四川省实现高比例可再生能源接入的发展研究

程平凡，曾成碧，苗 虹

(四川大学电气信息学院，四川 成都 610065)

能源是现代工业的基础，没有能源与能源技术支撑，所有的现代物质文明都无法存在。伴随着经济的发展，传统化石能源的开发利用导致环境恶化、气候变暖、资源紧张等突出问题。以风能、太阳能为代表的可再生能源在能源消费总量中逐步提高，成为清洁、环保、优质的新选择[1-3]。四川省水电资源丰富，是我国重要的电力外送基地。此外，2018年四川省能源工作会议披露，风电、光伏的装机容量将稳步提升，年内装机规模达到5.1×106kW。因而整合省内各类可再生能源，优化水、风、光等可再生能源的开发时序和规模，提高四川省的可再生能源使用占比具有重要意义。

因可再生能源具有间歇性的特点，对电力系统的调峰调频能力提出更高要求[4-5]。常规能源、抽水蓄能、储能系统启动次数更为频繁，影响其经济寿命[6-8]。高比例的可再生能源接入电网，将对电力系统的规划设计、调度运行、保护控制、运行维护等方面产生新的挑战[9-12]。四川是水电资源大省，同时也有着丰富的可再生资源，这样的资源禀赋决定了其作为我国清洁能源生产端的定位。要实现省内高比例的可再生能源生产消费占比，就需充分地利用多能源间的互补特性和发掘设备的潜能，着力解决强不均衡性、不确定性及波动性下多元能源间优化协调运行问题[13-15]，以最大限度消纳可再生能源，提高电能质量，同时保证电网安全运行，打造高品质的能源输送枢纽。

全球能源技术的发展，对我国来说既是严峻挑战也是重大机遇。四川省的可再生能源分布特点与我国相似，通过研究提高省内可再生能源接入的比例，也可以为全国可再生能源发电与并网提供一定参考。本文将根据四川省现有能源结构组成，分析四川省发展可再生能源的重要性和必要性。通过建立交直流混联智能电网的电力规划和生产模型，进行四川省高比例可再生能源发展的途径研究，最后提出促进相关产业发展的政策建议，为四川打造为全国能源转型升级的示范基地提供技术保障。

1 四川省能源发展现状及趋势

1.1 四川省能源消费构成

根据中国统计出版社出版的2017年四川统计年鉴已知，四川省在2016年的能源消费总量为16 688.7万t标准煤。其中煤品燃料消费量6 946.5万t标准煤，与2015年相比，占能源消费比重下降3.6%，减少消费592.8万t，可以减少排放CO21 576.9万t和SO24.1万t。油品燃料消费量4 515.8万t标准煤，占比为27.1%，与上年相比增幅减小。天然气消费量2 414.9万t标准煤，比2015年增长6.2%，占比提高0.9个百分点，净增140.9万t标准煤。2016年以水电为主的一次电力消费为5 271.7万t标准煤，比2015年增长7.4%，占比提高2.0个百分点。总体来说，2016年四川省非化石能源消费占一次能源消费比重达到35.4%，高于13.3%的全国平均水平。

在电力生产方面，目前四川的水电装机容量达到7 564万kW，居全国第一。水电、风电、光伏发电等清洁能源发电量占比高达88%，2017年的外送电量达1 389.52亿kW·h，相当于节约5 000多万t标准煤。

总体来看，四川省的煤品消费无论是从总量还是所占比重已经3年内持续下降，除水电外的可再生能源利用不断提高，已经成为我国重要的清洁能源基地。

1.2 四川省能源发展趋势

立足于建成全国优质清洁能源基地和国家清洁能源示范省，四川省将构建清洁低碳、安全高效的能源体系。

水电仍然是主要的开发资源。根据规划，全省2020年水电总装机容量预计将达到8 301万kW。四川盆地还具有丰富的天然气和页岩气资源，天然气总资源量7.2万亿m3，累计探明储量3万亿m3；页岩气资源量27.5万亿m3，可开采量4.42万亿m3。可以通过发展天然气分布式能源、扩大CNG汽车等方式来促进产业发展。为优化省内的能源结构，四川省将有序布局风电、太阳能发电、生物质能的开发。预计2020年，全省将建成600万kW的并网风电。在光照资源丰富的川西地区，将建成太阳能发电453万kW。生物质能发电也将投产超过50万kW。充分利用各种资源互补优势，提高可再生能源的利用占比。

作为电力外送大省，加快输送网络的建设，可以有效地减少弃水、弃风等现象。四川电网与外区电网已形成“四直四交”的联网格局，但仍不满足现有需要。在未来的发展中，完善优化电力新通道将是重点。

2 高比例可再生能源接入电网设想

2.1 电力规划方法

针对高比例可再生能源接入、交直流混联的新型电网模式，需转变传统的根据电力需求预测来优化电源配置的规划方法。新的电力规划将从广区域、多资源、变时序出发，考虑电源的波动性和随机性特征，统一布局多区域的电源，优化跨区域的电力输送通道。

新的规划方法中，需优化的变量是调峰调频电厂的配置以及未来电网扩展的预留空间；各区域的电力需求、可再生能源利用规模、电网供电的经济特性等可作为限制条件；最终的输出结果为各分区域电力生产布局、能源利用结构占比、电网运行成本、长远规划方案等。具体的电力规划方法可以用图1表示。

图1 高比例可再生能源接入的电力规划方法

2.2 规划模型分析

以“清洁低碳、安全高效”为目标，电力规划应具有最优的经济特性。供电成本可以分为机组能耗成本、外送电力成本以及电网损耗三部分，以供电成本最低的目标函数可以写为

P=min∑[Cr,tTr,tPc(1+γ)-yi+Ck,tTk,tPk(1+γ)-yi+PL(1+γ)-yi]

(1)

式中：r为电源所属区域；t为电源类型；Cr,t表示各区域电源的发电容量；Tr,t则表示电源的利用时间；Pc为单位发电成本；γ为折现率；yi表示与规划初期的时间距离；Ck,t表示各区域外送电力通道的容量；Tk,t则表示外送通道的利用时间；Pk为单位电力外送成本；PL为单位电网损耗成本。

约束条件主要有：

1)发电资源约束

RL,r+RI,r+RE,r≥RC,r+RW,r+RR,r

(2)

式中：RL,r为本地发电资源；RI,r为外地调入本地的发电资源；RE,r为本地调出的发电资源；RC,r、RW,r、RR,r分别是发电所需使用的燃料资源、水力资源和可再生资源。

2)可再生能源约束

四川省着力打造清洁能源外送基地，高效利用可再生能源，将不断提高可再生能源发电占比。由30%上升到60%以上。

3)环境保护约束

∑Vr,t≤Etotal

(3)

式中：ΣVr,t表示不同区域、不同类型的电源所排放污染物的总量，主要包括CO2、SO2和NOx等气体；Etotal则是所允许的排放总量。

2.3 经济特性分析

经济特性分析以上以小节所规划方案为研究对象，要求系统运行成本在规划期内最小。目标函数为

P=∑(PF,r,t+PB,r,t+PD,r,t)

(4)

式中：r为电源所属区域；t为电源类型；PF,r,t、PB,r,t、PM,r,t、PD,r,t分别是燃料费用、电网停电损失、电网维护费用、设备折旧费。

约束条件有：

1)电力平衡约束

PL+PS=∑Pr,t+PI,r+PE,r

(5)

式中：PL为负荷功率；PS为备用功率；∑Pr,t为各个区域不用类型电源所发功率；PI,r、PE,r则是区域所受功率和外送功率。

2)电能传输通道约束

PTmin≤PI,r+PE,r≤PTmax

(6)

式中：PTmin和PTmax分别为电能传输通道的上下限值。

3)旋转备用约束

(7)

(8)

式中：r为电源所属区域；t为电源类型；上标up表示上调旋转备用；down表示下调旋转备用；Rr,t,T为T时刻电源的旋转备用；PR,T表示T时刻系统所需的备用。

4)机组运行约束

(9)

Pr,t,i-PdownR,T,i≥Pimin

(10)

|Pi,T-Pi,T-1|≤ΔPi

(11)

式中：r为电源所属区域；t为电源类型；up表示上调旋转备用；down表示下调旋转备用；Pr,t,i则是第i台机组的发电量；PR,T,i为第i台机组的旋转备用；Pimax和Pimin分别是第i台机组发电量上限和下限；Pi,T表示第i台机组在T时刻的发电量；ΔPi即是机组i在单位时间内负荷变化允许的最大值。

5)电网安全约束

-Pl,max≤∑Sk,lpk,l≤Pl,max

(12)

式中：Pl,max表示支路l的最大潮流功率；Sk,l为节点k注入功率对支路k潮流的灵敏系数；pk,l为节点k注入支路l的净功率。

3 高比例可再生能源接入的发展战略

3.1 总体发展战略规划

要想实现高比例可再生能源的发展，需规模化利用水电、风电、光电等新能源，综合考虑分布式电源、储能装置、抽水蓄能水电站的地理布局，协调电网与负荷的发展，逐步利用新能源替代煤炭、石油的使用，完善绿色、低碳、高效的电能结构。

根据国家、四川省的相关发展战略，四川省的能源发展可分为三个阶段。2020年前是实现能源体系转型攻坚的关键期；2030年前是实现能源体系转型的攻坚期；2050年前则是能源体系的转型期。结合现有发电、储能、新能源汽车等技术，不同时期的发展重点可以用图2表示。

图2所示的发展战略侧重于电源方面，而扩展电力通道、建设能源互联网、设立储能系统、推广新能源汽车也是发展战略的重要部分。

要想保障电力资源的合理调用，必须建立安全可靠、智能经济的输配电网。加强建设能源输送通道和互联网，可以让四川省的可再生能源参与全国能源消费的一次平衡，从广域空间中消纳清洁电力。

目前四川省内仅有寸塘口1座投产的抽水蓄能电站，装机容量为0.2万kW，远远达不到配置电力总装机容量4%～7%的要求。随着风电、光伏发电机组容量的不断提高，储能电站的容量还应增加。加快建设抽水蓄能电站，是未来实现高比例可再生能源接入电网必不可少的一环。

推广新能源汽车，一方面要完善充电桩等基础配套设施，另一方面可以采取政府补贴等手段，激发居民的购买欲。利用新能源汽车不仅实现电能替代，清洁环保，还能对电网产生“削峰填谷”的积极作用，减小电网的调度调峰压力，最大程度利用可再生新能源。

图2 四川省高比例再生能源接入的发展战略

3.2 具体发展措施

为实现高比例可再生能源接入电网，相关部门可以从以下几方面进行积极引导。

1)突出以可再生能源为中心的发展目标。可预见的是，目前占四川发电量绝大部分的水电资源，将在2030年前后基本开发完毕。政府需制定可再生能源不同阶段的发展计划和目标，来满足不断增长的电能需求。还可以通过行政和市场等手段，鼓励对可再生能源的投资、研发、生产等，提高可再生能源的利用水平。

2)完善优化电力网络和外送通道的建设。高比例可再生能源的接入，不确定性必然对电网运行特性影响更加突出。电网规划时，需将风电场、光伏电站等纳入考虑，优化配置接入点和汇集点。同时加强四川电网与省外电网的通道建设，利用从广区域的可再生能源消纳。

3)创新突破新型能源技术。未来四川省不仅要实现高比例的可再生能源接入，还要能够供应价格低廉的电力。加强可再生能源发电关键技术的研发，继续降低风电、光伏的发电成本。微型化生物质能发电技术，使其能广泛应用于偏远地区的分布式发电。改进优化关键设备，如并网逆变器、大容量储能电池等，进一步降低电网运行成本。

4)积极探索建立电力市场。四川作为重要的电力外送基地，在满足省内需求后，富余的电力可以进行现货交易。先期可以进行跨区域间可再生能源增量现货交易的试点工作，初步探索可再生能源上网电价调整机制，最终完善电力市场的建设，激发市场活力，提升可再生能源接入比例。

5)加快能源领域的立法进程。四川省可再生能源的发展成果有目共睹，但仍有弃水弃风弃光、补贴不到位等现象。进一步深化电力市场的改革、优化可再生能源调度方法、促进可再生能源的发展就需要配套文件法规，应用法律手段，切实解决不同能源之间的优先之争，科学引导四川省内能源结构的积极转变。

4 关键技术支撑

在未来的发展中，电能在居民能源消费的比例将进一步显著增加。除现有已经规模化应用的风电、光伏发电等技术，以智能电网、储能技术为代表的新型电力技术[16]将成为未来高比例可再生能源接入利用的技术支撑。

4.1 智能电网技术

智能电网技术包括智能电网标准体系、智能输变电技术、智能配用电技术、智能调度技术。智能电网可以灵活接纳分布式电源，实现自愈控制和互动化，为用户提供高效的电力增值服务。传统的电网运行一般对负荷不加以控制，出现紧急情况则采用切负荷的方法，来保证电网发电与负荷的功率平衡。而高效的智能电网通过通信系统、计算机网络、传感器等基础设施，为高比例可再生能源提供平台，为负荷中心提供合适的应急电力，能够防止因自然环境或者人为原因造成大电网停电事故。

目前我国电网各个环节的信息共享程度较低，综合利用效能未能充分发挥。未来智能电网的发展，以信息化、自动化技术为基础，集成新工艺、新材料、新设备，可靠地满足发电、输电、供电提出的各种变化要求。

4.2 交直流混联电网技术

在交直流混联电网中，交流和直流互为支撑。目前我国的电网已经形成特高压交直流混联的格局，具有“强直弱交”的特点，即是大区域之间的电网联络采用高压直流方式，区域内部则使用交流方式。相较于交流输电技术，长距离输电采用高压直流具有传输容量大、损耗小等优点。我国已建成投入运行的高压直流线路达到20余条。

随着可再生能源利用率不断提高，越来越多的分布式发电系统接入系统，小区域内采用交直流混联微电网则具有广阔的应用前景。混联微电网相较于单一形式的微电网，可以减少各类功率变换器的数量，抑制谐波产生，具有更好的延展性，是未来微电网的发展趋势。

交直流混联电网目前已经有规模应用的案例，今后的研究工作将侧重于安全稳定标准的制定、电网大扰动的分析等方面。混联微电网方面，其拓扑结构、容量配置、性能评估、运行控制、保护和能量管理等方面也仍需积极探索。

4.3 电能大规模储能技术

引入大规模储能环节到电力系统中，可以提高电能供需管理的效率、利用系统的安全稳定运行、有效利用设备资源、扩大可再生能源接入的规模。电能大规模储能技术的发展和应用必将给未来电网带来革命性的变革[17-18]。

目前大规模储能技术相对成熟、已投入实际应用的只有抽水蓄能技术，并且其受到地理位置的制约。为实现高比例可再生能源接入，需进一步突破电池储能的规模化集成技术。大容量、快速、高效、低成本、绿色环保将是未来的储能装置的发展趋势。随着成本的下降，电池储能将成为未来储能主流，压缩空气和飞轮等其他储能可作为辅助。大规模储能技术可应用于调峰填谷、平抑可再生能源的间歇性和波动性等。

5 未来可用技术展望

5.1 超导电力技术

超导电力技术是基于超导体零电阻和完全抗磁体的基本属性，与现代电力技术紧密结合而形成的新兴技术。超导电力技术构建超导输电线、变压器、储能装置等电力设备，实践于电网发、输、配等各个环节[19-20]。采用超导技术，可以增加发电机的单机容量，满足日益增长的能源需求。应用于以特高压电网为骨干的能源互联网，则可以提高输送容量，降低网损，提高系统运行的灵活性、可靠性、安全性，增加能源利用效率，为超大规模的智能电网建设提供技术支撑。

目前超导技术整体处于研究、试验的阶段。未来超导技术的发展主要集中于新型超导材料的研究、运行温度的提高，以减少设备投入和运行成本。此外，实现超导体高载流复合化、装置集约化也是重点研究方向。

5.2 二氧化碳捕集与封存技术

二氧化碳捕集与封存技术(Carbon Capture and Storage, CCS)，是一项新兴的、具有较强减少碳排放能力的技术。CCS技术被认为是控制温室气体的重要技术，是应对全球变暖的有效措施[21]。在电力系统中应用CCS技术，需与大型高效电站结合，才能产生显著的经济效益。

当前常用的二氧化碳捕集技术可分成三类[22]：燃后捕集技术、燃前捕集技术和富氧燃烧技术。我国已经建成多个燃煤电厂燃后捕集示范项目，燃前捕集技术的代表项目则为整体煤气化联合循环系统(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)，以后的研究重点将集中于富氧燃烧技术，主要是降低制氧设备的成本。二氧化碳封存技术则多利用地下深层盐水层、废弃的油田以及不可开采的煤层等。部分小型示范项目[23]表明，封存二氧化碳可以提高煤层甲烷的开采量。

5.3 新一代人工智能技术

未来不仅有高比例可再生能源接入电网，可预见也将存在大规模的新能源汽车接入，电网将具有更复杂的结构，其不确定性、非线性、强耦合性等特征更为突出。因此新一代人工智能技术凭借先进的传感技术和计算机技术[24]，转变传统的计算分析方法，成为解决复杂电力系统问题的有效手段。

基于大数据特征分析，人工智能技术可以解决传统分析方法无法精确建模、计算时间长等困难。人机辅助决策也可以更好地对电网实现自动实时控制。新一代人工智能技术可以应用到电网规划、电力调度、电力市场交易等领域。未来人工智能将会更多地渗入电力系统。

6 结 语

能源是现代工业的基础，能源的发展关系到国家的战略安全。目前我国能源对外依存度上升快速，只有优化国内国能能源结构，才能保证自身的能源安全，实现可持续发展。四川省内自然资源禀赋，是我国重要的电力外送基地。提高省内可再生能源发电的比例，一方面需要科学技术支撑，另一方面还需完善相关政策制度。通过技术创新，降低可再生能源发电、储能等环节的成本；出台能源法律体系，构建基于市场的可再生能源电能供求机制和交易体系。两个方面并举，双管齐下，四川省实现60%～80%高比例可再生能源接入是完全可行的。