基于多能互補機理的新能源消納模式研究

聶 狀，任佳偉，白光國，童 鑫，張富厚

（四川農業大學 水利水電學院，四川 雅安 625000）

0 引 言

我國用電量中火電占據了主導地位，造成了嚴重的溫室效應。因此，合理開發利用風電、光電等清潔可再生能源，通過清潔能源逐步代替火電能源，對國家實現節能減排等具有重要意義。國家能源局有關數據顯示，我國每年陸地面積地區所接受的太陽輻射總量為3 300～8 400 MJ/m2，相當于2.4×1012t標準煤的儲量[1]。總體來看，我國風能資源比較豐富。據統計，目前我國的風能可開發量達2.53×108kW。

在我國風、光能資源快速開發的同時，由于風、光電具有出力不確定性，導致當下棄風、棄光現象嚴重，資源利用效率偏低，也使其環境效益和經濟效益難以發揮。因此，如何利用具有良好的調峰調頻能力的水電、火電等對其進行調節消納，以提高其利用率、經濟效益是急需解決的問題。下面對我國現有的風、光電等清潔能源消納模式進行梳理分析，總結風光儲互補消納模式、風光火電互補消納模式、風光水電互補消納模式以及主網深度調節互補消納模式4種消納模式，并在系統分析各類模式的現狀與特點的基礎上，指出各類模式未來的發展趨勢。

1 “風—光—儲”消納模式

風光儲互補消納模式是利用儲能裝置平抑風電、光電的不確定性，發電高峰期蓄能，低谷時段發電[2]，通過組成“風電—光伏發電—儲能裝置—智能調度系統”綜合能量系統，打捆并網實現風、光清潔能源消納的方式。常見的儲能裝置包括抽水蓄能電站、物理儲能、電化學儲能等，主要作用是對能量進行調節和平衡負載保持電力系統穩定；智能調度系統則負責制定計劃出力，并控制發電單元和儲能系統的運行。目前，我國在風—光—蓄電池儲能模式應用方面已有相應的示范工程。

1.1 典型工程

1.1.1 風光綜合儲能裝置儲能模式

三十里井子風光儲電網融合驗證示范項目，是我國第一個能源儲能商業化試點項目和甘肅省首個風光儲電網融合驗證示范項目。項目主要利用風電、光電、儲能互補，通過能量實時管理系統、兆瓦級儲能技術、功率裕度預判控制技術實現儲能秒級調控，有效控制新能源的電力穩定性，實現風、光出力平穩并入電網。

1.1.2 風光抽蓄模式

抽水蓄能電站能利用多余的電力抽水，儲存水體勢能，高峰時段利用水體勢能發電，是非常好的調峰電源。利用抽水蓄能電站的調峰能力對風、光電提供輔助后打捆并網，是典型的風—光—儲消納形式。我國抽水蓄能技術起步較晚，已見的抽水蓄能電站主要分布在水電資源相對匱乏或風、光等清潔能源相對豐富的東南、華北、東北、新疆等地區[3]。

1.2 特 點

由于各類儲能系統占地面積小，修建速度較快，當風光聯合出力處于波動時，依靠儲能裝置或抽水蓄能電站進行削峰填谷，保障了國家電力系統電力的穩定供應，減少了棄風、棄水以及為風光互補發電系統削峰填谷，提高了電力輸出的平穩性和可靠性，并解決了可再生能源時空分布不均的問題。其中，風光抽蓄模式建設技術相對成熟，相對成本較低，運行安全可靠，供電質量高，在電力系統得到了廣泛應用。

1.3 發展趨勢

目前，國內外對風光儲消納模式的研究主要集中在互補發電系統的靜態體系結構、蓄能設備的配置及控制、系統計算機仿真和設計優化以及聯合運行系統的運行規劃及策略等方面[4]。目前，適用于“風—光—抽蓄”聯合消納模式的地理環境、資源條件比較稀少，難以同時滿足。因此，如何將這種模式運用到實際生活進行跨區域的聯合消納，將會是風光抽蓄的一大發展趨勢，或者利用河谷自然形成的地形條件，研究在技術經濟可行的情況下適當建抽水蓄能電站以互補風光的可能性[5]。

2 “風—光—火”消納模式

目前，我國的電源結構主要以火電為主。據統計，2015年全國火力發電裝機總容量達到1.53×109kW。由此，中國已成為世界上碳排放量最多的國家之一[6-8]。

用戶每日活躍在社交網絡上，維護網絡社交關系，在這一過程當中就極容易透露很多個人信息。比如不少用戶愿意隨時隨地使用分享地理位置的服務，將個人的地理位置坐標分享給社交網絡中的好友，于是就會把個人活動路線告知他人。可以說用戶在頻繁應用信息分享服務的過程中，其本身可以保留的隱私數量就會逐步減少。除了發布文字信息之外，用戶還會在社交網絡上發布一些圖片與視頻類的信息，而借助這些信息碎片，商業公司能夠收集獲取用戶手機號等信息，還可以推測出消費特征、婚姻狀況、工作狀況等極為隱私的內容。網絡黑客也極有可能利用分享的信息這一片從事網絡詐騙和資金盜取活動。

由于我國能源與負荷中心呈逆向分布，西北地區風、光、煤炭資源豐富，適合大規模開發，而大規模風光就地消納困難。因此，利用在西北地區的集中式風、光電清潔能源的基地與當地的火力發電廠聯合，先“打捆”形成穩定的負荷過程后“外送”并網，能規避風、光電不確定性對受端電網的沖擊，是我國解決大規模集中式新能源并網問題的有效方式。

2.1 典型工程——哈密南—鄭州±800 kV特風光火打捆外送

哈鄭特高壓直流工程，是“800 kV、800萬kW”特高壓直流輸電標準化示范工程，也是首個“風光火打捆”外送的特高壓直流工程。哈鄭線全長2 191.5 km，線路橫跨6省（自治區），沿線地理環境和社會環境復雜。哈密風電基地最終確定送出風電規模為8×106kW，同時確定新增光伏發電規模1.25×106kW[9]。

天中直流工程是將大型火電、風電基地電力“打捆”送出的首個特高壓工程。該工程每年可向河南省提供超過4×1010kW·h的電量，相當于向河南省輸送超2×107t煤炭，在服務西部大開發戰略、推動新疆資源優勢轉化為發展優勢、緩解華中地區用電緊張方面發揮了重要作用。

2.2 發展趨勢

我國煤電基地主要集中在“三北”地區，火電基礎良好，同時3種能源重疊，發展風光火打捆的基本條件良好。但是，由于“三北”地區風光火發電設施與東部、中部主要需電地區之間的距離超過2 000 km，而直流輸電技術是一項能達到遠距離、大容量、低損耗輸電的可靠的技術。因此，采用風光火打捆外送的方式，不僅可滿足我國中東部地區的電力能源要求，而且可以保證直流輸電通道輸送功率的安全性和高效性。因此，風光火打捆外送在處于能源轉型期的現在具有較大的發展潛力。

3 “風—光—水”消納模式

我國西南地區水能資源十分豐富，同時各流域沿線的風、光能也非常豐富。利用該地區豐富的水電資源對風、光電進行互補調節、打捆外送，可以實現風、光電的有效消納，這種模式稱為“風—光—水”互補消納模式。

3.1 典型工程

3.1.1 雅礱江流域風光水互補能源基地

水能方面，雅礱江流域共規劃了22級水電站，總裝機容量約3×107kW。在風能、光能方面，初步估計，雅礱江流域風電可開發量約1.3×107kW，光電可開發量約1.8×107kW[10]。目前，雅礱江流域正在規劃建設風光水互補能源示范基地。該基地建成后，可以實現流域內風、光、水綜合開發，利用特高壓外送通道，將流域內風光出力就近接入水電站，并通過水電站升壓站進入特高壓送出通道，送往華東地區負荷中心，實現流域內風、光、水電的綜合消納。

3.1.2 金沙江下游風光水互補能源基地

金沙江下游流域的風、光、水能資源都十分豐富。水電總裝機容量為4.296×107kW，風電總裝機容量約為4.044×106kW，光電總裝機容量約為4.02×106kW。由于金沙江下游的風、光電廠分布比較分散，所以該能源互補基地采用各梯級電站就近接收消納的原則[11]。利用流域內水電資源對風、光電提供補充，實現流域內的分光水互補，通過特高壓外送通道送往華東負荷中心，實現清潔能源的消納。

3.2 發展趨勢

在西南地區利用梯級電站良好的調峰調頻能力，以及現已建成的3條±800 kV特高壓輸出通道把風、光、水電打捆外送，不僅能解決風、光電并網難、輸出難等問題，而且有利于節約輸電線路的建設成本，提高風、光電能的利用率和經濟效益。這樣的互補調節方式是目前西南地區風、光電綜合消納的主要手段。雖然現已規劃了金沙江、雅礱江流域的互補能源基地建設，但是其具體消納細節、配套外送通道需要進一步論證。

4 主網調節消納模式

根據國家能源“十三五”發展規劃，新能源就近消納是解決我國風電光電與負荷逆向分布[12]以及風光并網困難問題的重要思路[13]。因此，風、光電等清潔能源直接并入當地電網，利用主網的調峰調頻能力對風、光電的不確定性、隨機性和波動性提供補充，實現風光清潔能源的消納，是現行風、光清潔能源消納的最有效的模式。

4.1 現 狀

整體來看，全國各省份都有風、光電新能源并網消納，依據不同區域負荷特性與資源分布特性的不一致，各自區域呈現一定的特點。

內蒙古東部、冀北地區、東南沿海地帶風電富集，又靠近負荷中心，新能源的開發以集中式風電與分布式光伏發電為主，進入主網后，為華北及東部地區提供電能。

西北甘肅、青海等地區風電富集，但與負荷中心距離較遠，就地消納能力有限，因此需要在就地部分消納的基礎上，通過區域間的電網互聯，將區域電網吸收的風光能通過主網輸送至華北、華東負荷中心實現清潔能源的消納。

東北地區屬于風能資源富集區域，風能進入東北電網后通過火電及抽水蓄能電站的聯合運行實現消納。

西南地區以水電資源豐富為主，同時風、光資源分布相對集中，以大規模集中式開發為主，且離負荷中心較遠，因此，除了將集中式的水電基地通過高壓輸電線外送之外，風、光電就近上網比重較小，通過水電對電網進行調節，基本可以實現風、光清潔能源的就地消納。

南方地區整體風、光電資源相對匱乏，風電、光伏發電規模相對較小，清潔能源進入主網后，通過南方電網的調峰調頻能力可以實現消納。

4.2 特 點

鑒于我國風光電資源中心與負荷中心相聚甚遠的特點，風、光電并網后難以實現就地消納，造成棄風、棄光問題嚴重。因此，通過國家區域性電網互聯[14]，將富余的清潔能源外送至負荷中心，實現跨區域消納成為實現清潔能源消納的有效途徑。

將計劃性的電力行業轉變為市場化的電力生產與消納是國家能源轉型的大趨勢。通過市場的調節，充分發揮風、光電的清潔屬性。雖然目前采取的措施是通過保障風、光清潔能源全額消納，但是將來需在電力市場中實現風、光清潔能源的高質量消納，這就對提高電網輸電能力與建立合理的價格機制[15]提出了更高的要求。

5 結 論

本文主要梳理了風光儲系統、風光火電互補、風光水電互補消納、主網深度調節4種風、光電消納模式。在我國復雜的資源分布與負荷需求下，風光電資源各類消納模式在國家能源轉型發展中承擔了重要的角色。根據國家能源戰略與清潔能源并網消納的發展趨勢，提出如下建議。

（1）興建抽水蓄能電站等儲能裝置，提高電網調峰能力。隨著國家風、光電并網規模的逐漸增多，利用主網深度調節成為解決不確定性風光出力消納問題的主要方式，這對主網調峰調頻能力提出了更高的考驗。在電網側修建大規模抽水蓄能電站，提高電網調峰能力，成為破解這一瓶頸的關鍵思路。

（2）加強長距離輸電線路建設，提高輸電能力。上文表明，資源富集中心與負荷需求中心相距甚遠，超大規模的千萬千瓦級的風、光電基地如采用就近并網的形式，對當地主網的穩定性造成沖擊。針對這種情況，建議通過資源地優勢的火電或水電為風光電提供補充，打捆后通過長距離高壓輸電線路將大規模的風電、光電送往負荷中心，以有效解決部分地區的并網問題。