清潔能源發展與挑戰

裴哲義，黃春雷，馬 珂，梁志峰

（1．國家電力調度控制中心，北京市 100031；2．南瑞集團/國網電力科學研究院有限公司，江蘇省南京市 211106）

0 引言

在全球氣候變暖背景下，各國都在積極探索應對措施，我國2020年9月在聯合國大會上提出中國二氧化碳排放力爭在2030年前達到峰值、爭取在2060年前實現碳中和的目標（簡稱“雙碳”目標)。為實現該目標，需要各行各界共同推進全社會碳減排工作。其中，清潔能源將在碳排放控制中發揮重要的作用，我國“十四五”起將構建以新能源為主的電力系統，未來風電、光伏發電將成為新增電量的增長主體[1-2]。由于新能源發電具有隨機性、間歇性和反調峰等特征，以及我國電力資源主要集中在西部、北部地區，而負荷中心主要分布東部，資源與負荷呈現逆行分布特征[3]，電力需要大規模跨區輸送。這種以新能源為主和需要大規?？鐓^輸送格局將對我國電力系統產生深遠的影響，以國家規劃的水電基地和電力輸送通道為基礎，建設多能互補基地將是實現能源結構轉型的重要舉措之一[4-6]。

1 全國清潔能源開發利用

1.1 水電

我國水力資源地域分布不均勻，根據我國2005年復查結果，全國水電技術可開發裝機容量為54164萬kW，技術可開發量最豐富的前三名省區是四川、西藏、云南，分別為12004萬kW、11000萬kW、10194萬kW，占全國的61%。2020年，全國水電裝機新增并網容量為1323萬kW，同比增長217%，累計裝機容量達37016萬kW（含抽水蓄能3149萬kW），占全部電源裝機容量的16.82%，同比增長4%，裝機容量排名前十的省份如表1所示。

表1 水電裝機容量排名前十的省份Table 1 The top 10 provinces with installed hydropower capacity

2020年全國水電總發電量為13552億kWh，同比增長4.1%，主要流域棄水電量約301億kWh，水能利用率約96.61%，較2019年同期提高0.73個百分點。全國水電已開發容量占技術可開發容量的62.5%，未開發地區主要集中在西藏、四川、云南等地的偏遠山區，主要集中在金沙江流域上游、怒江流域和雅魯藏布江等西南諸河，開發成本高、離負荷中心遠。

1.2 風電

我國風力資源豐富，主要分布在東北、西北、華北和東南沿海及附近島嶼地區。根據氣象局資料，全國離地10m高的風能資源總儲量為32.26億kW，其中可開發和利用的陸地風能儲量為2.53億kW，50m高度的風能資源比10米高的多1倍，約為5億多千瓦。2020年，全國風電新增裝機容量7167萬kW，同比增長178%，累計發電4665億kWh，同比增長15%。全國風電總裝機容量為28153萬kW，同比增長34.6%，占全部電源裝機容量的12.79%，主要集中在我國西北、華北等地區。2020年全國風電裝機容量排名前十的省份如圖1所示。

圖1 風電裝機容量排名前十的省份Figure 1 The top 10 provinces with installed wind power capacity

1.3 太陽能發電

我國太陽能總輻射資源總體呈“高原大于平原、西部干燥區大于東部濕潤區”的分布特點，其中，青藏高原最為豐富，年總輻射量超過1800 kWh/m2，部分地區甚至超過2000 kWh/m2。四川盆地資源相對較低，存在低于1000 kWh/m2的區域。2020年，我國太陽能發電新增裝機容量4820萬kW，同比增長60%，累計裝機容量2.53億kW，主要集中在山東（2272萬kW）、河北（2190萬kW）、江蘇（1684萬kW）、青海（1601萬kW）等省，同比增長24%；全國太陽能發電量為2605億kWh，同比增長16%。

2 國家電網區域水電與新能源運行

2.1 裝機情況

2020年，國家電網有限公司（簡稱國家電網）經營區域新能源新增裝機容量呈爆發式增長，電力電量占比不斷提升。截至2020年底，國家電網區域電源總裝機容量為17億kW，其中，水電裝機容量為2.3億kW，占電源總裝機容量的13.7%，占比降低1%；火電裝機容量10.2億kW，占比為59.9%，占比降低3%；風電裝機容量2.3億kW，容量占比為13.5%，占比增長2.7%；太陽能發電裝機容量2.2億kW，容量占比為12.7%，占比增長1.3%。近幾年，新能源裝機容量呈現了如下特點：

（1）分布式光伏穩定增長，裝機容量7228萬kW，同比增長25%，超“十三五”規劃1228萬kW。

（2）海上風電發展勢頭加快，裝機容量797萬kW，同比增長40%，超“十三五”規劃297萬kW。

筆者除了在課內、課外文言文教學方面下足功夫，而且還推出了“每日一摘”系列，到高三時，每天積累一句《論語》中的句子。例如“知者不惑”“仁者不憂”“勇者不懼”——《論語·子罕》，首先讓學生翻譯，其次讓學生根據譯文擬一個作文題目，隨后進行片段式寫作。

（3）光熱發電初步發展，裝機容量47萬kW，同比增加15萬kW。

（4）分散式風電穩中有升，裝機容量70萬kW，同比增加18萬kW。

2.2 運行情況

在新能源裝機容量快速增長背景下，國家電網采用了多重保障措施，實現了新能源并網能并盡并目標，使清潔能源利用水平持續向好。2020年，國家電網區域新能源電力電量屢創新高。發電電力7次創新高，最高達到1.84億kW，同比增長24.3%；新能源日發電量3次創新高，最高達到26.2億kWh，同比增長20.7%。同時，水電及新能源發電量占比穩步提高，發電量占比達25.4%，同比增長1.5%。

在清潔能源消納方面，2020年，國家電網水電與新能源運行全面完成國家“三年行動計劃”消納目標。全年公司經營區新能源發電量5872億kWh，同比增長15.2%。風電利用率96.5%，光伏利用率97.9%；水電發電量8739億kWh，同比增長5.3%，水能利用率97.5%，同比提高1.3個百分點。其中，汛期長江上游發生1981年以來最大洪水，在來水較2019年偏豐40%的不利情況下，國家電網充分發揮大電網優勢，全網一盤棋，在公司的統一部署下，華東、華中、西北電網充分挖掘潛力，支援四川水電消納。并建立了月計劃、周安排、日會商機制，根據來水和電網運行情況，及時調整電網運行方式，最大限度地消納四川水電，全年棄水電量同比減少99億kWh，全年水能利用率達95.4%。完成國家清潔能源消納“三年行動計劃”目標。

3 水電與新能源面臨的形勢與挑戰

3.1 面臨的形勢

大力發展清潔能源是大勢所趨。當前，中國已經成為全球清潔能源最大的消費國，水電開發成本出現明顯的增長趨勢，而新能源成本大幅下降[7-8]。為實現“雙碳”目標，我國清潔能源裝機容量還將迎來持續發展高潮。在國家電網經營區域內，2021年水電預計新增裝機容量為1540萬kW，水電累計裝機容量達2.4億kW，同比增長6.9%，新增裝機容量主要集中在西南地區。“十四五”規劃期間，常規水電新增的裝機容量約為6000萬kW，預計到2025年，累計水電裝機規模將接近2.8億kW。新能源方面，根據國家電網能源院測算，2020～2030年新能源年均新增裝機容量7000萬kW左右，可以完成2030年碳排放達峰。因此，2060年實現碳中和背景下新能源將迎來跨越式的發展，電網也正在積極探索如何構建以新能源為主的新型電力系統，與此同時，2021年及“十四五”期間，國家將在消納指標制定、分布式光伏開發建設、海上風電補貼等方面提供一定的政策支撐，如最近整縣推進屋頂光伏試點工作，將直接推動清潔能源保持快速增長。

3.2 應對的挑戰

按照既定目標，預計到2030年，我國風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億kW以上，新能源的大規模接入給電力系統穩定運行和電力可靠供應帶來了新挑戰，主要體現在以下幾個方面：

（1）新能源增加了電網調節難度。

（2）電力可靠供應風險增大。

在“雙碳”目標背景下，風電、光伏發電接入電網比例將顯著增加，電力系統將呈現“雙高”與“雙隨機”特點，即高比例的可再生能源接入和電力電子設備的應用，以及電源供給側的隨機性和負荷需求側的隨機性，并將呈現新能源將大規模發展、常規電源發展趨緩的態勢，新能源將逐漸成為電力系統的主力電源，導致“大裝機小電量”“極熱無風”等特征突出，與電網連續運行、實時平衡的要求不相符。因此，在此背景下如何保障電力穩定供應已經成為當前新的課題。如2020年末寒潮期間，湖南超八成風電機組因冰凍無法發電。寒潮期間整個風電出力最低降至20萬kW以下，加之晚高峰無光，導致新能源總出力不及裝機容量的5%，無法提供有效的電力支撐。隨著新能源裝機規模的進一步增加，電力可靠供應的風險也進一步增加。

（3）系統的抗干擾能力減低。

一方面，由于新能源機組的頻率/電壓支撐能力弱，大規模接入導致電力系統轉動慣量下降，當電力系統負荷變化導致系統頻率快速變化時，新能源機組無法提供慣量支撐以減小電網頻率變化；另一方面，新能源機組抗干擾能力弱，受限于電力電子器件的電壓、電流耐受能力，新能源機組在電網發生擾動時存在一定的脫網概率。因此，隨著新能源的不斷接入，傳統電力系統以火力同步發電機為主的運行方式隨之改變，發生連鎖故障、大面積停電的風險也日益加大。對于送端系統，風電大出力時，系統頻率調節能力顯著下降。 例如我國北方一電網55GW負荷水平下，損失3GW功率時，若網內無風電，系統頻率下跌0.7Hz；若網內風電出力10GW，頻率下跌1.1Hz。

（4）多電力電子設備交互作用復雜，振蕩問題凸顯。

新能源機組通過電力電子裝置并網，其多時間尺度控制特性與電網自身特征相互作用，在傳統同步電網以工頻為基礎的穩定問題之外，出現了中頻帶（5～300Hz）的電力電子裝置涉網穩定新問題，如新疆、甘肅、寧夏、河北等風電富集地區電網多次監測到由風電產生或參與的次同步諧波。

4 建議

中央財經委員會第九次會議明確的“構建以新能源為主體的新型電力系統”的戰略方向，將建設以新能源為主體的電源結構和高彈性的數字化、智能化電網，實現源網荷儲、多元互動，并構建以電為中心的綜合能源服務體系。這些戰略方向是實現碳減排的必由之路，電網企業責任重大，建議如下：

（1）加快構建堅強智能電網。

加快構建電網堅強骨干網架，推進各級電網的協調發展，支持新能源優先就地就近并網消納，促進各類能源互通互濟和源網荷儲協調互動。在送端，完善西北、東北主網架結構，加快構建川渝特高壓交流主網架，支撐跨區直流安全高效運行。在受端，擴展和完善華北、華東特高壓交流主網架，加快建設華中特高壓骨干網架，推進各級電網協調發展，構建水火風光資源優化配置平臺，加大跨區輸送清潔能源力度，全力支持我國能源西電東送戰略。

（2）加強電網系統靈活性建設。

統籌好電源側、電網側、用戶側功能與需求，合理安排新能源發展規模、區域布局和建設時序，加快抽水蓄能電站建設，推動火電機組調峰改造，大力推進儲能規模化應用，促進新能源與電網、新能源與靈活調節電源的協調發展，因地制宜地發揮好微電網的作用，切實提高電力系統整體運行效率，并開展網源荷儲優化調度，促進各類能源互通互濟和源網荷儲協調互動，提高清潔能源接納能力，支持分布式電源和微電網發展。

（3）優化電網調度運行。

充分利用互聯大電網的優勢，加強跨區/區域電網統一調度，統籌送受端調峰資源，完善省間互濟和旋轉備用的共享機制，促進清潔能源消納多級調度協同快速響應；充分利用我國東西、南北負荷和電源差異特性，挖掘各種電源在時空互補、調節互補、季節互補等作用，開展跨區域、跨流域風光水火等多種電源的聯合運行，努力提升清潔能源功率預測精度，并統籌全網開機安排，優先調度清潔能源發電，確保能發盡發、能用盡用。

（4）發揮市場作用擴展消納空間。

深化電力市場化改革，推動形成科學合理的電力價格形成機制，構建統一開放、競爭有序的全國統一電力市場和促進新能源消納的市場機制，深化省級電力現貨市場建設，采用靈活價格機制促進清潔能源參與現貨交易，完善以中長期交易為主、現貨交易為補充的省間交易體系，擴大新能源跨區跨省交易規模，為推動新能源消納提供動力。

（5）落實完善相關標準。

落實《電力系統安全穩定導則》關于網源協調等相關方面的要求，加快風電、光伏發電接入電力系統技術規定等國家標準的修訂，完善新能源預測以及對電力系統的支撐能力、網絡安全等相關標準，要求電源應具備足夠的調頻、快速調壓、調峰能力，新能源場站以及分布式電源的電壓和頻率耐受能力原則上與同步發電機組的電壓和頻率耐受能力一致，確保各類電源性能滿足電力系統穩定運行的要求。