西北大规模新能源消纳问题成因分析及综合应对策略研究

王敏骁，苏娟，梁琛

（1.中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083；2.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃兰州 730070）

2017年4月18日，《2016年度全国可再生能源电力发展监测评价报告》称，中国风能、太阳能发电行业2016年浪费的电力仍然大幅度攀升，中国的弃风率从2014年的8%增加到2016年的17%，其中甘肃省弃风率高达43%。从2015年到2016年，中国太阳能浪费率上升50%，其中甘肃和新疆30%以上的发电量不能并网[1]。造成这一现象的原因涉及政策、机制、技术等不同层面，涉及电网的规划、运行、调度等不同环节，还涉及管理者、发电商、电网及用户等不同主体。

从政策角度看，政策具有导向性，鼓励外送消纳或就地消纳，但是受现有技术手段制约，可操作性上不能满足市场化运作的需要[2-3]。从交易机制看，目前主要针对跨省跨区交易，交易主要是在发电商-电网、电网-用户之间，双方地区利益缺少协调机制，缺少统筹[4-6]。从技术层面看，目前消纳的评估手段研究较多，但联动调控手段由于涉及复杂电力系统的安全稳定问题，研究较少，是下一步技术攻关的重点[7-8]。

从电力生产配送的各个环节看，现有研究主要针对电网调度、规划或运行中的某个方面[9-10]。由于可控手段有限及电网改造投资巨大，三者协调统筹的研究较少，而下一步拓展新能源消纳必须要考虑到电网、电源及负荷的协调规划与运行控制，以统筹解决消纳问题。

从参与到新能源消纳的各方主体看，在发电商调控手段已经取得一定突破的基础上[11-12]，现有工作主要集中在需求侧，特别是针对高载能企业的自备电厂、电动汽车及其他形式的电能替代[13-15]。需求侧改革以及电源与负荷的联动将成为新能源消纳的重点，围绕该方法的政策、机制及技术研究将成为下一步工作的主要着力点。

综上所述，本文以甘肃为例，从电力系统规划、建设、运行等方面进行系统分析弃风弃光的成因，并提出解决新能源消纳问题的措施与建议。

1 甘肃风电、光伏发展现状

截至2016年年底，甘肃电网总装机容量45 762 MW，其中风电12 773 MW，光伏6 801 MW，甘肃大约90%的风电光伏集中在河西地区[1]。2016年甘肃最大负荷13 391 MW，外送最大电力负荷2 700 MW，即使将外送电力计算到负荷中，发电装机容量与最大负荷的比例高达2.84∶1，电力电量属于严重供大于求。为了响应国家节能减排政策，甘肃增大风电和光伏发电量，发电量如表1所示。2016年甘肃省风电发电量同比增长8.64%，2016年光伏发电量同比增长0.72%。2016年火电发电利用小时数下降8.27%。

表1 风电光伏火电发电情况统计表Fig.1 Statistical table of wind power and photovoltaic power generation

甘肃省电力公司通过开发和应用风电、光伏有功控制系统，杜绝了大规模风电光伏机组的脱网事故，确保了在甘肃500余家风电光伏发电企业公平、公正并网运行。但甘肃仍有大面积弃风弃光问题发生。因此，有必要对弃风弃光问题产生的原因及对策进行分析与研究。

2 “弃风弃光”问题成因分析

2.1 电力系统规划缺乏系统性

目前，电力系统中各种形式储能总体容量较小，发电、输电、用电必须同时完成，因此发电、输电、用电的规划必须协调统筹，任何一个环节出现问题，都有可能破坏整个电力系统的协调稳定运行。自“厂网分开”的电力体制改革以来[16]，我国成立了两家电网公司和多家发电公司，电网与电源开始独立规划，加之各发电公司之间处于竞争关系，各家无论发展常规电源还是清洁能源，都是按照先做大的思路，比拼装机容量，结果造成装机容量严重过剩。这是造成甘肃弃风弃光问题的根本原因。

2.2 电网、电源建设周期不同步

火电厂的建设周期大约1年左右，风电场建设周期大约半年，光伏电站建设周期不到3个月。而电网建设受到沿输电线路的征地、环保等诸多不确定因素的制约，特高压线路建设周期在3年以上。即使电网、电源同时规划建设，由于建设周期不同步也可能造成局部地区窝电现象发生。以甘肃河西地区为例，风电光伏装机容量接近20 000 MW，但当地当地最大负荷只有4 250 MW，大多数清洁能源要依靠电网外送，至2016年年底，该地区输电线路的最大送出能力只有5 000 MW。正在建设的+ 800 kV祁韶直流输变电工程，设计对6 000 MW火电、7 000 MW风电和2 800 MW光伏进行打捆外送，设计最大输送能力8 000 MW，目前该地区风电光伏电源已经建成待送，而配套的火电容量从6 000 MW压缩到2 000 MW，将影响整条线路的输送能力。建设周期不同以及电网建设中诸多不确定因素，是造成弃风弃光问题的原因之一。

2.3 负荷和电源发展呈现出剪刀差

“十二五”期间，甘肃省电源装机年均增长率18.15%，是全社会用电量年均增长率的2.34倍，统调最大负荷年均增长率的2.59倍。其中清洁能源年均增长率62.87%，而负荷年均增长率为3.05%，两者的差距越来越大。虽然建设了多条外送输电线路，但是送端的本地负荷需求也在减少，造成总体负荷与电源之间的差值越来越大。不仅出现弃风弃光问题，甚至出现弃水问题，火电机组基本按照最小方式运行，根本谈不上经济运行方式。由此可见，负荷增长放缓也是弃风弃光的原因之一。

2.4 调峰能力不足制约了对风电光伏的有效消纳

由于甘肃境内黄河流域的水电站是按照“以水定电”的模式发电[17]，水库调度具有对下游地区防凌、防汛、灌溉等综合用水的要求，水电在不同时段的调峰能力有较大差别，最大调峰能力5 480 MW热电由于供热需求，调峰能力十分有限，火电基本按照最小方式运行，其调峰能力也大打折扣。综合起来，2016年甘肃电网最大调峰能力6 390 MW。由于风电光伏发电间歇性特点，其发电区间在零到额定出力之间，在某些运行方式下，风电光伏最大出力只能按照电网最大调峰能力确定，调峰能力不足也是弃风弃光的原因之一。

此外，发电机组的低电压穿越能力、断面潮流控制等也对弃风弃光造成不同程度的影响。

3 解决弃风弃光问题的探索和实践

3.1 系列科技攻关活动的组织开展

针对甘肃提出建设“陆上三峡”的战略目标[18]，甘肃省电力公司成立了风电技术中心，组织专门力量进行科技攻关，在国家863项目、国家支撑项目等支持下，与国内外科研院所建立长期的合作关系，开发了风电光伏集群控制系统，实现了对甘肃所有风电光伏发电的有功、无功及安全稳定控制，可提高风电光伏并网能力7%，系统投入运行后未再发生大面积脱网事故。在甘肃河西地区正在建设电网、电源、负荷协同控制系统，通过有效挖掘负荷的调节特性，提高风电和光伏的发电能力，该系统投入运行后预计每年可多消纳弃风弃光电量15亿kW·h以上。针对甘肃分布式电源快速发展的态势，提出分布式电源必须就地消纳的思路，在国网公司、地方政府的支持下，正在建设分布式电源与智慧农业负荷协调发展示范工程，旨在通过科学发展农业负荷实现对分布式电源的就地消纳。

3.2 电网、电源、负荷协调规划的加强

国家电网公司和有关发电企业进一步加强了电力系统的整体规划，“十三五”期间对电源限制发展，加强电网建设特别是外送通道建设，重点培育新增负荷，做好外送电力电量的统筹规划，保持发电、用电的相对平衡，是减少弃风弃光电量的主要途径。源网荷协调必须协调发展，只有三种资源统筹协调才能从根本解决这一问题。目前已经建成甘肃酒泉至湖南株洲的特高压直流电力输送通道并投入试运行，这弥补了原有750 kV超高压交流线路对外输送能力不足的问题，另外直接落地至负荷中心，可更好实现外送消纳，保证消纳电量。

3.3 电网调峰能力大力提升

国家电网公司把甘肃确定为全球能源互联网西部示范基地建设的牵头单位，通过解决甘肃的问题，为全球能源互联网建设起到示范作用。以此为契机，甘肃正在进一步挖掘火电热电机制深度调峰快速响应能力，研究黄河梯级水电站反调峰能力和河西地区9家光热电站的调节特性，加快+800 kV祁韶直流输电工程建设，有效提高风电和光伏发电的外送能力，通过提高电网的调峰能力进一步增强对新能源的消纳能力。

3.4 电能替代与可时移负荷发展

我国北方城市雾霾严重，大力发展电能替代，减少可吸入颗粒物的排放成为了地方政府惠民的必要举措。目前，电能替代主要为电动汽车、电锅炉与分布式电采暖，而该类负荷具有输出容量快速可调特性，负荷特性可随时间移动，可作为有效消纳新能源波动性的低成本手段，相关技术已被研究，并已实际应用，具有良好的产业化前景[19-21]。

3.5 新型储能技术的应用

由于新能源的随机性波动，在源网荷协调下仍难避免等效净负荷小于0的情况，即短时内发大于用。此时需要通过储能进行调度，但是传统的储电方式面临能量密度、充放电功率约束、环保及经济性等方面的问题，但尚未在新能源电力系统中取得重大突破。而储热方式成为大规模储能的新方向，已进入工程化应用阶段[22-24]，特别是大规模储能中基于熔融盐的太阳能塔式发电技术可通过熔融盐蓄热有效控制输出发电功率，保持平稳输出[25]。

3.6 建议与改进措施

1）发电企业、电网公司及地方政府应争取国家对消纳弃风弃光电量的支持政策，赋予参与消纳的企业灵活的定价政策。

2）对于甘肃、新疆的风电、光伏发电，建立发电效益、碳交易效益及环保效益的分配机制，争取在我国的更大范围进行消纳，并充分调动参与的各利益主体积极性。

3）鼓励在清洁能源过剩的地区，实施电能替代，发展与清洁能源相适应的负荷，增加就地消纳的份额。

4）适当鼓励发展相变蓄热储能技术，通过大规模储热，有效消纳新能源发电输出功率波动，增强新能源发电可用性。

4 结论与建议

本文针对西北地区的弃风弃光及新能源消纳问题，在调研西北地区源网荷现状基础上，提出了源-网-荷、规划-调度-运行及发电商-电网-用户-监管等多个层次统一协调的发展策略，重点分析了源网荷协调调度、电网调峰能力挖掘、可时移负荷及新型储能能关键技术，给出了建议与改进措施。

[1] 国家能源局.国家能源局关于2016年度全国可再生能源电力发展监测评价的通报[R/OL].（2017-4-10]）[2017- 7- 13].http：//zfxxgk.nea.gov.cn/auto87/201704/ P020170418459199124150.doc

[2] 舒印彪，张智刚，郭剑波，等.新能源消纳关键因素分析及解决措施研究[J].中国电机工程学报，2017（1）：1-9. SHU Yinbiao，ZHANG Zhigang，GUO Jianbo，et al．Study on key factors and solution of renewable energy accommodation[J].Proceedings of the CSEE，2017（1）：1-9.

[3] 刘振亚，张启平，董存，等.通过特高压直流实现大型能源基地风、光、火电力大规模高效率安全外送研究[J].中国电机工程学报，2014（16）：2513-2522. LIU Zhenya，ZHANG Qiping，DONG Cun，et al．Efficient and security transmission of wind，photovoltaic and thermal power of large-scale energy resource bases through UHVDC projects[J].Proceedings of the CSEE，2014（16）：2513-2522.

[4] 范高锋，张楠，梁志锋，等.我国“三北”地区弃风弃光原因分析[J].华北电力技术，2016（12）：55-59. FAN Gaofeng，ZHANG Nan，LIANG Zhifeng，et al．Analysis on the“Three Norths”region wind and PV power limitation[J].North China Electric Power，2016（12）：55-59.

[5] 周强，汪宁渤，冉亮，等.中国新能源弃风弃光原因分析及前景探究[J].中国电力，2016（09）：7-12. ZHOU Qiang，WANG Ningbo，RAN Liang，et al．Cause analysis on wind and photovoltaic energy curtailment and prospect research in China[J].Electric Power，2016（9）：7-12.

[6] 郑翔宇，贾嵘，温栋，等.考虑新能源消纳的跨省跨区发电权新型交易模式研究[J].高压电器，2017（5）：121-126. ZHENG Xiangyu，JIA Rong，WEN Dong，et al．Research of the inter-district trans-provincial power generation right new exchange pattern based on new energy accommodation[J].High Voltage Apparatus，2017（5）：121-126.

[7]沈超，秦潇璘，李永刚.考虑发电侧成本的新能源消纳能力评估[J].电力科学与工程，2016（11）：1-6. SHEN Chao，QIN Xiaolin，LI Yonggang.The evaluation of renewable power accommodation capability considering the cost of electricity generation-side[J].Electric Power Science and Engineering，2016（11）：1-6.

[8] 王振宇，李俊，许朝阳，等.基于弃风弃光同步消纳的荷网源协调思路与实时消纳电量评估方法研究[J].可再生能源，2016（10）：1441-1448. WANG Zhenyu，LI Jun，XU Zhaoyang，et al． Study on load-grid-generation coordination method and accommodation increment assessment based on synchronization consumptive of abandoned wind power and solar[J].Renewable Energy Resources，2016（10）：1441-1448.

[9] 韩红卫，涂孟夫，张慧玲，等.考虑跨区直流调峰的日前发电计划优化方法及分析[J].电力系统自动化，2015（16）：138-143. HAN Hongwei，TU Mengfu，ZHANG Huiling，et al．Dayahead generation scheduling method considering adjustable HVDC plan and analysis[J].Automation of Electric Power Systems，2015（16）：138-143.

[10]卫志农，张思德，孙国强，等.计及电转气的电-气互联综合能源系统削峰填谷研究[J].中国电机工程学报，2017（16）：1-9. WEI Zhinong，ZHANG Side，SUN Guoqiang，et al．Power-to-gas considered peak load shifting research for integrated electricity and natural-gas energy systems[J].Proceedings of the CSEE，2017（16）：1-9.

[11]肖创英，汪宁渤，丁坤，等.甘肃酒泉风电功率调节方式的研究[J].中国电机工程学报，2010（10）：1-7. XIAO Chuangying，WANG Ningbo，DING Kun，et al．System power regulation scheme for Jiuquan wind power base[J].Proceedings of the CSEE，2010（10）：1-7.

[12]王鹏，任冲，彭明侨.西北电网风电调度运行管理研究[J].电网与清洁能源，2009，（11）：80-84. WANG Peng，REN Chong，PENG Mingqiao.A study on wind power dispatching operation and management in northwest power grid[J].Power System and Clean Energy，2009（11）：80-84.

[13]焦哲，何永秀.弃风弃光背景下农业电能替代推广模式及实施研究[J].陕西电力，2016（12）：52-55. JIAO Zhe，HE Yongxiu.Promotion pattern of agricultural electric power alternatives based on high light and wind abandoned rate and implementation[J].Shaanxi Electric Power，2016（12）：52-55.

[14]李明，胡殿刚，周有学.基于“两个替代”战略的甘肃新能源就地消纳模式研究与实践[J].电网技术，2016（10）：2991-2997. LI Ming，HU Diangang，ZHOU Youxue.Research and practice of renewable energy local consumption mode in gansu province based on“double alternative”strategy[J]. Power System Technology，2016（10）：2991-2997.

[15]周竞，王珂，王维洲，等.自备电厂参与新能源消纳的交易模式效益分析及应用探讨[J].电力系统自动化，2016（14）：145-150. ZHOU Jing，WANG Ke，WANG Weizhou，et al.Benefit analysis and application discussion of trading mode with self-owned power plant participating in renewable energy consumption[J].Automation of Electric Power Systems，2016（14）：145-150.

[16]张午阳，姚建刚，周媛，等.电力市场条件下的电网接入模式[J].电力系统自动化，2005，（18）：7-12. ZHANG Wuyang，YAO Jiangang，ZHOU Yuan，et al. Mode of power grid access in power market enviroment[J]. Power System Automation，2005，（18）：7-12.

[17]薛小代，陈晓弢，梅生伟，等.采用熔融盐蓄热的非补燃压缩空气储能发电系统性能[J].电工技术学报，2016（14）：11-20. XUE Xiaodai，CHEN Xiaotao，MEI Shengwei，et al.Performance of non-Supplementary fired compressed air energy storage with molten salt heat storage[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2016（14）：11-20.

[18]马彦宏，汪宁渤，何世恩，等.酒泉千万千瓦级风电基地发展现状与展望[J].电网与清洁能源，2009（11）：76-79. MA Yanhong，WANG Ningbo，HE Shien，et al.Present situation and prospect of jiuquan million kilowatt class wind power base[J].Power System and Clean Energy，2009（11）：76-79.

[19]葛少云，连恒辉，刘洪，等.电动汽车时序响应能力模型与控制策略[J].电力系统自动化，2016（3）：33-38. GE Shaoyun，LIAN Henghui，LIU Hong，et al.Timing response capability model and control method of electric vehicle[J].Automation of Electric Power Systems，2016（3）：33-38.

[20]何永秀，宋栋.基于集中式新能源精准扶贫的电能替代模式研究[J].华北电力大学学报（社会科学版），2017（1）：32-36. HE Yongxiu，SONG Dong.Study on the electrical energy alternative model based on poverty alleviation with the centralized energy[J].Journal of North China Electric Power University（Social Sciences Edition），2017（1）：32-36.

[21]黄育松，姬源.智能电网环境下电动汽车与风电协同交易模式[J].华北电力技术，2015（6）：36-41. HUANG Yusong，JI Yuan.Collaborative trade mode of electric vehicles and wind power in smart grid[J].North China Electric Power，2015（6）：36-41.

[22]裴海波，李德智，韩婉娇，等.面向新能源消纳的电能替代技术[J].电力需求侧管理，2016（6）：45-48，56. PEI Haibo，LI Dezhi，HAN Wanjiao，et al.Electric power replacement technologies facing new energy accommodation[J].Power DSM，2016（6）：45-48，56.

[24]崔永军，刘兆霆，李渝，等.新能源电采暖电力负荷建模[J].电器与能效管理技术，2016（18）：61-66. CUI Yongjun，LIU Zhaoting，LI Yu，et al.New energy electric heating power load modeling[J].Low Voltage Apparatus，2016（18）：61-66.

[25]魏高升，邢丽婧，杜小泽，等.太阳能热发电系统相变储热材料选择及研发现状[J].中国电机工程学报，2014（3）：325-335. WEI Gaosheng，XING Lijing，DU Xiaoze，et al.Research status and selection of phase change thermal energy storage materials for CSP systems[J].Proceedings of the CSEE，2014（3）：325-335.