新能源在新型電力系統中運用分析

國電南瑞科技股份有限公司深圳分公司 余 平 張 齊 周江木 曾慶金

現階段，能源行業的碳排放量超過碳排放總量的90%，為此積極構建新能源電力系統對加快能源轉型，提高電力消費清潔能力有著重要的促進作用，從而降低碳排放，實現節能減排的目標。德國、英國等西方國家紛紛擬建了可再生能源的利用率，以期在2050年之前實現碳中和。我國也將在構建新型電力系統上承擔大國責任，做出重要貢獻。在能源消費方面，新型電力系統的建立有助于改善傳統的化石能源消費結構，改善土地沉降、水質污染以及空氣污染等環境問題。與此同時，有利于推動電力行業形成良性競爭環境，充分激發市場主體活力。本文以某電力企業為例，對新能源在新型電力系統中的運用進行分析。

1 新能源出力模型

1.1 風電出力

風力發電主要應用在風力資源相對較好的平原地區、偏遠山區等。風力發電以風力驅動風機葉片旋轉發電機進行發電，可將風動能轉為機械能力。根據風速大小和風向的具體角度得出風電出力。但同時，由于風向和風速并不可控，因此風力發電的間歇性、波動性較強。可以通過建立風速擬合模型的方式量化風能資源，得出具體的風電場出力，科學調度風電資源。風速概率密度函數為：fw（v）=（2v/c）exp[-（v/c）]。風電發電以反調峰特性為主，當風力較大時，負荷的需求隨之降低。當風電出力降低時，此時負荷的需求則較高。季節的不同，風電場出力大小也存在一定的差異性。

1.2 光伏出力

本案例中對光伏出力情況展開深入研究，發現光伏發電是借助半導體光生伏特的特點，直接將太陽輻射轉為電能。相較于其他發電技術，該種發電模式相對簡單，發電損耗小、安全性能高且使用壽命長等優勢。但同時，由于太陽能組件轉換效率較低，因此光伏發電的應用也受到一定的影響。只有有效預測光伏發電出力，才能顯著提升光伏電站的運營效率，實現電力系統的安全、可靠運行[1]。

1.3 儲能系統

儲能系統模型的建立通常需要綜合考量儲能系統的充放電形式、效率以及剩余容量等。在同一樁體下，充電與放電無法同時進行，當儲能單位固體運行的維護成本無法在短期內進行預測時，儲能運行維護成本應依據初始成本展開評估和計算。當前，儲能壽命、容量以及成本方面對儲能規?；a生一定的影響。只有解決上述問題才能確保儲能系統得到可持續發展。

2 構建新型電力系統的挑戰

2.1 技術突破

當前，我國電化學儲能應用較為廣泛，占總裝機比重的85%以上。市場中電化學儲能的度電成本在0.5元/kWh，規?；膬δ芏入姵杀緞t在0.3元/kWh。為進一步提升供電的安全性，應注重儲能技術的創新，進而滿足中長周期儲能需求。光熱發電作為清潔能源，不僅安全性能高，甚至可以作為風光新能源調峰的重要因素。光熱的持續發電出力可降低15%～20%左右。其優勢還體現在爬坡速度快，升降負荷速度保持在5%左右的額定功率，熱態啟動時間可控制在20min 以內。在新型電力系統構建背景下，光熱、光伏以及陸上風電互補調節可再生能源發電將成為主要的發電模式。在未來的發展中，注重提高光熱在電力系統中的電量電力支撐，應注重新型傳熱介質的研發，有效提升光熱電站運行轉化效率。

2.2 供應鏈安全性

新型電力系統中新能源的廣泛應用與規模化發展，我國企業的發展逐漸擺脫了傳統能源導致的供應鏈安全問題?，F階段，在全球范圍內我國已經是第一大風光、電化學儲能裝機國，對新能源、新技術的應用有著良好的發展前景。

2.3 市場機制建設

本案例中，由于中長期交易始終是電力市場化交易的主要內容。現貨市場的不完善對邊際成本產生了重要影響，無法保證現貨市場的穩定性、可靠性。導致資源在利用過程中無法得到相應的投資回報，缺少內生動力。在市場發展初期階段，市場中輔助性產品相對單一且補償機制不合理。另一方面，競價限制造成火電機組運行效率受到不利影響，而成本的分攤則加劇了核電承擔經營成本。目前，我國現有終端用戶電價不高，交叉補貼現象嚴重，在新型電力系統構建過程中無法形成需求側傳導，嚴重影響新能源長期、穩定發展[2]。

2.4 應用經濟性

雖然我國新能源度電成本不斷降低，但總體利用成本依然持續上升。2020年全球風光發電價格變化見表1。我國陸上風電價格在30～60美元/kWh（1美元≈7.161人民幣）。但同時，電力系統的投資改造成本、系統調節運行成本則顯著提升。以煤電為例，通過靈活改造的方式可將容量成本控制在1000元左右，系統調節運行成本由抽水儲能和新型成本儲能構成。由于煤電機組的長期運行造成機組壽命縮短，煤耗也隨之增加。當煤電機組負荷降低10%左右時，煤耗將增加5%左右。除此之外，如果新能源的滲透率超過15%時，系統整體的消耗成本也將以最快的速度增長。

表1 2020年全球風光發電價格變化

3 新能源在新型電力系統中的應用措施

3.1 發揮電力多元轉換互補效應

電力多元轉換技術的應用，一方面能夠解決新能源外送面臨的中長周期儲能問題，推動電力跨區域、跨季節的優化與配置。另一方面，則能夠運用電力多元轉換技術替代化石能源，推動多元互補融合現代能源供應體系的優化與完善。在電力多元轉換互補效應中，氫可以充分發揮其核心作用，通過電解水制氫的方式，實現剩余新能源電力的充分利用，達到大規模、高效率的新能源消納。

與此同時，將氫能融合到各類燃料中，制成甲烷、甲醇等原材料，進一步推動高耗能行業的綠色、可持續發展。一旦新能源出力不足時，氫能則能彌補能源不足，確保電網安全穩定運行。進而形成多能互補的低碳發展格局，深度融合氫能、電能。供熱方面主要體現在積極推動工業領域的發展，電氣化熱泵可提供150°以上的低品位熱源，氫電混合熱泵可為工業生產、人們生活供暖[3]。

3.2 強化分布式能源應用

由于我國風電裝機、光伏裝機較為集中，因此本案例中為保證新能源在新型電力系統構建中發揮其自身的積極作用，在未來的發展過程中，應推動自建分布式能源的有效應用。該種方式對轉變能源消費群體，降低外部資源依賴有著積極意義，最大限度減少長距離輸電造成的資源浪費。分布式能源的有效應用，對規避大電網導致的可再生能源無法利用有著促進作用。

除此之外，微電網的投資與利用是提高新能源利用率的基礎，微電網作為自平衡單元，能借助大數據等信息技術對小區居民的用電、供熱以及供氣展開綜合服務，提高居民生活質量和生活水平。微電網在調峰、調頻以及備用性能方面有著良好的表現。因此，應用微電網有助于實現隔墻售電。為實現上述目標，不僅需要做好分布式能源、微電網發展的頂層設計工作，還要針對商業區、居民住宅區以及旅游景點等地展開試點工作，形成可推廣管理機制。

3.3 推動新能源發展

當前，受到礦產資源不足、生態環境保護等因素的制約，大力發展新能源的基礎上要注重能源設備的高效、循環利用，從而降低新能源設備對環境造成的污染。風電行業的風機葉片也作為新型可回收樹脂材料，用于代替玻璃纖維，在降低回收成本方面有著良好的表現。在此過程中，應做好老舊風機的拆解工作，將其轉為纖維板產品。在光伏領域中晶體硅光伏組件中玻璃、半導體材料較多，可以采取物理分離、化學處理的方式實現回收與利用，將其應用于光伏組件與建筑材料中，對綠色可持續發展有著重要而積極的影響。

由于新能源能量密度相對較低，因此在同等電量的基礎上所占用的土地資源也較多。但土地資源有限，對農業發展、建設用地以及畜牧業發展都將產生不利影響。為此，只有加快新能源建設，使其有效應用到新型電力系統構建中，形成新能源+的現代化發展模式，擴大新能源在不同應用場景下的規劃，提高土地資源的利用效率。以光伏+農業為例，該種方式可形成棚頂發電、棚下種植模式，以太陽能新型發電為主，降低土地資源的利用面積，形成農業科技化、現代化發展模式。除此之外，為強化新能源企業建設水平，還需要注重構建完整的產業鏈，使得回收市場能夠保持穩定、持續發展態勢。不斷增強產業循環、協調耦合能力，有效激發新能源循環利用產業生態模式。

3.4 構建能源管理體系

在構建能源管理體系過程中，主要從統籌能源生產、兼顧能源與資源利用等方面入手，保障低碳綠色能源的有效供給和高效利用。在新能源電力規劃中，加強與國土資源規劃的協調發展，明確自然生態系統保護目標。強化能源電力、國土空間規劃以及礦產資源規劃協同發展。作為能源電力管理部門需要重視能源數據的公開性、透明性，發揮數據在能源利用、技術創新中的重要作用。通過建立能源信息收集平臺、能源數據庫的方式，方便人員獲取電力數據信息，最大限度降低收集能源電力數據耗費的時間與經濟成本。提升能源電力行業的工作效率。加強監督和管理，強化電力企業的服務水平，實現大電網、微電網的有機融合，合理配置資源[4]。

3.5 打造多元化電力系統

積極打造智能電力系統有助于新能源的有效應用與融合。通過建立全網協同、數字驅動等現代化調控體系，可實現源網荷儲多向互動目標，協調多種能源，進一步提升電力設施的利用率。一方面靈活改造煤電機組，將煤電功能定位轉為調節電源，強化整體規劃與引導。對于60萬kW 亞臨界機組來說，盡量采取靈活改造的方法，逐步完善補償機制，確保煤電機組正常、穩定運行。

另一方面，強化儲能體系建設，針對單機容量超30萬kW 設備展開系統性分析。提升電力系統的應用水平。堅持集中化、分布式共同發展模式，積極發展風電、光伏發電。重視中東部風能和太陽能資源的利用，加快海上風電開發、海上風電基地建設。立足風電、光伏發電技術，逐步降低投入成本，不斷完善新能源發電服務體系，保障新能源發電在市場中具有一定的競爭實力。推動水電、核電的開發，加快流域調節。從現有資料得出2025年、2030年、2035年全國以新能源為主的電力供應格局。見表2。

表2 2025年、2030年、2035年全國以新能源為主的電力供應

總而言之，在現代化經濟發展背景下，各領域的發展對電力行業有了更高的要求，電力行業任務艱巨，只有加快新能源的開發與利用，才能構建新型電力系統格局，推動電力穩定、可持續發展。當前，電力依然以傳統能源為主，不僅無法滿足綠色生態環境保護要求，對經濟發展建設也有著一定的阻礙作用。為此，強化新能源應用，有助于提高能源的利用效率確保電力企業實現經濟效益最大化的基礎上，為生態環境保護提供支持。