聶 狀，任佳偉，白光國(guó)，童 鑫，張富厚

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 雅安 625000）

0 引 言

我國(guó)用電量中火電占據(jù)了主導(dǎo)地位，造成了嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。因此，合理開發(fā)利用風(fēng)電、光電等清潔可再生能源，通過清潔能源逐步代替火電能源，對(duì)國(guó)家實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排等具有重要意義。國(guó)家能源局有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)每年陸地面積地區(qū)所接受的太陽輻射總量為3 300～8 400 MJ/m2，相當(dāng)于2.4×1012t標(biāo)準(zhǔn)煤的儲(chǔ)量[1]。總體來看，我國(guó)風(fēng)能資源比較豐富。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)的風(fēng)能可開發(fā)量達(dá)2.53×108kW。

在我國(guó)風(fēng)、光能資源快速開發(fā)的同時(shí)，由于風(fēng)、光電具有出力不確定性，導(dǎo)致當(dāng)下棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象嚴(yán)重，資源利用效率偏低，也使其環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益難以發(fā)揮。因此，如何利用具有良好的調(diào)峰調(diào)頻能力的水電、火電等對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)消納，以提高其利用率、經(jīng)濟(jì)效益是急需解決的問題。下面對(duì)我國(guó)現(xiàn)有的風(fēng)、光電等清潔能源消納模式進(jìn)行梳理分析，總結(jié)風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)消納模式、風(fēng)光火電互補(bǔ)消納模式、風(fēng)光水電互補(bǔ)消納模式以及主網(wǎng)深度調(diào)節(jié)互補(bǔ)消納模式4種消納模式，并在系統(tǒng)分析各類模式的現(xiàn)狀與特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，指出各類模式未來的發(fā)展趨勢(shì)。

1 “風(fēng)—光—儲(chǔ)”消納模式

風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)消納模式是利用儲(chǔ)能裝置平抑風(fēng)電、光電的不確定性，發(fā)電高峰期蓄能，低谷時(shí)段發(fā)電[2]，通過組成“風(fēng)電—光伏發(fā)電—儲(chǔ)能裝置—智能調(diào)度系統(tǒng)”綜合能量系統(tǒng)，打捆并網(wǎng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)、光清潔能源消納的方式。常見的儲(chǔ)能裝置包括抽水蓄能電站、物理儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能等，主要作用是對(duì)能量進(jìn)行調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載保持電力系統(tǒng)穩(wěn)定；智能調(diào)度系統(tǒng)則負(fù)責(zé)制定計(jì)劃出力，并控制發(fā)電單元和儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行。目前，我國(guó)在風(fēng)—光—蓄電池儲(chǔ)能模式應(yīng)用方面已有相應(yīng)的示范工程。

1.1 典型工程

1.1.1 風(fēng)光綜合儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)能模式

三十里井子風(fēng)光儲(chǔ)電網(wǎng)融合驗(yàn)證示范項(xiàng)目，是我國(guó)第一個(gè)能源儲(chǔ)能商業(yè)化試點(diǎn)項(xiàng)目和甘肅省首個(gè)風(fēng)光儲(chǔ)電網(wǎng)融合驗(yàn)證示范項(xiàng)目。項(xiàng)目主要利用風(fēng)電、光電、儲(chǔ)能互補(bǔ)，通過能量實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)、兆瓦級(jí)儲(chǔ)能技術(shù)、功率裕度預(yù)判控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能秒級(jí)調(diào)控，有效控制新能源的電力穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)風(fēng)、光出力平穩(wěn)并入電網(wǎng)。

1.1.2 風(fēng)光抽蓄模式

抽水蓄能電站能利用多余的電力抽水，儲(chǔ)存水體勢(shì)能，高峰時(shí)段利用水體勢(shì)能發(fā)電，是非常好的調(diào)峰電源。利用抽水蓄能電站的調(diào)峰能力對(duì)風(fēng)、光電提供輔助后打捆并網(wǎng)，是典型的風(fēng)—光—儲(chǔ)消納形式。我國(guó)抽水蓄能技術(shù)起步較晚，已見的抽水蓄能電站主要分布在水電資源相對(duì)匱乏或風(fēng)、光等清潔能源相對(duì)豐富的東南、華北、東北、新疆等地區(qū)[3]。

1.2 特 點(diǎn)

由于各類儲(chǔ)能系統(tǒng)占地面積小，修建速度較快，當(dāng)風(fēng)光聯(lián)合出力處于波動(dòng)時(shí)，依靠?jī)?chǔ)能裝置或抽水蓄能電站進(jìn)行削峰填谷，保障了國(guó)家電力系統(tǒng)電力的穩(wěn)定供應(yīng)，減少了棄風(fēng)、棄水以及為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)削峰填谷，提高了電力輸出的平穩(wěn)性和可靠性，并解決了可再生能源時(shí)空分布不均的問題。其中，風(fēng)光抽蓄模式建設(shè)技術(shù)相對(duì)成熟，相對(duì)成本較低，運(yùn)行安全可靠，供電質(zhì)量高，在電力系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。

1.3 發(fā)展趨勢(shì)

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)消納模式的研究主要集中在互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的靜態(tài)體系結(jié)構(gòu)、蓄能設(shè)備的配置及控制、系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真和設(shè)計(jì)優(yōu)化以及聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)劃及策略等方面[4]。目前，適用于“風(fēng)—光—抽蓄”聯(lián)合消納模式的地理環(huán)境、資源條件比較稀少，難以同時(shí)滿足。因此，如何將這種模式運(yùn)用到實(shí)際生活進(jìn)行跨區(qū)域的聯(lián)合消納，將會(huì)是風(fēng)光抽蓄的一大發(fā)展趨勢(shì)，或者利用河谷自然形成的地形條件，研究在技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行的情況下適當(dāng)建抽水蓄能電站以互補(bǔ)風(fēng)光的可能性[5]。

2 “風(fēng)—光—火”消納模式

目前，我國(guó)的電源結(jié)構(gòu)主要以火電為主。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年全國(guó)火力發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到1.53×109kW。由此，中國(guó)已成為世界上碳排放量最多的國(guó)家之一[6-8]。

用戶每日活躍在社交網(wǎng)絡(luò)上，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)社交關(guān)系，在這一過程當(dāng)中就極容易透露很多個(gè)人信息。比如不少用戶愿意隨時(shí)隨地使用分享地理位置的服務(wù)，將個(gè)人的地理位置坐標(biāo)分享給社交網(wǎng)絡(luò)中的好友，于是就會(huì)把個(gè)人活動(dòng)路線告知他人?？梢哉f用戶在頻繁應(yīng)用信息分享服務(wù)的過程中，其本身可以保留的隱私數(shù)量就會(huì)逐步減少。除了發(fā)布文字信息之外，用戶還會(huì)在社交網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布一些圖片與視頻類的信息，而借助這些信息碎片，商業(yè)公司能夠收集獲取用戶手機(jī)號(hào)等信息，還可以推測(cè)出消費(fèi)特征、婚姻狀況、工作狀況等極為隱私的內(nèi)容。網(wǎng)絡(luò)黑客也極有可能利用分享的信息這一片從事網(wǎng)絡(luò)詐騙和資金盜取活動(dòng)。

由于我國(guó)能源與負(fù)荷中心呈逆向分布，西北地區(qū)風(fēng)、光、煤炭資源豐富，適合大規(guī)模開發(fā)，而大規(guī)模風(fēng)光就地消納困難。因此，利用在西北地區(qū)的集中式風(fēng)、光電清潔能源的基地與當(dāng)?shù)氐幕鹆Πl(fā)電廠聯(lián)合，先“打捆”形成穩(wěn)定的負(fù)荷過程后“外送”并網(wǎng)，能規(guī)避風(fēng)、光電不確定性對(duì)受端電網(wǎng)的沖擊，是我國(guó)解決大規(guī)模集中式新能源并網(wǎng)問題的有效方式。

2.1 典型工程——哈密南—鄭州±800 kV特風(fēng)光火打捆外送

哈鄭特高壓直流工程，是“800 kV、800萬kW”特高壓直流輸電標(biāo)準(zhǔn)化示范工程，也是首個(gè)“風(fēng)光火打捆”外送的特高壓直流工程。哈鄭線全長(zhǎng)2 191.5 km，線路橫跨6?。ㄗ灾螀^(qū)），沿線地理環(huán)境和社會(huì)環(huán)境復(fù)雜。哈密風(fēng)電基地最終確定送出風(fēng)電規(guī)模為8×106kW，同時(shí)確定新增光伏發(fā)電規(guī)模1.25×106kW[9]。

天中直流工程是將大型火電、風(fēng)電基地電力“打捆”送出的首個(gè)特高壓工程。該工程每年可向河南省提供超過4×1010kW·h的電量，相當(dāng)于向河南省輸送超2×107t煤炭，在服務(wù)西部大開發(fā)戰(zhàn)略、推動(dòng)新疆資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為發(fā)展優(yōu)勢(shì)、緩解華中地區(qū)用電緊張方面發(fā)揮了重要作用。

2.2 發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)煤電基地主要集中在“三北”地區(qū)，火電基礎(chǔ)良好，同時(shí)3種能源重疊，發(fā)展風(fēng)光火打捆的基本條件良好。但是，由于“三北”地區(qū)風(fēng)光火發(fā)電設(shè)施與東部、中部主要需電地區(qū)之間的距離超過2 000 km，而直流輸電技術(shù)是一項(xiàng)能達(dá)到遠(yuǎn)距離、大容量、低損耗輸電的可靠的技術(shù)。因此，采用風(fēng)光火打捆外送的方式，不僅可滿足我國(guó)中東部地區(qū)的電力能源要求，而且可以保證直流輸電通道輸送功率的安全性和高效性。因此，風(fēng)光火打捆外送在處于能源轉(zhuǎn)型期的現(xiàn)在具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 “風(fēng)—光—水”消納模式

我國(guó)西南地區(qū)水能資源十分豐富，同時(shí)各流域沿線的風(fēng)、光能也非常豐富。利用該地區(qū)豐富的水電資源對(duì)風(fēng)、光電進(jìn)行互補(bǔ)調(diào)節(jié)、打捆外送，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)、光電的有效消納，這種模式稱為“風(fēng)—光—水”互補(bǔ)消納模式。

3.1 典型工程

3.1.1 雅礱江流域風(fēng)光水互補(bǔ)能源基地

水能方面，雅礱江流域共規(guī)劃了22級(jí)水電站，總裝機(jī)容量約3×107kW。在風(fēng)能、光能方面，初步估計(jì)，雅礱江流域風(fēng)電可開發(fā)量約1.3×107kW，光電可開發(fā)量約1.8×107kW[10]。目前，雅礱江流域正在規(guī)劃建設(shè)風(fēng)光水互補(bǔ)能源示范基地。該基地建成后，可以實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)風(fēng)、光、水綜合開發(fā)，利用特高壓外送通道，將流域內(nèi)風(fēng)光出力就近接入水電站，并通過水電站升壓站進(jìn)入特高壓送出通道，送往華東地區(qū)負(fù)荷中心，實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)風(fēng)、光、水電的綜合消納。

3.1.2 金沙江下游風(fēng)光水互補(bǔ)能源基地

金沙江下游流域的風(fēng)、光、水能資源都十分豐富。水電總裝機(jī)容量為4.296×107kW，風(fēng)電總裝機(jī)容量約為4.044×106kW，光電總裝機(jī)容量約為4.02×106kW。由于金沙江下游的風(fēng)、光電廠分布比較分散，所以該能源互補(bǔ)基地采用各梯級(jí)電站就近接收消納的原則[11]。利用流域內(nèi)水電資源對(duì)風(fēng)、光電提供補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)的分光水互補(bǔ)，通過特高壓外送通道送往華東負(fù)荷中心，實(shí)現(xiàn)清潔能源的消納。

3.2 發(fā)展趨勢(shì)

在西南地區(qū)利用梯級(jí)電站良好的調(diào)峰調(diào)頻能力，以及現(xiàn)已建成的3條±800 kV特高壓輸出通道把風(fēng)、光、水電打捆外送，不僅能解決風(fēng)、光電并網(wǎng)難、輸出難等問題，而且有利于節(jié)約輸電線路的建設(shè)成本，提高風(fēng)、光電能的利用率和經(jīng)濟(jì)效益。這樣的互補(bǔ)調(diào)節(jié)方式是目前西南地區(qū)風(fēng)、光電綜合消納的主要手段。雖然現(xiàn)已規(guī)劃了金沙江、雅礱江流域的互補(bǔ)能源基地建設(shè)，但是其具體消納細(xì)節(jié)、配套外送通道需要進(jìn)一步論證。

4 主網(wǎng)調(diào)節(jié)消納模式

根據(jù)國(guó)家能源“十三五”發(fā)展規(guī)劃，新能源就近消納是解決我國(guó)風(fēng)電光電與負(fù)荷逆向分布[12]以及風(fēng)光并網(wǎng)困難問題的重要思路[13]。因此，風(fēng)、光電等清潔能源直接并入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，利用主網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻能力對(duì)風(fēng)、光電的不確定性、隨機(jī)性和波動(dòng)性提供補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光清潔能源的消納，是現(xiàn)行風(fēng)、光清潔能源消納的最有效的模式。

4.1 現(xiàn) 狀

整體來看，全國(guó)各省份都有風(fēng)、光電新能源并網(wǎng)消納，依據(jù)不同區(qū)域負(fù)荷特性與資源分布特性的不一致，各自區(qū)域呈現(xiàn)一定的特點(diǎn)。

內(nèi)蒙古東部、冀北地區(qū)、東南沿海地帶風(fēng)電富集，又靠近負(fù)荷中心，新能源的開發(fā)以集中式風(fēng)電與分布式光伏發(fā)電為主，進(jìn)入主網(wǎng)后，為華北及東部地區(qū)提供電能。

西北甘肅、青海等地區(qū)風(fēng)電富集，但與負(fù)荷中心距離較遠(yuǎn)，就地消納能力有限，因此需要在就地部分消納的基礎(chǔ)上，通過區(qū)域間的電網(wǎng)互聯(lián)，將區(qū)域電網(wǎng)吸收的風(fēng)光能通過主網(wǎng)輸送至華北、華東負(fù)荷中心實(shí)現(xiàn)清潔能源的消納。

東北地區(qū)屬于風(fēng)能資源富集區(qū)域，風(fēng)能進(jìn)入東北電網(wǎng)后通過火電及抽水蓄能電站的聯(lián)合運(yùn)行實(shí)現(xiàn)消納。

西南地區(qū)以水電資源豐富為主，同時(shí)風(fēng)、光資源分布相對(duì)集中，以大規(guī)模集中式開發(fā)為主，且離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，因此，除了將集中式的水電基地通過高壓輸電線外送之外，風(fēng)、光電就近上網(wǎng)比重較小，通過水電對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，基本可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)、光清潔能源的就地消納。

南方地區(qū)整體風(fēng)、光電資源相對(duì)匱乏，風(fēng)電、光伏發(fā)電規(guī)模相對(duì)較小，清潔能源進(jìn)入主網(wǎng)后，通過南方電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻能力可以實(shí)現(xiàn)消納。

4.2 特 點(diǎn)

鑒于我國(guó)風(fēng)光電資源中心與負(fù)荷中心相聚甚遠(yuǎn)的特點(diǎn)，風(fēng)、光電并網(wǎng)后難以實(shí)現(xiàn)就地消納，造成棄風(fēng)、棄光問題嚴(yán)重。因此，通過國(guó)家區(qū)域性電網(wǎng)互聯(lián)[14]，將富余的清潔能源外送至負(fù)荷中心，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域消納成為實(shí)現(xiàn)清潔能源消納的有效途徑。

將計(jì)劃性的電力行業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌?chǎng)化的電力生產(chǎn)與消納是國(guó)家能源轉(zhuǎn)型的大趨勢(shì)。通過市場(chǎng)的調(diào)節(jié)，充分發(fā)揮風(fēng)、光電的清潔屬性。雖然目前采取的措施是通過保障風(fēng)、光清潔能源全額消納，但是將來需在電力市場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)風(fēng)、光清潔能源的高質(zhì)量消納，這就對(duì)提高電網(wǎng)輸電能力與建立合理的價(jià)格機(jī)制[15]提出了更高的要求。

5 結(jié) 論

本文主要梳理了風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)、風(fēng)光火電互補(bǔ)、風(fēng)光水電互補(bǔ)消納、主網(wǎng)深度調(diào)節(jié)4種風(fēng)、光電消納模式。在我國(guó)復(fù)雜的資源分布與負(fù)荷需求下，風(fēng)光電資源各類消納模式在國(guó)家能源轉(zhuǎn)型發(fā)展中承擔(dān)了重要的角色。根據(jù)國(guó)家能源戰(zhàn)略與清潔能源并網(wǎng)消納的發(fā)展趨勢(shì)，提出如下建議。

（1）興建抽水蓄能電站等儲(chǔ)能裝置，提高電網(wǎng)調(diào)峰能力。隨著國(guó)家風(fēng)、光電并網(wǎng)規(guī)模的逐漸增多，利用主網(wǎng)深度調(diào)節(jié)成為解決不確定性風(fēng)光出力消納問題的主要方式，這對(duì)主網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻能力提出了更高的考驗(yàn)。在電網(wǎng)側(cè)修建大規(guī)模抽水蓄能電站，提高電網(wǎng)調(diào)峰能力，成為破解這一瓶頸的關(guān)鍵思路。

（2）加強(qiáng)長(zhǎng)距離輸電線路建設(shè)，提高輸電能力。上文表明，資源富集中心與負(fù)荷需求中心相距甚遠(yuǎn)，超大規(guī)模的千萬千瓦級(jí)的風(fēng)、光電基地如采用就近并網(wǎng)的形式，對(duì)當(dāng)?shù)刂骶W(wǎng)的穩(wěn)定性造成沖擊。針對(duì)這種情況，建議通過資源地優(yōu)勢(shì)的火電或水電為風(fēng)光電提供補(bǔ)充，打捆后通過長(zhǎng)距離高壓輸電線路將大規(guī)模的風(fēng)電、光電送往負(fù)荷中心，以有效解決部分地區(qū)的并網(wǎng)問題。