作者：劉吉臻，王慶華，宋子秋，房方
來源：Bottlenecks and countermeasures of high-penetration renewable energy development in china[J]. Engineering,2021,7(11):1611-1622.
編者按
中國已成為世界上最大的能源生產(chǎn)國和消費國，風力發(fā)電和太陽能裝機容量均位居世界第一。未來，可再生能源將成為中國的主要能源來源，然而日益嚴重的棄風棄光問題，嚴重阻礙了可再生能源的開發(fā)利用。解決棄風棄光的瓶頸問題是能源轉(zhuǎn)型和發(fā)展的關(guān)鍵，同時要解決可再生能源的消納問題。
中國工程院劉吉臻院士科研團隊在中國工程院院刊《Engineering》2021年第11期發(fā)表《中國高比例可再生能源電力消納的瓶頸與對策》一文。文章針對可再生能源消費中存在的問題，分析了制約可再生能源發(fā)電容量的4個關(guān)鍵性因素：功率平衡、功率調(diào)節(jié)性能、輸電容量和負荷水平。針對這些瓶頸，文章提出了7個解決方案，即促進集中式和分布式可再生能源的協(xié)作發(fā)展、提高火力發(fā)電調(diào)峰的靈活性、增加靈活可調(diào)的能源比例、加快輸電通道和柔性電網(wǎng)的建設(shè)、發(fā)展需求響應和虛擬發(fā)電廠、發(fā)展可再生能源主動支撐與儲能技術(shù)、建立合適的政策和市場機制。
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一、引言
地球上化石燃料枯竭、環(huán)境污染、氣候變化等問題日益突出，清潔高效地利用傳統(tǒng)能源、開發(fā)利用可再生能源、提高電力系統(tǒng)靈活性、發(fā)展智能電力系統(tǒng)，已成為大多數(shù)國家達成共識的應對策略。
中國的電力工業(yè)發(fā)展規(guī)模居世界首位，2018年，裝機容量達到1.9 × 109 kW，發(fā)電總量達到7 × 1012 kW·h。中國2018年和2019年電力供應結(jié)構(gòu)和發(fā)電能力如圖1、圖2所示。數(shù)據(jù)顯示，從2018年到2019年，中國非化石燃料（以下簡稱非化石）能源裝機容量比例增加了1%，發(fā)電量下降了1.6%，這主要是因為火力發(fā)電廠的數(shù)量高于非化石燃料發(fā)電廠的數(shù)量。在中國，兩種主要的可再生能源是風力發(fā)電和太陽能發(fā)電。中國在風力發(fā)電、太陽能發(fā)電發(fā)展方面居世界首位。截至2018年年底，風力發(fā)電和太陽能發(fā)電裝機容量分別為1.84 × 108 kW和1.74 × 108 kW，占發(fā)電總裝機容量的9.7%和9.2%。風力發(fā)電、太陽能發(fā)電量分別為3.658 × 1011 kW·h和1.769 × 1011 kW·h，占總發(fā)電量的5.2%和2.5%。如圖3、圖4所示，從2005年到2018年，中國風力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電裝機容量分別增長了15倍和1740倍，表明中國可再生能源的開發(fā)和建設(shè)已上升到一個新的水平。近年來，中國分布式可再生能源發(fā)展迅速，特別是分布式太陽能發(fā)電。截至2018年年底，中國分布式太陽能裝機容量達50.61 GW，比2017年增加20.96 GW，增長了71%。
此外，國務(wù)院在《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014—2020年）》中提出，大力發(fā)展分布式風力發(fā)電，穩(wěn)步發(fā)展海上風力發(fā)電。中國海上風力發(fā)電發(fā)展勢頭強勁，海上風力發(fā)電儲量巨大，深度為5~50 m，高度為70 m，可發(fā)電約5 × 108 kW。截至2018年年底，中國海上風力發(fā)電總裝機容量達4.45 × 106 kW，在建6.47 × 106 kW。同時，中國在海上風力發(fā)電方面排名第三，僅次于英國和德國。
《中國可再生能源展望2018》顯示，到2035年，中國的風力發(fā)電和太陽能發(fā)電裝機容量預計將達到1.826 × 109 kW和1.962 × 109 kW，占預估總裝機容量（5.366 × 109 kW）的34.0%和36.6%，比2018年增加了1.642 × 109 kW和1.788 × 109 kW?？稍偕茉吹谋戎卣谘杆僭鲩L，將成為中國未來的主要能源來源。
然而，《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃（2016—2020年）》（以下簡稱“十三五”規(guī)劃）指出，盡管過去兩年中國棄風、棄光和棄水的問題有所緩解，但在一些地區(qū)仍然嚴重。截至2018年年底，中國棄風電量為2.77 × 1010 kW·h，棄光電量為5.5 × 109 kW·h，分別比2016年減少2.2 × 1010 kW·h和1.5 × 109 kW·h。然而，2018年新疆、甘肅、內(nèi)蒙古等地的風力發(fā)電量和太陽能發(fā)電量下降超過3 × 1010 kW·h，占全國棄風和棄光總?cè)萘康?0%以上，說明部分地區(qū)棄風和棄光問題嚴重。能源供應松散是近年來棄風和棄光問題的原因之一。但問題的根本原因是風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的發(fā)展與現(xiàn)有的電力系統(tǒng)不匹配、技術(shù)不成熟、跨地區(qū)吸收風力發(fā)電和太陽能發(fā)電困難、需求側(cè)缺乏大規(guī)模吸收風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的能力。因此，解決棄風棄光的瓶頸問題是能源轉(zhuǎn)型和發(fā)展的關(guān)鍵。此外，由于可再生能源裝機容量的快速增長以及未來可再生能源比重的不斷增加，可再生能源的吸收將面臨更多的問題。因此，研究當前和未來中國可再生能源消費的瓶頸和解決方案具有重要意義。
從發(fā)電平衡的角度看，電力調(diào)節(jié)性能、電網(wǎng)輸送容量和負荷水平是影響可再生能源消納容量的重要因素。另外，可再生能源的特性，如可再生能源布局、功率預測水平和控制性能也是重要的影響因素。此外，電力市場機制對可再生能源的消納也有顯著影響。一些學者已經(jīng)發(fā)表了關(guān)于評價可再生能源消納能力的論文，以概述相關(guān)的方法。Wang等提出了一種考慮可再生能源不確定性和相關(guān)性的風力發(fā)電、太陽能發(fā)電一體化電力系統(tǒng)可再生能源消納能力的評價方法?？稍偕茉吹牟淮_定性給研究可再生能源發(fā)電帶來了挑戰(zhàn)，現(xiàn)有研究由于數(shù)據(jù)的頻繁更新而面臨著較高的計算成本。
為了解決這些問題，提出了一種基于深度強化學習的近似最優(yōu)采用率確定算法。在需求側(cè)管理方面，促進可再生能源整合的潛力巨大，Hungerford等將基于詳細終端用戶數(shù)據(jù)的柔性負荷表示方法集成到澳大利亞國家電力市場的系統(tǒng)級模型中，并提出了一種應用能量約束發(fā)電機的柔性負荷表示方法。并網(wǎng)的高滲透率可再生能源給電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來了挑戰(zhàn)，因此Al-Shetwi等評估了近期關(guān)于可再生發(fā)電廠在電網(wǎng)中滲透的綜合需求和合規(guī)的控制方法。此外，Wu等提出了一種基于電壓源變換器的高壓直流（VSC-HVDC）設(shè)計方法，以加強可再生能源比例高的區(qū)域電網(wǎng)。此外，可以采用基于市場的方法來緩解整合問題。Li等將基于市場的方法應用于中國的可再生能源整合，包括發(fā)電權(quán)交易和調(diào)峰輔助服務(wù)。Guo等引入了中國兩級市場模型，提出了基于最小可調(diào)度區(qū)間的分段競價機制，驗證了可再生能源運用的有效性。以中國唐山為例，Zhen等研究采用可再生能源的電力系統(tǒng)規(guī)劃，其中補貼政策對電力系統(tǒng)的發(fā)展影響較大，因為補貼政策降低了常規(guī)發(fā)電的成本優(yōu)勢，提高了公用事業(yè)公司發(fā)展可再生發(fā)電的積極性。
針對日益嚴重的棄風棄光問題，結(jié)合中國電力發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢，文章提出了可再生能源高消納的解決方案：（1）以中東部地區(qū)分布式可再生能源開發(fā)利用為重點，將可再生能源集中開發(fā)與分布式開發(fā)相結(jié)合，緩解可再生能源建設(shè)布局與源負荷的不匹配；（2）提高火力發(fā)電柔性調(diào)峰能力，開展火力發(fā)電柔性改造，發(fā)展智能發(fā)電技術(shù)，適應可再生能源發(fā)電的大規(guī)模采用；（3）提高燃氣輪機和抽水蓄能供電比例，緩解供電結(jié)構(gòu)矛盾；（4）增加輸電渠道和靈活的智能電網(wǎng)建設(shè)，提高可再生能源的交付；（5）構(gòu)建需求響應和虛擬電廠，引導需求側(cè)容量的增長；（6）研究可再生能源主動支持技術(shù)，提高可再生能源發(fā)電并網(wǎng)友好性能和對電網(wǎng)的主動支持能力；（7）建立促進高滲透率可再生能源消納的政策和市場機制，完善靈活的交易機制，消除省際市場壁壘。瓶頸與對策之間的關(guān)系如圖5所示。
圖5 所提瓶頸與相應對策
文章其他部分的安排如下：第二部分分析總結(jié)了可再生能源大規(guī)模利用的四大瓶頸。第三部分將這些瓶頸放在中國的實際背景下，提出了實現(xiàn)可再生能源高使用率的7種途徑，并詳細概述了一些應用場景和實例。最后，第四部分對全文進行總結(jié)。
二、大規(guī)?？稍偕茉措娏ο{的瓶頸問題
電力系統(tǒng)的基本特征是能源的實時供需平衡。隨著風力發(fā)電、太陽能發(fā)電等可再生能源的開發(fā)利用，間歇性強的發(fā)電（供應）和隨機波動的負荷（需求）之間必須達到平衡。當電力供應和需求之間存在不平衡時，調(diào)度必須采取措施減少負荷（當供給小于需求時）或刪除發(fā)電限制（當供給大于需求時）以保持安全、穩(wěn)定的電力系統(tǒng)的操作。因此，棄風和棄光問題的根本原因是電力系統(tǒng)未能保證能源供需的實時平衡。
（一）布局和規(guī)劃的約束
中國可再生能源裝機容量分布不均勻，與負荷呈負向分布。三北地區(qū)（東北、西北和華北北部地區(qū)）擁有全國75%的可再生能源裝機容量，但僅占全國總負荷的36%。截至2018年年底，中國72%的風力發(fā)電和56%的太陽能發(fā)電來自這些地區(qū)。但這些地區(qū)絕大多數(shù)經(jīng)濟發(fā)展相對落后，電力需求不足，電力市場較小，可再生能源負荷無法得到充分利用。
表1列出了2018年中國部分省份的可再生能源裝機容量和滲透率（滲透率= 2018年年底可再生能源裝機容量/2018年最大負荷），表明中國可再生能源負荷容量不足。部分省份（內(nèi)蒙古東部、寧夏、甘肅、青海、新疆）可再生能源普及率超過100%，超過丹麥、西班牙、葡萄牙等發(fā)達國家。
表1 2018年中國部分省份可再生能源裝機容量和滲透率情況
以新疆為例。截至2018年年底，新疆電網(wǎng)裝機容量為8.991 × 107 kW，是全新疆地區(qū)最大用電負荷（2.824 × 107 kW）的3.18倍。同期，新疆可再生能源裝機容量達到2.871 × 107 kW，完全滿足當?shù)刈畲笥秒娏恳蟆?
根據(jù)分析，新疆的裝機容量遠遠大于當?shù)氐呢摵尚枨?。換句話說，即使所有區(qū)域的電網(wǎng)都使用可再生能源，一些風力發(fā)電和太陽能發(fā)電仍處于棄置狀態(tài)，因為在可再生能源調(diào)峰和調(diào)頻過程中，也必須預留一定數(shù)量的常規(guī)電廠（火力發(fā)電廠或水力發(fā)電廠），以保持電力系統(tǒng)的實時供需平衡。然而，新疆只是本文研究的三個地區(qū)的一個縮影，大多數(shù)地區(qū)的裝機容量過剩，但當?shù)氐奈漳芰Σ蛔?。相比之下，特別是在歐洲和美國，陸上風力發(fā)電以分布式為主。例如，在德國和丹麥，90%的陸上風力發(fā)電都接近電力負荷，可以在附近直接使用。此外，可再生能源主要分布在葡萄牙和德國，占50%以上。
（二）靈活調(diào)峰能力的約束
中國主要使用煤炭發(fā)電，尤其是三北地區(qū)：70%的電力來自煤炭發(fā)電，7.7%來自靈活能源發(fā)電（占可再生能源裝機容量的37%）。靈活能源的最大調(diào)節(jié)能力與可再生能源的波動不匹配，制約了中國部分地區(qū)對可再生能源的采用。與歐美等發(fā)達國家不同，中國缺乏靈活的、可調(diào)度的電力供應。圖6為中國與幾個可再生能源普及率較高的國家的電力供應結(jié)構(gòu)對比情況。
圖6 不同國家供電結(jié)構(gòu)的比較
截至2018年年底，中國4.41%的發(fā)電廠采用燃氣發(fā)電，燃氣發(fā)電能夠?qū)稍偕茉吹碾S機波動做出快速響應。中國水力發(fā)電供電占比18.6%左右，其中抽水蓄能電站僅占1.5%，其余多為徑流型水力發(fā)電站（具有明顯的季節(jié)性特征）。除發(fā)電外，水庫蓄水量還應滿足防洪和農(nóng)田灌溉的需要。燃煤發(fā)電占總發(fā)電量的53.1%，但純冷凝機組最小出力為額定負荷的50%，冬季供熱機組最小出力為額定負荷的60%~70%。這些電站的深峰調(diào)峰能力與國外同類電站有較大差異。此外，中國燃煤機組的可變負荷率為每分鐘額定負荷的1%~1.5%，無法滿足可再生能源比重較高的需求。
下面以甘肅、內(nèi)蒙古和東北地區(qū)為例，這些地區(qū)的可再生能源消費問題比較嚴重。
第一，甘肅是中國可再生能源的主要使用省份。截至2018年年底，可再生能源裝機容量占總裝機容量的40%以上。雖然水力發(fā)電占比已達18.1%，但靈活可調(diào)的抽水蓄能裝機容量為1.2 × 106 kW，占2.34%。因此，火力發(fā)電仍是其主要的可調(diào)度資源，其中40%用于供熱，現(xiàn)有可調(diào)度容量無法滿足可再生能源的并網(wǎng)需求。
第二，內(nèi)蒙古2018年年底風力發(fā)電裝機容量為2.869 × 107 kW，太陽能發(fā)電裝機容量為9.45 × 106 kW，風力發(fā)電和太陽能裝機容量占比合計為30.9%。靈活可調(diào)的抽水蓄能占0.9%，燃氣發(fā)電占0.5%?；鹆Πl(fā)電機組是電力供應的主要類型，裝機容量比例約為70%，其中以供熱機組居多，占60%以上。在冬季，大部分供熱廠不能進行調(diào)峰，電網(wǎng)的調(diào)峰能力大大降低。但自供電廠比重較高：電網(wǎng)自供電廠總裝機容量已超過9 × 106 kW，發(fā)電量約占全省發(fā)電總量的三分之一。自供電廠的平均利用時間超過6000 h，嚴重占用清潔能源消費空間。
第三，東北地區(qū)2018年年底區(qū)域電網(wǎng)可再生能源并網(wǎng)裝機容量達到2.655 × 107 kW，占各類能源發(fā)電總裝機容量的25.62%。風力發(fā)電裝機容量為1.873 × 107 kW，太陽能發(fā)電裝機容量為7.82 × 106 kW，靈活可調(diào)抽水蓄能裝機容量達1.5 × 106 kW（占總裝機容量的1.0%）。此外，火力發(fā)電約占70%，其中大部分用于加熱，其調(diào)峰和調(diào)頻能力遠遠不夠。
（三）輸電能力的約束
當本地負荷出現(xiàn)富余且本地消費能力不足時，可通過建設(shè)跨地區(qū)輸電通道將電力送往負荷需求高的地區(qū)。然而，三北地區(qū)由于風力、太陽能發(fā)電站建設(shè)周期短，輸電渠道建設(shè)周期長，跨區(qū)域輸電渠道建設(shè)嚴重滯后。目前，只有新疆等少數(shù)地區(qū)完成了更多大容量輸電通道的建設(shè)，其他地區(qū)的輸電通道大多還在規(guī)劃或在建中。
2018年年底，新疆輸電能力達到1.3 × 107 kW，2018年總輸電能力超過5 × 1010 kW，但輸出通道容量仍僅占電網(wǎng)發(fā)電總裝機容量（8.991 × 107 kW）的14.5%，甚至低于該地區(qū)風力發(fā)電裝機容量（1.921 × 107 kW）。新疆地方電力負荷為2.824 × 107 kW，對外輸電通道容量為1.3 × 107 kW，共計4.124 × 107 kW，占新疆電網(wǎng)發(fā)電總裝機容量的45.8%。然而，剩余裝機容量超過50%，無法使用。2018年新疆棄風電量為1.0691 × 1010 kW·h，風力發(fā)電棄風率為22.9%。在新疆阿勒泰、塔城等地區(qū)，風力發(fā)電利用才剛剛起步，距離1 × 106 kW還很遠，單靠本地負荷很難實現(xiàn)進一步的大規(guī)模開發(fā)。因此需要將風力發(fā)電輸送到其他地方。
相比之下，在歐洲大陸，各國之間形成了緊密聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，促進了可再生能源的跨境采用。目前，葡萄牙已通過6路400 kV和3路220 kV輸電網(wǎng)絡(luò)接入西班牙電網(wǎng)，交換功率為2.2 × 106~2.8 × 106 kW，為葡萄牙5.26 × 106 kW的風力發(fā)電和太陽能發(fā)電[（4.83 + 0.43）× 106 kW]提供42%的電力。這一網(wǎng)絡(luò)有助于加快可再生能源的發(fā)展，實現(xiàn)可靠的電力供應。
（四）市場的約束
中國電力市場機制尚處于初級階段，調(diào)峰輔助服務(wù)尚處于試點階段。中國采用固定電價和優(yōu)先接入互聯(lián)網(wǎng)的擔保購買機制。此外，中國建立了可再生能源發(fā)電完全有保障的購買制度，可再生能源發(fā)電收入由電網(wǎng)企業(yè)按當?shù)孛摿蛉济弘姀S基準電價支付的發(fā)電費用和政府對可再生能源的補貼構(gòu)成。
中國尚未建立統(tǒng)一的全國電力市場，各省之間存在嚴重的市場壁壘。而且，跨省、跨地區(qū)交易缺乏完善的市場環(huán)境。更嚴重的是，電力輸配的數(shù)量和輸配方式一般由輸配地區(qū)的地方政府通過長期協(xié)議達成一致，輸電價格以當?shù)貎r格管理部門批準的價格為準。而且接收省份的電價相對較高。此外，中國各地區(qū)和各省的可再生能源消費仍受政府定價的影響，削弱了接受補貼省份的積極性。因此，必須明確政策和電價機制，以減少跨省壁壘。
中國電力市場以中長期交易為主，短期靈活的交易機制尚未完善，現(xiàn)貨市場尚未實現(xiàn)可再生能源邊際成本低的優(yōu)勢。在歐盟建立統(tǒng)一電力市場的目標指導下，歐盟各國相互開放市場，逐步走向統(tǒng)一電力市場，促進可再生能源的消費。歐盟已經(jīng)實施了額外的法規(guī)，要求更大的市場統(tǒng)一，擴大電力市場的交易和流動性范圍，以提高市場競爭和資源配置效率。近年來，可再生能源在歐盟得到迅速發(fā)展，確保了可再生能源的采用，但有必要打破原有的電力與電力局部平衡的格局。為此，歐盟也在加強傳輸基礎(chǔ)設(shè)施和跨境網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。例如，葡萄牙和西班牙屬于同一個Mercado Ibérico da Energia Elétrica（MIBEL）市場，該市場與德國的歐洲能源交易所（EEX）、北歐北部地區(qū)、中歐和西歐、意大利和斯洛文尼亞共同運營?；谑袌鰩滋斓倪呺H價格和日內(nèi)市場聯(lián)合清算，歐洲形成了新的統(tǒng)一的電力競價市場，實現(xiàn)了可再生能源在其他市場的消納。
三、高比例可再生能源消納的對策
（一）促進集中式和分布式可再生能源的協(xié)作發(fā)展
第一個解決方案是堅持集中發(fā)展和分布式發(fā)展相結(jié)合的原則，重點加強中部和東部地區(qū)分布式可再生能源的開發(fā)利用。一方面，中國可再生能源資源集中在三北地區(qū)，適合采取集中發(fā)展模式。但這種模式在增加開發(fā)利用力度的同時，還應結(jié)合地區(qū)自身資源、當?shù)刎摵商攸c和不同地區(qū)可再生能源輸出特點。另一方面，盡快完成出線通道建設(shè)，加強大電網(wǎng)資源優(yōu)化配置。
與此同時，中國中東部和南部地區(qū)的電力消費能力高于三北地區(qū)。因此，應加強風力發(fā)電在消費能力較強地區(qū)或負荷中心的開發(fā)，特別是海上風力發(fā)電的開發(fā)利用，以提高附近區(qū)域風力發(fā)電的消費能力。
表2、表3顯示了2019年上半年中國風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的運行情況，三北地區(qū)有大量棄風棄光問題，而中部和東部地區(qū)沒有棄風棄光問題。因此，應優(yōu)化可再生能源布局，加強東南沿海城市和近海地區(qū)風力發(fā)電建設(shè)，注重分布式發(fā)展模式。
表2 2019年上半年中國各?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）風力發(fā)電并網(wǎng)運行情況
表3 2019年上半年中國各省（自治區(qū)、直轄市）太陽能發(fā)電建設(shè)和運營情況
（二）提高火力發(fā)電調(diào)峰的靈活性
具體措施包括：發(fā)展低成本、高效率的熱電耦合技術(shù)；降低燃煤電廠最低發(fā)電量；提高負荷響應速度；確保安全靈活運行；在低負荷運行下保持高效率，使調(diào)峰范圍達到20%~100%、負荷上升率達到5% Pe·min-1。目前，中國電廠深度調(diào)峰能力遠低于丹麥和德國，快速調(diào)峰能力僅為德國的一半。此外，實現(xiàn)啟停循環(huán)基本上是不可能的。
另外，提高火力發(fā)電靈活性至關(guān)重要。中國的電力供應結(jié)構(gòu)以燃煤發(fā)電為主，缺乏抽水蓄能、燃氣等靈活的電力供應類型。到2030年，這兩種柔性電源的總裝機容量將在10%左右，仍遠低于德國、美國、日本等國家目前的比例。因此，應嚴格按照“十三五”規(guī)劃，盡快提高中國現(xiàn)有火力發(fā)電機組，特別是熱電聯(lián)產(chǎn)機組的靈活性。但火力發(fā)電廠的靈活改造不應“一刀切”，應根據(jù)火力發(fā)電廠的地域、等級和特點進行統(tǒng)籌規(guī)劃。目標是完成4 × 108 kW火力發(fā)電廠調(diào)峰靈活改造和三北地區(qū)2.15 × 108 kW的燃煤電廠的深度調(diào)峰改造，其中包括8.2 × 107 kW的純凝機組、1.33 × 108 kW的熱電聯(lián)產(chǎn)機組。改造完成后，新增調(diào)峰能力4.6 × 107 kW。
此外，開發(fā)單元儲能深度利用的智能發(fā)電與控制技術(shù)必不可少，包括開展發(fā)電過程智能檢測與控制技術(shù)、智能儀表控制系統(tǒng)設(shè)備、解決先進運行控制技術(shù)和發(fā)電機組示范應用的關(guān)鍵問題。同時，開展凝結(jié)水節(jié)流快速變負荷控制技術(shù)、高給水節(jié)流快速變負荷控制技術(shù)、加熱萃取節(jié)流快速變負荷控制技術(shù)等具有重要意義。
例如，遼寧電網(wǎng)在提高火力發(fā)電靈活性后，大大提高了供熱時可再生能源的采用率。表4為吉林和黑龍江電網(wǎng)具體數(shù)據(jù)對比。遼寧電網(wǎng)供熱運行能力為1.5 × 107 kW，純冷凝運行能力為2.4 × 106 kW。假設(shè)供熱容量和純冷凝容量分別提高20%和15%，計算定容調(diào)峰容量可提高3.36 × 106 kW，比吉林電網(wǎng)和黑龍江電網(wǎng)分別提高54.8%和66.3%。此外，還可以增加風力發(fā)電電量1.9 × 109 kW·h，使遼寧成為東北地區(qū)棄風電量最少的省份：2019年為1.6 × 108 kW·h，比吉林和黑龍江分別低79.2%和72.4%。這有助于解決冬季棄風的問題，使遼寧減少煤炭消耗62.7萬噸、二氧化碳排放150萬噸、二氧化硫排放8000 t、氮氧化物排放4.4萬噸。
表4 東北三省火力發(fā)電靈活調(diào)峰能力比較
（三）增加靈活可調(diào)的能源比例
2018年年底，中國燃氣發(fā)電裝機容量為8.33 × 107 kW，抽水蓄能裝機容量為2.999 × 107 kW，占全國總裝機容量的5.8%。因此，抽水蓄能的裝機容量還有很大的提升空間?！笆濉币?guī)劃提出，加快大型抽水蓄能電站建設(shè)，2020年新增建設(shè)6 × 107 kW、運行4 × 107 kW。
抽水蓄能是機械能蓄能的一種方法。抽水蓄能的儲能功率范圍為100 ~2000 MW，可持續(xù)4~10 h，儲能成本為480~800 美元·kW-1。抽水蓄能具有無可比擬的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢，應進一步加快抽水蓄能電站的建設(shè)。抽水蓄能電站具有調(diào)峰和填谷雙重功能，具有響應快、運行靈活、啟停方便等特點。從靜態(tài)到滿載狀態(tài)只需要發(fā)電2~4 min，從空載到滿載狀態(tài)只需30~35 s，從泵狀態(tài)快速切換到滿載狀態(tài)只需3~4 min，因此滿足系統(tǒng)中各種操作模式的要求。從技術(shù)可靠性、經(jīng)濟成本等方面來看，抽水蓄能發(fā)電具有目前其他儲能技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，是現(xiàn)代電網(wǎng)中最好的峰值功率來源之一。因此，中國應加快抽水蓄能電站的建設(shè)，特別是在有迫切需求且條件允許的三北地區(qū)，充分發(fā)揮抽水蓄能電站的備用功能，增強系統(tǒng)靈活性。
此外，儲能應用場景廣泛，如平滑發(fā)電側(cè)可再生能源發(fā)電系統(tǒng)輸出、輸電側(cè)調(diào)峰調(diào)頻、提高配電側(cè)分布式太陽能利用率、提高用戶側(cè)的需求響應特性。因此，對電池儲能、壓縮空氣儲能、蓄熱等相關(guān)技術(shù)進行深入研究具有重要意義。
（四）加快輸電通道和柔性電網(wǎng)的建設(shè)
輸電通道的建設(shè)是消納高比例可再生能源最直接的方法。截至2018年年底，中國已建成8條交流特高壓輸電通道和13條直流特高壓輸電通道，正在建設(shè)4條交流特高壓輸電通道和2條直流特高壓輸電通道。國家電網(wǎng)特高壓累積輸電量及線路長度如圖7、圖8所示。考慮柔性直流輸電是國際公認的技術(shù)上最具優(yōu)勢的風力發(fā)電場并網(wǎng)方式和連接遠距離海上風力發(fā)電的最佳方式，并可大大提高大型風力發(fā)電場的并網(wǎng)性能，因此應加強柔性智能電網(wǎng)建設(shè)。
此外，為了在未來能夠?qū)崿F(xiàn)智能輸配電網(wǎng)絡(luò)，還應采取以下重要措施：新一代智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)、透明的配電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與智能運維、多元信息融合的智能控制、大數(shù)據(jù)驅(qū)動的運行優(yōu)化、全景信息融合與安全防護。
以國家電網(wǎng)特高壓輸電線路建設(shè)為例，圖7、圖8分別為2008—2018年累計輸電量和累計輸電線路長度。在此期間，特高壓輸電線路長度從640 km增加到27114 km，增長了42倍。累計輸電量從2008年的7.7 × 107 kW·h增加到2018年的1.145777 × 1012 kW·h，增長了14880倍。特高壓輸電線路的建設(shè)有助于解決電源和負荷不平衡問題，提高了可再生能源的消納能力。
（五）發(fā)展需求響應和虛擬發(fā)電廠
電力系統(tǒng)包括許多可調(diào)節(jié)負荷（如空調(diào)、供暖設(shè)備）和可延遲負荷（如洗衣機、消毒柜），它們與電網(wǎng)配合良好。據(jù)統(tǒng)計，中國消費者15%~20%的用電為高峰負荷，其中約一半為可平移負荷。電動汽車（EV）既可以充電也可以放電。電動汽車入網(wǎng)技術(shù)（V2G）的應用場景如圖9所示，圖中假設(shè)到2020年中國將擁有5 × 106輛電動汽車。電動汽車當前充放電功率高達7 kW，可向電網(wǎng)（雙向）上傳調(diào)節(jié)容量7 × 107 kW（約占中國電網(wǎng)當前裝機容量的4%）。
圖9 電動汽車V2G應用場景
因此，許多對環(huán)境友好的需求側(cè)資源尚未得到充分利用。在全面理解這種資源特點的情況下，應該大力發(fā)展和使用需求側(cè)靈活的調(diào)度資源，構(gòu)建新能源場站、儲能系統(tǒng)，以及負荷和電網(wǎng)調(diào)度中心等廣泛互聯(lián)的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)。從而可以充分檢測源網(wǎng)絡(luò)負荷存儲設(shè)備的運行、狀態(tài)和環(huán)境信息，以市場方式引導用戶進行可再生能源消費，挖掘需求側(cè)消費潛力。通過建立合理的價格機制，引導用戶進行負荷轉(zhuǎn)移、削峰填谷，協(xié)調(diào)和優(yōu)化供需關(guān)系，從而擴大系統(tǒng)的可再生能源消費能力。
虛擬發(fā)電廠是基于分布式能源生產(chǎn)數(shù)據(jù)運行的云控制系統(tǒng)。此外，虛擬電廠提供的多集成模式及其協(xié)同調(diào)節(jié)下的穩(wěn)定輸出特性，為實現(xiàn)可再生能源的高效利用開辟了新的途徑。
以江蘇電網(wǎng)采用的源-網(wǎng)絡(luò)-負荷友好交互技術(shù)為例，如圖10所示，江蘇將大量分散的微負荷納入可控資源，并網(wǎng)發(fā)電，并實現(xiàn)了源-網(wǎng)絡(luò)-負荷之間的大規(guī)模友好交互。傳統(tǒng)的“源隨網(wǎng)動”模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸措S荷動、荷隨網(wǎng)動”的智能交互模式。通過大規(guī)模毫秒/秒/分精確負荷控制，實現(xiàn)發(fā)電、供電、用電的友好互動，從而有效擴展電網(wǎng)故障時的可控資源，完善大電網(wǎng)安全控制措施，以及推進可再生能源全額保障性消費和能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革。
圖10 源-網(wǎng)絡(luò)-負荷友好交互技術(shù)示意圖
2016年6月15日，全國首個大型源-網(wǎng)絡(luò)-負荷友好交互系統(tǒng)在江蘇建成并投入運行。經(jīng)過二期和三期擴建，實現(xiàn)了3.76 × 106 kW·s和2.6 × 106 kW·ms的精確負荷控制能力。該項目取得了明顯的成果，目前正在進行推廣。2021年12月6日，國網(wǎng)浙江省電力有限公司與中國移動通信集團浙江有限公司、華為技術(shù)有限公司等單位共同開展5G硬切片秒級可中斷負荷終端設(shè)備調(diào)試工作。截至2021年年底，浙江省已有1016家企業(yè)用電客戶接入國網(wǎng)浙江電力5G硬切片秒級可中斷負荷平臺，該公司5G硬切片秒級可中斷負荷資源池容量可達到2 × 106 kW。
（六）發(fā)展可再生能源主動支撐與儲能技術(shù)
可再生能源利用率的不斷提高給未來電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行帶來了不可忽視的挑戰(zhàn)。大規(guī)模的可再生能源應該成為主要的能源來源。對可再生能源發(fā)電的調(diào)峰、調(diào)頻、慣性支撐等關(guān)鍵技術(shù)進行研究是十分必要的。圖11、圖12給出了用于風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的虛擬同步機技術(shù)，對提高可再生能源發(fā)電的并網(wǎng)友好性能和電網(wǎng)的主動支撐能力具有重要意義。
（七）建立合適的政策和市場機制
電力市場的發(fā)展必然要求對電廠的發(fā)電量進行市場競價。因此，火力發(fā)電的靈活性、低碳含量和可再生能源的可持續(xù)性應成為市場競價的主要考慮因素。轉(zhuǎn)變能源結(jié)構(gòu)，引導火力發(fā)電企業(yè)提高經(jīng)營靈活性，促進可再生能源的大規(guī)模消費，是中國能源發(fā)展的必由之路。因此，迫切需要市場機制，如輔助服務(wù)市場政策以增強各類供電的靈活性。2012年，英國政府首次提出了海上風力發(fā)電場成本降低政策，以此降低由化石燃料產(chǎn)生的溫室氣體排放，這一政策已被其他國家效仿。中國政府強調(diào)以清潔技術(shù)為基礎(chǔ)的能源政策，不斷推動能源革命和治理污染。2016—2018年旨在擴大可再生能源消納的政策如表5所示。
同時，考慮目前中國各省之間的壁壘嚴重制約了能源資源在更大范圍內(nèi)的優(yōu)化配置，因此大市場、大電網(wǎng)的效益難以充分發(fā)揮。在電力交易過程中，有必要推動跨省電力交易，打破政府間壁壘，放開省間優(yōu)先發(fā)電權(quán)，建立有效的市場交易機制。
因此，國家和地方政府應加快電力市場改革，充分發(fā)揮市場調(diào)節(jié)功能，提高中長期電力交易機制，擴大清潔能源的跨省市場交易，統(tǒng)籌推進電力現(xiàn)貨市場建設(shè)。加強宏觀政策引導，形成有利于清潔能源消費的制度機制，研究實施可再生能源電力配額制度，制定逐年補貼退坡計劃，加快推進互聯(lián)網(wǎng)平價接入進程，建立可再生能源發(fā)電、可調(diào)度資源和電網(wǎng)一體化的市場機制，實現(xiàn)可再生能源大規(guī)模應用。這樣，企業(yè)在規(guī)則的與市場改革一致的框架內(nèi)，在降低成本的同時，可以提高競爭力。最后，建立充分競爭、開放、有序、健康的市場體系，加快中國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。
以廣西電網(wǎng)的清潔能源采用情況為例。廣西地處沿海地區(qū)，夏季臺風頻繁，短時強降雨，水庫水位急劇上升。而且，臺風期間，由于負荷低，水力發(fā)電消納困難，存在較大的消納風險。2018年，廣西風力發(fā)電總裝機容量為2.7 ×106 kW，且風力發(fā)電輸出存在逆調(diào)峰現(xiàn)象，在低負荷時期供需不匹配問題嚴重。廣西電網(wǎng)以市場為導向，鼓勵用戶使用更多的清潔能源，引導大型企業(yè)從自供型電廠向主供型電廠轉(zhuǎn)變。自2018年以來，水力發(fā)電和火力發(fā)電權(quán)利轉(zhuǎn)讓交易總共進行了17筆，消納富余水力發(fā)電約7.5 × 109 kW·h，實現(xiàn)了采用清潔能源與市場化交易合同履約“雙贏”的局面，同時緩解了火力發(fā)電企業(yè)的運行壓力。
表5 政府和能源部門發(fā)布的可再生能源消費政策
四、結(jié)論
根據(jù)中國可再生能源發(fā)展的現(xiàn)狀，結(jié)合資源稟賦和分布特點，探討了高比例用戶消納可再生能源的四大瓶頸制約因素：布局規(guī)劃、調(diào)峰靈活性、運力和市場轉(zhuǎn)型。針對這些問題，提出了7種解決方案：促進集中式和分布式可再生能源的協(xié)作發(fā)展、提高火力發(fā)電調(diào)峰的靈活性、增加靈活可調(diào)的能源比例、加快輸電通道和柔性電網(wǎng)的建設(shè)、發(fā)展需求響應和虛擬發(fā)電廠、發(fā)展可再生能源主動支撐與儲能技術(shù)、建立合適的政策和市場機制。
實際上，中國政府和能源部門發(fā)布了一系列政策和措施，包括可再生能源監(jiān)測和預警、發(fā)電市場開放、跨省跨地區(qū)電力交易、綠色電力證書、火力發(fā)電廠靈活改造、利用可再生能源進行清潔供暖，這些措施解決了可再生能源規(guī)劃、并網(wǎng)、補貼、交易和能源消耗等問題。2016—2018年，中國擴大可再生能源消費成效顯著。棄風棄光率逐年下降。棄風率由2016年的17%下降到2018年的7%，棄光率由2016年的10%下降到2018年的3%。
中國能源結(jié)構(gòu)將長期處于轉(zhuǎn)型期。從中國電力發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃和各方預測來看，未來中國可再生能源電力發(fā)展有望保持較快發(fā)展?？稍偕茉吹氖褂靡裁媾R著更大的挑戰(zhàn)，各部門必須相互合作，實施有針對性的措施，推動能源生產(chǎn)和消費革命，建設(shè)清潔、低碳、安全、高效的能源體系。
對于高滲透率可再生能源的技術(shù)瓶頸及其對策，研究沒有給出任何固定的標準，因為每種技術(shù)都有自己的技術(shù)瓶頸，這可能是相應領(lǐng)域的研究重點。例如，中國海上風力發(fā)電的技術(shù)瓶頸之一是機組技術(shù)、建設(shè)技術(shù)、傳輸技術(shù)，以及運行技術(shù)與海上風力發(fā)電發(fā)展的需求不匹配等。因此，從長遠來看，一個有效的對策是加大對各領(lǐng)域核心技術(shù)的投資。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。
