王社亮

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

能源是人類社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要動力。全球化石能源的大量利用，帶來了環(huán)境、生態(tài)和氣候變化等系列問題，加快能源轉(zhuǎn)型發(fā)展已成為世界各國的自覺行動。2019年，石油、天然氣、煤炭、水電、非水可再生能源、核能在全球一次能源消費中占比分別為33.1%、24.2%、27%、6.4%、5.0%、4.3%，如圖1所示，化石能源雖依然占據(jù)主導(dǎo)地位，但以風(fēng)電、光伏發(fā)電為主的非水可再生能源增長勢頭強勁，占全球能源消費比重從2010年的1.8%增至5.0%[1]。

圖1 全球一次能源消費占比變化趨勢[1]

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國逐步建成了世界最大的能源供應(yīng)體系，在有效保障經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)發(fā)展的同時，也面臨一系列新問題新挑戰(zhàn)。為實現(xiàn)2020年和2030年非化石能源分別占一次能源消費比重15%和20%的目標(biāo)，以風(fēng)電、光伏發(fā)電為主的新能源技術(shù)不斷進(jìn)步、成本不斷下降、規(guī)模跨越式發(fā)展，成為推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型和應(yīng)對氣候變化的重要途徑，2019年，我國風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)容量分別為2.1億、2億kW，占比分別為10.4%、10.2%[2]。但風(fēng)電、光伏發(fā)電具有較典型的隨機(jī)性、波動性和間歇性特點，其大規(guī)模并網(wǎng)對電力系統(tǒng)運行帶來系列挑戰(zhàn)，需要其它具有調(diào)節(jié)能力電源配合運行，實施多能互補，達(dá)到1+1>2的效果，進(jìn)而促進(jìn)新能源發(fā)展，提升能源系統(tǒng)的綜合利用效率。

廣義的多能互補指為滿足用戶電、熱、冷、氣等多種用能需求，因地制宜、統(tǒng)籌開發(fā)、互補利用傳統(tǒng)能源和新能源，實現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)和能源綜合梯級利用。本文所指多能互補主要為電源側(cè)多能互補，是對風(fēng)電、太陽能發(fā)電、水電、火電、儲能等多種電源進(jìn)行優(yōu)化組合配置，在電力系統(tǒng)內(nèi)互補運行，取長補短，以更好地滿足電力負(fù)荷需求，促進(jìn)新能源發(fā)展，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

1 多能互補發(fā)展歷程

我國早期電力系統(tǒng)以火電、水電為主要電源，基于水電豐盈枯缺的特點，探索開展了水火互補和能源資源優(yōu)化配置研究。近十余年來，以風(fēng)電、光電基地建設(shè)為標(biāo)志，拉開了我國新能源大規(guī)模發(fā)展和跨區(qū)域消納的序幕，針對多能互補研究不斷深化，逐步形成了系統(tǒng)的理論體系，并開展了示范應(yīng)用和工程實踐。

2009年，水電水利規(guī)劃設(shè)計總院和中國水電顧問集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院、中國水電顧問集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院、中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院、中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院共同開展了抽水蓄能電站與風(fēng)電配合運行研究，并探索提出了風(fēng)電規(guī)劃理論[3]。2010年，基于酒泉風(fēng)電基地建設(shè)和消納存在的問題，結(jié)合西北地區(qū)各類電源特點，開展了西北地區(qū)多能互補研究。2012年以來，探索開展以特高壓輸電通道跨區(qū)消納新能源的風(fēng)光火多能互補打捆外送研究及工程實踐，建成了首個遠(yuǎn)距離輸送新能源的哈密至鄭州±800 kV特高壓直流輸電工程及其它數(shù)條輸電通道。研究并建成了全球最大的水光互補工程-龍羊峽水光互補工程，開啟了水電與光伏發(fā)電互補的新篇章，并逐漸將單個水電站的水風(fēng)光互補拓展到水電基地的水風(fēng)光互補。在光儲互補方面，針對解決偏遠(yuǎn)地區(qū)用電問題，世界海拔最高的微電網(wǎng)工程—西藏雙湖可再生能源局域網(wǎng)工程于2016年投運。多能互補研究不斷深化，開展了大規(guī)模新能源消納多能互補研究課題[4]，創(chuàng)新開展黃河上游梯級電站儲能工廠研究，探索多能互補項目投資開發(fā)關(guān)鍵問題研究、商務(wù)模式研究、電價機(jī)制研究等，多能互補逐漸成為能源可持續(xù)發(fā)展的新潮流。

2 多能互補形式、特點及適用條件

目前，針對電源側(cè)多能互補研究主要涉及新能源之間自然互補、水電與新能源互補、火電與新能源互補、儲能(含抽水蓄能)與新能源互補、電網(wǎng)(含微電網(wǎng))內(nèi)多能互補研究等。

2.1 新能源之間自然互補

新能源電源均無調(diào)節(jié)能力，為自然互補。一般情況下，互補后未提高保證出力，但出力變幅率減小，且某些地區(qū)年內(nèi)各月出力有一定互補性。風(fēng)光互補電站中光伏電站可利用風(fēng)間帶、風(fēng)機(jī)間等未利用土地進(jìn)行布置，其電力電量可以通過共用輸電通道送至電網(wǎng)消納。該形式可減少出力波動，節(jié)省輸電投資或提高輸電線路利用率，降低建設(shè)成本，便于統(tǒng)一管理，節(jié)省土地資源。該形式互補一般適用在新能源資源豐富、開發(fā)潛力大且規(guī)模較集中地區(qū)，及輸電系統(tǒng)建設(shè)成本高、走廊稀少地區(qū)。

2.2 水電與新能源互補

水電與新能源互補時，新能源被視為“虛擬水電機(jī)組”接入水電站，通過水電調(diào)節(jié)，利用水電輸電通道送入電網(wǎng)。當(dāng)新能源出力較大時，水電減少出力、水庫蓄水；用電高峰期時，水庫放水，水電加大出力。

水電與新能源互補減緩了新能源出力波動性，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定，將不穩(wěn)定、波動性的新能源出力調(diào)節(jié)為電網(wǎng)宜接受的電力。節(jié)省了輸電系統(tǒng)投資，提高了輸電線路利用率，推動資源優(yōu)化配置，促進(jìn)新能源遠(yuǎn)距離、跨區(qū)消納。

當(dāng)水電站具有日調(diào)節(jié)及以上能力、且綜合利用任務(wù)較少，水電站周邊或其服務(wù)的電網(wǎng)內(nèi)有新能源資源，電網(wǎng)具有電力電量市場空間、尤其是缺電量地區(qū)，水電站有較完善的接入電網(wǎng)系統(tǒng)時，可采用此形式。

2.3 火電與新能源互補

火電與新能源互補可保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定、節(jié)省輸電系統(tǒng)投資或提高輸電線路利用率、促進(jìn)新能源遠(yuǎn)距離跨區(qū)消納等作用。在電力系統(tǒng)負(fù)荷低谷期，當(dāng)新能源出力較大時，火電適當(dāng)減少出力；用電高峰期時或新能源出力較小時，火電加大出力，充分利用火電的調(diào)峰調(diào)頻能力。

其適用條件為：具有建設(shè)火電的煤炭、天然氣等資源，且資源較豐富地區(qū)；建設(shè)或規(guī)劃有調(diào)峰調(diào)頻能力強的火電，且未承擔(dān)供熱任務(wù)；周邊或者服務(wù)的電網(wǎng)內(nèi)有新能源資源；具有市場空間，尤其是缺電量地區(qū)；有較完善的接入電網(wǎng)系統(tǒng)。

2.4 抽水蓄能與新能源互補

通過抽水蓄能低谷蓄能、高峰發(fā)電，作為新能源的“蓄電池”、“調(diào)節(jié)庫”，也可利用其調(diào)頻、調(diào)相平抑新能源出力變化影響，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定，促進(jìn)新能源規(guī)?；l(fā)展，提高新能源利用率。

適用于具有建設(shè)抽水蓄能自然資源條件、周邊或者服務(wù)電網(wǎng)內(nèi)有新能源資源、且具有市場空間尤其是缺調(diào)峰容量及缺電量地區(qū)。

2.5 儲能與新能源互補

儲能建設(shè)地點靈活，除建設(shè)在電源側(cè)外，還可在電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)建設(shè)，通過儲能快速吸收和釋放有功及無功功率，達(dá)到平滑新能源出力，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定，提高新能源利用率的作用。

適用于周邊有新能源資源、且具有市場空間尤其是缺電量地區(qū)。

2.6 電網(wǎng)內(nèi)多能互補

電力系統(tǒng)內(nèi)有調(diào)節(jié)能力電源根據(jù)自身特點和優(yōu)勢，配合新能源運行，共同滿足用電需求和電網(wǎng)運行要求，以提高能源供需協(xié)調(diào)能力，增強能源系統(tǒng)綜合效率，促進(jìn)新能源消納。適用于具有兩種及兩種以上具有互補作用電源的電網(wǎng)。

3 多能互補研究重點

3.1 資源條件分析

重點研究該區(qū)各類能源資源條件，包括資源儲量、可開發(fā)量、分布以及地形地質(zhì)、交通、接入、投資經(jīng)濟(jì)性等建設(shè)條件，以分析其可用于組成多能互補的能源，為整個多能互補研究的基礎(chǔ)。

3.2 發(fā)電特性分析

發(fā)電特性分析是判斷能否實施多能互補和可能的多能互補組合方案的必要環(huán)節(jié)，通過擬定發(fā)電特征指標(biāo)體系來量化說明風(fēng)光發(fā)電特性，如圖2所示，結(jié)合對配套電源作用、調(diào)節(jié)性能、調(diào)節(jié)速率、耗能特性等發(fā)電特性進(jìn)行分析，從滿足調(diào)峰、調(diào)頻、儲能、輸電要求等方面初擬基本電源組合方案。

圖2 風(fēng)電、光伏發(fā)電出力特性指標(biāo)體系[4]

3.3 容量配比模型構(gòu)建

容量配比研究是多能互補研究的關(guān)鍵內(nèi)容，一般通過構(gòu)建多能互補計算模型及模型的求解進(jìn)行實現(xiàn)，以系統(tǒng)可再生能源利用率較高、總費用現(xiàn)值較小為優(yōu)化目標(biāo)，通過多方案計算，提出技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的電源容量配置方案。其模型構(gòu)建涉及基本參數(shù)、約束條件、評價標(biāo)準(zhǔn)、計算統(tǒng)計等。

3.3.1基本參數(shù)

基本參數(shù)包括各類電源規(guī)模，天然情況及風(fēng)光功率預(yù)測條件下的風(fēng)電、太陽能發(fā)電1年逐10分鐘或逐小時出力過程，配套相關(guān)電源出力過程及基荷出力、檢修安排、備用容量，輸電規(guī)模、負(fù)荷曲線或送電曲線，相關(guān)電源及輸電系統(tǒng)造價、運行費等，及其他如火電煤耗曲線(有火電情況下)、儲能轉(zhuǎn)換效率(有儲能情況下)等。

3.3.2約束條件

系統(tǒng)功率平衡約束

(1)

式中，PX.t為系統(tǒng)t時的負(fù)荷；Ni.t為第i種電源t時刻的出力；n為電源總數(shù)。

直流輸電功率約束

(2)

式中，PS.min為直流系統(tǒng)要求最小輸電功率。

機(jī)組有功出力約束

Ni.min≤Ni.t≤Ni.max

(3)

式中，Ni.min為第i種電源的出力下限；Ni.max為第i種電源的出力上限。

機(jī)組調(diào)節(jié)能力約束

ΔNi.down≤(Ni.t-Ni.t-1)≤ΔNi.up

(4)

式中，ΔNi.down為第i種電源單位時間內(nèi)的最大降負(fù)荷能力；ΔNi.up為第i種電源單位時間內(nèi)的最大升負(fù)荷能力。

常規(guī)水電水量平衡約束

(5)

式中，m為統(tǒng)計時段；Ei為第i座水電電源m時段(根據(jù)水庫調(diào)節(jié)能力，一般分日、月、年)的總水量(總電量)；Ei.t為第i座水電電源t時段的發(fā)電水量(電量)。

儲能(含抽水蓄能)蓄能量(或水量)平衡約束

(6)

式中，Ei.out為第i座儲能(含抽水蓄能)電站m時段發(fā)電量(發(fā)電水量)；Ei.t.in為第i座儲能(含抽水蓄能)電站t時段蓄能量(抽水水量)；η為儲能(含抽水蓄能)電站轉(zhuǎn)換效率。

3.3.3評價標(biāo)準(zhǔn)

技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的多能互補容量配比方案一般應(yīng)滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：

(1)滿足電力電量平衡要求、調(diào)峰容量平衡要求及電網(wǎng)輸電安全穩(wěn)定運行的一般要求。

(2)新能源棄電率一般控制在5%～10%。

(3)若為遠(yuǎn)距離輸電，輸電系統(tǒng)年利用小時一般宜在4 500 h以上。

(4)可再生能源占比滿足相關(guān)要求，并盡可能較高。

(5)該方案費用現(xiàn)值相對較低。

3.3.4計算統(tǒng)計

結(jié)合資源條件及發(fā)電特性分析，初步擬定多能互補電源容量配比方案，根據(jù)風(fēng)電、光電出力過程(考慮風(fēng)光功率預(yù)測時，采用允許誤差下的模擬出力過程)，按照負(fù)荷過程或輸電曲線，在約束條件限制下，再根據(jù)配合電源基本參數(shù)，調(diào)整配合電源出力，進(jìn)行逐時段計算，若不滿足系統(tǒng)平衡或目標(biāo)要求，調(diào)整容量配比重復(fù)相應(yīng)步驟計算，直至滿足要求。在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計計算各類電源設(shè)計電量、發(fā)電量、棄電量、發(fā)電利用小時，以及輸電利用小時、可再生能源占比、系統(tǒng)耗煤量、方案費用現(xiàn)值等指標(biāo)，判斷是否滿足系統(tǒng)可再生能源利用率較高、總費用現(xiàn)值較小等相關(guān)評價條件及優(yōu)化目標(biāo)，若滿足，則確定此容量配比方案為推薦方案，若不滿足，調(diào)整容量配比方案重復(fù)計算統(tǒng)計。多能互補電源配比計算流程見圖3。

圖3 多能互補電源配比計算流程

3.4 方案財務(wù)可行性分析

無論多能互補各類電源及相應(yīng)輸電系統(tǒng)的投資主體為一家還是多家企業(yè)，其終究要實現(xiàn)各方共贏，方能推動項目落地實施，因此需按照單獨和整體分別計算各類電源及輸電系統(tǒng)財務(wù)可行性。

一般情況下，配套風(fēng)電、光電按照平價或低價上網(wǎng)電價計算；配套其他電源若有標(biāo)桿電價，按標(biāo)桿電價計算，若無標(biāo)桿電價，按照行業(yè)或企業(yè)基準(zhǔn)收益率反算電價；過網(wǎng)費按照輸電投資、運行成本及輸電量等計算。在此基礎(chǔ)上計算加權(quán)平均電價，與供電范圍內(nèi)相關(guān)電源或其它送入電源的電價對比，分析其電價競爭力。也可按落地電價扣減過網(wǎng)費反推多能互補電源綜合上網(wǎng)電價，并按此電價計算多能互補方案總體財務(wù)可行性。

在計算財務(wù)可行性時，可考慮送、受端可再生能源配額及非水可再生能源配額指標(biāo)情況，估算碳交易收入，進(jìn)行財務(wù)敏感性分析，以彌補整體方案的財務(wù)收入。同時，還宜論述多能互補方案在滿足電力系統(tǒng)需求、拉動地方經(jīng)濟(jì)、促進(jìn)就業(yè)、節(jié)能減排等方面的作用。

3.5 接入設(shè)想及互補運行方式

確定多能互補方案后，在規(guī)劃研究階段，需提出多能互補各類電源接入系統(tǒng)設(shè)想方案，估算投資，分析其對綜合上網(wǎng)電價影響，為下階段研究和協(xié)調(diào)工作奠定基礎(chǔ)。

對于確定的方案，需結(jié)合方案研究時考慮的相關(guān)因素，制定多能互補系統(tǒng)調(diào)度運行規(guī)則及控制策略，并繪制典型工況運行方式示意圖。

3.6 對受端電網(wǎng)影響分析

通常情況下，多能互補電源組合方案重點考慮送電電源發(fā)電特性擬定，兼顧但并非完全滿足受端電網(wǎng)用電要求，因此，對于確定的多能互補方案，還需分析其送電過程與受端電網(wǎng)負(fù)荷特性的適應(yīng)性，分析受端電網(wǎng)電力電量市場空間，分析對受端電網(wǎng)調(diào)峰影響和系統(tǒng)安全穩(wěn)定性影響，必要時還需提出受端電網(wǎng)配套電源及配套電網(wǎng)建設(shè)要求或建議。

3.7 開發(fā)建設(shè)模式建議

多能互補工程項目按照政府引導(dǎo)、企業(yè)開發(fā)的模式，為發(fā)揮整體效益，建議采用統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一報批、有序?qū)嵤?、統(tǒng)一輸出、統(tǒng)一調(diào)度的原則。開發(fā)過程堅持生態(tài)優(yōu)先，促進(jìn)自然環(huán)境與可再生清潔能源和諧共融；堅持節(jié)約集約用地，注重公共基地設(shè)施建設(shè)與各開發(fā)地塊相協(xié)調(diào)；堅持因地制宜，進(jìn)行各類電源規(guī)劃布局，探索智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、高效化建設(shè)發(fā)展的新模式。

4 多能互補工程實踐

近十余年來，相關(guān)單位開展了各種形式的多能互補研究，本文僅列舉部分已開工或投運的工程項目供參考。

在電網(wǎng)內(nèi)多能互補、抽蓄與新能源互補方面，開展了抽水蓄能與風(fēng)電配合運行研究、西北地區(qū)多能互補研究、我國抽水蓄能電站發(fā)展規(guī)劃研究等[5]，開工建設(shè)了諸如新疆阜康、哈密等抽水蓄能電站，以期達(dá)到抽水蓄能電站與電網(wǎng)內(nèi)水電、火電等，共同配合千萬千瓦以上新能源運行。

依托哈密-鄭州±800 kV、酒泉-湖南±800 kV、寧東-浙江±800 kV、青海-河南±800 kV、準(zhǔn)東-皖南±1 100 kV等特高壓輸電通道，相繼開展新疆哈密地區(qū)千萬千瓦級風(fēng)電基地二期項目開發(fā)建設(shè)方案(電源配置為風(fēng)電800萬kW+光電125萬kW+火電500萬kW，后期考慮抽水蓄能約120萬kW)[6]、酒泉至湖南±800千伏特高壓直流輸電通道打捆外送方案研究(風(fēng)電700萬kW+光電280萬kW+火電400～600萬kW，后期考慮抽水蓄能約120萬kW)[7]、寧夏寧東能源基地規(guī)劃及風(fēng)光火聯(lián)合運行及打捆外送專題研究(風(fēng)電400萬kW+光電200萬kW+火電928萬kW)[8]、青海省海南州特高壓外送基地電源配置規(guī)劃(水電486萬kW+風(fēng)電400+光伏1000萬kW+光熱100萬kW，一期工程中水電146萬kW+風(fēng)電200萬kW+光電300萬kW)[9]、新疆準(zhǔn)東地區(qū)風(fēng)電外送規(guī)劃方案研究(風(fēng)電520萬kW+光電250萬kW+火電1320萬kW，火電部分緩建)[10]等規(guī)劃研究和工程建設(shè)。建成了全球最大的龍羊峽水光互補光伏電站工程[11]，其光伏電站裝機(jī)85萬kW；建成波波娜水光互補并網(wǎng)電站工程[12]，光伏電站裝機(jī)容量2萬kW；建成雙湖可再生能源局域網(wǎng)工程[13]，光伏發(fā)電1.3萬kW，儲能2.4萬kW·h。

5 展望及建議

在能源資源環(huán)境約束下，大力發(fā)展風(fēng)電、光電等新能源是未來我國能源發(fā)展的重要途徑，多能互補仍將是促進(jìn)新能源和各類能源協(xié)調(diào)發(fā)展、提高能源利用效率的必然選擇。我國能源資源分布特點決定了未來多能互補仍將是規(guī)模化開發(fā)與分布式并舉、跨區(qū)域消納與就近消納共存、電源側(cè)多能互補與源網(wǎng)荷儲一體化共建、單一提供電能與綜合能源互為補充的局面。隨著新能源技術(shù)不斷進(jìn)步、成本不斷下降，新能源跨入平價乃至低價上網(wǎng)時代；水電基地將更加側(cè)重以水風(fēng)光互補一體化形式開發(fā)利用，為配合新能源消納的已建水電將逐步實施擴(kuò)機(jī)；煤電著力實施清潔化改造、提高調(diào)峰能力，在電網(wǎng)中由承擔(dān)基荷電量向調(diào)峰及承擔(dān)輔助服務(wù)轉(zhuǎn)變；抽水蓄能、化學(xué)儲能、梯級電站儲能工廠將因地制宜、有序發(fā)展，除調(diào)峰填谷外，更多發(fā)揮其儲能、保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行作用；在實施可再生能源配額考核形勢下，將進(jìn)一步推動可再生能源跨區(qū)域輸送以及碳交易進(jìn)程。多能互補將充分依托互聯(lián)網(wǎng)+、5G、大數(shù)據(jù)、云計算等平臺建設(shè)智慧電站和智能電網(wǎng)，構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)，提高能源管理水平和利用效率。針對促進(jìn)新能源發(fā)展各形式多能互補的理論、模型、關(guān)鍵技術(shù)，以及在全面深化改革、供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、電力體制改革等形勢下的調(diào)度運行及體制機(jī)制、政策均將不斷創(chuàng)新、完善和提升，多能互補將更好服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展。

為健康有序推動多能互補項目實施，建議在政府引導(dǎo)和市場推動的原則下，建立健全多層次、全方位的協(xié)調(diào)機(jī)制；建議積極開展配合新能源運行電站參與調(diào)峰調(diào)頻補償政策的研究，建立更加完善的補償機(jī)制，建立與多能互補配套的電力調(diào)度及市場交易機(jī)制，提高多能互補系統(tǒng)運行水平，推動能源體制革命；建議進(jìn)一步研究提高特高壓外送通道中可再生清潔能源比例的調(diào)度運行關(guān)鍵技術(shù)和各類能源技術(shù)創(chuàng)新，推動能源技術(shù)革命和加強能源合作，實現(xiàn)大規(guī)模清潔能源的跨區(qū)消納；此外，加強輿論宣傳，引導(dǎo)全社會建立清潔低碳理念，使多能互補存在于生產(chǎn)生活各個領(lǐng)域，加快推動能源生產(chǎn)和消費革命。