基于新能源接入的平衡型電網構建策略

陳祖力 榮 幸 曾 亮 隋 兵 江全才

1.國網荊州供電公司經濟技術研究所 湖北荊州 434000；2.三峽大學電氣與新能源學院 湖北宜昌 443002

2020年，中國提出將采取更加有力政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年達到峰值，爭取2060年實現碳中和，首次具體明確了我國“雙碳”目標的時間節點和工作方向。中國作為一個工業化起步晚，尚處于工業化大發展時期的發展中大國，向世界彰顯了我們的責任擔當[1]。電力是我國能源供給的主力軍，以傳統火力發電為主的電源結構構成使得電力能源自然成為碳排放大戶，我國目前年碳排放量100億噸左右，電力能源年碳排放量45億噸以上。截至2021年底，我國火電發電裝機容量為129678萬kW/h，占全部裝機容量的54.6%。[2]

提高新能源在整個電能供應結構中的比例，使電力能源碳減排自然成為重中之重。2021年3月，中央提出構建以新能源為主體的新型電力系統的要求。提出到2030年我國風力發電、光伏發電總裝機容量達到12億kW以上的新能源建設指標。國家電網有限公司則提出，到2030年公司經營區風力發電、光伏發電總裝機容量達到10億kW以上的響應指標，全國電力新能源裝機容量達到17億kW以上。長期來看，增加風力發電和光伏發電裝機是提高我國清潔能源占比、降低電力生產碳排放非常有效的一項措施。

但是，風力發電和光伏發電受氣象條件影響極大，能源出力呈現波動性、間歇性的特征，負荷平衡和電網運行控制調度難度增大，導致局部時間不得不出現嚴重的棄風、棄光現象。[3-4]因此，科學規劃風光能源接入電能的輸送、接納、區域消納、轉供、儲能、綜合能源轉換利用等項目建設，構建大電網電能接納、消納、轉供、儲能、綜合能源轉換利用框架，實現風光能源的“有量盡接”全部適時接納及供用平衡是實現雙碳目標非常重要的一個環節。

本文結合風力發電及光伏發電的特征，提出平衡型電網的構建方法。以荊州地區為例，通過基礎數據分析，提出新能源接入的負荷平衡方法，為區域內新能源開發及接入提供指導。

1 平衡型電網的構建策略

在新能源接入條件下，要構建平衡型電網，首先需要對供電轄區內的風光能源資源信息有一個全面的掌握，然后結合供電現狀及未來電力需求，研究風光等新能源供電量及出力時序波動特征，在此基礎上提出風光能源建設項目規劃與電網網架建設改造規劃，最后運用全面綜合性大數據云計算信息平臺實現平衡型電網的構建。平衡型電網的構建流程如下：

首先，調研收集供電轄區內風光資源信息，包括當前現狀、類型、規模、等級、分布區域、建設條件、擬接入電網層次劃分等，建立供電轄區風光能源資源信息數據庫。然后分析供電現狀與未來電力需求，供電網絡結構現狀及網絡規劃，供電層次、區域劃分，電網負荷特性與負荷預測，供電需求，建立供電轄區電力需求信息數據庫。其次，研究分析供電轄區風光能源供電量規模及出力時序波動特征，對比轄區用電量峰谷時序變化規律，基于電網供電能力與接納能力、消費能力的現狀，以滿足轄區電力供需平衡為目的，提出供電轄區風光能源建設項目規劃，基于轄區供電能力與接納能力、消費能力的電力不平衡，培植電網轉供、儲能、多元化消納與綜合利用、電氣化擴大利用及節能等項目開發，依托上一級大電網資源，力爭實現供電轄區電力供需總體平衡和適時動態調整。利用抑制風光能源電壓波動、頻率波動、頻帶振蕩、環流與諧振的理論研究成果和開發研制出來的有效抑制設備裝置技術，結合供電轄區電網網架結構實際，推廣有效抑制和消除風光能源的電能質量缺陷設備裝置，提出供電轄區電網網架建設與改造項目規劃，保障電力系統的穩定性和可靠性。最后，運用現代信息技術，研究分析供電轄區電能生產、輸送、接納、消費、儲能及擴大電氣化利用、交易等信息關聯、制約、融合，提出建立全面綜合性大數據云計算信息平臺建議，為轄區電力的平衡調度和目標融合、標準化統一、多元化利用平衡提供參考。

2 案例分析

針對本文提出的平衡型電網的構建策略，以湖北荊州供電公司為例，進行平衡型電網構建分析。

2.1 能源構成分析

以2020年為基準年，荊州供電公司轄區已投入運行電力能源類型以火電(含生物質、余熱等)、光電、風電、水電能源構成。荊州供電公司轄區能源構成如表1所示：

表1 能源結構數據

從圖2可以看出，2020年荊州供電公司轄區火電、光電、風電、水電裝機容量占比分別為72.2%、17.2%、8.7%、1.8%，傳統火電能源仍然是主力軍。從發電量和上網電量數據看，火電更是達到92.1%和91.1%的絕對高比例，未來電能供給還將相當長時間依賴火電能源，以風光新能源項目建設為主體的電源結構調整任務艱巨。從單位電源裝機容量年發電量貢獻指標數據看，水電、火電、光伏、風電發電量差別巨大，僅以光伏、風電與火電比較，火電單位裝機容量年發電量貢獻指標數據分別是光伏、風電單位裝機容量年發電量貢獻指標數據的5倍以上，未來要實現風光能源替代火電能源滿足電力需求，風光電源裝機容量必須大幅度提升，大力發掘風光能源資源，加大風光能源建設投入是關鍵。

2.2 風光接入的經濟性分析

新能源發電量隨季節的變化如圖3所示，不同能源裝機容量年均單位發電量存在較大差異，風電和光電能源月均單位容量裝機發電量季節性波動明顯，風電和光電能源裝機容量年均單位發電量要遠低于傳統的水電和火電能源，與火電能源比較，火電能源每千瓦裝機容量的年均發電量分別是風電和光電能源的2～4倍和4～5倍，風光能源單位裝機容量低位產出問題較突出。意味著在同等發電量條件下，若以風電能源替代火電能源，風電能源裝機容量應提供火電能源2～4倍的等量裝機容量，若以光電能源替代火電能源，光電能源裝機容量需達到火電能源4～5倍的等量裝機容量，風光能源二者相比較，風電能源單位裝機容量的年均發電量高于光電能源20%～80%，僅考慮單位裝機容量的年均發電量單一因素，風電電源裝機更優。

荊州供電公司轄區風光能源在裝備容量及其占比、發電量及其占比方面仍然存在巨大差距，在資源開發及建設資金投入額方面存在較大困難，風光能源的大規模開發建設在短期時間內還不足以改變轄區的能源供應結構和方式，相當長時間內，轄區的能源供應仍舊要以火電能源和網購電能來保證。近年來，風光能源建設項目發展迅速，推動了行業技術進步和裝備能力提升，使得風光能源單位裝機容量資金投入額下降，風光能源建設資金投入成本降低，進一步促進了風光能源的建設發展。風光能源單位裝機容量資金投入參考數據如表2所示：

表2 風光電源單位裝機容量資金投入數據參考表(萬元/MW)

由此可見，風光能源單位裝機容量資金投入以光電最低，風電單位裝機容量資金投入是光電單位裝機容量資金投入的2倍以上，表明光電單位裝機容量資金投入經濟性更優。

下面進行風光能源建設項目綜合經濟性比較。根據荊州供電公司轄區風光電源年均發電出力情況和單位裝機容量資金投入綜合分析風光能源建設項目的經濟性，投入產出經濟性指標對比如表3所示：

表3 風光電源項目投入產出經濟指標對比表

綜合對比，光電投入產出經濟性遠優于風電，光伏電源每萬元裝機投入產生的年均發電量是風電的1～2倍以上，如果剔除風光能源發電運行維護費用和使用壽命期的較小差異，光電能源投入產出效益明顯高于風電能源。建議荊州供電公司轄區優先開發具備條件的光電能源建設項目。

2.3 配網負荷平衡建議

為了研究分析荊州供電公司電力供需平衡，本文采取按主配網區分，主網按變電站電壓等級區別逐步進行。以區域電源供給量自我平衡為基礎平臺，按供電網區域層次劃分，逐一研究分析電力供需缺口、盈余裕度等要素，提出區域電源建設、電力平衡調度、電能綜合利用等方面的總體建議。

首先，從配電臺區著手，沿配電臺區380V線路路徑摸底調查清楚配電臺區供電用戶光伏電能資源及意愿，根據資源量建立小型分布式可供選擇投入建設的220V電壓等級家庭式光伏電源規模和時序。10kV電壓等級光伏電源以分散式小規模三相T接接入10kV配電線路或以配電線路接入35kV變電站出口側間隔，匯總計入配電網供電負荷、供電量。

其次，以配電臺區用戶數和戶均容量標準為基數，考慮臺區小負荷型用戶及公共設施等用電需求，輔以電力增長年度預測，計算配電臺區供電負荷、供電量需求，建立各配電臺區電力需求年度臺賬，臺區實現自產自供目標下供電負荷、供電量余缺和時序，依據供需從屬關系匯總建立對上級10kV配電線路、35kV變電站的電力需求年度臺賬，供電負荷、供電量余缺和時序，完成各配電網電力需求基礎臺賬建設工作。

再次，依據配電網電力需求基礎臺賬，供電負荷、供電量余缺和時序，對比轄區光伏能源資源，結合年度光伏能源建設計劃和實際完成情況，計算出配電網分年度電力需求余缺，進而提出和建立各配電網對主網的年度滾動供電需求計劃和余量上網返供計劃，實現各配電網滾動平衡供給。

最后，分析投資效益，提出光伏電源上網技術方案。從經濟效益、技術可行、電網運行安全可靠等方面考慮，屋頂光伏電源以220V電壓等級家庭式小型分布式電源接入上網最優，光伏電源裝機容量小于12kW時采取單相T接上網模式，電源裝機容量12～40kW時采取三相T接上網模式，電源裝機容量大于40kW時采取三相T接逆變上網模式，自備儲能電池自我調節光伏發電時刻與用電時刻的負荷和電量平衡，自備儲能電池容量按裝機用戶滿足日累計最大用電負荷需求為最低條件，即以裝機用戶容量乘以24小時為自備儲能電池容量。光伏發電電能全部經儲能上網，用戶用電使用原配電網上網取電，設置雙向計量裝置。在380V配電臺區出口端設置三相不平衡自動調節裝置，集中解決配電臺區線路三相不平衡和低電壓問題。同時，根據該配電臺區光伏上網負荷是否出現盈余而在臺區變壓器出口端擇機加設儲能逆變升壓裝置，將臺區盈余負荷接入10kV線路向上一級配電網返供電。

3 結論

(1)火電單位裝機容量年發電量貢獻指標數據分別是光伏、風電單位裝機容量年發電量貢獻指標數據的5倍以上。未來要實現風光能源替代火電能源滿足電力需求，風光電源裝機容量必須大幅度提升，大力發掘風光能源資源，加大風光能源建設投入是關鍵；

(2)發展新能源過程中，通過風光電源單位裝機容量資金投入與風光電源項目投入產出指標對比分析，確定荊州供電轄區光伏新能源為優先發展方向；

(3)在大規模新能源建設資金受限的情況下，可通過在配電臺區設置小型分布式光伏發電的方式擴大新能源供電的比重。