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(fèi)國，風(fēng)力發(fā)電和太陽能裝機(jī)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(yán)重的棄風(fēng)棄光問題，嚴(yán)重阻礙了可再生能源的開發(fā)利用。解決棄風(fēng)棄光的瓶頸問題是能源轉(zhuǎn)型和發(fā)展的關(guān)鍵，同時(shí)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(tuán)隊(duì)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(fèi)中存在的問題，分析了制約可再生能源發(fā)電容量的4個(gè)關(guān)鍵性因素：功率平衡、功率調(diào)節(jié)性能、輸電容量和負(fù)荷水平。針對這些瓶頸，文章提出了7個(gè)解決方案，即促進(jìn)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(yīng)和虛擬發(fā)電廠、發(fā)展可再生能源主動(dòng)支撐與儲能技術(shù)、建立合適的政策和市場機(jī)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(dá)成共識的應(yīng)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(jī)容量達(dá)到1.9 × 109 kW，發(fā)電總量達(dá)到7 × 1012 kW·h。中國2018年和2019年電力供應(yīng)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(jī)容量比例增加了1%，發(fā)電量下降了1.6%，這主要是因?yàn)榛鹆Πl(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(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電。中國在風(fēng)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(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電裝機(jī)容量分別為1.84 × 108 kW和1.74 × 108 kW，占發(fā)電總裝機(jī)容量的9.7%和9.2%。風(fēng)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(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電裝機(jī)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(gè)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(jī)容量達(dá)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(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》中提出，大力發(fā)展分布式風(fēng)力發(fā)電，穩(wěn)步發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電。中國海上風(fēng)力發(fā)電發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，海上風(fēng)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(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)4.45 × 106 kW，在建6.47 × 106 kW。同時(shí)，中國在海上風(fēng)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(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電裝機(jī)容量預(yù)計(jì)將達(dá)到1.826 × 109 kW和1.962 × 109 kW，占預(yù)估總裝機(jī)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。可再生能源的比重正在迅速增長，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(fēng)、棄光和棄水的問題有所緩解，但在一些地區(qū)仍然嚴(yán)重。截至2018年年底，中國棄風(fēng)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(fēng)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(fēng)和棄光總?cè)萘康?0%以上，說明部分地區(qū)棄風(fēng)和棄光問題嚴(yán)重。能源供應(yīng)松散是近年來?xiàng)夛L(fēng)和棄光問題的原因之一。但問題的根本原因是風(fēng)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(fēng)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(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的能力。因此，解決棄風(fēng)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(jī)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(dāng)前和未來中國可再生能源消費(fèi)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(fù)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(yù)測水平和控制性能也是重要的影響因素。此外，電力市場機(jī)制對可再生能源的消納也有顯著影響。一些學(xué)者已經(jīng)發(fā)表了關(guān)于評價(jià)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(fēng)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(jià)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(jì)算成本。
為了解決這些問題，提出了一種基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的近似最優(yōu)采用率確定算法。在需求側(cè)管理方面，促進(jìn)可再生能源整合的潛力巨大，Hungerford等將基于詳細(xì)終端用戶數(shù)據(jù)的柔性負(fù)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(yīng)用能量約束發(fā)電機(jī)的柔性負(fù)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(jì)方法，以加強(qiáng)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(yīng)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(jià)機(jī)制，驗(yàn)證了可再生能源運(yùn)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(bǔ)貼政策對電力系統(tǒng)的發(fā)展影響較大，因?yàn)檠a(bǔ)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(yán)重的棄風(fēng)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(diǎn)，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(fù)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(yīng)可再生能源發(fā)電的大規(guī)模采用；（3）提高燃?xì)廨啓C(jī)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(yīng)和虛擬電廠，引導(dǎo)需求側(cè)容量的增長；（6）研究可再生能源主動(dòng)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(dòng)支持能力；（7）建立促進(jìn)高滲透率可再生能源消納的政策和市場機(jī)制，完善靈活的交易機(jī)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(yīng)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(shí)際背景下，提出了實(shí)現(xiàn)可再生能源高使用率的7種途徑，并詳細(xì)概述了一些應(yīng)用場景和實(shí)例。最后，第四部分對全文進(jìn)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(shí)時(shí)供需平衡。隨著風(fēng)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(qiáng)的發(fā)電（供應(yīng)）和隨機(jī)波動(dòng)的負(fù)荷（需求）之間必須達(dá)到平衡。當(dāng)電力供應(yīng)和需求之間存在不平衡時(shí)，調(diào)度必須采取措施減少負(fù)荷（當(dāng)供給小于需求時(shí)）或刪除發(fā)電限制（當(dāng)供給大于需求時(shí)）以保持安全、穩(wěn)定的電力系統(tǒng)的操作。因此，棄風(fēng)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(shí)時(shí)平衡。
（一）布局和規(guī)劃的約束
中國可再生能源裝機(jī)容量分布不均勻，與負(fù)荷呈負(fù)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(jī)容量，但僅占全國總負(fù)荷的36%。截至2018年年底，中國72%的風(fēng)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(jì)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(fù)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(jī)容量和滲透率（滲透率= 2018年年底可再生能源裝機(jī)容量/2018年最大負(fù)荷），表明中國可再生能源負(fù)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(dá)國家。
表1 2018年中國部分省份可再生能源裝機(jī)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(jī)容量為8.991 × 107 kW，是全新疆地區(qū)最大用電負(fù)荷（2.824 × 107 kW）的3.18倍。同期，新疆可再生能源裝機(jī)容量達(dá)到2.871 × 107 kW，完全滿足當(dāng)?shù)刈畲笥秒娏恳蟆?
根據(jù)分析，新疆的裝機(jī)容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于當(dāng)?shù)氐呢?fù)荷需求。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(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電仍處于棄置狀態(tài)，因?yàn)樵诳稍偕茉凑{(diào)峰和調(diào)頻過程中，也必須預(yù)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(shí)時(shí)供需平衡。然而，新疆只是本文研究的三個(gè)地區(qū)的一個(gè)縮影，大多數(shù)地區(qū)的裝機(jī)容量過剩，但當(dāng)?shù)氐奈漳芰Σ蛔?。相比之下，特別是在歐洲和美國，陸上風(fēng)力發(fā)電以分布式為主。例如，在德國和丹麥，90%的陸上風(fēng)力發(fā)電都接近電力負(fù)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(jī)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(dòng)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(dá)國家不同，中國缺乏靈活的、可調(diào)度的電力供應(yīng)。圖6為中國與幾個(gè)可再生能源普及率較高的國家的電力供應(yīng)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?xì)獍l(fā)電，燃?xì)獍l(fā)電能夠?qū)稍偕茉吹碾S機(jī)波動(dòng)做出快速響應(yīng)。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(yīng)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(jī)組最小出力為額定負(fù)荷的50%，冬季供熱機(jī)組最小出力為額定負(fù)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(jī)組的可變負(fù)荷率為每分鐘額定負(fù)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(fèi)問題比較嚴(yán)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(jī)容量占總裝機(jī)容量的40%以上。雖然水力發(fā)電占比已達(dá)18.1%，但靈活可調(diào)的抽水蓄能裝機(jī)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(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量為2.869 × 107 kW，太陽能發(fā)電裝機(jī)容量為9.45 × 106 kW，風(fēng)力發(fā)電和太陽能裝機(jī)容量占比合計(jì)為30.9%。靈活可調(diào)的抽水蓄能占0.9%，燃?xì)獍l(fā)電占0.5%?；鹆Πl(fā)電機(jī)組是電力供應(yīng)的主要類型，裝機(jī)容量比例約為70%，其中以供熱機(jī)組居多，占60%以上。在冬季，大部分供熱廠不能進(jìn)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(jī)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(shí)間超過6000 h，嚴(yán)重占用清潔能源消費(fèi)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(jī)容量達(dá)到2.655 × 107 kW，占各類能源發(fā)電總裝機(jī)容量的25.62%。風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量為1.873 × 107 kW，太陽能發(fā)電裝機(jī)容量為7.82 × 106 kW，靈活可調(diào)抽水蓄能裝機(jī)容量達(dá)1.5 × 106 kW（占總裝機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
（三）輸電能力的約束
當(dāng)本地負(fù)荷出現(xiàn)富余且本地消費(fèi)能力不足時(shí)，可通過建設(shè)跨地區(qū)輸電通道將電力送往負(fù)荷需求高的地區(qū)。然而，三北地區(qū)由于風(fēng)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(yán)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(dá)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(jī)容量（8.991 × 107 kW）的14.5%，甚至低于該地區(qū)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量（1.921 × 107 kW）。新疆地方電力負(fù)荷為2.824 × 107 kW，對外輸電通道容量為1.3 × 107 kW，共計(jì)4.124 × 107 kW，占新疆電網(wǎng)發(fā)電總裝機(jī)容量的45.8%。然而，剩余裝機(jī)容量超過50%，無法使用。2018年新疆棄風(fēng)電量為1.0691 × 1010 kW·h，風(fēng)力發(fā)電棄風(fēng)率為22.9%。在新疆阿勒泰、塔城等地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電利用才剛剛起步，距離1 × 106 kW還很遠(yuǎn)，單靠本地負(fù)荷很難實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的大規(guī)模開發(fā)。因此需要將風(fēng)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(jìn)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(fēng)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(shí)現(xiàn)可靠的電力供應(yīng)。
（四）市場的約束
中國電力市場機(jī)制尚處于初級階段，調(diào)峰輔助服務(wù)尚處于試點(diǎn)階段。中國采用固定電價(jià)和優(yōu)先接入互聯(lián)網(wǎng)的擔(dān)保購買機(jī)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(dāng)?shù)孛摿蛉济弘姀S基準(zhǔn)電價(jià)支付的發(fā)電費(fèi)用和政府對可再生能源的補(bǔ)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(yán)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(yán)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(dá)成一致，輸電價(jià)格以當(dāng)?shù)貎r(jià)格管理部門批準(zhǔn)的價(jià)格為準(zhǔn)。而且接收省份的電價(jià)相對較高。此外，中國各地區(qū)和各省的可再生能源消費(fèi)仍受政府定價(jià)的影響，削弱了接受補(bǔ)貼省份的積極性。因此，必須明確政策和電價(jià)機(jī)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(jī)制尚未完善，現(xiàn)貨市場尚未實(shí)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(biāo)指導(dǎo)下，歐盟各國相互開放市場，逐步走向統(tǒng)一電力市場，促進(jìn)可再生能源的消費(fèi)。歐盟已經(jīng)實(shí)施了額外的法規(guī)，要求更大的市場統(tǒng)一，擴(kuò)大電力市場的交易和流動(dòng)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(qiáng)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(gè)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(yùn)營。基于市場幾天的邊際價(jià)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(jià)市場，實(shí)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(jìn)集中式和分布式可再生能源的協(xié)作發(fā)展
第一個(gè)解決方案是堅(jiān)持集中發(fā)展和分布式發(fā)展相結(jié)合的原則，重點(diǎn)加強(qiáng)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(shí)，還應(yīng)結(jié)合地區(qū)自身資源、當(dāng)?shù)刎?fù)荷特點(diǎn)和不同地區(qū)可再生能源輸出特點(diǎn)。另一方面，盡快完成出線通道建設(shè)，加強(qiáng)大電網(wǎng)資源優(yōu)化配置。
與此同時(shí)，中國中東部和南部地區(qū)的電力消費(fèi)能力高于三北地區(qū)。因此，應(yīng)加強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電在消費(fèi)能力較強(qiáng)地區(qū)或負(fù)荷中心的開發(fā)，特別是海上風(fēng)力發(fā)電的開發(fā)利用，以提高附近區(qū)域風(fēng)力發(fā)電的消費(fèi)能力。
表2、表3顯示了2019年上半年中國風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的運(yùn)行情況，三北地區(qū)有大量棄風(fēng)棄光問題，而中部和東部地區(qū)沒有棄風(fēng)棄光問題。因此，應(yīng)優(yōu)化可再生能源布局，加強(qiáng)東南沿海城市和近海地區(qū)風(fēng)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(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)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(yùn)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(fù)荷響應(yīng)速度；確保安全靈活運(yùn)行；在低負(fù)荷運(yùn)行下保持高效率，使調(diào)峰范圍達(dá)到20%~100%、負(fù)荷上升率達(dá)到5% Pe·min-1。目前，中國電廠深度調(diào)峰能力遠(yuǎn)低于丹麥和德國，快速調(diào)峰能力僅為德國的一半。此外，實(shí)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(yīng)結(jié)構(gòu)以燃煤發(fā)電為主，缺乏抽水蓄能、燃?xì)獾褥`活的電力供應(yīng)類型。到2030年，這兩種柔性電源的總裝機(jī)容量將在10%左右，仍遠(yuǎn)低于德國、美國、日本等國家目前的比例。因此，應(yīng)嚴(yán)格按照“十三五”規(guī)劃，盡快提高中國現(xiàn)有火力發(fā)電機(jī)組，特別是熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的靈活性。但火力發(fā)電廠的靈活改造不應(yīng)“一刀切”，應(yīng)根據(jù)火力發(fā)電廠的地域、等級和特點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃。目標(biāo)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(jī)組、1.33 × 108 kW的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)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(jìn)運(yùn)行控制技術(shù)和發(fā)電機(jī)組示范應(yīng)用的關(guān)鍵問題。同時(shí)，開展凝結(jié)水節(jié)流快速變負(fù)荷控制技術(shù)、高給水節(jié)流快速變負(fù)荷控制技術(shù)、加熱萃取節(jié)流快速變負(fù)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(shí)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(yùn)行能力為1.5 × 107 kW，純冷凝運(yùn)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(jì)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(fēng)力發(fā)電電量1.9 × 109 kW·h，使遼寧成為東北地區(qū)棄風(fēng)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(fēng)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?xì)獍l(fā)電裝機(jī)容量為8.33 × 107 kW，抽水蓄能裝機(jī)容量為2.999 × 107 kW，占全國總裝機(jī)容量的5.8%。因此，抽水蓄能的裝機(jī)容量還有很大的提升空間。“十三五”規(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(yùn)行4 × 107 kW。
抽水蓄能是機(jī)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(jì)優(yōu)勢，應(yīng)進(jìn)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(yīng)快、運(yùn)行靈活、啟停方便等特點(diǎn)。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(jì)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(yīng)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(qiáng)系統(tǒng)靈活性。
此外，儲能應(yīng)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(yīng)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(jìn)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(rèn)的技術(shù)上最具優(yōu)勢的風(fēng)力發(fā)電場并網(wǎng)方式和連接遠(yuǎn)距離海上風(fēng)力發(fā)電的最佳方式，并可大大提高大型風(fēng)力發(fā)電場的并網(wǎng)性能，因此應(yīng)加強(qiáng)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(yīng)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(yùn)維、多元信息融合的智能控制、大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行優(yōu)化、全景信息融合與安全防護(hù)。
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(jì)輸電量和累計(jì)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(jì)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(fù)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(yīng)和虛擬發(fā)電廠
電力系統(tǒng)包括許多可調(diào)節(jié)負(fù)荷（如空調(diào)、供暖設(shè)備）和可延遲負(fù)荷（如洗衣機(jī)、消毒柜），它們與電網(wǎng)配合良好。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國消費(fèi)者15%~20%的用電為高峰負(fù)荷，其中約一半為可平移負(fù)荷。電動(dòng)汽車（EV）既可以充電也可以放電。電動(dòng)汽車入網(wǎng)技術(shù)（V2G）的應(yīng)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(dòng)汽車。電動(dòng)汽車當(dāng)前充放電功率高達(dá)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(dāng)前裝機(jī)容量的4%）。
圖9 電動(dòng)汽車V2G應(yīng)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(diǎn)的情況下，應(yīng)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(fù)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(fù)荷存儲設(shè)備的運(yùn)行、狀態(tài)和環(huán)境信息，以市場方式引導(dǎo)用戶進(jìn)行可再生能源消費(fèi)，挖掘需求側(cè)消費(fèi)潛力。通過建立合理的價(jià)格機(jī)制，引導(dǎo)用戶進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移、削峰填谷，協(xié)調(diào)和優(yōu)化供需關(guān)系，從而擴(kuò)大系統(tǒng)的可再生能源消費(fèi)能力。
虛擬發(fā)電廠是基于分布式能源生產(chǎn)數(shù)據(jù)運(yùn)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(shí)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(fù)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(fù)荷納入可控資源，并網(wǎng)發(fā)電，并實(shí)現(xiàn)了源-網(wǎng)絡(luò)-負(fù)荷之間的大規(guī)模友好交互。傳統(tǒng)的“源隨網(wǎng)動(dòng)”模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸措S荷動(dòng)、荷隨網(wǎng)動(dòng)”的智能交互模式。通過大規(guī)模毫秒/秒/分精確負(fù)荷控制，實(shí)現(xiàn)發(fā)電、供電、用電的友好互動(dòng)，從而有效擴(kuò)展電網(wǎng)故障時(shí)的可控資源，完善大電網(wǎng)安全控制措施，以及推進(jìn)可再生能源全額保障性消費(fèi)和能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革。
圖10 源-網(wǎng)絡(luò)-負(fù)荷友好交互技術(shù)示意圖
2016年6月15日，全國首個(gè)大型源-網(wǎng)絡(luò)-負(fù)荷友好交互系統(tǒng)在江蘇建成并投入運(yùn)行。經(jīng)過二期和三期擴(kuò)建，實(shí)現(xiàn)了3.76 × 106 kW·s和2.6 × 106 kW·ms的精確負(fù)荷控制能力。該項(xiàng)目取得了明顯的成果，目前正在進(jìn)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(dòng)通信集團(tuán)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(fù)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(fù)荷平臺，該公司5G硬切片秒級可中斷負(fù)荷資源池容量可達(dá)到2 × 106 kW。
（六）發(fā)展可再生能源主動(dòng)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(yùn)行帶來了不可忽視的挑戰(zhàn)。大規(guī)模的可再生能源應(yīng)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(jìn)行研究是十分必要的。圖11、圖12給出了用于風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的虛擬同步機(jī)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(dòng)支撐能力具有重要意義。
（七）建立合適的政策和市場機(jī)制
電力市場的發(fā)展必然要求對電廠的發(fā)電量進(jìn)行市場競價(jià)。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(yīng)成為市場競價(jià)的主要考慮因素。轉(zhuǎn)變能源結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)火力發(fā)電企業(yè)提高經(jīng)營靈活性，促進(jìn)可再生能源的大規(guī)模消費(fèi)，是中國能源發(fā)展的必由之路。因此，迫切需要市場機(jī)制，如輔助服務(wù)市場政策以增強(qiáng)各類供電的靈活性。2012年，英國政府首次提出了海上風(fēng)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(qiáng)調(diào)以清潔技術(shù)為基礎(chǔ)的能源政策，不斷推動(dòng)能源革命和治理污染。2016—2018年旨在擴(kuò)大可再生能源消納的政策如表5所示。
同時(shí)，考慮目前中國各省之間的壁壘嚴(yán)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(dòng)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(jī)制。
因此，國家和地方政府應(yīng)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(jī)制，擴(kuò)大清潔能源的跨省市場交易，統(tǒng)籌推進(jìn)電力現(xiàn)貨市場建設(shè)。加強(qiáng)宏觀政策引導(dǎo)，形成有利于清潔能源消費(fèi)的制度機(jī)制，研究實(shí)施可再生能源電力配額制度，制定逐年補(bǔ)貼退坡計(jì)劃，加快推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)平價(jià)接入進(jìn)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(jī)制，實(shí)現(xiàn)可再生能源大規(guī)模應(yīng)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(shí)，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(fēng)頻繁，短時(shí)強(qiáng)降雨，水庫水位急劇上升。而且，臺風(fēng)期間，由于負(fù)荷低，水力發(fā)電消納困難，存在較大的消納風(fēng)險(xiǎn)。2018年，廣西風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量為2.7 ×106 kW，且風(fēng)力發(fā)電輸出存在逆調(diào)峰現(xiàn)象，在低負(fù)荷時(shí)期供需不匹配問題嚴(yán)重。廣西電網(wǎng)以市場為導(dǎo)向，鼓勵(lì)用戶使用更多的清潔能源，引導(dǎo)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(jìn)行了17筆，消納富余水力發(fā)電約7.5 × 109 kW·h，實(shí)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(shí)緩解了火力發(fā)電企業(yè)的運(yùn)行壓力。
表5 政府和能源部門發(fā)布的可再生能源消費(fèi)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(diǎn)，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(yùn)力和市場轉(zhuǎn)型。針對這些問題，提出了7種解決方案：促進(jìn)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(yīng)和虛擬發(fā)電廠、發(fā)展可再生能源主動(dòng)支撐與儲能技術(shù)、建立合適的政策和市場機(jī)制。
實(shí)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(yù)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(jìn)行清潔供暖，這些措施解決了可再生能源規(guī)劃、并網(wǎng)、補(bǔ)貼、交易和能源消耗等問題。2016—2018年，中國擴(kuò)大可再生能源消費(fèi)成效顯著。棄風(fēng)棄光率逐年下降。棄風(fēng)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(yù)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(shí)施有針對性的措施，推動(dòng)能源生產(chǎn)和消費(fèi)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(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槊糠N技術(shù)都有自己的技術(shù)瓶頸，這可能是相應(yīng)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。例如，中國海上風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)瓶頸之一是機(jī)組技術(shù)、建設(shè)技術(shù)、傳輸技術(shù)，以及運(yùn)行技術(shù)與海上風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的需求不匹配等。因此，從長遠(yuǎn)來看，一個(gè)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。
