王敏驍，蘇娟，梁琛

（1.中國農業(yè)大學信息與電氣工程學院，北京 100083；2.國網甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅蘭州 730070）

2017年4月18日，《2016年度全國可再生能源電力發(fā)展監(jiān)測評價報告》稱，中國風能、太陽能發(fā)電行業(yè)2016年浪費的電力仍然大幅度攀升，中國的棄風率從2014年的8%增加到2016年的17%，其中甘肅省棄風率高達43%。從2015年到2016年，中國太陽能浪費率上升50%，其中甘肅和新疆30%以上的發(fā)電量不能并網[1]。造成這一現象的原因涉及政策、機制、技術等不同層面，涉及電網的規(guī)劃、運行、調度等不同環(huán)節(jié)，還涉及管理者、發(fā)電商、電網及用戶等不同主體。

從政策角度看，政策具有導向性，鼓勵外送消納或就地消納，但是受現有技術手段制約，可操作性上不能滿足市場化運作的需要[2-3]。從交易機制看，目前主要針對跨省跨區(qū)交易，交易主要是在發(fā)電商-電網、電網-用戶之間，雙方地區(qū)利益缺少協調機制，缺少統籌[4-6]。從技術層面看，目前消納的評估手段研究較多，但聯動調控手段由于涉及復雜電力系統的安全穩(wěn)定問題，研究較少，是下一步技術攻關的重點[7-8]。

從電力生產配送的各個環(huán)節(jié)看，現有研究主要針對電網調度、規(guī)劃或運行中的某個方面[9-10]。由于可控手段有限及電網改造投資巨大，三者協調統籌的研究較少，而下一步拓展新能源消納必須要考慮到電網、電源及負荷的協調規(guī)劃與運行控制，以統籌解決消納問題。

從參與到新能源消納的各方主體看，在發(fā)電商調控手段已經取得一定突破的基礎上[11-12]，現有工作主要集中在需求側，特別是針對高載能企業(yè)的自備電廠、電動汽車及其他形式的電能替代[13-15]。需求側改革以及電源與負荷的聯動將成為新能源消納的重點，圍繞該方法的政策、機制及技術研究將成為下一步工作的主要著力點。

綜上所述，本文以甘肅為例，從電力系統規(guī)劃、建設、運行等方面進行系統分析棄風棄光的成因，并提出解決新能源消納問題的措施與建議。

1 甘肅風電、光伏發(fā)展現狀

截至2016年年底，甘肅電網總裝機容量45 762 MW，其中風電12 773 MW，光伏6 801 MW，甘肅大約90%的風電光伏集中在河西地區(qū)[1]。2016年甘肅最大負荷13 391 MW，外送最大電力負荷2 700 MW，即使將外送電力計算到負荷中，發(fā)電裝機容量與最大負荷的比例高達2.84∶1，電力電量屬于嚴重供大于求。為了響應國家節(jié)能減排政策，甘肅增大風電和光伏發(fā)電量，發(fā)電量如表1所示。2016年甘肅省風電發(fā)電量同比增長8.64%，2016年光伏發(fā)電量同比增長0.72%。2016年火電發(fā)電利用小時數下降8.27%。

表1 風電光伏火電發(fā)電情況統計表Fig.1 Statistical table of wind power and photovoltaic power generation

甘肅省電力公司通過開發(fā)和應用風電、光伏有功控制系統，杜絕了大規(guī)模風電光伏機組的脫網事故，確保了在甘肅500余家風電光伏發(fā)電企業(yè)公平、公正并網運行。但甘肅仍有大面積棄風棄光問題發(fā)生。因此，有必要對棄風棄光問題產生的原因及對策進行分析與研究。

2 “棄風棄光”問題成因分析

2.1 電力系統規(guī)劃缺乏系統性

目前，電力系統中各種形式儲能總體容量較小，發(fā)電、輸電、用電必須同時完成，因此發(fā)電、輸電、用電的規(guī)劃必須協調統籌，任何一個環(huán)節(jié)出現問題，都有可能破壞整個電力系統的協調穩(wěn)定運行。自“廠網分開”的電力體制改革以來[16]，我國成立了兩家電網公司和多家發(fā)電公司，電網與電源開始獨立規(guī)劃，加之各發(fā)電公司之間處于競爭關系，各家無論發(fā)展常規(guī)電源還是清潔能源，都是按照先做大的思路，比拼裝機容量，結果造成裝機容量嚴重過剩。這是造成甘肅棄風棄光問題的根本原因。

2.2 電網、電源建設周期不同步

火電廠的建設周期大約1年左右，風電場建設周期大約半年，光伏電站建設周期不到3個月。而電網建設受到沿輸電線路的征地、環(huán)保等諸多不確定因素的制約，特高壓線路建設周期在3年以上。即使電網、電源同時規(guī)劃建設，由于建設周期不同步也可能造成局部地區(qū)窩電現象發(fā)生。以甘肅河西地區(qū)為例，風電光伏裝機容量接近20 000 MW，但當地當地最大負荷只有4 250 MW，大多數清潔能源要依靠電網外送，至2016年年底，該地區(qū)輸電線路的最大送出能力只有5 000 MW。正在建設的+ 800 kV祁韶直流輸變電工程，設計對6 000 MW火電、7 000 MW風電和2 800 MW光伏進行打捆外送，設計最大輸送能力8 000 MW，目前該地區(qū)風電光伏電源已經建成待送，而配套的火電容量從6 000 MW壓縮到2 000 MW，將影響整條線路的輸送能力。建設周期不同以及電網建設中諸多不確定因素，是造成棄風棄光問題的原因之一。

2.3 負荷和電源發(fā)展呈現出剪刀差

“十二五”期間，甘肅省電源裝機年均增長率18.15%，是全社會用電量年均增長率的2.34倍，統調最大負荷年均增長率的2.59倍。其中清潔能源年均增長率62.87%，而負荷年均增長率為3.05%，兩者的差距越來越大。雖然建設了多條外送輸電線路，但是送端的本地負荷需求也在減少，造成總體負荷與電源之間的差值越來越大。不僅出現棄風棄光問題，甚至出現棄水問題，火電機組基本按照最小方式運行，根本談不上經濟運行方式。由此可見，負荷增長放緩也是棄風棄光的原因之一。

2.4 調峰能力不足制約了對風電光伏的有效消納

由于甘肅境內黃河流域的水電站是按照“以水定電”的模式發(fā)電[17]，水庫調度具有對下游地區(qū)防凌、防汛、灌溉等綜合用水的要求，水電在不同時段的調峰能力有較大差別，最大調峰能力5 480 MW熱電由于供熱需求，調峰能力十分有限，火電基本按照最小方式運行，其調峰能力也大打折扣。綜合起來，2016年甘肅電網最大調峰能力6 390 MW。由于風電光伏發(fā)電間歇性特點，其發(fā)電區(qū)間在零到額定出力之間，在某些運行方式下，風電光伏最大出力只能按照電網最大調峰能力確定，調峰能力不足也是棄風棄光的原因之一。

此外，發(fā)電機組的低電壓穿越能力、斷面潮流控制等也對棄風棄光造成不同程度的影響。

3 解決棄風棄光問題的探索和實踐

3.1 系列科技攻關活動的組織開展

針對甘肅提出建設“陸上三峽”的戰(zhàn)略目標[18]，甘肅省電力公司成立了風電技術中心，組織專門力量進行科技攻關，在國家863項目、國家支撐項目等支持下，與國內外科研院所建立長期的合作關系，開發(fā)了風電光伏集群控制系統，實現了對甘肅所有風電光伏發(fā)電的有功、無功及安全穩(wěn)定控制，可提高風電光伏并網能力7%，系統投入運行后未再發(fā)生大面積脫網事故。在甘肅河西地區(qū)正在建設電網、電源、負荷協同控制系統，通過有效挖掘負荷的調節(jié)特性，提高風電和光伏的發(fā)電能力，該系統投入運行后預計每年可多消納棄風棄光電量15億kW·h以上。針對甘肅分布式電源快速發(fā)展的態(tài)勢，提出分布式電源必須就地消納的思路，在國網公司、地方政府的支持下，正在建設分布式電源與智慧農業(yè)負荷協調發(fā)展示范工程，旨在通過科學發(fā)展農業(yè)負荷實現對分布式電源的就地消納。

3.2 電網、電源、負荷協調規(guī)劃的加強

國家電網公司和有關發(fā)電企業(yè)進一步加強了電力系統的整體規(guī)劃，“十三五”期間對電源限制發(fā)展，加強電網建設特別是外送通道建設，重點培育新增負荷，做好外送電力電量的統籌規(guī)劃，保持發(fā)電、用電的相對平衡，是減少棄風棄光電量的主要途徑。源網荷協調必須協調發(fā)展，只有三種資源統籌協調才能從根本解決這一問題。目前已經建成甘肅酒泉至湖南株洲的特高壓直流電力輸送通道并投入試運行，這彌補了原有750 kV超高壓交流線路對外輸送能力不足的問題，另外直接落地至負荷中心，可更好實現外送消納，保證消納電量。

3.3 電網調峰能力大力提升

國家電網公司把甘肅確定為全球能源互聯網西部示范基地建設的牽頭單位，通過解決甘肅的問題，為全球能源互聯網建設起到示范作用。以此為契機，甘肅正在進一步挖掘火電熱電機制深度調峰快速響應能力，研究黃河梯級水電站反調峰能力和河西地區(qū)9家光熱電站的調節(jié)特性，加快+800 kV祁韶直流輸電工程建設，有效提高風電和光伏發(fā)電的外送能力，通過提高電網的調峰能力進一步增強對新能源的消納能力。

3.4 電能替代與可時移負荷發(fā)展

我國北方城市霧霾嚴重，大力發(fā)展電能替代，減少可吸入顆粒物的排放成為了地方政府惠民的必要舉措。目前，電能替代主要為電動汽車、電鍋爐與分布式電采暖，而該類負荷具有輸出容量快速可調特性，負荷特性可隨時間移動，可作為有效消納新能源波動性的低成本手段，相關技術已被研究，并已實際應用，具有良好的產業(yè)化前景[19-21]。

3.5 新型儲能技術的應用

由于新能源的隨機性波動，在源網荷協調下仍難避免等效凈負荷小于0的情況，即短時內發(fā)大于用。此時需要通過儲能進行調度，但是傳統的儲電方式面臨能量密度、充放電功率約束、環(huán)保及經濟性等方面的問題，但尚未在新能源電力系統中取得重大突破。而儲熱方式成為大規(guī)模儲能的新方向，已進入工程化應用階段[22-24]，特別是大規(guī)模儲能中基于熔融鹽的太陽能塔式發(fā)電技術可通過熔融鹽蓄熱有效控制輸出發(fā)電功率，保持平穩(wěn)輸出[25]。

3.6 建議與改進措施

1）發(fā)電企業(yè)、電網公司及地方政府應爭取國家對消納棄風棄光電量的支持政策，賦予參與消納的企業(yè)靈活的定價政策。

2）對于甘肅、新疆的風電、光伏發(fā)電，建立發(fā)電效益、碳交易效益及環(huán)保效益的分配機制，爭取在我國的更大范圍進行消納，并充分調動參與的各利益主體積極性。

3）鼓勵在清潔能源過剩的地區(qū)，實施電能替代，發(fā)展與清潔能源相適應的負荷，增加就地消納的份額。

4）適當鼓勵發(fā)展相變蓄熱儲能技術，通過大規(guī)模儲熱，有效消納新能源發(fā)電輸出功率波動，增強新能源發(fā)電可用性。

4 結論與建議

本文針對西北地區(qū)的棄風棄光及新能源消納問題，在調研西北地區(qū)源網荷現狀基礎上，提出了源-網-荷、規(guī)劃-調度-運行及發(fā)電商-電網-用戶-監(jiān)管等多個層次統一協調的發(fā)展策略，重點分析了源網荷協調調度、電網調峰能力挖掘、可時移負荷及新型儲能能關鍵技術，給出了建議與改進措施。

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