陳祖力 榮 幸 曾 亮 隋 兵 江全才

1.國(guó)網(wǎng)荊州供電公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究所 湖北荊州 434000；2.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院 湖北宜昌 443002

2020年，中國(guó)提出將采取更加有力政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年達(dá)到峰值，爭(zhēng)取2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，首次具體明確了我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和工作方向。中國(guó)作為一個(gè)工業(yè)化起步晚，尚處于工業(yè)化大發(fā)展時(shí)期的發(fā)展中大國(guó)，向世界彰顯了我們的責(zé)任擔(dān)當(dāng)[1]。電力是我國(guó)能源供給的主力軍，以傳統(tǒng)火力發(fā)電為主的電源結(jié)構(gòu)構(gòu)成使得電力能源自然成為碳排放大戶(hù)，我國(guó)目前年碳排放量100億噸左右，電力能源年碳排放量45億噸以上。截至2021年底，我國(guó)火電發(fā)電裝機(jī)容量為129678萬(wàn)kW/h，占全部裝機(jī)容量的54.6%。[2]

提高新能源在整個(gè)電能供應(yīng)結(jié)構(gòu)中的比例，使電力能源碳減排自然成為重中之重。2021年3月，中央提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的要求。提出到2030年我國(guó)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億kW以上的新能源建設(shè)指標(biāo)。國(guó)家電網(wǎng)有限公司則提出，到2030年公司經(jīng)營(yíng)區(qū)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到10億kW以上的響應(yīng)指標(biāo)，全國(guó)電力新能源裝機(jī)容量達(dá)到17億kW以上。長(zhǎng)期來(lái)看，增加風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電裝機(jī)是提高我國(guó)清潔能源占比、降低電力生產(chǎn)碳排放非常有效的一項(xiàng)措施。

但是，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電受氣象條件影響極大，能源出力呈現(xiàn)波動(dòng)性、間歇性的特征，負(fù)荷平衡和電網(wǎng)運(yùn)行控制調(diào)度難度增大，導(dǎo)致局部時(shí)間不得不出現(xiàn)嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象。[3-4]因此，科學(xué)規(guī)劃風(fēng)光能源接入電能的輸送、接納、區(qū)域消納、轉(zhuǎn)供、儲(chǔ)能、綜合能源轉(zhuǎn)換利用等項(xiàng)目建設(shè)，構(gòu)建大電網(wǎng)電能接納、消納、轉(zhuǎn)供、儲(chǔ)能、綜合能源轉(zhuǎn)換利用框架，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光能源的“有量盡接”全部適時(shí)接納及供用平衡是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

本文結(jié)合風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電的特征，提出平衡型電網(wǎng)的構(gòu)建方法。以荊州地區(qū)為例，通過(guò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析，提出新能源接入的負(fù)荷平衡方法，為區(qū)域內(nèi)新能源開(kāi)發(fā)及接入提供指導(dǎo)。

1 平衡型電網(wǎng)的構(gòu)建策略

在新能源接入條件下，要構(gòu)建平衡型電網(wǎng)，首先需要對(duì)供電轄區(qū)內(nèi)的風(fēng)光能源資源信息有一個(gè)全面的掌握，然后結(jié)合供電現(xiàn)狀及未來(lái)電力需求，研究風(fēng)光等新能源供電量及出力時(shí)序波動(dòng)特征，在此基礎(chǔ)上提出風(fēng)光能源建設(shè)項(xiàng)目規(guī)劃與電網(wǎng)網(wǎng)架建設(shè)改造規(guī)劃，最后運(yùn)用全面綜合性大數(shù)據(jù)云計(jì)算信息平臺(tái)實(shí)現(xiàn)平衡型電網(wǎng)的構(gòu)建。平衡型電網(wǎng)的構(gòu)建流程如下：

首先，調(diào)研收集供電轄區(qū)內(nèi)風(fēng)光資源信息，包括當(dāng)前現(xiàn)狀、類(lèi)型、規(guī)模、等級(jí)、分布區(qū)域、建設(shè)條件、擬接入電網(wǎng)層次劃分等，建立供電轄區(qū)風(fēng)光能源資源信息數(shù)據(jù)庫(kù)。然后分析供電現(xiàn)狀與未來(lái)電力需求，供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，供電層次、區(qū)域劃分，電網(wǎng)負(fù)荷特性與負(fù)荷預(yù)測(cè)，供電需求，建立供電轄區(qū)電力需求信息數(shù)據(jù)庫(kù)。其次，研究分析供電轄區(qū)風(fēng)光能源供電量規(guī)模及出力時(shí)序波動(dòng)特征，對(duì)比轄區(qū)用電量峰谷時(shí)序變化規(guī)律，基于電網(wǎng)供電能力與接納能力、消費(fèi)能力的現(xiàn)狀，以滿(mǎn)足轄區(qū)電力供需平衡為目的，提出供電轄區(qū)風(fēng)光能源建設(shè)項(xiàng)目規(guī)劃，基于轄區(qū)供電能力與接納能力、消費(fèi)能力的電力不平衡，培植電網(wǎng)轉(zhuǎn)供、儲(chǔ)能、多元化消納與綜合利用、電氣化擴(kuò)大利用及節(jié)能等項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，依托上一級(jí)大電網(wǎng)資源，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)供電轄區(qū)電力供需總體平衡和適時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整。利用抑制風(fēng)光能源電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)、頻帶振蕩、環(huán)流與諧振的理論研究成果和開(kāi)發(fā)研制出來(lái)的有效抑制設(shè)備裝置技術(shù)，結(jié)合供電轄區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)實(shí)際，推廣有效抑制和消除風(fēng)光能源的電能質(zhì)量缺陷設(shè)備裝置，提出供電轄區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架建設(shè)與改造項(xiàng)目規(guī)劃，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。最后，運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)，研究分析供電轄區(qū)電能生產(chǎn)、輸送、接納、消費(fèi)、儲(chǔ)能及擴(kuò)大電氣化利用、交易等信息關(guān)聯(lián)、制約、融合，提出建立全面綜合性大數(shù)據(jù)云計(jì)算信息平臺(tái)建議，為轄區(qū)電力的平衡調(diào)度和目標(biāo)融合、標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一、多元化利用平衡提供參考。

2 案例分析

針對(duì)本文提出的平衡型電網(wǎng)的構(gòu)建策略，以湖北荊州供電公司為例，進(jìn)行平衡型電網(wǎng)構(gòu)建分析。

2.1 能源構(gòu)成分析

以2020年為基準(zhǔn)年，荊州供電公司轄區(qū)已投入運(yùn)行電力能源類(lèi)型以火電(含生物質(zhì)、余熱等)、光電、風(fēng)電、水電能源構(gòu)成。荊州供電公司轄區(qū)能源構(gòu)成如表1所示：

表1 能源結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

從圖2可以看出，2020年荊州供電公司轄區(qū)火電、光電、風(fēng)電、水電裝機(jī)容量占比分別為72.2%、17.2%、8.7%、1.8%，傳統(tǒng)火電能源仍然是主力軍。從發(fā)電量和上網(wǎng)電量數(shù)據(jù)看，火電更是達(dá)到92.1%和91.1%的絕對(duì)高比例，未來(lái)電能供給還將相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間依賴(lài)火電能源，以風(fēng)光新能源項(xiàng)目建設(shè)為主體的電源結(jié)構(gòu)調(diào)整任務(wù)艱巨。從單位電源裝機(jī)容量年發(fā)電量貢獻(xiàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)看，水電、火電、光伏、風(fēng)電發(fā)電量差別巨大，僅以光伏、風(fēng)電與火電比較，火電單位裝機(jī)容量年發(fā)電量貢獻(xiàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)分別是光伏、風(fēng)電單位裝機(jī)容量年發(fā)電量貢獻(xiàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)的5倍以上，未來(lái)要實(shí)現(xiàn)風(fēng)光能源替代火電能源滿(mǎn)足電力需求，風(fēng)光電源裝機(jī)容量必須大幅度提升，大力發(fā)掘風(fēng)光能源資源，加大風(fēng)光能源建設(shè)投入是關(guān)鍵。

2.2 風(fēng)光接入的經(jīng)濟(jì)性分析

新能源發(fā)電量隨季節(jié)的變化如圖3所示，不同能源裝機(jī)容量年均單位發(fā)電量存在較大差異，風(fēng)電和光電能源月均單位容量裝機(jī)發(fā)電量季節(jié)性波動(dòng)明顯，風(fēng)電和光電能源裝機(jī)容量年均單位發(fā)電量要遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的水電和火電能源，與火電能源比較，火電能源每千瓦裝機(jī)容量的年均發(fā)電量分別是風(fēng)電和光電能源的2～4倍和4～5倍，風(fēng)光能源單位裝機(jī)容量低位產(chǎn)出問(wèn)題較突出。意味著在同等發(fā)電量條件下，若以風(fēng)電能源替代火電能源，風(fēng)電能源裝機(jī)容量應(yīng)提供火電能源2～4倍的等量裝機(jī)容量，若以光電能源替代火電能源，光電能源裝機(jī)容量需達(dá)到火電能源4～5倍的等量裝機(jī)容量，風(fēng)光能源二者相比較，風(fēng)電能源單位裝機(jī)容量的年均發(fā)電量高于光電能源20%～80%，僅考慮單位裝機(jī)容量的年均發(fā)電量單一因素，風(fēng)電電源裝機(jī)更優(yōu)。

荊州供電公司轄區(qū)風(fēng)光能源在裝備容量及其占比、發(fā)電量及其占比方面仍然存在巨大差距，在資源開(kāi)發(fā)及建設(shè)資金投入額方面存在較大困難，風(fēng)光能源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)建設(shè)在短期時(shí)間內(nèi)還不足以改變轄區(qū)的能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)和方式，相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，轄區(qū)的能源供應(yīng)仍舊要以火電能源和網(wǎng)購(gòu)電能來(lái)保證。近年來(lái)，風(fēng)光能源建設(shè)項(xiàng)目發(fā)展迅速，推動(dòng)了行業(yè)技術(shù)進(jìn)步和裝備能力提升，使得風(fēng)光能源單位裝機(jī)容量資金投入額下降，風(fēng)光能源建設(shè)資金投入成本降低，進(jìn)一步促進(jìn)了風(fēng)光能源的建設(shè)發(fā)展。風(fēng)光能源單位裝機(jī)容量資金投入?yún)⒖紨?shù)據(jù)如表2所示：

表2 風(fēng)光電源單位裝機(jī)容量資金投入數(shù)據(jù)參考表(萬(wàn)元/MW)

由此可見(jiàn)，風(fēng)光能源單位裝機(jī)容量資金投入以光電最低，風(fēng)電單位裝機(jī)容量資金投入是光電單位裝機(jī)容量資金投入的2倍以上，表明光電單位裝機(jī)容量資金投入經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

下面進(jìn)行風(fēng)光能源建設(shè)項(xiàng)目綜合經(jīng)濟(jì)性比較。根據(jù)荊州供電公司轄區(qū)風(fēng)光電源年均發(fā)電出力情況和單位裝機(jī)容量資金投入綜合分析風(fēng)光能源建設(shè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性，投入產(chǎn)出經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對(duì)比如表3所示：

表3 風(fēng)光電源項(xiàng)目投入產(chǎn)出經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比表

綜合對(duì)比，光電投入產(chǎn)出經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)優(yōu)于風(fēng)電，光伏電源每萬(wàn)元裝機(jī)投入產(chǎn)生的年均發(fā)電量是風(fēng)電的1～2倍以上，如果剔除風(fēng)光能源發(fā)電運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和使用壽命期的較小差異，光電能源投入產(chǎn)出效益明顯高于風(fēng)電能源。建議荊州供電公司轄區(qū)優(yōu)先開(kāi)發(fā)具備條件的光電能源建設(shè)項(xiàng)目。

2.3 配網(wǎng)負(fù)荷平衡建議

為了研究分析荊州供電公司電力供需平衡，本文采取按主配網(wǎng)區(qū)分，主網(wǎng)按變電站電壓等級(jí)區(qū)別逐步進(jìn)行。以區(qū)域電源供給量自我平衡為基礎(chǔ)平臺(tái)，按供電網(wǎng)區(qū)域?qū)哟蝿澐郑鹨谎芯糠治鲭娏┬枞笨?、盈余裕度等要素，提出區(qū)域電源建設(shè)、電力平衡調(diào)度、電能綜合利用等方面的總體建議。

首先，從配電臺(tái)區(qū)著手，沿配電臺(tái)區(qū)380V線路路徑摸底調(diào)查清楚配電臺(tái)區(qū)供電用戶(hù)光伏電能資源及意愿，根據(jù)資源量建立小型分布式可供選擇投入建設(shè)的220V電壓等級(jí)家庭式光伏電源規(guī)模和時(shí)序。10kV電壓等級(jí)光伏電源以分散式小規(guī)模三相T接接入10kV配電線路或以配電線路接入35kV變電站出口側(cè)間隔，匯總計(jì)入配電網(wǎng)供電負(fù)荷、供電量。

其次，以配電臺(tái)區(qū)用戶(hù)數(shù)和戶(hù)均容量標(biāo)準(zhǔn)為基數(shù)，考慮臺(tái)區(qū)小負(fù)荷型用戶(hù)及公共設(shè)施等用電需求，輔以電力增長(zhǎng)年度預(yù)測(cè)，計(jì)算配電臺(tái)區(qū)供電負(fù)荷、供電量需求，建立各配電臺(tái)區(qū)電力需求年度臺(tái)賬，臺(tái)區(qū)實(shí)現(xiàn)自產(chǎn)自供目標(biāo)下供電負(fù)荷、供電量余缺和時(shí)序，依據(jù)供需從屬關(guān)系匯總建立對(duì)上級(jí)10kV配電線路、35kV變電站的電力需求年度臺(tái)賬，供電負(fù)荷、供電量余缺和時(shí)序，完成各配電網(wǎng)電力需求基礎(chǔ)臺(tái)賬建設(shè)工作。

再次，依據(jù)配電網(wǎng)電力需求基礎(chǔ)臺(tái)賬，供電負(fù)荷、供電量余缺和時(shí)序，對(duì)比轄區(qū)光伏能源資源，結(jié)合年度光伏能源建設(shè)計(jì)劃和實(shí)際完成情況，計(jì)算出配電網(wǎng)分年度電力需求余缺，進(jìn)而提出和建立各配電網(wǎng)對(duì)主網(wǎng)的年度滾動(dòng)供電需求計(jì)劃和余量上網(wǎng)返供計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)各配電網(wǎng)滾動(dòng)平衡供給。

最后，分析投資效益，提出光伏電源上網(wǎng)技術(shù)方案。從經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)可行、電網(wǎng)運(yùn)行安全可靠等方面考慮，屋頂光伏電源以220V電壓等級(jí)家庭式小型分布式電源接入上網(wǎng)最優(yōu)，光伏電源裝機(jī)容量小于12kW時(shí)采取單相T接上網(wǎng)模式，電源裝機(jī)容量12～40kW時(shí)采取三相T接上網(wǎng)模式，電源裝機(jī)容量大于40kW時(shí)采取三相T接逆變上網(wǎng)模式，自備儲(chǔ)能電池自我調(diào)節(jié)光伏發(fā)電時(shí)刻與用電時(shí)刻的負(fù)荷和電量平衡，自備儲(chǔ)能電池容量按裝機(jī)用戶(hù)滿(mǎn)足日累計(jì)最大用電負(fù)荷需求為最低條件，即以裝機(jī)用戶(hù)容量乘以24小時(shí)為自備儲(chǔ)能電池容量。光伏發(fā)電電能全部經(jīng)儲(chǔ)能上網(wǎng)，用戶(hù)用電使用原配電網(wǎng)上網(wǎng)取電，設(shè)置雙向計(jì)量裝置。在380V配電臺(tái)區(qū)出口端設(shè)置三相不平衡自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，集中解決配電臺(tái)區(qū)線路三相不平衡和低電壓?jiǎn)栴}。同時(shí)，根據(jù)該配電臺(tái)區(qū)光伏上網(wǎng)負(fù)荷是否出現(xiàn)盈余而在臺(tái)區(qū)變壓器出口端擇機(jī)加設(shè)儲(chǔ)能逆變升壓裝置，將臺(tái)區(qū)盈余負(fù)荷接入10kV線路向上一級(jí)配電網(wǎng)返供電。

3 結(jié)論

(1)火電單位裝機(jī)容量年發(fā)電量貢獻(xiàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)分別是光伏、風(fēng)電單位裝機(jī)容量年發(fā)電量貢獻(xiàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)的5倍以上。未來(lái)要實(shí)現(xiàn)風(fēng)光能源替代火電能源滿(mǎn)足電力需求，風(fēng)光電源裝機(jī)容量必須大幅度提升，大力發(fā)掘風(fēng)光能源資源，加大風(fēng)光能源建設(shè)投入是關(guān)鍵；

(2)發(fā)展新能源過(guò)程中，通過(guò)風(fēng)光電源單位裝機(jī)容量資金投入與風(fēng)光電源項(xiàng)目投入產(chǎn)出指標(biāo)對(duì)比分析，確定荊州供電轄區(qū)光伏新能源為優(yōu)先發(fā)展方向；

(3)在大規(guī)模新能源建設(shè)資金受限的情況下，可通過(guò)在配電臺(tái)區(qū)設(shè)置小型分布式光伏發(fā)電的方式擴(kuò)大新能源供電的比重。