新能源消纳关键因素分析及解决措施研究_舒印彪

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弃风弃光电量 储能及抽蓄削峰填谷 新能源消纳空间 常规机组最小技术出力
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4 0
6
12 时间/h
18
24
图4 Fig. 4
新能源消纳空间示意图
80%，且呈现一定的反调峰特性，如图 3 所示。光
伏发电受昼夜变化、天气变化、移动云层的影响， 同样存在间歇性和波动性。 新能源高比例接入电力系统后，增加了系统调 节的负担，常规电源不仅要跟随负荷变化，还需要 平衡新能源的出力波动[5-6]。 新能源出力超过系统调 节范围时，必须控制出力以保证系统动态平衡，就 会产生弃风、 弃光 能力密切相关。
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新能源理论可发电功率 负荷 + 联络线外送功率
图2 Fig. 2
我国风电和太阳能逐年发电量
Wind and solar power generation in China
从新能源装机容量与最大负荷的比值(即新能 源渗透率)来看，我国为 22%，高于美国(10%)，低 于丹麦(93%)、西班牙(78%)和葡萄牙(63%)，处于 中等水平。总体来看，我国新能源发展取得了举世 瞩目的成绩，装机总量已居世界第一，消纳总量实 现了快速增长。但在新能源整体渗透率并不突出的 情况下，弃风、弃光电量不断增加，引起社会广泛 关注，成为学界研究的焦点问题。如何减少弃风、 弃光，需要结合我国实际，从机理上深入探讨，分 析问题产生的根源，找出科学的解决途径。
消纳一直是世界性难题。由于我国的资源禀赋特 点、电力系统条件和市场机制问题，消纳新能源面 临更大挑战。随着新能源大规模开发，我国局部地 区消纳矛盾逐渐凸显，出现了弃风、弃光问题，引 起社会各界的关注。2015 年全国新能源消纳电量 223TWh， 弃风、 弃光总量 39TWh， 双双不断攀升。 本文在分析我国新能源并网和消纳基本情况 的基础上，系统性阐述了产生弃风、弃光问题的根 源，提出了解决新能源消纳问题的措施与方法，对 于推动我国新能源更好更快发展具有指导意义。
SHU Yinbiao1, ZHANG Zhigang1, GUO Jianbo2, ZHANG Zhengling1
(1. State Grid Corporation of China, Xicheng District, Beijing 100031, China; 2. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China) ABSTRACT: In recent years, China’s renewable energy has been growing rapidly with evident improvements in renewable energy accommodation. However, the phenomena of wind and solar power curtailment still exist, which brings serious challenge to power system economic operation. An overview of China’s renewable energy development status was presented, and the mechanism of renewable energy accommodation and the key factors for China’s renewable energy curtailments were deeply analyzed. A systemic technical solution to China’s renewable energy accommodation problems, focusing on thermal unit transformation, power system interconnection and demand side management, was proposed. Finally, the effectiveness of the proposed solution measures was verified through production simulation. KEY WORDS: renewable energy; accommodation; wind power curtailment; solar power curtailment 摘要：近年来，我国新能源快速发展，取得了举世瞩目的发 展成绩，同时也出现了较为严重的弃风、弃光问题。该文在 总结我国新能源消纳现状的基础上， 剖析了产生新能源消纳 问题的机理， 进而指出影响我国新能源弃风、 弃光问题的关 键因素。从灵活调节电源建设、火电机组改造、电网互联互 通以及需求侧响应等多方面， 系统性地提出了解决我国新能 源消纳问题的措施，并通过生产模拟进行了场景验证。 关键词：新能源；消纳；弃风；弃光
1 我国新能源消纳现状
近年来，我国新能源并网装机和消纳总量高速 增长。截至 2015 年底，我国风电累计装机容量达 到 128.30GW， “十二五”期间年均增长 34%；太阳 能发电装机容量 43.18GW， “十二五”期间年均增 长 119%。其中，国家电网公司调度范围风电累计 装机容量达到 116.64GW，占全国的 91%；太阳能 发电装机容量达到 39.73GW，占全国的 92%。国家 电网已成为世界上接入新能源容量最大的电网。 “十二五”期间我国风电、太阳能发电逐年装机容 量如图 1 所示。 2015 年，全国风电发电量 185.1TWh， “十二 五”年均增长 30%；太阳能发电量 38.3TWh， “十
[7-8]
Renewable energy generation accommodation space schematic diagram
系统 t 时刻最大可消纳新能源电力 Pa(t)满足 式(1)： Pa (t ) Pl (t ) Pt (t ) Pg,i ,min Pl (t ) Pt (t )
2 新能源消纳问题机理分析
2.1 新能源参与下的时变电力系统平衡调节问题 电力系统的发、供、用同时完成。电力负荷呈 现明显的时变特点，目前我国区域电网峰谷差已达
10 负荷/GW
4 3
8
负荷
2 1
30%左右，并呈逐步扩大的趋势。系统平衡的原则
是调节常规电源出力跟踪负荷变化，保持动态平 衡[4]。电力系统平稳运行的一个基本条件是系统调 节能力必须大于负荷的变化。 由于风、光的资源特性，新能源出力存在随机 性和波动性。风电日波动最大幅度可达装机容量的
某省某典型日风电出力和负荷曲线 Wind power and load curve in a province on a typical day
Fig. 3
2011
2012
2013 年份
2014
2015
在一定规模的电力系统中，系统调节能力主要 由电源调节性能决定，与电源结构相关。不同类型 电源的调峰深度有很大差异。核电机组通常作为基 荷运行，较少参与系统调节。凝汽燃煤机组和供热 火电机组调节性能较差[9]。燃气、抽水蓄能、水电 等电源能够快速启停、大幅调节，灵活参与平衡。 我国电源结构以火电为主，电源总体调节性能主要 取决于火电调峰深度和灵活调节电源比例。 2.2 新能源消纳关键因素理论分析 对于内部无网络约束的系统，新能源消纳只需 满足发、用电动态平衡和系统调节能力下限约束， “负荷+联络线外送功率”曲线与系统调节能力下 限之间的系统调节空间，即理论上的新能源最大消 纳空间，如图 4 所示。
Pt,min (t ) Pt (t ) Pt,max (t )
Ea El (1 ) ( El / T R ) Et,A
(8)
式中 Et,A 为电网互联增加的新能源消纳空间。实际 电网中，计划外送电力通常安排参与调峰，送电高 峰与负荷高峰时段重合，Et,A 可表示为：
2
中
国
电
机
工
程
学
0.50 0.46
报
第 37 卷
0.85
负荷
二五”年均增长 219%，风电、太阳能发电量增速 比同期全国发电量增速高出 28.7 个百分点。 风电发
风电/pu
2015 年 3.23%，太阳能发电量占比由 0.003%提高 到 0.688%。 “十二五”期间风电和太阳能电量增长 如图 2 所示。
第 37 卷 第 1 期 2017 年 1 月 5 日 DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.162555
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE
报
Vol.37 No.1 Jan.5, 2017 ©2017 Chin.Soc.for Elec.Eng. 中图分类号：TM 614
1
文章编号：0258-8013(2017) 01-0001-08
新能源消纳关键因素分析及解决措施研究
舒印彪 1，张智刚 1，郭剑波 2，张正陵 1
(1．国家电网公司，北京市来自百度文库西城区 100031；2．中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192)
Study on Key Factors and Solution of Renewable Energy Accommodation
I i
( Pg,i ,max i Pg,i,max ) Pl (t ) Pt (t )
i
I
。 新能源消纳问题与系统调节
(1 ) Pg,i ,max
i
I
新能源理论可发电功率/GW
常规机组最大技术出力
正备用
5
负荷/pu
电量占全部发电量的比例由 2010 年 0.7%提高到
0.75 0.42
(1)
第1期
I i
舒印彪等：新能源消纳关键因素分析及解决措施研究
3
i Pg,i,max / Pg,i,max
i
I
(2)
越小，新能源理论消纳空间越大。 电网互联后，新能源消纳电量空间为：
式中：Pl(t)为 t 时刻的负荷功率；Pt(t)为 t 时刻的联 络线外送功率，送出为正；Pg,i,max 为系统内第 i 台 常规机组的最大技术出力；Pg,i,min 为系统内第 i 台 常规机组的最小技术出力；I 为系统中所有常规机 组的台数；βi 是第 i 台机组的调峰深度；为系统内 常规机组的平均调峰深度。 其中，联络线功率必须满足通道能力的约束：
Et,A [ Pt (t ) (1 ) max( Pt,plan (t ))]dt T Pt,max (t ) (1 ) max( Pt,plan (t ))dt
(9)
(3)
由式(9)，减少常规电源计划外送电力，根据新 能源出力灵活安排外送，能够最大程度利用通道容 量，增加新能源消纳空间。电网互联互通为实现调 节能力的全局配置提供了物理支撑。 从体制机制上，新能源电力灵活外送需要配套 建立跨区跨省交易和辅助服务市场机制，解除省间 交易壁垒，调动调峰服务积极性。对于完全按照计
[1-3]
。
2.95
我国积极推动新能源发展， “十二五”末，新 能源累计装机容量达到 171.48GW， 居世界第一位。 风、光等新能源出力具有随机性和波动性，大规模
Fig. 1
2011
2012
2013 年份
2014
2015
图 1 我国风电和太阳能逐年装机容量 Wind and solar power installed capacity in China
140 装机容量/GW 100 60 20
太阳能装机 风电装机
76.52 60.62 46.23 6.50 17.45 28.05 43.18 128.30 96.57
0 引言
能源是经济与社会可持续发展的基础，是人类 生产与生活不可缺少的动力保障。随着能源安全、 生态环境、气候变化等问题日益突出，加快发展新 能源已成为国际社会推动能源转型发展、应对全球 气候变化的普遍共识和一致行动
200 发电量/(TWh) 160 120 80 40 0
0.7 74.1 20.8 38.3 185.1 159.8 138.3 102.8
0.38
风电
0.65
0.34 0.30 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 时间/h
0.55
太阳能发电量 风电发电量
图3
3.7 9.1