高比例新能源电力系统的发展机遇、挑战及对策

汪宁渤;马明;强同波;吕清泉;谭洪斌

【摘 要】Such problems as environmental pollution,climate change,energy security and sustainable development have become increasingly

prominent.The world's major countries have included new energy sources in the priority development strategy of national energy.Major

development opportunities and challenges are faced in high penetration renewable energy.On the basis of an analysis of the background and status quo of the renewable energy development both at home and abroad,this paper introduces the main features of large-scale development of renewable energy in China.By taking Gansu as an example to study the opportunities of high penetration development of renewable energy,the paper analyzes a series of challenges in terms of outward transmission,power accommodation,system stability,operation

control,economy and efficiency,makes a prospect of development trend of high penetration renewable energy and proposes relevant

countermeasures.%环境污染、气候变化、能源安全和可持续发展等问题日益突出,全球主要国家已将新能源列入国家能源优先发展战略,高比例新能源发展面临重大机遇与挑战.在介绍了国内外新能源发展的背景和现状的基础上,分析了中国大规模新能源发展的主要特点,以甘肃为例,研究高比例新能源接人电力系统发展的机遇,分析了面临的送出、消纳、系统稳定、运行控制、经济性和效率等一系列挑战,展望了高比例新能源发展趋势并提出了应对措施.

【期刊名称】《中国电力》 【年(卷),期】2018(051)001 【总页数】8页(P29-35,50)

【关键词】高比例新能源电力系统;发展机遇;挑战 【作 者】汪宁渤;马明;强同波;吕清泉;谭洪斌

【作者单位】甘肃省电力公司风电技术中心,甘肃兰州 730070;甘肃省新能源并网运行控制重点实验室,甘肃兰州730070;甘肃省电力公司风电技术中心,甘肃兰州 730070;甘肃省新能源并网运行控制重点实验室,甘肃兰州730070;甘肃新泉风力发电有限公司,甘肃兰州 730070;甘肃省电力公司风电技术中心,甘肃兰州 730070;甘肃省新能源并网运行控制重点实验室,甘肃兰州730070;甘肃新泉风力发电有限公司,甘肃兰州 730070 【正文语种】中 文 【中图分类】TM732 0 引言

中国新能源发展势头迅猛，目前已成为新能源装机最多的国家。欧洲[1-2]、美国[3]和中国[4]分别提出2050年实现100%、80%、60%可再生能源电力系统蓝图。然而，在高比例可再生能源接入的未来电力系统中，作为电力供应重要支柱的风电和太阳能，其时空分布特性和不确定性将导致电力系统运行方式发生巨大改变，“三北”地区新能源已经出现严重弃风弃光现象。

2017年1月，国家能源局发布了《2016年风电并网运行情况》，全年“弃风”

电量497亿kW·h，超过三峡全年发电量的一半，全国平均“弃风”率达到17%，甘肃、、吉林等地“弃风”率高达43%、38%和30%。2016年仅西北地区“弃光”电量就达70亿kW·h，平均“弃光”率近20%，、甘肃“弃光”率高达32%、30%。弃风弃光现象极大地阻碍了中国可再生能源的健康持续发展。解决可再生能源并网消纳问题成为国家的重大需求。高比例可再生能源的接入将使电力系统运行方式更加多样化、电网交直流连接更复杂化。

针对高比例可再生能源接入的电网运行问题，国内外学者从电力系统灵活性规划与挑战[5-6]、交直流输电的挑战[7]、高比例可再生能源电力系统[8-10]、接入可再生能源的复杂互联电性[11]、适应高比例可再生能源发展的新型电力规划及生产模拟[12]等方面开展了研究。针对新能源消纳问题，从消纳关键因素分析[13]、清洁能源替代潜力评估[14]、新能源消纳技术措施[13-17]、国外高比例新能源消纳经验[18-20]、直流联络线运行方式优化提升新能源消纳[21]、区域电网协调消纳[22-23]、风电和太阳能发电占比在20%下生产模拟与实证分析[24]等方面开展了研究。但仍缺乏高比例新能源接入区域电网的实际运行分析及典型高比例新能源电力系统面临的机遇与挑战实证分析。

本文围绕高比例新能源电力系统实际运行中面临的送出、消纳、系统稳定、运行控制、经济性和效率等一系列挑战进行实证分析，通过实证分析提出应对措施并展望高比例新能源的发展趋势。 1 新能源发展的背景

近年来中国占全世界新增能源需求的70%以上，2016年中国能源消费总量达到43.56亿t标准煤，占全世界能源消费总量的23%，成为能源消费最多的国家。2016年中国消费了50.6%全世界煤炭，煤炭占中国能源消费总量的比重高达61.82%，是世界主要经济体中煤炭消费比重最高的国家。2016年中国石油对外依存度达到65.49%，中国已经成为全世界石油进口量最多的国家。中国70%进

口石油来自中东和北非，需要通过霍尔姆斯海峡或亚丁湾、印度洋、马六甲海峡和南海运输通道，保证能源运输安全的压力巨大。

2007年中国成为全世界CO2排放量最大的国家。2016年中国CO2排放量达到104亿 t，占全球的29%，超过美国和欧盟的总和；人均CO2排放量7.5 t，超过了欧盟和日本。受到能源消费总量和以煤炭为主的能源结构的双重影响，中国SO2、NOx和粉尘等污染物排放指标已占全球总排放量的1/3以上，2012年以来中国东部地区频繁出现大范围雾霾天气，最严重的月雾霾天数达到25天、范围超过270万km2，中国的雾霾问题引起了国内外广泛关注。

欧美国家已将可再生能源列入国家能源优先发展战略，近期西方七国分别提出了2050年100%可再生能源的战略目标。2016年中国可再生能源仅占能源消费总量的2.82%，远低于欧美国家的发展水平。2015年12月12日巴黎全球气候变化大会达成了《巴黎协定》，中国承诺2030年前CO2排放达到顶峰、非化石能源消费比例超过20%。高比例可再生能源成为未来国际能源竞争的焦点。 2 新能源发展现状与特点 2.1 中国集中式新能源发展概况

截至2016年年底，全球风光电装机容量分别达到了4.87亿kW、3.16亿kW，其中当年新增装机容量分别为5 460万kW、7 000万kW，中国风光电装机容量均位列世界第一。截至2016年年底，中国风光电装机容量分别达到1.69亿kW、7 742万kW，分别占全球风电总装机容量的35%、25.4%；2016年中国新增风光电装机容量分别为2 332.8万kW、3 324万kW，分别占全球当年新增装机容量的42.7%、48.8%。中国风电装机容量较大的内蒙古、、甘肃、河北分别可排列当年全球风电装机容量国家排名的第5位、第6位、第7位和第10位；可排列当年全球光伏装机容量国家排名的第8位，甘肃、青海和内蒙古均可排列第9位。

中国陆上风能资源80%以上集中在“三北”地区、太阳能资源80%以上集中在西部地区，而用电负荷主要位于中东部地区，中国风能、太阳能资源与用电负荷逆向分布的特点突出；风光资源属于低密度能源，利用风光资源建设风光发电项目需要足够大的土地资源，例如建设1万kW的光伏发电需要500亩土地；尽管近期中国用电负荷集中的东南部地区风光电快速发展，但受到风光能源资源和土地资源的双重因素制约，中国东南部地区分散式风光电的发展潜力有限；风光电资源和土地资源丰富的西部和北部地区发展潜力巨大，是中国风光电发展的主要阵地，大规模风光电基地是中国的主要发展模式。 2.2 典型高比例新能源电力系统发展概况

甘肃酒泉是中国开工建设的第一个千万kW风电基地，目前集中并网风光电已经超过1 200万kW，是全世界集中并网规模最大的新能源基地；甘肃省可开发的风能和太阳能非常丰富；甘肃风光电主要集中在瓜州、玉门、金昌和武威河西走廊一带；风光电规模远远超过当地用电负荷，距离甘肃用电负荷中心兰州的输电距离超过1 000 km，是全世界距离负荷中心最远的新能源基地；酒泉风光电基地主要采用330 kV汇集、750 kV电压送出，是全世界风光电汇集和送出电压等级最高的新能源基地。

甘肃风光电90%以上集中在河西走廊，其中超过80%集中在河西走廊西端的酒泉西部地区，受到大气环流和两山夹一谷地形的影响，甘肃风电出力长时间尺度具有较强相关性（见图1）；受到超过800 km长河西走廊风力传播空间分布的影响，单台风电机组的出力特性呈现明显的间歇性，单个风电场出力特性具有很强的随机波动性，风电场群、瓜州地区、酒泉基地和全省风电出力波动幅度逐步降低，随着分布空间距离的增加，风电具有自我平抑出力波动的能力，大规模风电基地出力具有短时间尺度空间互补性；受到河西走廊局部气候条件影响（河西走廊通常天黑开始起风一直持续到天亮），导致甘肃风电呈现出较强的反调峰特性。

图1 甘肃省不同规模典型日出力相对变化曲线Fig. 1 The relative variation curves of typical daily power output of different scales in Gansu province 由图2和图3所示的电网典型出力曲线和理论出力曲线关系可以看出，由于风光电波动性、随机性的特点，在远离负荷中心1 000 km建设千万kW新能源基地，面临着送出能力不足的矛盾；甘肃省风光电装机容量已经达到2 056万kW，是全省最大用电负荷1 309万kW的1.59倍，风光电建设规模远远超过全省用电市场需求，省内需求不足、外送有限导致市场消纳能力严重不足。送出和消纳能力不足导致2016年甘肃弃风率43.21%、弃光率29.99%，弃风、弃光总电量达到139.57亿kW·h，相当于刘家峡水电站2.5年的发电量。

甘肃风光电已经占全省总装机容量的41.78%，超过了火电成为全省第一大电源，大规模新能源基地已经达到主力电源规模，但难以承担与其规模相适应的责任。近年来中国新能源基地频繁发生大规模脱网事故，图4所示为酒泉风电基地事故脱网曲线典型曲线，仅2011年酒泉风电基地发生脱网事故100多次、累计脱网风电机组超过4 000台，可再生能源发电规模化利用抗干扰和可控性不足导致了脱网事故频发。

图2 甘肃电网典型出力曲线Fig. 2 The typical power output curves of Gansu power grid

图3 甘肃风光电最大日出力与全省发电曲线Fig. 3 The maximum daily power output and the electricity generation curves of Gansu

图4 酒泉风电基地事故脱网曲线Fig. 4 The accidental disconnection curve of Jiuquan wind power base

3 高比例新能源电力系统发展的机遇与挑战 3.1 高比例新能源电力系统

伴随着新能源的快速增长，中国部分地区风光电占总装机容量的比例不断增加。如

图5所示，截至2017年7月底，甘肃、宁夏、和青海等省区的风光电比例已经超过总装机容量的30%，其中甘肃已经达到了41.8%，装机容量和发电量比例等主要指标达到国际先进水平，高比例风光电发展趋势明显。

图5 国内外高比例风光电装机容量、发电量比例Fig. 5 Proportion of installed capacity and generated

尽管如何定义高比例新能源电力系统存在一定的分歧，但国家批准甘肃省建设国家新能源综合示范区具有一定的代表性，明确提出了2020年甘肃省新能源占总装机容量50%以上、新能源发电量占全社会用电量的30%以上、特高压直流外送新能源比例达到40%以上、非化石能源在一次能源消费中的比例达到25%以上的量化指标，其中新能源占总装机容量50%以上、占总发电量30%以上应该可以作为高比例新能源电力系统的主要评价指标。

截至2017年9月底，甘肃新能源已经占全省总装机容量的41.78%、占全省发电量的23.5%，新能源理论发电量已经占全省发电量的39.9%，其中2017年某日新能源理论发电量已经占全省发电量的63.11%（见图6），高比例新能源的特征凸显。

3.2 高比例新能源电力系统发展的机遇

面对气候变化、环境保护和可持续发展等一系列挑战，可再生能源逐步替代化石能源成为必然选择，以甘肃为例，高比例新能源电力系统将迎来如下发展机遇。 2020年甘肃省风电装机容量1 500万kW、光伏990万kW、光热110万kW，新能源占总装机容量的比例从目前的41.2%提高到50%以上，可再生能源替代化石能源大幅度降低温室气体和污染物排放，能源生产方式的变革为甘肃省低碳、绿色和可持续发展提供保证。

2020年新能源发电量占全社会用电量的比例从15.1%提高到30%以上，非化石能源在一次能源消费中的比例从目前的19%提高到25%以上，降低对化石能源的

依赖，能源消费方式的变革会全面提高甘肃可持续发展能力。考虑火电发电量以后，电力将占终端能源消费量的50%左右，电力在能源的主导地位凸显。

图6 2017年某日甘肃省新能源理论出力Fig. 6 The theoretical power output of the renewable energy of a day, 2017 in Gansu province

可再生能源资源随机波动且时空分布不均匀的特点突出，酒泉—湖南特高压直流外送新能源比例达到40%以上，有利于解决可再生能源资源与消费市场空间差异、资源与使用时间差异等基本问题，大电网配置可再生能源资源的作用明显。 甘肃是国内外新能源比例最高、距离用电负荷中心最远和集中并网规模最大新能源基地，面临着新能源发电远距离送出、市场消纳、系统调峰、安全稳定和运行控制等一系列技术挑战，科技创新在新能源发展的地位突出。

甘肃已成为世界风光电比例最高、集中并网规模最大、送出距离最远的可再生能源基地，建设新能源综合利用示范区将大幅度提高新能源比例、增加新能源规模，不仅需要技术创新，同时需要在新能源管理、新能源发电管理机制等方面有所突破，亟需构建适应高比例新能源电力系统发展的能源管理体系。

总之高比例新能源电力系统发展将面临能源替代、电力主导、资源配置、科技创新和机制创新等方面的机遇。 3.3 高比例新能源电力系统发展的挑战

甘肃省新能源90%集中在河西走廊，绝大部分风光电需要送出到1 000 km以外的兰州负荷中心，是全世界集中并网规模最大、送出距离最远的风光电基地，尽管已经建设了河西走廊双回750 kV输电网络，仍然无法满足现有新能源送出的需求，新能源发展面临的送出矛盾十分突出。

2020年甘肃省风光电装机容量占全省总装机容量的50%以上，其中90%以上集中在远离兰州负荷中心的河西走廊，如此大规模的新能源不仅超过甘肃的用电市场需求，西北各省也难以消纳。甘肃新能源需要跨省、酒泉—湖南±800 kV特高压

直流跨区输送到全国用电市场消纳（见图7），但高比例新能源交直流特高压外送也存在一定的不确定性。

图7 河西新能源基地直流外送示意Fig. 7 The DC transmission route of the Hexi new energy base

如图8所示，甘肃目前受到市场消纳能力不足的影响导致弃风弃光矛盾突出，2020年甘肃省风光电装机容量将达到2 600万kW，高比例新能源远远超过甘肃的用电市场需求，跨省、跨区用电市场存在较大的不确定性，市场消纳能力不足成为高比例新能源发展面临的最大挑战。

甘肃是国内外风光电比例最高的省份，高比例风光电随机波动性和不确定性，导致电力系统调峰调频难度大幅度增加；甘肃高比例新能源已经超过全省最大用电负荷，高比例新能源导致常规水火电机组开机容量大幅度减少，整个电力系统调频调峰能力不足的矛盾更加突出。

甘肃风光电主要集中在远离负荷中心的电网末端，风光电可控性和抗干扰不足，大幅度增加了电力系统运行控制难度和安全稳定风险；风电、光电、直流输电和无功补偿系统大量采用电力电子设备，高比例新能源电力系统阻尼和惯性发生了巨大的变化，可能导致电力系统安全稳定的判据和分析方法发生根本性变化，电力系统安全稳定的不确定性大幅度增加。

图8 风光电典型调频、调峰示意Fig. 8 The typical peaking and frequency modulation

风电利用小时1 800～2 500 h、光伏利用小时1 200～1 850 h，但需要按照额定装机容量配置配套汇集和送出输变电工程，导致输变电设备利用率大幅度降低。风电、光伏的保证出力几乎为零，尽管高比例新能源装机容量很大，但仍然需要按照用电负荷水平规划建设常规电源，高比例新能源占用了发电量空间却无法替代常规电源装机容量，导致火电设备利用率和发电利用小时大幅度下降，火电设备利用率

大幅度降低。

目前风光电发电成本高于常规水火电，新能源替代常规火电发电量导致全社会发电总成本增加；尽管预计2025年左右风电、光伏的发电成本将与常规火电持平，但高比例新能源需要的调峰和辅助服务成本大幅度增加，导致整个电力系统发电总成本大幅度增加；风光电远离负荷中心和发电利用小时低导致输变电成本大幅度增加。丹麦、德国等高比例新能源电力系统国家的经验已经证明，电力系统发电和输变电成本的大幅度增加必然导致电力用户电价增加。 4 高比例新能源电力系统发展的应对措施

西方七国集团分别提出了到2050年实现100%可再生能源电力系统愿景，中国相关研究机构也完成2050年80%可再生能源电力系统愿景构想，高比例新能源规模化利用成为未来国际能源竞争的焦点。

针对高比例新能源电力系统的发展，推荐采取如下应对对策。

（1）提高高比例新能源自我平抑随机波动的能力，采取风电、光电和水电不同比例和不同空间区域的组合措施，发挥不同省份新能源基地的时空特性相互调节与补充作用。

（2）加快规划建设高比例新能源送出输电网络，采取大规模新能源基地远距离输送、跨新能源基地相互连接等技术措施，解决新能源资源大范围配置问题。 （3）常规水电扩机增容、火电灵活性改造提高调节功能措施，加快抽水蓄能电站建设和供热机组储热改造，推进电动汽车储能广泛应用，加快其他储能技术研究与突破，提高电力系统调峰、调频、灵活性和适应能力。

（4）尽快突破省际间电力市场壁垒，建立全国统一电力市场体系；逐步建立国家强制性绿色证书和可再生能源配额制，实现高比例新能源在全国的资源配置。 5 结语

环境污染、气候变化、能源安全和可持续发展等问题日益突出，全球主要国家已将

新能源列入国家能源优先发展战略，高比例新能源电力系统面临重大发展机遇，同时也面临送出、消纳、系统稳定、运行控制、经济性和效率等一系列挑战。亟需为高比例新能源电力系统发展探索道路、破解难题、总结经验，占领高比例新能源发展的国际制高点。 参考文献：

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