促进大规模新能源消纳的综合技术

Energy of China - - CONTENTS -

郝木凯1,查 浩 2,刘 嘉1,石文辉2,刘英军1,屈姬贤 2

(1. 工业和信息化部产业发展促进中心,北京 100846;2. 新能源与储能运行控制国家重点实验室(中国

电力科学研究院 ),北京 100192)

摘要:近年来,我国新能源行业快速发展,取得了举世瞩目的成绩,但局部地区消纳矛盾

逐渐凸显,出现了较为严重的弃风弃光问题。本文总结了我国新能源的发展形势和弃风弃光特点,分析了弃风弃光的原因,并分别从电源侧、电网侧和用电侧提出了促进大规模新能源消纳的技术措施。

关键词:新能源;弃风;弃光;技术措施

中图分类号:F426 文献标识码:A 文章编号:1003-2355-(2017)08-0039-04 Doi: 10.3969/j.issn.1003-2355.2017.08.009

Abstract:In recent years, China’s renewable energy has been growing rapidly with evident improvements. However, the phenomena of wind and solar power curtailment still exist and it brings serious challenge to power system economic operation. This paper firstly summarizes China’s renewable energy development status and main features of wind and solar power curtailment. Then, key factors for wind and solar power curtailment are deeply analyzed. Finally, the technical solutions for China’s large-scale renewable energy grid integration problems, from power side, power system side and demand side management, are proposed.

Key words: Renewable Energy; Wind Curtailment; Solar Power Curtailment; Technical Solutions

1 我国新能源发展与消纳形势

1.1 新能源装机快速增长近年来,在国家新能源发展政策的大力引导下,我国新能源行业快速发展。截至 2016 年底,我国风电、太阳能发电装机容量分别达到 1.49 亿kW 和 0.77 亿 kW ,装机容量均居世界第一位。“十二五”期间,我国风电、太阳能发电装机容量年均分别增长 34% 和 119%。2011—2016 年风电和太阳能发电累计装机容量如图 1 所示。

1.2 新能源发电量同步增长

2016年,全国风电发电量2410 亿 kWh ,太阳能发电量 662 亿 kWh。“十二五”期间,风电发电量年均增长30% ,太阳能发电量年均增长219%,风电及太阳能发电量增速比同期全国发电量 增速高出 28.7 个百分点。风电发电量占全部发电量的比例由 2010 年的 0.7% 提高到 2016 年的4% ,太阳能发电量占比由 0.003% 提高到 1%。

2011—2016 年风电和太阳能发电量增长情况如图 2 所示。 1.3 新能源消纳矛盾日益突出新能源的持续快速发展已经远超电网承载能力,新能源消纳矛盾十分突出。“三北”地区2009 年甘肃因网架约束首次出现弃风,2013 年首次出现弃光,之后范围逐渐扩大。当前我国弃风弃光呈现以下特点:

(1)弃风、弃光电量不断增加

2013 年、2014 年和 2015 年弃风电量分别达到 150 亿 kWh、125 亿 kWh 和 343.7 亿 kWh ,弃风率分别达到 11%、8% 和 15%。2016 年全国弃风弃光电量创历史最高,总弃风量和总弃光量分别为 497 亿 kWh 和 75.27 亿 kWh,弃风和弃光比例分别达到 17.10% 和 10.2%。

(2)弃风、弃光区域相对集中

2016 年,“三北 ”地区弃风电量 490 亿 kWh,占全国总弃风电量的 98.59%,其中,73.44% 的弃风电量集中在甘肃、新疆、内蒙古三省区; 2016年,西北(不含蒙西)弃光电量 70.42 亿 kWh,占全国总弃光电量的 93.56%,其中,近 80% 的弃光电量集中在甘肃和新疆。多数省区无弃风弃光现象。

(3)弃风电量主要集中在供暖期和后半夜低谷时段

2015 年,全国 67%、东北地区 90% 以上的弃风电量发生在供暖期,负荷低谷弃风电量又占总弃风电量的 80%。

2 大规模新能源消纳困局分析

影响新能源消纳的主要原因有以下几方面:新能源高速发展超出了负荷承载能力;新能源建设与电网规划相脱节;系统调峰能力不足;政策和机制不健全等。

2.1 新能源装机分布不均衡,与负荷呈逆向分布

2016 年“三北 ”地区(不含蒙西 )全社会用电量占全国全社会用电量的比例约为37%,但集中了全国 74%的新能源装机。其中,蒙东、甘肃、宁夏、新疆的新能源渗透率超过 100%。

2.2 装机整体过剩,负荷增长趋缓,加剧新能源消纳矛盾

受宏观经济影响,我国用电负荷增长放缓, “十二五”期间,全国全社会用电量年均增速为5.7%,低于电源总装机增速 4.8 个百分点。用电市场难以支撑新增电源的发电需求,包括新能源在内的各类电源利用小时数将持续下降。

2.3 新能源与电网规划脱节,跨省跨区输送能力不足

西北和东北的部分省区用电水平相对较低,新能源规模与本地消纳能力严重失衡,必须通过外送解决新能源的消纳问题。“十二五”期间,可再生能源基地送出通道并未落实。截至 2016 年底,“三北”地区仅建成投运了锡盟—山东特高压交流输电工程、灵邵和天中特高压直流输电工程,远不能满足新能源跨省跨区输送需求。而 2016 年锡盟—山东交流特高压输送可再生能源电量为0。东北、华北地区目前的跨区输电能力只占新能源装机容量的24%。相比之下,丹麦外送通道输电容量是风电装机容量的 1.1 倍。

2.4 电源结构不适应新能源发展,系统调节能力不足(1)电源结构中火电机组占比高,灵活电源少目前,火电仍是我国装机占比最高的电源,我国火电装机占全部电源装机比例达 63.64%。而美国和西班牙的灵活电源(水电、燃油燃气、抽蓄 )则达到新能源的 8.5 倍和 1.5 倍。(2)机组调峰能力不强,供热机组快速发展我国火电调峰能力普遍只有50% 左右,“三北”地区的供热机组在供暖期只有 15%~25% 的调节能力,且“三北”地区供热机组快速增长。2006—2016 年,东北三省供热机组装机容量增速为实际供热量增速的 2.3 倍。相比之下,西班牙、丹麦等国的火电机组都具备深度调峰能力,可调节出力高达 80%。

2.5 配套政策和机制不完善,制度保障能力不足

(1)新能源跨省跨区消纳机制不完善我国电力长期以来以本省消纳为主,除天中

直流、酒湖直流配套的新能源基地明确外送消纳外,新能源电量还没有跨省跨区消纳方案。目前我国新能源富集省份装机规模已远超本省区消纳能力,必须通过外送解决消纳问题。但在当前各地产能普遍过剩、用电需求不足的情况下,各省消纳外省可再生能源电力的意愿普遍不强。

(2)中长期新能源优先安排机制不能有效指导新能源的充分消纳

由于风电、光伏发电出力具有随机性,尽管各地在年度和月度计划中预留了电量空间,但到日前和实时调度阶段,受电网安全、机组组合、供热等限制,无法将(年)月度电量完全落实到日前发电计划。

3 促进新能源消纳的技术措施

电源、电网、负荷是影响新能源消纳利用的 3个方面因素。在电源环节提高电源灵活性,在电网环节扩大消纳范围,在负荷环节实施需求侧响应、增加用电需求,是促进我国新能源高比例消纳利用的关键。此外,能源互联网技术的兴起和蓬勃发展,也为新能源消纳提供了新思路。

3.1 电源侧技术措施(1)配合可再生能源的火力发电弹性运行火电弹性运行能力主要包括3 个指标,深度调峰能力、快速爬坡能力、快速启停能力。

需要解决的主要技术措施包括以下方面:一是蓄热深度利用技术。包括凝结水节流控制、凝汽器冷却工质节流控制、供热抽汽节流控制以及抽汽碟阀参与变负荷调节。二是先进运行控制技术。主要包括适应机组工况变化的建模方法与精准的非线性模型表征、关键参数的软测量方法与状态重构技术以及先进的智能优化控制策略。三是厂级负荷优化分配。基于火电厂内各台机组的运行特性,在保证全厂运行安全性、经济性的基础上,提高全厂的负荷响应能力。四是火电热电解耦、弹性改造。主要技术措施包括增加储热装置来实现“热电解耦”和对锅炉 / 汽轮机进行深度改造,拓展其低负荷运行区间。

(2)风、光、水等多类型可再生能源互补联合发电

利用不同风、光、水等多类型电源在能量和功率上的时空互补特性,通过多能源电力系统的协调规划、调度与控制,提高电力系统运行灵活性,挖掘可再生能源消纳空间,可以为我国可再生能源持续健康发展提供新途径。

主要技术措施包括以下方面:一是包含风光水的多能源电力系统电源协调规划与设计方法。需要研究多类型清洁能源时空互补和不确定性的电力系统生产模拟方法,建立综合考虑可再生能源消纳、灵活性、可靠性和经济性等因素的风、光、水等电源选型和容量配置方法,提出可再生能源的多点布局规划设计方法。二是包含风光水的多能源电力系统互补优化调度技术。研究建立考虑风光水季节性互补的年与月优化调度模型和快速求解方法,提出基于随机规划的日前与日内随机优化调度方法和发电计划滚动协调调度方法。三是包含风光水的多能源电力系统互补协调控制技术。研发建立考虑多类型新能源发电不确定性和控制性能差异的实时调度周期内多种电源运行控制统一优化模型,解决以可再生能源消纳最大化为目标的多类型新能源互补运行控制难题。(3)多时空尺度新能源发电出力预测新能源预测不确定性将成为电网运行风险的主要因素,电网运行的需求对新能源功率预测技术提出了更高要求,需根据应用需求进一步提高功率预测建模的灵活性、适应性和预测结果的准确性。

考虑资源时空相关性机理、面向新能源集群的集群预测方法将成为一种重要的技术发展趋势;针对分布式新能源功率预测的需求,具有智能化建模与模型在线优化特征的功率预测方法将得到广泛应用。此外,随着运行数据的积累及预测技术应用的深入,基于大数据挖掘的多时间尺度动态优化方法将成为新能源功率预测的技术发展趋势。3.2 电网侧技术措施(1)基于柔性直流输电的新能源送出技术我国新能源开发的重点集中在西部、北部地区,多处于电网末端,交流电网支撑能力弱。柔性直流输电技术可实现在送端弱交流系统条件下大规模清洁能源的外送,有助于探索可再生能源开发和利用的新模式。

当前,柔性直流输电正朝着高压大容量和多端化两个方向发展,这对柔性直流输电技术与设备提出了更高要求和挑战。主要包括:一是半导体器件与高压直流电缆。需要研发基于宽禁带半导体材料(如碳化硅)的大功率 IGBT 器件;二是高压直流断路器。需要加快大容量高压直流设备研制,提高柔性换流阀的传输功率,在气体绝缘金属封闭线路以及直流电缆新组建研制等方面形成突破;三是多端与交流电网的相互作用。随着多端直流系统端数和容量的增加,强耦合情况

下的交直流混联系统将在电网调度、协调控制等方面带来诸多新的问题。需要进一步揭示交直流混联系统的功率交换机理和相互渗透规律,建立混联系统动态行为量化分析模型,调控、优化混联系统的功率交换特性,解决混联系统功率分配、故障隔离、系统稳定性分析等基础性问题。(2)常规直流跟随新能源发电功率波动从技术实现上来看,目前的常规直流系统可实现正常运行时的定功率控制,也可实现紧急运行时的功率调制控制。实际系统运行中,需要将两种控制方式相结合,在直流安排的计划功率曲线的基础上,利用常规直流的功能特点,跟随计划功率曲线进行调节,既能使常规直流满足调节性能的要求,又能保证直流的安全可靠运行。

为实现常规直流输电功率调节方式在工程实践中的应用,在技术方面,还需要做好以下几方面的工作。一是优化直流输电在送端系统的起点。直流起点的选择需考虑短路比、电压稳定、网络损耗等多种因素。风电场由于无功电压支撑能力不足,直流落点若靠近风电基地而远离送端主网,将造成直流系统交流侧电压波动频繁,不利于直流系统安全运行。需要将风电基地采用交流接入送端主网,在送端系统内选择等效短路比强的节点作为直流起点,通过送端电网汇集,实现直流输电网对网外输送风电。二是对换流站无功补偿设备进行特殊研发设计和选择,并实现优化投切控制。与常规直流输电方式相比,常规直流跟踪风电功率波动输电方式功率波动次数更多、输电功率变化幅度更大,相应的,换流站无功补偿设备投切次数也将更多,每次投切容量也将更大。因此,在工程设计中需对换流站无功补偿设备进行专门研发设计和选择,在实际运行中需做好电容器组投切方案优化。三是加强送端电网建设及与直流系统的互联。如果直流系统与送端系统之间联络线的功率交换能力有限,将影响两者互补运行效益的发挥。四是加大受端电网调峰电源建设规模。

3.3 用电侧技术措施用电侧主要是适应新能源发电特性的智能用能技术,在能源互联网下,通过智能用能技术,来增加可再生能源发电出力与电力负荷之间的协调性,运用峰谷电价、分时电价等机制鼓励电源调峰、用户错峰,提高系统整体运行灵活性。该措施主要思路是通过发展需求侧响应技术、大数据分析技术、新能源多元化利用技术、储能技术、 科学灵活的电价政策等手段,增加用电负荷与新能源发电的协调性。

需要重点开展以下方面的研究:①研究促进可再生能源消纳的需求响应技术以及能源互联网下用户用能和用电行为综合分析技术。在具备条件的城市大型商场、办公楼、酒店、机场航站楼等建筑推广应用热泵、电蓄冷空调、蓄热电锅炉等,促进电力负荷移峰填谷来适应新能源随机波动的发电特性,提高新能源消纳利用水平。利用大数据技术对宏观能源消费数据及区域用能数据进行精细化预测分析,建立差异化的大数据分析模型,对用户的需求侧响应过程进行动态模拟仿真。根据大数据技术分析结果制定及执行调度计划,综合能源供应侧及需求侧的先进技术,引导用户负荷主动追踪清洁能源发电出力。②研究发用电双侧参与、多周期、多交易品种的市场协作机制以及满足辅助服务、可再生能源配额、碳排放、需求侧响应等可促进清洁能源消纳的政策与措施。研究高效拓展电动汽车充换电与智能用电等新技术,提高新能源与分布式电源的消纳能力。研究基于智能需求响应的规模化负荷资源协同控制技术。③构建多种能源灵活互补下的农村供用电典型模式。研究基于多能源互补的新农村联合用能技术,突破基于大数据的用电信息采集系统高效数据处理与智能分析。④可再生能源供热制氢利用技术。研究面向中长期的可再生能源制氢、海水淡化等多类型能源互换技术。

4 结论

促进我国可再生能源高效消纳利用,需要采取系统性的综合技术措施,在电源侧不断提高适应可再生能源发电的系统调节灵活性,在电网侧研发建设适合可再生能源特性的高效灵活输电网络,在用电侧建立适应可再生能源发电的智能用电体系,在电力系统中电源侧、电网侧和用电侧建立形成“源—网—荷 ”3 个层面广泛参与、高效互动的技术体系,为我国可再生能源持续健康快速发展和高效消纳利用奠定技术基础。

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