qū)域也是解決可再生能源消納問題的關(guān)鍵手段之一。鑒于我國可再生能源的分布特點(diǎn)，如何將可再生能源電力輸送至用電需求更大的地區(qū)成為迫切需要解決的問題。這就需要有關(guān)部門創(chuàng)建新能源跨區(qū)域消納機(jī)制，打破地域市場壁壘，全國上下一盤棋，促進(jìn)可再生能源在更大范圍內(nèi)進(jìn)行消納。

4 結(jié)語

隨著我國碳達(dá)峰、碳中和重點(diǎn)任務(wù)的推進(jìn)，大力開發(fā)可再生能源已經(jīng)成為我國能源發(fā)展的方向，隨著越來越多風(fēng)電、太陽能發(fā)電等負(fù)荷變動快的可再生能源發(fā)電設(shè)備投入使用，棄風(fēng)棄光電量隨之增加，我國新能源消納問題日益凸顯。為了解決可再生能源分布不合理、跨區(qū)域輸配電能力不足、市場體制不完善等突出問題，需要從“源—網(wǎng)—荷”角度入手，大力發(fā)展火電機(jī)組靈活性改造技術(shù)、可再生能源出力預(yù)測技術(shù)，大力發(fā)展蓄水儲能和電化學(xué)儲能等一系列儲能技術(shù)，同時(shí)加快完善電力市場建設(shè)，多措并舉，多計(jì)共施，電力監(jiān)管機(jī)構(gòu)、發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)相互協(xié)調(diào)，提高可再生能源的消納率，從而推動我國可再生能源產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。