岑 彬

（國能浙江北侖第一發(fā)電有限公司,浙江 寧波 315800）

能源是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展不可缺少的生產要素和物質基礎。隨著國民經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，對能源的需求量日益增加，供求矛盾將愈發(fā)突出。由于傳統(tǒng)能源消耗量的迅速增加以及環(huán)境污染問題日趨嚴重，許多國家和地區(qū)大規(guī)模地開展了新能源的探索工作。近年來，為推動實現(xiàn)碳達峰、碳中和，我國在堅持安全降碳，在保障能源安全的前提下，大力實施可再生能源替代，加快構建清潔低碳安全高效的能源體系。然而，由于以風能、太陽能等為代表的新能源存在出力不穩(wěn)定的缺點，“棄風棄光”問題也日益突出，甚至對電網(wǎng)的運行帶來一定的威脅。因此，為了能夠消納逐漸增加的可再生能源，需要積極采取相應的舉措。

本文對國內外可再生能源消納問題的科研進展進行系統(tǒng)調研，分析造成“棄風棄光”現(xiàn)象的主要原因，并提出解決新能源消納問題的對策和具體措施，以期為推動我國能源事業(yè)高質量發(fā)展提供參考。

1 我國可再生能源發(fā)展現(xiàn)狀

我國能源結構的基本特征是“富煤、貧油、少氣”，長期以來，我國能源消耗以煤為主（我國煤炭消費量每年約占全世界煤炭消耗總量的26.6%，約占我國能源消耗總量的67%），這在很大程度上使我國成為世界最大的碳排放國，占世界能源碳排放總量比重的28.8%。2020年9月22日，習近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上宣布，中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。為了實現(xiàn)“雙碳”目標，展現(xiàn)我國作為負責任大國積極應對全球氣候變化的決心，推動能源結構轉型已成為我國當下社會發(fā)展的重要議題。

圖1是2011—2020年我國電力裝機結構比例圖[1]。由圖1可知，我國的太陽能、風能等可再生能源的開發(fā)力度逐年增大，風能、太陽能發(fā)電裝機容量占比逐年穩(wěn)步上升。在這10年間，風電裝機容量提高了約6倍，太陽能發(fā)電裝機容量提高近120倍。總體來看，我國新能源發(fā)展取得了舉世矚目的成績，裝機總量已躍居世界第一[2]。然而，現(xiàn)階段，大規(guī)模、高比例的可再生能源發(fā)電并網(wǎng)尚存在一定的技術瓶頸，影響其消納比例。僅在2019年上半年，棄風電量和棄光電量分別為10.5 TW·h和2.6 TW·h。此外，由于易受自然條件的影響，可再生能源出力一般具有隨機性和波動性，這會影響到電網(wǎng)中電力平衡的維持。同時，可再生能源電力市場交易機制不成熟等問題也隨之產生。因此，提高電力系統(tǒng)消納可再生能源的能力已成為我國能源結構轉型進程中的當務之急。

圖1 2011—2020年全國電力裝機結構比例圖

2 可再生能源難以消納的原因

2.1 區(qū)位因素

據(jù)相關研究中所闡述的我國風力發(fā)電及光伏發(fā)電容量系數(shù)狀況可知，從地域方面來看，我國風能資源豐富的地區(qū)主要分布在“三北”（華北、東北、西北）地區(qū)[3]。但受到經(jīng)濟社會發(fā)展水平和人口數(shù)量的制約，當?shù)赜秒娦枨蟛蛔阋韵{大量可再生能源；同時，現(xiàn)有的電網(wǎng)規(guī)劃難以滿足大量可再生能源并網(wǎng)的需求，導致可再生能源上網(wǎng)增速與電站建設速度不匹配，跨區(qū)域配電網(wǎng)建設改造與可再生能源的發(fā)展不協(xié)調，以至于這些電力資源不能被很好地輸送到用電負荷中心地區(qū)而造成浪費。

2.2 調峰因素

可再生能源發(fā)電存在隨機性和間歇性的缺點，而通過提升電力系統(tǒng)調峰能力的方法可以有效促進可再生能源的消納。水電的調峰能力強，啟停速度快，能夠很好地承擔部分調峰和填谷工作。但是由于我國地理等條件限制，水電的發(fā)電量和裝機容量占比較小，因此依靠水電進行電網(wǎng)調峰任務并不現(xiàn)實。而采用核電調峰，會導致核電機組的發(fā)電效率和運行安全性降低。由于核電機組對安全性有極高的要求，因此在非必要情況下不會使用核電進行調峰。燃氣輪機發(fā)電是解決電網(wǎng)調峰問題的方法之一，其具有能夠實現(xiàn)快速啟停、操作靈活、負荷升降快、運行安全的特點。然而，受制于我國的資源現(xiàn)狀，燃氣機組只能在小范圍內得到應用，因此燃氣也不能成為調峰的主要手段。作為我國發(fā)電行業(yè)的主體，火電機組承擔了調峰任務的大部分工作。然而目前，我國火電機組的調峰能力仍低于國際水平，且在可再生能源較為豐富的“三北”地區(qū)，火電機組冬季還需進行供暖工作，導致其調峰能力大大降低[4]。

2.3 市場及政策因素

近年來，全國電力需求增速放緩，傳統(tǒng)能源由于成本低廉且出力穩(wěn)定，對可再生能源的發(fā)展造成一定程度的限制，成為導致可再生能源消納難的重要原因之一。此外，我國的電力市場建設仍處于初步階段，關于可再生能源的價格補貼、調峰補償機制等具體政策的研究尚未完善，難以推動火電靈活性改造、儲能裝置的建設，也未能調動火電企業(yè)參與調峰的積極性。電力的跨區(qū)域輸送并未被納入國家能源戰(zhàn)略指定的送受電計劃中，相關政策的不完善導致各地對消納可再生能源的積極性不足，阻礙了可再生能源向外輸送。

3 可再生能源的消納措施

3.1 火電機組深度調峰改造

2021年8月10日，國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布《關于鼓勵可再生能源發(fā)電企業(yè)自建或購買調峰能力增加并網(wǎng)規(guī)模的通知》（以下簡稱《通知》）?！锻ㄖ访鞔_，在電網(wǎng)企業(yè)承擔可再生能源保障性并網(wǎng)責任的基礎上，鼓勵發(fā)電企業(yè)通過自建或購買調峰儲能資源的方式，擴大可再生能源發(fā)電裝機并網(wǎng)規(guī)模。自建調峰資源指發(fā)電企業(yè)按全資比例建設抽水蓄能、化學儲能電站、氣電、光熱電站或開展煤電靈活性改造。2021年10月，國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布的《全國煤電機組改造升級實施方案》提出，各地在推進煤電機組改造升級工作過程中，需統(tǒng)籌考慮煤電節(jié)能降耗改造、供熱改造和靈活性改造制造，實現(xiàn)“三改”聯(lián)動。同時，要合理安排機組改造時序，保證本地電力安全可靠供應。

火電靈活性是電力系統(tǒng)靈活性的關鍵指標?；痣婌`活性通常指火電機組的運行靈活性，即火電機組的出力變化范圍、響應時間、負荷變化速率等反映機組適應電網(wǎng)出力波動大、響應速度快的要求的能力[5]。

由于我國的火電機組設計時并未考慮深度調峰需求，只能通過技術改造提高火電機組的靈活性。其中最為常見的方法是對鍋爐低負荷穩(wěn)定燃燒方面進行相關改造，具體工作內容包括制粉系統(tǒng)改造、煤質摻燒、精細化調整、燃燒器改造、智能控制等。實際工程中，西安熱工研究院有限公司對330 MW亞臨界熱電聯(lián)產機組進行優(yōu)化，將鍋爐不投油最低穩(wěn)燃負荷降低到額定負荷的25%～30%，并將機組的負荷變化速率提升至2% Pe/min[6]。2019年，大唐三門峽發(fā)電公司機組深度調峰取得新突破，該公司二期630 MW機組單機深度調峰至135 MW穩(wěn)定運行，機組調峰深度達到21.4%，各項參數(shù)及環(huán)保指標均正常穩(wěn)定。

除此之外，通過對鍋爐性能進行調峰實驗，進而提出針對性的優(yōu)化建議，也是常見的靈活性改造方案。陳宇等（2019）對浙江省58臺300 MW及以上的火電機組40%額定負荷進行了調峰試驗，分析汽輪機及其輔助設備運行時對調峰能力的影響[7]。洪軍等（2021）對某660 MW超臨界燃煤發(fā)電機組進行了提高鍋爐調峰性能的試驗研究，調整后，實現(xiàn)了鍋爐在30%額定負荷下的穩(wěn)定運行[8]。

3.2 提高可再生能源出力預測精度

提高可再生能源出力的預測水平，可以有效降低新能源出力的不確定性。圖2、圖3分別為海南省光伏發(fā)電典型日出力曲線和風力發(fā)電典型日出力曲線[9]。由圖2、圖3可以看出，光伏發(fā)電出力主要集中在日間11:00—16:00，風力發(fā)電出力具有夜間出力大、白天出力小的特點，兩者的典型日出力都具有一定的時間規(guī)律?？稍偕茉窗l(fā)電企業(yè)可以運用大數(shù)據(jù)、人工智能技術，根據(jù)過往發(fā)電數(shù)據(jù)，結合外界影響因素（如太陽輻射強度、氣溫、風速等），對可再生能源的發(fā)電量進行時序預測。這一措施可以為可再生能源發(fā)電項目的興建與調度提供充分的數(shù)據(jù)支撐，有利于促進電網(wǎng)工作方式的合理發(fā)展，保障電力系統(tǒng)的安全性。此外，可再生能源發(fā)電量的預測也有助于主體多元、競爭有序的電力交易市場體系的構建。綜上，通過數(shù)字化技術實現(xiàn)可再生能源的高精度預測，對其在電力系統(tǒng)中的消納有著積極的影響。

圖2 海南省光伏發(fā)電典型日出力曲線

圖3 海南省風力發(fā)電典型日出力曲線

3.3 推動儲能技術發(fā)展

電網(wǎng)的運行具有發(fā)電與用電動態(tài)平衡的特點，傳統(tǒng)能源可以做到通過統(tǒng)一調度規(guī)劃來滿足用電需求，而可再生能源大多受到外界氣候因素、自然資源的影響，出力具有很強的波動性，且出力規(guī)律時常與實際用電需求相悖。為了解決可再生能源發(fā)電與用電不匹配的問題，突破發(fā)電不能存儲的困境，儲能技術逐漸進入大眾視野。儲能技術是指利用大容量且能實現(xiàn)快速充放電的儲能設施裝置或物理介質將能量存儲起來的技術，主要有物理儲能、電化學儲能、儲熱和儲氫、電磁儲能等。大量儲能電站的建設與投用可以在電網(wǎng)負荷處于高峰期時輸出功率，負荷處于谷值期時吸收功率，縮小系統(tǒng)的峰谷差，平滑負荷曲線，從而提升電網(wǎng)的可再生能源消納能力，保障電網(wǎng)運行的靈活與穩(wěn)定。

3.4 加快電力市場建設

由于我國電力市場建設起步較晚，可再生能源領域相關的政策法規(guī)還不夠完善。近年來，國家推出多項舉措，通過市場手段來改善可再生能源的消納問題。2021年，國家發(fā)改委、國家能源局等9部門聯(lián)合印發(fā)《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》，《規(guī)劃》中明確指出，一方面要健全可再生能源電力消納保障機制，強化可再生能源電力消納責任權重引導，加強可再生能源電力消納責任權重評價考核，建立健全可再生能源電力消納長效機制；另一方面，要完善可再生能源市場化發(fā)展機制，完善可再生能源全額保障性收購制度，發(fā)揮全國統(tǒng)一電力市場體系價格信號引導作用，通過市場機制優(yōu)化可再生能源開發(fā)建設布局。這些舉措能夠有效激發(fā)市場主體活力，完善可再生能源電力消納保障機制，充分發(fā)揮市場在資源配置中的決定性作用[10]。

此外，擴大可再生能源外送區(qū)域也是解決可再生能源消納問題的關鍵手段之一。鑒于我國可再生能源的分布特點，如何將可再生能源電力輸送至用電需求更大的地區(qū)成為迫切需要解決的問題。這就需要有關部門創(chuàng)建新能源跨區(qū)域消納機制，打破地域市場壁壘，全國上下一盤棋，促進可再生能源在更大范圍內進行消納。

4 結語

隨著我國碳達峰、碳中和重點任務的推進，大力開發(fā)可再生能源已經(jīng)成為我國能源發(fā)展的方向，隨著越來越多風電、太陽能發(fā)電等負荷變動快的可再生能源發(fā)電設備投入使用，棄風棄光電量隨之增加，我國新能源消納問題日益凸顯。為了解決可再生能源分布不合理、跨區(qū)域輸配電能力不足、市場體制不完善等突出問題，需要從“源—網(wǎng)—荷”角度入手，大力發(fā)展火電機組靈活性改造技術、可再生能源出力預測技術，大力發(fā)展蓄水儲能和電化學儲能等一系列儲能技術，同時加快完善電力市場建設，多措并舉，多計共施，電力監(jiān)管機構、發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)相互協(xié)調，提高可再生能源的消納率，從而推動我國可再生能源產業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。