新能源發電調控及結構優化策略

王思佳，吳夙瑩

1.天津科技大學 外國語學院，天津 300450

2.安徽大學 商學院，安徽 合肥 230601

0 引言

新中國成立之初，全國火電裝機總容量為185×104kW，年發電量為43×109kW，這樣的發電量相較于中國龐大的人口基數和家庭用電量而言微乎其微。隨著改革開放的發展，短短20 年間，我國火電裝機容量已經達到5 712×104kW，極大地縮短了我國的用電缺口。火力發電機組容量占當時全國裝機容量的70%，由于科技的落后和核心技術的缺乏，我國當時只能完全依賴火力發電，給環境帶來極大的負擔。為了解決能源供應不足的問題，風力發電、小水電、太陽能發電等多種新能源發電形式逐漸得到重視，但是技術壁壘導致當時我國在新能源發電領域的嘗試呈現“零散分布，供給體量小”的特點，遠遠達不到大型發電的產業標準和產業需求。經過20 余年的不斷探索和發展，在21 世紀初期，我國的新能源發電進入蓬勃發展時期，以風力發電、太陽能發電、水力發電為主的清潔能源裝機容量不斷增加，也改變了我國的供電結構。

2020 年9 月，國家提出“碳達峰”和“碳中和”發展目標，為新能源發電行業提供了更多的發展機會，也標志著我國既有的“火電為主，新能源發電為輔”的供電結構將再次發生改變[1]。在新能源發電的過程中存在一些問題。例如，新能源發電受到自然資源的影響極大，其發電量與自然資源影響程度呈正相關關系，導致發電量存在極大的不確定性。火電雖然在資源消耗和環境保護方面有所不足，但是其發電的可靠性和穩定性較高。文章將結合火力發電和新能源發電對發電調控方面的問題進行探討，以期找到行之有效的指導策略。

1 新能源發電的優勢和缺點

當前我國新能源發電以風力發電、太陽能發電和水力發電為主，其他發電形式，如潮汐能發電占比較低。因此文章主要分析風力發電、光伏發電和水力發電[2]。

1.1 風力發電的優勢和缺點

1.1.1 風力發電的優勢

風力發電如圖1 所示。風力發電的優勢就在于分布廣、靈活性強、后期維護成本低。一般風力發電需要提前一年進行踏勘選址，在確定風機點位之后進行一年的風力勘測，來了解所選風機點位的風力。我國幅員遼闊，風力資源豐富地區眾多，而風力發電機組占地面積小，一般按照裝機容量選立幾條線路之后便可發電上網，這樣的靈活性是其他發電形式都不具備的。相比較火力發電而言，風力發電設備的后期維護成本低，維護損失電量小，能夠最大限度地保證風機可利用率。

圖1 風力發電示意圖

1.1.2 風力發電的缺點

風力發電的缺點主要體現在過度依賴于風力資源、發電不穩定等方面。任何地區大風天數有限，難以提供充足的、保證風力發電機組滿發的風力資源[3]。一般地區每年都會有大風季和小風季。在大風季，風機能夠保證滿發，發電量十分可觀；但是在小風季，風機一般發電量較少。這就導致發電量就十分不穩定，用電需求和發電量之間不匹配。如果在用電高峰時，恰逢大風季，一般而言可以對火電進行限電，充分利用風力發電。但是由于風力發電存在不穩定性，可能會因為風能波動而對電量產生影響，影響電量供應，調度不得不優先火電，并對風力發電進行限負荷。這樣一來風力發電雖然能夠提供足夠負荷，但由于限電并不能完全實現電量上網，造成電量浪費。

1.2 光伏發電的優勢和缺點

1.2.1 光伏發電的優勢

光伏發電如圖2 所示。光伏發電的優勢不如風力發電和水力發電明顯，其供電可靠性居中，故障對整體發電影響不明顯，也具備分布性廣、可恢復的特點。

圖2 光伏發電示意圖

1.2.2 光伏發電的缺點

光伏發電的缺點是發電量不高、占地面積較大、光伏板易損壞、維護成本較高。光伏發電站一般建在山區，利用大面積的光伏板吸收太陽能，通過逆變器進入升壓站，最終實現上網。但是其影響因素較多，多云、雨雪、長時間風吹、塵土覆蓋等都會影響光伏板的太陽能吸收率，進而影響發電量。同時，由于光伏板損壞率較高，對發電量也會產生一定的影響。

1.3 水力發電的優勢和缺點

1.3.1 水力發電的優勢

水力發電如圖3 所示。水力發電既包含了火力發電的穩定性，又具有較高的清潔性，且發電效率較高，發電成本較低，容易調節，并且具有較大的經濟效益、社會效益和生態效益。

圖3 水力發電示意圖

1.3.2 水力發電的缺點

水力發電的缺點在于其可選建廠位置有限，建造費用較高，容量一般在300 MW 以下。雖然是清潔能源發電形式，但同時可能會有一定程度的破壞生態的風險。

2 新能源發電調控方式

在用電高峰期，雖然各地區的用電指標不同，但是一般不會對新能源發電進行限電，只要在負荷指標內，一般會按照應發盡發的原則，不會輕易對新能源發電進行限電。但是，在用電低谷時，如工廠停工停產，社會的用電負荷相較于以往大幅度降低，這時不需要電廠過多的出力，調度就會通過AGC 下發限電指令，根據當時的實際條件對新能源發電進行限電[4]。

2.1 優先調整水電

水電的調整效率快，一般先對水電進行一部分限電，然后再根據剩余負荷對風電和光伏發電進行限電[5]。但是，這時的電力調控只考慮當時電力需求，不會考慮新能源發電的實際情況。水力發電的調整速度快，并且受自然資源影響較小，可以常年作為調控的一部分。

2.2 根據天氣狀況調整風力發電和光伏發電

風力發電和光伏發電容易受到自然資源影響。如果在大風季對風力發電限電，會導致風力資源的浪費。因此風電場會選擇將部分機組停運，讓發電機組達到限電指令相應負荷即可，進而避免在大風天氣風力發電機組空運致使設備出現故障。在小風季，風力發電出力不足，即便不限電也達不到半發或滿發狀態，會導致出力不足。對于光伏發電而言也一樣。陽光充足的時候對光伏發電場會停運部分機組，減少太陽能資源的浪費。陰雨天氣并不限制光伏發電量。最終在經濟效益上對新能源發電產生一定程度的影響[6]。

2.3 合理限制火力發電

煤炭價格過高時，火電電價沒有變動，這樣一來發電企業極容易發生虧損，企業會停運部分火電機組來減少虧損。負荷余量由新能源發電輸出。

3 新能源發電調控及結構優化的指導策略

3.1 構建功率預測系統

在當前風電場及光伏電站的實際運行過程中，風電場會設立測風塔預測風功率，并形成短期預測、超短期預測等多通道對未來一周的風速及功率情況進行預測。光伏電站主要根據天氣預報來預測天氣，并判斷其是否會對發電產生影響。風力發電和光伏發電這兩種不同新能源發電形式的功率預測手段在當前都僅僅作為風電場的預測手段，預測準確率高達98%以上，但是其并未接入調度中[7]。如果能夠構建功率預測系統，對風速和天氣進行預測，進而得到未來一周左右調控范圍內各新能源發電的出力情況，并將其匯總上報給省調。這樣在非緊急情況下需要限電時，就可以提前調控，控制一部分火力發電，充分發揮新能源發電的優勢。

針對季節錯峰發電，由于當前全國風力發電容量在新能源發電里占比較高，而風力發電在大風季和小風季出力不同，因此，在進行發電調控時，可以在大風季由風力發電優先發力，減少火力發電和其他新能源發電。這一舉措能夠使新能源發電可利用率達到最佳，同時減少火力發電的經濟和生態負效益。

3.2 火電負荷替代，新能源發電擴容

如果某地區內的火電廠停運，其裝機容量可以被各大發電企業爭取并劃分為一定容量的新能源發電，并保證總裝機容量相等。這一舉措是改變當前供電結構的有效辦法。由于火力發電穩定，可靠性強，無法輕易對其進行限電，使之停運，這也是當前在發電調控上優先停運新能源發電的根本原因[8]。但如果個別火電停運，進行負荷更替后，可以使全國火電總裝機容量有序、穩步地下降，新能源發電容量有所提升。這樣一來在進行發電調控時，即便火電滿發，但其負荷有限，留給新能源發電的彈性空間容量更大，即便對其調控限電，其最終的發電負荷也相較之前有較大程度的提升，經濟效益、生態效益和產業結構也有較大的提高。

4 結束語

綜上所述，當前社會對我國供電結構提出了更高的要求。當前供電結構不斷改革和調整，國家全面推行“碳達峰”和“碳中和”政策，新能源發電不斷發展、完善，思考如何對新能源發電進行合理調控是當前電力調度工作中必須思考的重要問題。電力調度涉及煤炭、電力、民生、經濟、環保等多個領域，涵蓋新能源發電調控合理性、新能源發電發展和產業升級等多個領域。通過不斷發展新能源發電，由清潔能源發電替代一部分負荷的火力發電將是必由之路，也是發展趨勢，文章提出采取構建功率預測系統、火電負荷替代、新能源發電擴容等有針對性的指導策略來進一步對新能源發電進行宏觀調控，優化我國電力供給結構，使之成為供電可靠、供電高效、供電節效的最優調控策略，進而幫助我國新能源發電不斷發展。