新能源消納現(xiàn)狀與改進措施探究

張 哲 趙建永 程晉伊

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州 310000）

隨著氣候變化和環(huán)境污染問題日益突出，各國都采取措施積極應對。2020年9月22日，第七十五屆聯(lián)合國大會提出二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和。優(yōu)化能源供給結構、推進高比例新能源發(fā)電安全穩(wěn)定并網(wǎng)是實現(xiàn)碳中和以及污染物減排的有效手段。截至2019年底，我國非化石能源發(fā)電裝機容量84 410 萬kW，比2018年增長8.8%，占總裝機容量的42.0%。2019年，非化石能源發(fā)電量約為23 927 億kWh，比2018年增長10.6%，占總發(fā)電量的32.7%[1]。以風電、光伏為代表的新能源，在我國能源結構中的地位越來越重要，但風、光等新資源的隨機波動也給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來了挑戰(zhàn)[2]。風電、光伏高出力階段，電力系統(tǒng)無法接納全部新能源發(fā)電，造成“棄風”“棄光”等棄電問題。本文分析造成“棄風”“棄光”現(xiàn)象的原因，提出促進新能源消納的措施。

1 新能源棄電原因分析

1.1 風光強隨機波動

風、光的強隨機與間歇特性是造成新能源棄電的首要原因。對于電力系統(tǒng)而言，維持頻率與電壓的穩(wěn)定、提供高的質量電能是首要任務。以風電和光伏為代表的新能源出力受風速和光照強度的直接影響，具有大范圍波動的特性，不利于電力系統(tǒng)的接納。

1.2 新能源出力與負荷時空差異

新能源出力與負荷在時空分布上的差異性是造成新能源棄電的重要原因之一。時間方面，風電在夜間處于高發(fā)時段，此時電力系統(tǒng)負荷較小，“三北”地區(qū)7、8月為負荷高峰月，但為風電低谷月。空間方面，我國的新能源裝機大多集中在“三北”地區(qū)，占比超過70%，負荷多集中在東部省市，大量的新能源功率無法就地消納，跨區(qū)輸送能力與新能源發(fā)展速度不匹配。

1.3 電源結構不合理

在“三北”地區(qū)，熱電聯(lián)產機組占比較高。冬季供暖期，熱電聯(lián)產機組在“以熱定電”模式下運行，導致其電功率調峰范圍較小。“三北地區(qū)”的靈活調節(jié)電源占比較小，最大調節(jié)能力無法平抑新能源的波動，導致新能源棄電。

2 促進新能源消納措施

2.1 提高新能源功率預測精度

提高新能源預測的精度，降低新能源出力的不確定性。新能源出力預測技術一直是國家研究的重點，具有功率預測技術旨在預測新能源功率的變化，減少高波動性對電力系統(tǒng)的影響。預測技術的進步可以改善傳統(tǒng)電力調度的方式，強化電力系統(tǒng)的運行安全和經(jīng)濟效益，減輕電力系統(tǒng)在負荷高峰期的部分壓力，提高風電效益。

現(xiàn)有的新能源出力預測技術根據(jù)預測范圍可分為用于新能源場站設計的長期預測（以年為單位）、用于機組維護和控制策略的中期預測（以月或周為單位）、用于電網(wǎng)優(yōu)化調度的短期預測（以天或小時為單位）、用于機組實時控制的極短期預測（以分鐘為單位）[3]。常用方法有自回歸移動平均模型、神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機、模糊邏輯等。

2.2 新能源出力控制優(yōu)化

自動發(fā)電控制（automatic generation control，AGC）是電力系統(tǒng)能量管理的重要功能。通過控制機組上網(wǎng)功率，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。新能源場站可通過AGC下發(fā)的有功功率指令和調度曲線，有計劃進行功率限幅以及變功率速率的設置，設計智能控制策略，平滑功率輸出，防止風光資源大幅度波動對機組和電網(wǎng)的影響。

電壓也會對電能質量產生影響，電壓質量取決于無功潮流的分布。與頻率不同，全網(wǎng)電壓等級不一致導致自動電壓控制（automatic voltage control，AVC）的難度遠高于AGC。現(xiàn)有AVC系統(tǒng)出于安全性原因，常根據(jù)經(jīng)驗預定期望電壓曲線，此方法無法根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)實時調整。需要針對電壓控制含非線性的多變量系統(tǒng)設計新的控制策略。例如，通過建立電壓系統(tǒng)模型并設計根據(jù)優(yōu)化目標函數(shù)和約束條件，設計無功補償策略。近些年，隨著人工智能的快速發(fā)展，強化學習等算法也在AVC中發(fā)揮作用[4]。

2.3 火電靈活性改造

全國不同地區(qū)棄風限電的原因存在差異，但本質均是電力系統(tǒng)靈活性不足制約了新能源并網(wǎng)消納，火電機組靈活性改造是提高電力系統(tǒng)靈活性的有效方式之一。鍋爐在低負荷下的不穩(wěn)定燃燒[5]，導致靈活性改造需要投入大量的成本，且改造后的機組偏離設計工況，使供電煤耗增加，影響機組壽命。進行靈活性改造前，需要針對特定區(qū)域定量分析和計算所需的靈活性調節(jié)容量，從而規(guī)劃火電靈活性改造規(guī)模。一般來說，火電靈活性改造主要從爬坡速率、調峰能力、啟停時間等方面進行。

在爬坡速率方面，燃煤機組由于鍋爐的大慣性和純遲延作用，使得機組功率不能精確及時地響應電網(wǎng)指令[6]。充分利用機組本身儲能，采用先進控制策略對協(xié)調控制系統(tǒng)進行優(yōu)化可有效解決此問題。

純凝機組的儲能主要包括鍋爐儲能、凝結水儲能、凝汽器冷卻系統(tǒng)儲能等。熱電聯(lián)產機組包括熱網(wǎng)儲能，但機組的內部儲能有限，在短時間內“借用”后，需要設計控制策略進行快速恢復，以免造成主蒸汽壓力、除氧器水位、熱網(wǎng)供熱品質等重要參數(shù)的大范圍波動。除了機組內部儲能，外部儲能系統(tǒng)如蓄電池的加入，也可以有效提升火電機組的變負荷速率。

在調峰能力方面，需要探究深度調峰的改造手段。深度調峰是常規(guī)火電機組通過調整鍋爐燃燒強度以及產生的蒸汽量，使機組發(fā)電負荷在大范圍內保持連續(xù)可調的運行方式。實現(xiàn)深度調峰的關鍵在于如何保證低負荷下機組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟、環(huán)保運行。為滿足機組深度調峰目標，需要進行相應的設備及系統(tǒng)改造。常用的技術包括鍋爐精細化運行調整、燃燒器改造、制粉系統(tǒng)改造、富氧助燃改造等低負荷穩(wěn)燃技術；省煤器煙氣旁路、省煤器給水旁路、熱水再循環(huán)、分級省煤器等寬負荷脫硝技術；針對磨煤機、泵、風機等輔機的低負荷安全監(jiān)控技術；基于風粉參數(shù)在線檢測、爐膛溫度場實時獲取等技術的深度調峰控制技術。

針對熱電聯(lián)產機組，蓄熱罐、電鍋爐、熱泵、蒸汽旁路技術、汽輪機低壓缸切除等設備的加入，可以豐富熱負荷的供給方式，打破原有的電功率玉熱功率間的耦合，使機組具備更大的電功率調節(jié)能力，實現(xiàn)電熱解耦[7]。

一般情況，提升靈活性改造預期將使熱電機組增加20%額定容量的調峰能力，最小技術出力達到40%～50%額定容量；純凝機組增加15%～20%額定容量的調峰能力，最小技術出力達到30%～35%額定容量。

通過啟停調峰設備改造可實現(xiàn)火電機組的快速啟停。對凝結水和循環(huán)水系統(tǒng)進行改造，引入鄰機抽氣加熱本機給水，提高鍋爐啟動速度。對磨煤機和給煤機系統(tǒng)進行改造，優(yōu)化控制回路，提高制粉與送粉效率。研究熱應力與壽命損耗在線監(jiān)測與計算方法，在啟停機過程中對壓力與溫度變化速率的允許范圍進行規(guī)定，在實際操作中嚴格控制厚壁部件和受熱面的溫度、壓力變化速率，是實現(xiàn)機組快速啟停的安全保障。

2.4 綜合能源系統(tǒng)調度優(yōu)化

一般情況下，將含能源供給側、靈活調節(jié)資源以及負荷需求側整合成一個綜合能源系統(tǒng)，可以協(xié)調各種能源的發(fā)電運行。在供電側，統(tǒng)火電、風電、光伏、水電等多種能源形式都可為綜合能源系統(tǒng)提供電力輸入。在負荷側，大型電動汽車可以在夜間風力發(fā)電量大的時段進行充電。

動態(tài)電價政策會影響用戶的用電時段，保證負荷的平穩(wěn)可控，解決負荷與新能源發(fā)電量在時間尺度方面的沖突。抽水蓄能、蓄電池、儲熱等靈活資源可以擴展傳統(tǒng)能源發(fā)電的調節(jié)范圍，促進新能源消納。

綜合能源系統(tǒng)的主要任務是維持電力和熱力供需平衡，以最大限度降低系統(tǒng)的運行成本和新能源的棄電。需要根據(jù)綜合能源系統(tǒng)內各環(huán)節(jié)的運行特性，建立其數(shù)學模型，并設置參數(shù)運行范圍，將綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟調度轉化為帶有方程和不等式約束的數(shù)學規(guī)劃。可以采用粒子群優(yōu)化、魯棒優(yōu)化、深度強化學習等方法進行數(shù)學規(guī)劃，設計以提升新能源消納能力為目標的綜合能源系統(tǒng)源網(wǎng)荷協(xié)調調度策略。

2.5 加快新能源外送通道建設

針對新能源裝機與負荷的空間分布差異，可通過新能源電力外送進行解決。目前，我國新疆、青海、甘肅、內蒙古等地區(qū)已建成若干條新能源外送通道。新能源裝機容量逐年增長，未來仍需要加快“三北地區(qū)”新能源特高壓直流輸電外送通道的建設，拓展新能源消納空間。

3 結語

電力系統(tǒng)靈活性的不足是造成新能源棄電的直接原因。為了促進新能源消納，需要提高風電、光伏自身的功率預測和控制精度，增加更多的靈活性電源。充分利用負荷側響應、優(yōu)化源網(wǎng)荷協(xié)調調度策略是提高新能源消納的關鍵。加快新能源外送通道的建設，逐漸提高新能源外送電量，是拓展新能源消納空間的重要手段。