“雙碳”背景下可再生能源發展中“棄風棄光”的問題及消納措施

岑 彬

（國能浙江北侖第一發電有限公司,浙江 寧波 315800）

能源是國民經濟和社會發展不可缺少的生產要素和物質基礎。隨著國民經濟持續快速發展，對能源的需求量日益增加，供求矛盾將愈發突出。由于傳統能源消耗量的迅速增加以及環境污染問題日趨嚴重，許多國家和地區大規模地開展了新能源的探索工作。近年來，為推動實現碳達峰、碳中和，我國在堅持安全降碳，在保障能源安全的前提下，大力實施可再生能源替代，加快構建清潔低碳安全高效的能源體系。然而，由于以風能、太陽能等為代表的新能源存在出力不穩定的缺點，“棄風棄光”問題也日益突出，甚至對電網的運行帶來一定的威脅。因此，為了能夠消納逐漸增加的可再生能源，需要積極采取相應的舉措。

本文對國內外可再生能源消納問題的科研進展進行系統調研，分析造成“棄風棄光”現象的主要原因，并提出解決新能源消納問題的對策和具體措施，以期為推動我國能源事業高質量發展提供參考。

1 我國可再生能源發展現狀

我國能源結構的基本特征是“富煤、貧油、少氣”，長期以來，我國能源消耗以煤為主（我國煤炭消費量每年約占全世界煤炭消耗總量的26.6%，約占我國能源消耗總量的67%），這在很大程度上使我國成為世界最大的碳排放國，占世界能源碳排放總量比重的28.8%。2020年9月22日，習近平總書記在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上宣布，中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。為了實現“雙碳”目標，展現我國作為負責任大國積極應對全球氣候變化的決心，推動能源結構轉型已成為我國當下社會發展的重要議題。

圖1是2011—2020年我國電力裝機結構比例圖[1]。由圖1可知，我國的太陽能、風能等可再生能源的開發力度逐年增大，風能、太陽能發電裝機容量占比逐年穩步上升。在這10年間，風電裝機容量提高了約6倍，太陽能發電裝機容量提高近120倍?？傮w來看，我國新能源發展取得了舉世矚目的成績，裝機總量已躍居世界第一[2]。然而，現階段，大規模、高比例的可再生能源發電并網尚存在一定的技術瓶頸，影響其消納比例。僅在2019年上半年，棄風電量和棄光電量分別為10.5 TW·h和2.6 TW·h。此外，由于易受自然條件的影響，可再生能源出力一般具有隨機性和波動性，這會影響到電網中電力平衡的維持。同時，可再生能源電力市場交易機制不成熟等問題也隨之產生。因此，提高電力系統消納可再生能源的能力已成為我國能源結構轉型進程中的當務之急。

圖1 2011—2020年全國電力裝機結構比例圖

2 可再生能源難以消納的原因

2.1 區位因素

據相關研究中所闡述的我國風力發電及光伏發電容量系數狀況可知，從地域方面來看，我國風能資源豐富的地區主要分布在“三北”（華北、東北、西北）地區[3]。但受到經濟社會發展水平和人口數量的制約，當地用電需求不足以消納大量可再生能源；同時，現有的電網規劃難以滿足大量可再生能源并網的需求，導致可再生能源上網增速與電站建設速度不匹配，跨區域配電網建設改造與可再生能源的發展不協調，以至于這些電力資源不能被很好地輸送到用電負荷中心地區而造成浪費。

2.2 調峰因素

可再生能源發電存在隨機性和間歇性的缺點，而通過提升電力系統調峰能力的方法可以有效促進可再生能源的消納。水電的調峰能力強，啟停速度快，能夠很好地承擔部分調峰和填谷工作。但是由于我國地理等條件限制，水電的發電量和裝機容量占比較小，因此依靠水電進行電網調峰任務并不現實。而采用核電調峰，會導致核電機組的發電效率和運行安全性降低。由于核電機組對安全性有極高的要求，因此在非必要情況下不會使用核電進行調峰。燃氣輪機發電是解決電網調峰問題的方法之一，其具有能夠實現快速啟停、操作靈活、負荷升降快、運行安全的特點。然而，受制于我國的資源現狀，燃氣機組只能在小范圍內得到應用，因此燃氣也不能成為調峰的主要手段。作為我國發電行業的主體，火電機組承擔了調峰任務的大部分工作。然而目前，我國火電機組的調峰能力仍低于國際水平，且在可再生能源較為豐富的“三北”地區，火電機組冬季還需進行供暖工作，導致其調峰能力大大降低[4]。

2.3 市場及政策因素

近年來，全國電力需求增速放緩，傳統能源由于成本低廉且出力穩定，對可再生能源的發展造成一定程度的限制，成為導致可再生能源消納難的重要原因之一。此外，我國的電力市場建設仍處于初步階段，關于可再生能源的價格補貼、調峰補償機制等具體政策的研究尚未完善，難以推動火電靈活性改造、儲能裝置的建設，也未能調動火電企業參與調峰的積極性。電力的跨區域輸送并未被納入國家能源戰略指定的送受電計劃中，相關政策的不完善導致各地對消納可再生能源的積極性不足，阻礙了可再生能源向外輸送。

3 可再生能源的消納措施

3.1 火電機組深度調峰改造

2021年8月10日，國家發展改革委、國家能源局發布《關于鼓勵可再生能源發電企業自建或購買調峰能力增加并網規模的通知》（以下簡稱《通知》）?！锻ㄖ访鞔_，在電網企業承擔可再生能源保障性并網責任的基礎上，鼓勵發電企業通過自建或購買調峰儲能資源的方式，擴大可再生能源發電裝機并網規模。自建調峰資源指發電企業按全資比例建設抽水蓄能、化學儲能電站、氣電、光熱電站或開展煤電靈活性改造。2021年10月，國家發展改革委、國家能源局發布的《全國煤電機組改造升級實施方案》提出，各地在推進煤電機組改造升級工作過程中，需統籌考慮煤電節能降耗改造、供熱改造和靈活性改造制造，實現“三改”聯動。同時，要合理安排機組改造時序，保證本地電力安全可靠供應。

火電靈活性是電力系統靈活性的關鍵指標。火電靈活性通常指火電機組的運行靈活性，即火電機組的出力變化范圍、響應時間、負荷變化速率等反映機組適應電網出力波動大、響應速度快的要求的能力[5]。

由于我國的火電機組設計時并未考慮深度調峰需求，只能通過技術改造提高火電機組的靈活性。其中最為常見的方法是對鍋爐低負荷穩定燃燒方面進行相關改造，具體工作內容包括制粉系統改造、煤質摻燒、精細化調整、燃燒器改造、智能控制等。實際工程中，西安熱工研究院有限公司對330 MW亞臨界熱電聯產機組進行優化，將鍋爐不投油最低穩燃負荷降低到額定負荷的25%～30%，并將機組的負荷變化速率提升至2% Pe/min[6]。2019年，大唐三門峽發電公司機組深度調峰取得新突破，該公司二期630 MW機組單機深度調峰至135 MW穩定運行，機組調峰深度達到21.4%，各項參數及環保指標均正常穩定。

除此之外，通過對鍋爐性能進行調峰實驗，進而提出針對性的優化建議，也是常見的靈活性改造方案。陳宇等（2019）對浙江省58臺300 MW及以上的火電機組40%額定負荷進行了調峰試驗，分析汽輪機及其輔助設備運行時對調峰能力的影響[7]。洪軍等（2021）對某660 MW超臨界燃煤發電機組進行了提高鍋爐調峰性能的試驗研究，調整后，實現了鍋爐在30%額定負荷下的穩定運行[8]。

3.2 提高可再生能源出力預測精度

提高可再生能源出力的預測水平，可以有效降低新能源出力的不確定性。圖2、圖3分別為海南省光伏發電典型日出力曲線和風力發電典型日出力曲線[9]。由圖2、圖3可以看出，光伏發電出力主要集中在日間11:00—16:00，風力發電出力具有夜間出力大、白天出力小的特點，兩者的典型日出力都具有一定的時間規律。可再生能源發電企業可以運用大數據、人工智能技術，根據過往發電數據，結合外界影響因素（如太陽輻射強度、氣溫、風速等），對可再生能源的發電量進行時序預測。這一措施可以為可再生能源發電項目的興建與調度提供充分的數據支撐，有利于促進電網工作方式的合理發展，保障電力系統的安全性。此外，可再生能源發電量的預測也有助于主體多元、競爭有序的電力交易市場體系的構建。綜上，通過數字化技術實現可再生能源的高精度預測，對其在電力系統中的消納有著積極的影響。

圖2 海南省光伏發電典型日出力曲線

圖3 海南省風力發電典型日出力曲線

3.3 推動儲能技術發展

電網的運行具有發電與用電動態平衡的特點，傳統能源可以做到通過統一調度規劃來滿足用電需求，而可再生能源大多受到外界氣候因素、自然資源的影響，出力具有很強的波動性，且出力規律時常與實際用電需求相悖。為了解決可再生能源發電與用電不匹配的問題，突破發電不能存儲的困境，儲能技術逐漸進入大眾視野。儲能技術是指利用大容量且能實現快速充放電的儲能設施裝置或物理介質將能量存儲起來的技術，主要有物理儲能、電化學儲能、儲熱和儲氫、電磁儲能等。大量儲能電站的建設與投用可以在電網負荷處于高峰期時輸出功率，負荷處于谷值期時吸收功率，縮小系統的峰谷差，平滑負荷曲線，從而提升電網的可再生能源消納能力，保障電網運行的靈活與穩定。

3.4 加快電力市場建設

由于我國電力市場建設起步較晚，可再生能源領域相關的政策法規還不夠完善。近年來，國家推出多項舉措，通過市場手段來改善可再生能源的消納問題。2021年，國家發改委、國家能源局等9部門聯合印發《“十四五”可再生能源發展規劃》，《規劃》中明確指出，一方面要健全可再生能源電力消納保障機制，強化可再生能源電力消納責任權重引導，加強可再生能源電力消納責任權重評價考核，建立健全可再生能源電力消納長效機制；另一方面，要完善可再生能源市場化發展機制，完善可再生能源全額保障性收購制度，發揮全國統一電力市場體系價格信號引導作用，通過市場機制優化可再生能源開發建設布局。這些舉措能夠有效激發市場主體活力，完善可再生能源電力消納保障機制，充分發揮市場在資源配置中的決定性作用[10]。

此外，擴大可再生能源外送區域也是解決可再生能源消納問題的關鍵手段之一。鑒于我國可再生能源的分布特點，如何將可再生能源電力輸送至用電需求更大的地區成為迫切需要解決的問題。這就需要有關部門創建新能源跨區域消納機制，打破地域市場壁壘，全國上下一盤棋，促進可再生能源在更大范圍內進行消納。

4 結語

隨著我國碳達峰、碳中和重點任務的推進，大力開發可再生能源已經成為我國能源發展的方向，隨著越來越多風電、太陽能發電等負荷變動快的可再生能源發電設備投入使用，棄風棄光電量隨之增加，我國新能源消納問題日益凸顯。為了解決可再生能源分布不合理、跨區域輸配電能力不足、市場體制不完善等突出問題，需要從“源—網—荷”角度入手，大力發展火電機組靈活性改造技術、可再生能源出力預測技術，大力發展蓄水儲能和電化學儲能等一系列儲能技術，同時加快完善電力市場建設，多措并舉，多計共施，電力監管機構、發電企業、電網企業相互協調，提高可再生能源的消納率，從而推動我國可再生能源產業持續健康發展。