關于新能源大規(guī)?；鼗_發(fā)利用的思考
唐健
（國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司經(jīng)濟技術研究院）
一、我國新能源大規(guī)?；鼗_發(fā)利用現(xiàn)狀
近年來，我國以風電、光伏發(fā)電為代表的新能源發(fā)展成效顯著，裝機規(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，已基本進入平價無補貼發(fā)展的新階段，為后續(xù)大規(guī)模、高比例、市場化發(fā)展奠定了堅實基礎?！疤歼_峰、碳中和”進程加快，促使以光伏、風電為主的新能源實現(xiàn)爆發(fā)式增長。目前，我國新能源發(fā)電裝機規(guī)模約7億千瓦，占全國發(fā)電總裝機的29%。陸上風電、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上，我國仍在有條不紊地繼續(xù)推動新能源基地集群建設?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》指出，為推進能源革命，將建設金沙江上下游、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，建設廣東、福建、浙江、江蘇、山東等海上風電基地。2022年初，國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布的《以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為重點的大型風電光伏基地規(guī)劃布局方案》明確，計劃以庫布齊、烏蘭布和、騰格里、巴丹吉林沙漠為重點，以其他沙漠和戈壁地區(qū)為補充，綜合考慮采煤沉陷區(qū)，規(guī)劃建設大型風電光伏基地。到2030年，規(guī)劃建設風光基地總裝機約4.55億千瓦。其中庫布齊、烏蘭布和、騰格里、巴丹吉林沙漠基地規(guī)劃裝機2.84億千瓦，采煤沉陷區(qū)規(guī)劃裝機0.37億千瓦，其他沙漠和戈壁地區(qū)規(guī)劃裝機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，需解決能源負荷失衡、輸電通道和電網(wǎng)安全穩(wěn)定支撐強度等問題。
從能源分布情況來看，我國新能源所在地區(qū)與電力消費負荷地區(qū)基本呈逆向分布：76%的煤炭、80%的風能、90%太陽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)。從風能、太陽能、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，目前已存在多個密集輸電通道，而后續(xù)輸電通道建設可能增加現(xiàn)有密集輸電通道規(guī)模，或產(chǎn)生新的密集輸電通道，多回通道同時故障概率增加。同時，跨區(qū)輸電通道資源緊張，與地方規(guī)劃、自然保護區(qū)、環(huán)境保護等因素的矛盾愈發(fā)明顯，前期工作協(xié)調(diào)難度大。此外，大型風光基地輸電通道的起點主要位于沙漠、戈壁和荒漠，高海拔、重冰區(qū)、極低溫，施工難度大、建設成本高、運維條件差。
從電網(wǎng)特性和運行機理來看，隨著大型風光基地開發(fā)外送，分布式新能源、海上風電并舉發(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)動態(tài)調(diào)節(jié)能力將逐漸吃緊，電網(wǎng)“強直弱交”、支撐電源“空心化”的問題難以避免。
（二）電力電量時間維度平衡難度大
新能源出力受天氣因素影響，具有波動性大、波動持續(xù)時間長、季節(jié)性差異大等特點。風力發(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%）；大小風年的風電利用小時數(shù)相差超過20%，光伏利用小時數(shù)相差約10%。長時間尺度的平衡難度大、保供壓力大。例如，2021年東北電網(wǎng)全網(wǎng)新能源最小出力同時率僅1%左右，且持續(xù)數(shù)小時；2018年新疆風電大波動最長持續(xù)時間超過2天，風電低于裝機容量20%的低出力最長持續(xù)時間超過8天。
據(jù)中國電力科學研究院預測，2030年全國新能源出力占系統(tǒng)總負荷的比重為5%～51%，2060年新能源出力占系統(tǒng)總負荷的比重為16%～142%。新能源出力波動性大使電力供應緊張和棄風棄光問題同時存在。新能源低出力時段，電力系統(tǒng)需要高可靠出力電源實現(xiàn)電力平衡；新能源高出力時段則給電力系統(tǒng)消納安全和儲能技術帶來巨大挑戰(zhàn)。
三、新能源大規(guī)?；鼗_發(fā)利用有關思考
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對點傳輸模式，具有輸送功率大、距離長、可以實現(xiàn)異步輸電的優(yōu)勢。特高壓交流是同步電網(wǎng)，具有瞬時調(diào)劑的能力，以及輸電和構建網(wǎng)絡的雙重屬性，對于電力的接入、傳輸和消納十分靈活。特高壓交直流具備的優(yōu)勢在承擔電力遠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配問題。
長期以來，我國特高壓電網(wǎng)普遍存在“強直弱交”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時，其激發(fā)出的超出既定設防標準或設防能力的強擾動無法由交流網(wǎng)架承受，進一步導致連鎖故障發(fā)生，致使全局性安全水平明顯下降。
構建合理的電網(wǎng)網(wǎng)架是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的基礎。面向強直弱交型混聯(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，涉及以下兩個方面：
一方面是增強交流的沖擊承載能力。一是優(yōu)化交流一次主干網(wǎng)架，適應直流有功強沖擊。加強送端與主網(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。二是加強動態(tài)電壓支撐能力，適應直流強無功沖擊?？陀^要求直流大規(guī)模有功輸送，必須匹配大規(guī)模動態(tài)無功，即“大直流輸電、強無功支撐”。有效為直流換流站提供充裕的動態(tài)無功，支撐交流電壓快速恢復，需充分利用已建的常規(guī)發(fā)電機組，優(yōu)化布點新建的調(diào)相機以及增建的SVG等無功補償裝置。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)電機運行特征的同步發(fā)電機技術，使風電、光伏發(fā)電設備更加智能化，具備頻率自適應能力，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)”，實現(xiàn)清潔能源友好并網(wǎng)。四是增強風電、光伏新能源發(fā)電設備的擾動耐受能力，提升新能源涉網(wǎng)性能。挖掘新能源場站自身動態(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)連鎖反應的風險。
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)化直流落點和接入系統(tǒng)方式，實現(xiàn)直通合理分組，避免直流送、受端發(fā)生故障時互相影響擴大故障范圍。二是通過優(yōu)化控制策略、使用先進設備，降低直流逆變器換相失敗的發(fā)生概率。
國家規(guī)劃中以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為重點的大型風電光伏基地多處于西部、北部地區(qū)，其中大部分位于庫布齊、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。可以利用近區(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“強交強直”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)揮直流故障時的潮流轉(zhuǎn)移的作用，兼顧促進調(diào)峰資源的互濟，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)實現(xiàn)跨區(qū)送電。依托大電網(wǎng)，實現(xiàn)以“四大沙漠”為主的新能源大基地的消納與送出。
