基于多能互补机理的新能源消纳模式研究

聂 状，任佳伟，白光国，童 鑫，张富厚

（四川农业大学 水利水电学院，四川 雅安 625000）

0 引 言

我国用电量中火电占据了主导地位，造成了严重的温室效应。因此，合理开发利用风电、光电等清洁可再生能源，通过清洁能源逐步代替火电能源，对国家实现节能减排等具有重要意义。国家能源局有关数据显示，我国每年陆地面积地区所接受的太阳辐射总量为3 300～8 400 MJ/m2，相当于2.4×1012t标准煤的储量[1]。总体来看，我国风能资源比较丰富。据统计，目前我国的风能可开发量达2.53×108kW。

在我国风、光能资源快速开发的同时，由于风、光电具有出力不确定性，导致当下弃风、弃光现象严重，资源利用效率偏低，也使其环境效益和经济效益难以发挥。因此，如何利用具有良好的调峰调频能力的水电、火电等对其进行调节消纳，以提高其利用率、经济效益是急需解决的问题。下面对我国现有的风、光电等清洁能源消纳模式进行梳理分析，总结风光储互补消纳模式、风光火电互补消纳模式、风光水电互补消纳模式以及主网深度调节互补消纳模式4种消纳模式，并在系统分析各类模式的现状与特点的基础上，指出各类模式未来的发展趋势。

1 “风—光—储”消纳模式

风光储互补消纳模式是利用储能装置平抑风电、光电的不确定性，发电高峰期蓄能，低谷时段发电[2]，通过组成“风电—光伏发电—储能装置—智能调度系统”综合能量系统，打捆并网实现风、光清洁能源消纳的方式。常见的储能装置包括抽水蓄能电站、物理储能、电化学储能等，主要作用是对能量进行调节和平衡负载保持电力系统稳定；智能调度系统则负责制定计划出力，并控制发电单元和储能系统的运行。目前，我国在风—光—蓄电池储能模式应用方面已有相应的示范工程。

1.1 典型工程

1.1.1 风光综合储能装置储能模式

三十里井子风光储电网融合验证示范项目，是我国第一个能源储能商业化试点项目和甘肃省首个风光储电网融合验证示范项目。项目主要利用风电、光电、储能互补，通过能量实时管理系统、兆瓦级储能技术、功率裕度预判控制技术实现储能秒级调控，有效控制新能源的电力稳定性，实现风、光出力平稳并入电网。

1.1.2 风光抽蓄模式

抽水蓄能电站能利用多余的电力抽水，储存水体势能，高峰时段利用水体势能发电，是非常好的调峰电源。利用抽水蓄能电站的调峰能力对风、光电提供辅助后打捆并网，是典型的风—光—储消纳形式。我国抽水蓄能技术起步较晚，已见的抽水蓄能电站主要分布在水电资源相对匮乏或风、光等清洁能源相对丰富的东南、华北、东北、新疆等地区[3]。

1.2 特 点

由于各类储能系统占地面积小，修建速度较快，当风光联合出力处于波动时，依靠储能装置或抽水蓄能电站进行削峰填谷，保障了国家电力系统电力的稳定供应，减少了弃风、弃水以及为风光互补发电系统削峰填谷，提高了电力输出的平稳性和可靠性，并解决了可再生能源时空分布不均的问题。其中，风光抽蓄模式建设技术相对成熟，相对成本较低，运行安全可靠，供电质量高，在电力系统得到了广泛应用。

1.3 发展趋势

目前，国内外对风光储消纳模式的研究主要集中在互补发电系统的静态体系结构、蓄能设备的配置及控制、系统计算机仿真和设计优化以及联合运行系统的运行规划及策略等方面[4]。目前，适用于“风—光—抽蓄”联合消纳模式的地理环境、资源条件比较稀少，难以同时满足。因此，如何将这种模式运用到实际生活进行跨区域的联合消纳，将会是风光抽蓄的一大发展趋势，或者利用河谷自然形成的地形条件，研究在技术经济可行的情况下适当建抽水蓄能电站以互补风光的可能性[5]。

2 “风—光—火”消纳模式

目前，我国的电源结构主要以火电为主。据统计，2015年全国火力发电装机总容量达到1.53×109kW。由此，中国已成为世界上碳排放量最多的国家之一[6-8]。

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由于我国能源与负荷中心呈逆向分布，西北地区风、光、煤炭资源丰富，适合大规模开发，而大规模风光就地消纳困难。因此，利用在西北地区的集中式风、光电清洁能源的基地与当地的火力发电厂联合，先“打捆”形成稳定的负荷过程后“外送”并网，能规避风、光电不确定性对受端电网的冲击，是我国解决大规模集中式新能源并网问题的有效方式。

2.1 典型工程——哈密南—郑州±800 kV特风光火打捆外送

哈郑特高压直流工程，是“800 kV、800万kW”特高压直流输电标准化示范工程，也是首个“风光火打捆”外送的特高压直流工程。哈郑线全长2 191.5 km，线路横跨6省（自治区），沿线地理环境和社会环境复杂。哈密风电基地最终确定送出风电规模为8×106kW，同时确定新增光伏发电规模1.25×106kW[9]。

天中直流工程是将大型火电、风电基地电力“打捆”送出的首个特高压工程。该工程每年可向河南省提供超过4×1010kW·h的电量，相当于向河南省输送超2×107t煤炭，在服务西部大开发战略、推动新疆资源优势转化为发展优势、缓解华中地区用电紧张方面发挥了重要作用。

2.2 发展趋势

我国煤电基地主要集中在“三北”地区，火电基础良好，同时3种能源重叠，发展风光火打捆的基本条件良好。但是，由于“三北”地区风光火发电设施与东部、中部主要需电地区之间的距离超过2 000 km，而直流输电技术是一项能达到远距离、大容量、低损耗输电的可靠的技术。因此，采用风光火打捆外送的方式，不仅可满足我国中东部地区的电力能源要求，而且可以保证直流输电通道输送功率的安全性和高效性。因此，风光火打捆外送在处于能源转型期的现在具有较大的发展潜力。

3 “风—光—水”消纳模式

我国西南地区水能资源十分丰富，同时各流域沿线的风、光能也非常丰富。利用该地区丰富的水电资源对风、光电进行互补调节、打捆外送，可以实现风、光电的有效消纳，这种模式称为“风—光—水”互补消纳模式。

3.1 典型工程

3.1.1 雅砻江流域风光水互补能源基地

水能方面，雅砻江流域共规划了22级水电站，总装机容量约3×107kW。在风能、光能方面，初步估计，雅砻江流域风电可开发量约1.3×107kW，光电可开发量约1.8×107kW[10]。目前，雅砻江流域正在规划建设风光水互补能源示范基地。该基地建成后，可以实现流域内风、光、水综合开发，利用特高压外送通道，将流域内风光出力就近接入水电站，并通过水电站升压站进入特高压送出通道，送往华东地区负荷中心，实现流域内风、光、水电的综合消纳。

3.1.2 金沙江下游风光水互补能源基地

金沙江下游流域的风、光、水能资源都十分丰富。水电总装机容量为4.296×107kW，风电总装机容量约为4.044×106kW，光电总装机容量约为4.02×106kW。由于金沙江下游的风、光电厂分布比较分散，所以该能源互补基地采用各梯级电站就近接收消纳的原则[11]。利用流域内水电资源对风、光电提供补充，实现流域内的分光水互补，通过特高压外送通道送往华东负荷中心，实现清洁能源的消纳。

3.2 发展趋势

在西南地区利用梯级电站良好的调峰调频能力，以及现已建成的3条±800 kV特高压输出通道把风、光、水电打捆外送，不仅能解决风、光电并网难、输出难等问题，而且有利于节约输电线路的建设成本，提高风、光电能的利用率和经济效益。这样的互补调节方式是目前西南地区风、光电综合消纳的主要手段。虽然现已规划了金沙江、雅砻江流域的互补能源基地建设，但是其具体消纳细节、配套外送通道需要进一步论证。

4 主网调节消纳模式

根据国家能源“十三五”发展规划，新能源就近消纳是解决我国风电光电与负荷逆向分布[12]以及风光并网困难问题的重要思路[13]。因此，风、光电等清洁能源直接并入当地电网，利用主网的调峰调频能力对风、光电的不确定性、随机性和波动性提供补充，实现风光清洁能源的消纳，是现行风、光清洁能源消纳的最有效的模式。

4.1 现 状

整体来看，全国各省份都有风、光电新能源并网消纳，依据不同区域负荷特性与资源分布特性的不一致，各自区域呈现一定的特点。

内蒙古东部、冀北地区、东南沿海地带风电富集，又靠近负荷中心，新能源的开发以集中式风电与分布式光伏发电为主，进入主网后，为华北及东部地区提供电能。

西北甘肃、青海等地区风电富集，但与负荷中心距离较远，就地消纳能力有限，因此需要在就地部分消纳的基础上，通过区域间的电网互联，将区域电网吸收的风光能通过主网输送至华北、华东负荷中心实现清洁能源的消纳。

东北地区属于风能资源富集区域，风能进入东北电网后通过火电及抽水蓄能电站的联合运行实现消纳。

西南地区以水电资源丰富为主，同时风、光资源分布相对集中，以大规模集中式开发为主，且离负荷中心较远，因此，除了将集中式的水电基地通过高压输电线外送之外，风、光电就近上网比重较小，通过水电对电网进行调节，基本可以实现风、光清洁能源的就地消纳。

南方地区整体风、光电资源相对匮乏，风电、光伏发电规模相对较小，清洁能源进入主网后，通过南方电网的调峰调频能力可以实现消纳。

4.2 特 点

鉴于我国风光电资源中心与负荷中心相聚甚远的特点，风、光电并网后难以实现就地消纳，造成弃风、弃光问题严重。因此，通过国家区域性电网互联[14]，将富余的清洁能源外送至负荷中心，实现跨区域消纳成为实现清洁能源消纳的有效途径。

将计划性的电力行业转变为市场化的电力生产与消纳是国家能源转型的大趋势。通过市场的调节，充分发挥风、光电的清洁属性。虽然目前采取的措施是通过保障风、光清洁能源全额消纳，但是将来需在电力市场中实现风、光清洁能源的高质量消纳，这就对提高电网输电能力与建立合理的价格机制[15]提出了更高的要求。

5 结 论

本文主要梳理了风光储系统、风光火电互补、风光水电互补消纳、主网深度调节4种风、光电消纳模式。在我国复杂的资源分布与负荷需求下，风光电资源各类消纳模式在国家能源转型发展中承担了重要的角色。根据国家能源战略与清洁能源并网消纳的发展趋势，提出如下建议。

（1）兴建抽水蓄能电站等储能装置，提高电网调峰能力。随着国家风、光电并网规模的逐渐增多，利用主网深度调节成为解决不确定性风光出力消纳问题的主要方式，这对主网调峰调频能力提出了更高的考验。在电网侧修建大规模抽水蓄能电站，提高电网调峰能力，成为破解这一瓶颈的关键思路。

（2）加强长距离输电线路建设，提高输电能力。上文表明，资源富集中心与负荷需求中心相距甚远，超大规模的千万千瓦级的风、光电基地如采用就近并网的形式，对当地主网的稳定性造成冲击。针对这种情况，建议通过资源地优势的火电或水电为风光电提供补充，打捆后通过长距离高压输电线路将大规模的风电、光电送往负荷中心，以有效解决部分地区的并网问题。