中國儲能網(wǎng)訊：電網(wǎng)平穩(wěn)調(diào)度、供需動態(tài)平衡，與新能源發(fā)電“靠天吃飯”特性存在較大沖突。大容量、高比例新能源接入加劇對傳統(tǒng)直流特高壓的挑戰(zhàn)。
本文從現(xiàn)有直流特高壓線路外送存在問題切入，結(jié)合擬規(guī)劃建設(shè)的新能源基地項目對外送電情況進行系統(tǒng)推演分析，建議多維度綜合考慮基地項目選址論證，加快柔性直流技術(shù)的研究和試點應(yīng)用，豐富拓展集團“一體化調(diào)度”內(nèi)涵。
大力發(fā)展新能源是我國踐行“雙碳”目標，著力構(gòu)建清潔低碳安全高效能源體系的重要途徑。但我們必須清醒地意識到電力消納問題已逐步成為制約新能源進一步發(fā)展的主要問題。
“通過直流特高壓線路進行電力外送”作為解決電力資源與負荷區(qū)域不平衡的主要路徑，從理論上來講，可以解決能源負荷分布失衡與新能源消納問題，但在實際運行中還存在著諸多現(xiàn)實性的制約因素，無法從根本上解決外送消納的問題。本文從現(xiàn)有直流特高壓線路外送存在問題切入，結(jié)合擬規(guī)劃建設(shè)的新能源基地項目對外送電情況進行系統(tǒng)推演分析，并提出針對性建議。
傳統(tǒng)直流特高壓線路運行面臨的主要問題
無法滿足功率靈活調(diào)節(jié)的客觀需求，進一步加劇受電端省份的調(diào)峰難度。受常規(guī)直流采用的晶閘管換流技術(shù)特性限制，常規(guī)直流特高壓不能實現(xiàn)功率靈活調(diào)節(jié)，已投運的直流特高壓線路基本采用兩段式或三段式功率曲線，與受電端省份的負荷曲線無法完全匹配，一定程度上甚至可能加劇受電端省份的峰谷差，增大其調(diào)峰難度。近期，山東、河南、江西、河北等多個省份自身的調(diào)峰壓力日漸增長，作為主要受電端省份如再消納外部直流輸電將面臨更為嚴峻的調(diào)峰挑戰(zhàn)。
多饋入受電端省份無法承受和消納多條直流特高壓線路電力電量。受電端省份交流網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是制約特高壓線路輸送能力的關(guān)鍵因素，尤其是多饋入點的受電端省份更面臨巨大挑戰(zhàn)。如天中直流和青豫直流均落點河南省，在正常運行中兩條直流之間存在耦合效應(yīng)。為保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行，兩者只能按照總送電功率不超過600萬千瓦控制，輸送功率此消彼長、互為制約。同時，天中直流、青豫直流與長南線（華中華北交流特高壓聯(lián)絡(luò)線）也存在著耦合效應(yīng)，當(dāng)兩個直流高負荷率運行時，會將特高壓長南線調(diào)減出力。在“十四五”規(guī)劃中，存在兩條及以上直流特高壓線路落點的受電端省份（如山東、河南、浙江等省份）均將面臨此困境。
“水電大省”電力市場供需存在季節(jié)性波動，嚴重影響外送線路利用率。如果受電端省份為水電大?。ㄈ绾?、四川等省份），其電力需求則會存在較大的季節(jié)性波動，豐水期基本不需受入電量，需求主要在枯水期，特高壓線路的利用率因此受到嚴重影響。以四川為例，水電裝機容量占比高達80%。豐水期（6～10月），四川的水電機組高負荷運行，屬于外送型電網(wǎng)，尤其是日間平谷段水電大量富余。枯水期（11月～次年5月），四川的水電發(fā)電能力大幅下降，只占豐水期的40%左右，需要通過外購電來滿足省內(nèi)的用電需求。該類季節(jié)性用電缺口從根本上對外送線路的利用率存在不可調(diào)和的限制，不利于新能源基地持續(xù)、穩(wěn)定的外送輸出。
大容量、高比例新能源接入加劇對傳統(tǒng)直流特高壓的挑戰(zhàn)
電網(wǎng)平穩(wěn)調(diào)度、供需動態(tài)平衡，與新能源發(fā)電“靠天吃飯”特性存在較大沖突。新能源發(fā)電出力受風(fēng)力、光照等氣候因素影響，難以實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定供電或根據(jù)負荷需求調(diào)節(jié)發(fā)電出力。同時，隨機性和波動性也降低了發(fā)電曲線置信度。以風(fēng)電為例，單個場站的風(fēng)功率1分鐘波動值最大約為20%，10分鐘波動最大值可達100%甚至更大。日內(nèi)逆調(diào)峰特性加劇“鴨型曲線”現(xiàn)象。一般而言，風(fēng)電夜間大發(fā)時是用電低谷，用電高峰期風(fēng)電出力反而較小；光伏發(fā)電在晚高峰出力為零，大量的光伏接入電網(wǎng)、特別是分布式接入，導(dǎo)致“鴨型曲線”效應(yīng)越來越嚴重。
常規(guī)電源集中性好、單機容量大，設(shè)備性能穩(wěn)定，計劃性強，調(diào)節(jié)主要以負荷側(cè)變化為主。反觀新能源裝機，單體容量小、發(fā)電曲線變化多且快，電壓接入等級不同、源荷同為變量，對電網(wǎng)規(guī)劃、調(diào)度方式均形成巨大挑戰(zhàn)。隨著新能源裝機比例的逐步提升，電網(wǎng)功率實時平衡難度進一步增大，電網(wǎng)潮流多變，可測、可控、可調(diào)難度呈指數(shù)型上升。
規(guī)?；履茉吹慕尤?，將導(dǎo)致電網(wǎng)抗干擾能力下降，系統(tǒng)的安全性穩(wěn)定性無法有效保證。系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量越大，電網(wǎng)穩(wěn)定性越強。旋轉(zhuǎn)設(shè)備被靜止設(shè)備替代，即新能源發(fā)電代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源發(fā)電方式，系統(tǒng)慣量不再隨規(guī)模增長、甚至呈下降趨勢。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)擾動時，由于有效轉(zhuǎn)動慣量減小，系統(tǒng)整體波動加劇，兼之新能源機組電壓、頻率耐受能力差，新能源可能出現(xiàn)大規(guī)模脫網(wǎng)風(fēng)險，并引發(fā)系統(tǒng)連鎖反應(yīng)。新能源機組動態(tài)無功支撐能力較常規(guī)電源弱，且新能源發(fā)電逐級升壓接入電網(wǎng)，與主網(wǎng)的電氣距離是常規(guī)機組的2～3倍。隨著新能源發(fā)電占比快速提高，系統(tǒng)動態(tài)無功儲備及支撐能力急劇下降，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題突出，高比例新能源接入地區(qū)的電壓控制困難，高比例受電地區(qū)的動態(tài)無功支撐能力不足。
風(fēng)光變流器等大量電力電子設(shè)備接入，電能質(zhì)量問題日益突出，不僅傳統(tǒng)電網(wǎng)頻率、電壓和功角穩(wěn)定問題受到深度影響，而且出現(xiàn)新的次/超同步振蕩穩(wěn)定問題，造成火電機組連鎖跳閘，從而帶來新的電網(wǎng)安全風(fēng)險。
常規(guī)直流特高壓技術(shù)特性劣勢制約新能源高比例送出。常規(guī)直流特高壓采用半控晶閘管作為換流核心元件，在換流過程中，無論整流還是逆變，均需要吸收大量無功功率保證換流器運行。一般無功消耗約為有功的40%～60%，因此傳統(tǒng)直流特高壓送受電端均需要能夠提供大量的無功功率的交流電網(wǎng)作為支撐。當(dāng)直流特高壓發(fā)生換相失敗、甩負荷或換流器閉鎖故障時，系統(tǒng)輸送功率大量缺失甚至中斷，此時無功補償過剩，引發(fā)送端換流站母線暫態(tài)過電壓，而隨著新能源大規(guī)模接入送端電網(wǎng)，使得交流系統(tǒng)強度進一步降低，加劇過電壓嚴重程度，如果過電壓進一步誘發(fā)大規(guī)模風(fēng)電場脫網(wǎng)，將導(dǎo)致故障范圍擴大。因此，常規(guī)特高壓送電端需要配備滿足一定電氣距離的煤電機組作為解決暫態(tài)過電壓的措施，并且為了保障電網(wǎng)設(shè)備安全，現(xiàn)有直流特高壓會采取降功率運行方式來滿足暫態(tài)過電壓安全裕度。
受暫態(tài)過電壓限制，嚴重制約了直流輸電能力，天中、吉泉、祁韶、魯固、錫泰等線路均因此受限，同時直流特高壓輸送功率與新能源送電功率還存在反向制約關(guān)系。如青豫直流輸送功率提高到400萬千瓦，則新能源上網(wǎng)功率必須小于260萬千瓦；吉泉直流輸送功率由600萬千瓦提升至1000萬千瓦，近區(qū)風(fēng)電接納能力則由450萬千瓦下降至300萬千瓦。從運行情況看已投運的風(fēng)光火為主力電源的直流特高壓線路可再生能源電量占比均不足40%。
直流特高壓外送對沙戈荒新能源基地制約的案例分析
以寧夏騰格里沙漠基地項目為例，其配套電源裝機1764萬千瓦，其中煤電464萬千瓦，風(fēng)電400萬千瓦，光伏900萬千瓦。通過寧夏-湖南±800千伏直流特高壓外送，設(shè)計輸送能力800萬千瓦。
近電氣距離的煤電機組建設(shè)條件差。受暫態(tài)過電壓影響，需配套煤電機組直接接入換流站，滿足一定電氣距離，提高對直流的支撐能力。煤電廠廠址調(diào)整后，煤炭運輸距離增大，導(dǎo)致到廠煤價上漲，當(dāng)入爐煤價提高140元/噸時，度電成本增加0.042元/千瓦時。
煤電提供可靠支持，但擠占新能源發(fā)電空間。為保證對直流特高壓線路的無功支撐，配套煤電機組需常態(tài)保持開機方式。按照煤電機組最小出力30%考慮，午間光伏大發(fā)時，即使線路滿送，不考慮風(fēng)電發(fā)電量，僅光伏棄電功率將達到約240萬～300萬千瓦，此時段棄電率達到27%。
大量儲能緩解限電情況但降低項目收益率。為保證外送輸電通道可再生能源電量比例原則上不低于50%，需要配置高冗余新能源裝機，同時為解決午間光伏大發(fā)高棄電率和晚高峰頂峰需求的問題，要同步配置高比例儲能，投資大幅增加，進一步降低項目收益率。當(dāng)儲能容量由20%，2小時調(diào)整至20%，4小時時，投資增加導(dǎo)致資本金收益率降低0.6個百分點。
兩省發(fā)受曲線匹配困難。湖南省的用電曲線和寧夏新能源基地的發(fā)電曲線存在季節(jié)性和日間錯配現(xiàn)象。從受電端省份湖南省的用電曲線看（見圖1、圖2），湖南省用電負荷呈現(xiàn)工作日內(nèi)日峰谷差明顯，最大峰谷差達40%以上，用電高峰時段為9:00～11:00、18:00～21:00，且節(jié)假日負荷曲線較工作日下降最大可達40%左右，與光伏發(fā)電曲線匹配性差；年際最高負荷變化幅度大，3～6月最高負荷明顯降低，年際變化幅度超50%，而寧夏風(fēng)電則呈現(xiàn)夏季發(fā)電量低的特點，尤其是7、8月。如果湖南省根據(jù)用電負荷情況修改送電功率曲線，將會造成更高的棄風(fēng)、棄光率。如受電端需求減少，通道送電功率400萬千瓦，除去煤電最低運行負荷，午間僅棄光率就超過70%，晚間風(fēng)電大發(fā)時，棄風(fēng)率達到20%左右。
電網(wǎng)需配備大量集中式或分布式調(diào)相機。根據(jù)相關(guān)測算，夏腰方式下直流滿送，新能源大發(fā)，火電保持開一半方式下，直流特高壓三次換相失敗閉鎖情況下，暫態(tài)過電壓標幺值超過1.3，還需加裝20臺分布式調(diào)相機。
結(jié)論及建議
多維度綜合考慮基地項目選址論證。基地項目規(guī)劃論證要綜合考慮消納、電力市場、場址、資源、技術(shù)方案等多方面因素，加強源網(wǎng)合作力度，延伸源網(wǎng)合作工作周期。抓住目前項目開發(fā)建設(shè)中的主要矛盾，即在優(yōu)先解決外部條件的情況下進行內(nèi)部優(yōu)化，減少項目不可控因素，將電源端投資經(jīng)營壓力與電網(wǎng)企業(yè)在特高壓線路的投資經(jīng)營壓力實現(xiàn)捆綁，促使源網(wǎng)同時發(fā)力，更好地解決消納問題。
加快柔性直流技術(shù)的研究和試點應(yīng)用。基于柔性直流具備如下技術(shù)優(yōu)勢：可實現(xiàn)無源孤島送電、在受電端電網(wǎng)不存在換相失敗，具備電壓支撐能力、不需要火電等常規(guī)電源為其電壓支持，可改善受電端電壓穩(wěn)定性，功率調(diào)節(jié)靈活，送電曲線可以靈活調(diào)節(jié)、不需采用常規(guī)直流的臺階式曲線，在送受電端之間分擔(dān)新能源的調(diào)峰需求的技術(shù)優(yōu)勢，建議大力推進柔性直流研發(fā)應(yīng)用，著力推進柔性直流在設(shè)備成本、輸送容量、輸送距離、單站損耗等瓶頸技術(shù)的研發(fā)力度，建議把遠海風(fēng)電基地送出作為示范應(yīng)用場景，推動在大規(guī)模風(fēng)電場接入系統(tǒng)試點工程，充分發(fā)揮柔性直流在新能源消納方面靈活性和安全性的優(yōu)勢。
合理設(shè)置傳統(tǒng)直流特高壓可再生能源電量占比。細化可再生能源基地分類。結(jié)合基地項目資源情況、電源裝機類型及消納路徑，匹配不同類型的特高壓線路建設(shè)型式，并分類合理設(shè)置電量占比，避免“大撥轟、一刀切”現(xiàn)象，建議將風(fēng)光火儲等基地外送項目可再生能源電量占比由50%調(diào)整為40%左右，水風(fēng)光儲或水火風(fēng)光等基地項目可再生能源電量占比可酌情提高的合理化建議。
合理設(shè)置裝機方案，豐富拓展集團“一體化調(diào)度”內(nèi)涵。結(jié)合受電省份的實際消納情況合理配置新能源裝機，合理控制光伏超配比率和儲能設(shè)備的配置規(guī)模，爭取較優(yōu)的送電曲線，進一步拓展豐富“一體化調(diào)度”內(nèi)涵，綜合考慮送電端、受電端相關(guān)省區(qū)煤電、風(fēng)電、光伏發(fā)電等各電源點的機組容量、電價、市場需求等因素，統(tǒng)一研究售電營銷策略、發(fā)電調(diào)度計劃、機組檢修計劃等，統(tǒng)籌開展風(fēng)光火、跨省區(qū)的統(tǒng)籌調(diào)度。（本文僅代表作者個人觀點）
