關(guān)于新能源大規(guī)?；鼗_發(fā)利用的思考
唐健
（國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院）
一、我國(guó)新能源大規(guī)?；鼗_發(fā)利用現(xiàn)狀
近年來，我國(guó)以風(fēng)電、光伏發(fā)電為代表的新能源發(fā)展成效顯著，裝機(jī)規(guī)模穩(wěn)居全球首位，發(fā)電量占比穩(wěn)步提升，成本快速下降，已基本進(jìn)入平價(jià)無補(bǔ)貼發(fā)展的新階段，為后續(xù)大規(guī)模、高比例、市場(chǎng)化發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?！疤歼_(dá)峰、碳中和”進(jìn)程加快，促使以光伏、風(fēng)電為主的新能源實(shí)現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。目前，我國(guó)新能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模約7億千瓦，占全國(guó)發(fā)電總裝機(jī)的29%。陸上風(fēng)電、光伏發(fā)電成本快速下降，2021年二者平均度電成本較2012年分別下降48%和70%。
在已取得豐碩成果的基礎(chǔ)上，我國(guó)仍在有條不紊地繼續(xù)推動(dòng)新能源基地集群建設(shè)?！吨腥A人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》指出，為推進(jìn)能源革命，將建設(shè)金沙江上下游、雅礱江流域、黃河上游和幾字灣、河西走廊、新疆、冀北、松遼等清潔能源基地，建設(shè)廣東、福建、浙江、江蘇、山東等海上風(fēng)電基地。2022年初，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局發(fā)布的《以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為重點(diǎn)的大型風(fēng)電光伏基地規(guī)劃布局方案》明確，計(jì)劃以庫(kù)布齊、烏蘭布和、騰格里、巴丹吉林沙漠為重點(diǎn)，以其他沙漠和戈壁地區(qū)為補(bǔ)充，綜合考慮采煤沉陷區(qū)，規(guī)劃建設(shè)大型風(fēng)電光伏基地。到2030年，規(guī)劃建設(shè)風(fēng)光基地總裝機(jī)約4.55億千瓦。其中庫(kù)布齊、烏蘭布和、騰格里、巴丹吉林沙漠基地規(guī)劃裝機(jī)2.84億千瓦，采煤沉陷區(qū)規(guī)劃裝機(jī)0.37億千瓦，其他沙漠和戈壁地區(qū)規(guī)劃裝機(jī)1.34億千瓦。
二、新能源大規(guī)?；鼗_發(fā)利用仍存在制約因素
（一）電力電量空間維度平衡挑戰(zhàn)大
電力空間平衡的挑戰(zhàn)和需求大，需解決能源負(fù)荷失衡、輸電通道和電網(wǎng)安全穩(wěn)定支撐強(qiáng)度等問題。
從能源分布情況來看，我國(guó)新能源所在地區(qū)與電力消費(fèi)負(fù)荷地區(qū)基本呈逆向分布：76%的煤炭、80%的風(fēng)能、90%太陽(yáng)能都分布在西部和北部地區(qū)，80%的水能分布在西南地區(qū)，但70%以上的電量消耗都分布在東部、中部地區(qū)。從風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能富足的西部、北部、西南部地區(qū)輸送到能源消耗量大的東部、中部地區(qū)，輸送距離約1000～4000千米左右。
從輸電通道資源情況來看，目前已存在多個(gè)密集輸電通道，而后續(xù)輸電通道建設(shè)可能增加現(xiàn)有密集輸電通道規(guī)模，或產(chǎn)生新的密集輸電通道，多回通道同時(shí)故障概率增加。同時(shí)，跨區(qū)輸電通道資源緊張，與地方規(guī)劃、自然保護(hù)區(qū)、環(huán)境保護(hù)等因素的矛盾愈發(fā)明顯，前期工作協(xié)調(diào)難度大。此外，大型風(fēng)光基地輸電通道的起點(diǎn)主要位于沙漠、戈壁和荒漠，高海拔、重冰區(qū)、極低溫，施工難度大、建設(shè)成本高、運(yùn)維條件差。
從電網(wǎng)特性和運(yùn)行機(jī)理來看，隨著大型風(fēng)光基地開發(fā)外送，分布式新能源、海上風(fēng)電并舉發(fā)展，以及電力系統(tǒng)中大規(guī)模直流接入，電力系統(tǒng)“雙高”特征愈發(fā)顯著，交直流耦合日趨緊密。在此趨勢(shì)下，直流故障易引發(fā)系統(tǒng)內(nèi)大范圍的電壓、頻率失衡，電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力將逐漸吃緊，電網(wǎng)“強(qiáng)直弱交”、支撐電源“空心化”的問題難以避免。
（二）電力電量時(shí)間維度平衡難度大
新能源出力受天氣因素影響，具有波動(dòng)性大、波動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、季節(jié)性差異大等特點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電主要集中在春冬兩季（約占60%），光伏發(fā)電主要集中在夏秋兩季（約占60%）；大小風(fēng)年的風(fēng)電利用小時(shí)數(shù)相差超過20%，光伏利用小時(shí)數(shù)相差約10%。長(zhǎng)時(shí)間尺度的平衡難度大、保供壓力大。例如，2021年?yáng)|北電網(wǎng)全網(wǎng)新能源最小出力同時(shí)率僅1%左右，且持續(xù)數(shù)小時(shí)；2018年新疆風(fēng)電大波動(dòng)最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間超過2天，風(fēng)電低于裝機(jī)容量20%的低出力最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間超過8天。
據(jù)中國(guó)電力科學(xué)研究院預(yù)測(cè)，2030年全國(guó)新能源出力占系統(tǒng)總負(fù)荷的比重為5%～51%，2060年新能源出力占系統(tǒng)總負(fù)荷的比重為16%～142%。新能源出力波動(dòng)性大使電力供應(yīng)緊張和棄風(fēng)棄光問題同時(shí)存在。新能源低出力時(shí)段，電力系統(tǒng)需要高可靠出力電源實(shí)現(xiàn)電力平衡；新能源高出力時(shí)段則給電力系統(tǒng)消納安全和儲(chǔ)能技術(shù)帶來巨大挑戰(zhàn)。
三、新能源大規(guī)?；鼗_發(fā)利用有關(guān)思考
新能源大規(guī)?；鼗_發(fā)利用，離不開穩(wěn)定安全可靠的特高壓輸變電線路。特高壓直流輸電是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸模式，具有輸送功率大、距離長(zhǎng)、可以實(shí)現(xiàn)異步輸電的優(yōu)勢(shì)。特高壓交流是同步電網(wǎng)，具有瞬時(shí)調(diào)劑的能力，以及輸電和構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的雙重屬性，對(duì)于電力的接入、傳輸和消納十分靈活。特高壓交直流具備的優(yōu)勢(shì)在承擔(dān)電力遠(yuǎn)距離輸送方面具有不可替代的作用，可以解決新能源發(fā)電端和用戶端的空間錯(cuò)配問題。
長(zhǎng)期以來，我國(guó)特高壓電網(wǎng)普遍存在“強(qiáng)直弱交”的問題，特高壓交流網(wǎng)架難以支撐特高壓直流通道滿功率送電，即特高壓直流功率受到擾動(dòng)時(shí)，其激發(fā)出的超出既定設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)防能力的強(qiáng)擾動(dòng)無法由交流網(wǎng)架承受，進(jìn)一步導(dǎo)致連鎖故障發(fā)生，致使全局性安全水平明顯下降。
構(gòu)建合理的電網(wǎng)網(wǎng)架是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。面向強(qiáng)直弱交型混聯(lián)電網(wǎng)，協(xié)調(diào)直流與交流輸電系統(tǒng)發(fā)展，提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平，涉及以下兩個(gè)方面：
一方面是增強(qiáng)交流的沖擊承載能力。一是優(yōu)化交流一次主干網(wǎng)架，適應(yīng)直流有功強(qiáng)沖擊。加強(qiáng)送端與主網(wǎng)的電氣聯(lián)系，提高網(wǎng)架匯集能力，解決好受端電壓支撐和潮流疏散等問題。二是加強(qiáng)動(dòng)態(tài)電壓支撐能力，適應(yīng)直流強(qiáng)無功沖擊。客觀要求直流大規(guī)模有功輸送，必須匹配大規(guī)模動(dòng)態(tài)無功，即“大直流輸電、強(qiáng)無功支撐”。有效為直流換流站提供充裕的動(dòng)態(tài)無功，支撐交流電壓快速恢復(fù)，需充分利用已建的常規(guī)發(fā)電機(jī)組，優(yōu)化布點(diǎn)新建的調(diào)相機(jī)以及增建的SVG等無功補(bǔ)償裝置。三是改善源網(wǎng)控制及其協(xié)調(diào)控制能力。優(yōu)化機(jī)組調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，通過能夠等效常規(guī)同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行特征的同步發(fā)電機(jī)技術(shù)，使風(fēng)電、光伏發(fā)電設(shè)備更加智能化，具備頻率自適應(yīng)能力，提供電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定支撐能力，讓新能源由“我行我素”的“自轉(zhuǎn)”變?yōu)椤皡f(xié)調(diào)統(tǒng)一”的“公轉(zhuǎn)”，實(shí)現(xiàn)清潔能源友好并網(wǎng)。四是增強(qiáng)風(fēng)電、光伏新能源發(fā)電設(shè)備的擾動(dòng)耐受能力，提升新能源涉網(wǎng)性能。挖掘新能源場(chǎng)站自身動(dòng)態(tài)有功、無功調(diào)節(jié)能力，參與系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)壓，防范由于新能源大規(guī)模脫網(wǎng)引發(fā)連鎖反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。
另一方面是減少直流沖擊發(fā)生的概率。一是開展系統(tǒng)研究，優(yōu)化直流落點(diǎn)和接入系統(tǒng)方式，實(shí)現(xiàn)直通合理分組，避免直流送、受端發(fā)生故障時(shí)互相影響擴(kuò)大故障范圍。二是通過優(yōu)化控制策略、使用先進(jìn)設(shè)備，降低直流逆變器換相失敗的發(fā)生概率。
國(guó)家規(guī)劃中以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為重點(diǎn)的大型風(fēng)電光伏基地多處于西部、北部地區(qū)，其中大部分位于庫(kù)布齊、烏蘭布和、騰格里、巴丹吉林四大沙漠，從地域上看四大沙漠基本位于華北地區(qū)西部及西北地區(qū)東部，處于大電網(wǎng)的末端、薄弱區(qū)域，既缺乏負(fù)荷本地消納，又沒有既有的電網(wǎng)加以支撐外送。但該區(qū)域?qū)儆谌A北同步電網(wǎng)，在華北特高壓電網(wǎng)延伸覆蓋范圍之內(nèi)，具有依托華北特高壓電網(wǎng)送出的先天優(yōu)勢(shì)?？梢岳媒鼌^(qū)煤電提供一定的支撐，將華北特高壓主網(wǎng)架向該區(qū)域延伸。從源頭規(guī)劃建設(shè)“強(qiáng)交強(qiáng)直”的特高壓格局，交流網(wǎng)架用于匯集輸送自用新能源、向華北電網(wǎng)京津冀魯?shù)貐^(qū)送電、發(fā)揮直流故障時(shí)的潮流轉(zhuǎn)移的作用，兼顧促進(jìn)調(diào)峰資源的互濟(jì)，提高新能源消納水平；特高壓直流通道以此為依托，向華北以外的地區(qū)實(shí)現(xiàn)跨區(qū)送電。依托大電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)以“四大沙漠”為主的新能源大基地的消納與送出。
