清洁能源发展与挑战

裴哲义，黄春雷，马 珂，梁志峰

（1．国家电力调度控制中心，北京市 100031；2．南瑞集团/国网电力科学研究院有限公司，江苏省南京市 211106）

0 引言

在全球气候变暖背景下，各国都在积极探索应对措施，我国2020年9月在联合国大会上提出中国二氧化碳排放力争在2030年前达到峰值、争取在2060年前实现碳中和的目标（简称“双碳”目标)。为实现该目标，需要各行各界共同推进全社会碳减排工作。其中，清洁能源将在碳排放控制中发挥重要的作用，我国“十四五”起将构建以新能源为主的电力系统，未来风电、光伏发电将成为新增电量的增长主体[1-2]。由于新能源发电具有随机性、间歇性和反调峰等特征，以及我国电力资源主要集中在西部、北部地区，而负荷中心主要分布东部，资源与负荷呈现逆行分布特征[3]，电力需要大规模跨区输送。这种以新能源为主和需要大规模跨区输送格局将对我国电力系统产生深远的影响，以国家规划的水电基地和电力输送通道为基础，建设多能互补基地将是实现能源结构转型的重要举措之一[4-6]。

1 全国清洁能源开发利用

1.1 水电

我国水力资源地域分布不均匀，根据我国2005年复查结果，全国水电技术可开发装机容量为54164万kW，技术可开发量最丰富的前三名省区是四川、西藏、云南，分别为12004万kW、11000万kW、10194万kW，占全国的61%。2020年，全国水电装机新增并网容量为1323万kW，同比增长217%，累计装机容量达37016万kW（含抽水蓄能3149万kW），占全部电源装机容量的16.82%，同比增长4%，装机容量排名前十的省份如表1所示。

表1 水电装机容量排名前十的省份Table 1 The top 10 provinces with installed hydropower capacity

2020年全国水电总发电量为13552亿kWh，同比增长4.1%，主要流域弃水电量约301亿kWh，水能利用率约96.61%，较2019年同期提高0.73个百分点。全国水电已开发容量占技术可开发容量的62.5%，未开发地区主要集中在西藏、四川、云南等地的偏远山区，主要集中在金沙江流域上游、怒江流域和雅鲁藏布江等西南诸河，开发成本高、离负荷中心远。

1.2 风电

我国风力资源丰富，主要分布在东北、西北、华北和东南沿海及附近岛屿地区。根据气象局资料，全国离地10m高的风能资源总储量为32.26亿kW，其中可开发和利用的陆地风能储量为2.53亿kW，50m高度的风能资源比10米高的多1倍，约为5亿多千瓦。2020年，全国风电新增装机容量7167万kW，同比增长178%，累计发电4665亿kWh，同比增长15%。全国风电总装机容量为28153万kW，同比增长34.6%，占全部电源装机容量的12.79%，主要集中在我国西北、华北等地区。2020年全国风电装机容量排名前十的省份如图1所示。

图1 风电装机容量排名前十的省份Figure 1 The top 10 provinces with installed wind power capacity

1.3 太阳能发电

我国太阳能总辐射资源总体呈“高原大于平原、西部干燥区大于东部湿润区”的分布特点，其中，青藏高原最为丰富，年总辐射量超过1800 kWh/m2，部分地区甚至超过2000 kWh/m2。四川盆地资源相对较低，存在低于1000 kWh/m2的区域。2020年，我国太阳能发电新增装机容量4820万kW，同比增长60%，累计装机容量2.53亿kW，主要集中在山东（2272万kW）、河北（2190万kW）、江苏（1684万kW）、青海（1601万kW）等省，同比增长24%；全国太阳能发电量为2605亿kWh，同比增长16%。

2 国家电网区域水电与新能源运行

2.1 装机情况

2020年，国家电网有限公司（简称国家电网）经营区域新能源新增装机容量呈爆发式增长，电力电量占比不断提升。截至2020年底，国家电网区域电源总装机容量为17亿kW，其中，水电装机容量为2.3亿kW，占电源总装机容量的13.7%，占比降低1%；火电装机容量10.2亿kW，占比为59.9%，占比降低3%；风电装机容量2.3亿kW，容量占比为13.5%，占比增长2.7%；太阳能发电装机容量2.2亿kW，容量占比为12.7%，占比增长1.3%。近几年，新能源装机容量呈现了如下特点：

（1）分布式光伏稳定增长，装机容量7228万kW，同比增长25%，超“十三五”规划1228万kW。

（2）海上风电发展势头加快，装机容量797万kW，同比增长40%，超“十三五”规划297万kW。

笔者除了在课内、课外文言文教学方面下足功夫，而且还推出了“每日一摘”系列，到高三时，每天积累一句《论语》中的句子。例如“知者不惑”“仁者不忧”“勇者不惧”——《论语·子罕》，首先让学生翻译，其次让学生根据译文拟一个作文题目，随后进行片段式写作。

（3）光热发电初步发展，装机容量47万kW，同比增加15万kW。

（4）分散式风电稳中有升，装机容量70万kW，同比增加18万kW。

2.2 运行情况

在新能源装机容量快速增长背景下，国家电网采用了多重保障措施，实现了新能源并网能并尽并目标，使清洁能源利用水平持续向好。2020年，国家电网区域新能源电力电量屡创新高。发电电力7次创新高，最高达到1.84亿kW，同比增长24.3%；新能源日发电量3次创新高，最高达到26.2亿kWh，同比增长20.7%。同时，水电及新能源发电量占比稳步提高，发电量占比达25.4%，同比增长1.5%。

在清洁能源消纳方面，2020年，国家电网水电与新能源运行全面完成国家“三年行动计划”消纳目标。全年公司经营区新能源发电量5872亿kWh，同比增长15.2%。风电利用率96.5%，光伏利用率97.9%；水电发电量8739亿kWh，同比增长5.3%，水能利用率97.5%，同比提高1.3个百分点。其中，汛期长江上游发生1981年以来最大洪水，在来水较2019年偏丰40%的不利情况下，国家电网充分发挥大电网优势，全网一盘棋，在公司的统一部署下，华东、华中、西北电网充分挖掘潜力，支援四川水电消纳。并建立了月计划、周安排、日会商机制，根据来水和电网运行情况，及时调整电网运行方式，最大限度地消纳四川水电，全年弃水电量同比减少99亿kWh，全年水能利用率达95.4%。完成国家清洁能源消纳“三年行动计划”目标。

3 水电与新能源面临的形势与挑战

3.1 面临的形势

大力发展清洁能源是大势所趋。当前，中国已经成为全球清洁能源最大的消费国，水电开发成本出现明显的增长趋势，而新能源成本大幅下降[7-8]。为实现“双碳”目标，我国清洁能源装机容量还将迎来持续发展高潮。在国家电网经营区域内，2021年水电预计新增装机容量为1540万kW，水电累计装机容量达2.4亿kW，同比增长6.9%，新增装机容量主要集中在西南地区。“十四五”规划期间，常规水电新增的装机容量约为6000万kW，预计到2025年，累计水电装机规模将接近2.8亿kW。新能源方面，根据国家电网能源院测算，2020～2030年新能源年均新增装机容量7000万kW左右，可以完成2030年碳排放达峰。因此，2060年实现碳中和背景下新能源将迎来跨越式的发展，电网也正在积极探索如何构建以新能源为主的新型电力系统，与此同时，2021年及“十四五”期间，国家将在消纳指标制定、分布式光伏开发建设、海上风电补贴等方面提供一定的政策支撑，如最近整县推进屋顶光伏试点工作，将直接推动清洁能源保持快速增长。

3.2 应对的挑战

按照既定目标，预计到2030年，我国风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿kW以上，新能源的大规模接入给电力系统稳定运行和电力可靠供应带来了新挑战，主要体现在以下几个方面：

（1）新能源增加了电网调节难度。

（2）电力可靠供应风险增大。

在“双碳”目标背景下，风电、光伏发电接入电网比例将显著增加，电力系统将呈现“双高”与“双随机”特点，即高比例的可再生能源接入和电力电子设备的应用，以及电源供给侧的随机性和负荷需求侧的随机性，并将呈现新能源将大规模发展、常规电源发展趋缓的态势，新能源将逐渐成为电力系统的主力电源，导致“大装机小电量”“极热无风”等特征突出，与电网连续运行、实时平衡的要求不相符。因此，在此背景下如何保障电力稳定供应已经成为当前新的课题。如2020年末寒潮期间，湖南超八成风电机组因冰冻无法发电。寒潮期间整个风电出力最低降至20万kW以下，加之晚高峰无光，导致新能源总出力不及装机容量的5%，无法提供有效的电力支撑。随着新能源装机规模的进一步增加，电力可靠供应的风险也进一步增加。

（3）系统的抗干扰能力减低。

一方面，由于新能源机组的频率/电压支撑能力弱，大规模接入导致电力系统转动惯量下降，当电力系统负荷变化导致系统频率快速变化时，新能源机组无法提供惯量支撑以减小电网频率变化；另一方面，新能源机组抗干扰能力弱，受限于电力电子器件的电压、电流耐受能力，新能源机组在电网发生扰动时存在一定的脱网概率。因此，随着新能源的不断接入，传统电力系统以火力同步发电机为主的运行方式随之改变，发生连锁故障、大面积停电的风险也日益加大。对于送端系统，风电大出力时，系统频率调节能力显著下降。 例如我国北方一电网55GW负荷水平下，损失3GW功率时，若网内无风电，系统频率下跌0.7Hz；若网内风电出力10GW，频率下跌1.1Hz。

（4）多电力电子设备交互作用复杂，振荡问题凸显。

新能源机组通过电力电子装置并网，其多时间尺度控制特性与电网自身特征相互作用，在传统同步电网以工频为基础的稳定问题之外，出现了中频带（5～300Hz）的电力电子装置涉网稳定新问题，如新疆、甘肃、宁夏、河北等风电富集地区电网多次监测到由风电产生或参与的次同步谐波。

4 建议

中央财经委员会第九次会议明确的“构建以新能源为主体的新型电力系统”的战略方向，将建设以新能源为主体的电源结构和高弹性的数字化、智能化电网，实现源网荷储、多元互动，并构建以电为中心的综合能源服务体系。这些战略方向是实现碳减排的必由之路，电网企业责任重大，建议如下：

（1）加快构建坚强智能电网。

加快构建电网坚强骨干网架，推进各级电网的协调发展，支持新能源优先就地就近并网消纳，促进各类能源互通互济和源网荷储协调互动。在送端，完善西北、东北主网架结构，加快构建川渝特高压交流主网架，支撑跨区直流安全高效运行。在受端，扩展和完善华北、华东特高压交流主网架，加快建设华中特高压骨干网架，推进各级电网协调发展，构建水火风光资源优化配置平台，加大跨区输送清洁能源力度，全力支持我国能源西电东送战略。

（2）加强电网系统灵活性建设。

统筹好电源侧、电网侧、用户侧功能与需求，合理安排新能源发展规模、区域布局和建设时序，加快抽水蓄能电站建设，推动火电机组调峰改造，大力推进储能规模化应用，促进新能源与电网、新能源与灵活调节电源的协调发展，因地制宜地发挥好微电网的作用，切实提高电力系统整体运行效率，并开展网源荷储优化调度，促进各类能源互通互济和源网荷储协调互动，提高清洁能源接纳能力，支持分布式电源和微电网发展。

（3）优化电网调度运行。

充分利用互联大电网的优势，加强跨区/区域电网统一调度，统筹送受端调峰资源，完善省间互济和旋转备用的共享机制，促进清洁能源消纳多级调度协同快速响应；充分利用我国东西、南北负荷和电源差异特性，挖掘各种电源在时空互补、调节互补、季节互补等作用，开展跨区域、跨流域风光水火等多种电源的联合运行，努力提升清洁能源功率预测精度，并统筹全网开机安排，优先调度清洁能源发电，确保能发尽发、能用尽用。

（4）发挥市场作用扩展消纳空间。

深化电力市场化改革，推动形成科学合理的电力价格形成机制，构建统一开放、竞争有序的全国统一电力市场和促进新能源消纳的市场机制，深化省级电力现货市场建设，采用灵活价格机制促进清洁能源参与现货交易，完善以中长期交易为主、现货交易为补充的省间交易体系，扩大新能源跨区跨省交易规模，为推动新能源消纳提供动力。

（5）落实完善相关标准。

落实《电力系统安全稳定导则》关于网源协调等相关方面的要求，加快风电、光伏发电接入电力系统技术规定等国家标准的修订，完善新能源预测以及对电力系统的支撑能力、网络安全等相关标准，要求电源应具备足够的调频、快速调压、调峰能力，新能源场站以及分布式电源的电压和频率耐受能力原则上与同步发电机组的电压和频率耐受能力一致，确保各类电源性能满足电力系统稳定运行的要求。