新能源发电调控及结构优化策略

王思佳，吴夙莹

1.天津科技大学 外国语学院，天津 300450

2.安徽大学 商学院，安徽 合肥 230601

0 引言

新中国成立之初，全国火电装机总容量为185×104kW，年发电量为43×109kW，这样的发电量相较于中国庞大的人口基数和家庭用电量而言微乎其微。随着改革开放的发展，短短20 年间，我国火电装机容量已经达到5 712×104kW，极大地缩短了我国的用电缺口。火力发电机组容量占当时全国装机容量的70%，由于科技的落后和核心技术的缺乏，我国当时只能完全依赖火力发电，给环境带来极大的负担。为了解决能源供应不足的问题，风力发电、小水电、太阳能发电等多种新能源发电形式逐渐得到重视，但是技术壁垒导致当时我国在新能源发电领域的尝试呈现“零散分布，供给体量小”的特点，远远达不到大型发电的产业标准和产业需求。经过20 余年的不断探索和发展，在21 世纪初期，我国的新能源发电进入蓬勃发展时期，以风力发电、太阳能发电、水力发电为主的清洁能源装机容量不断增加，也改变了我国的供电结构。

2020 年9 月，国家提出“碳达峰”和“碳中和”发展目标，为新能源发电行业提供了更多的发展机会，也标志着我国既有的“火电为主，新能源发电为辅”的供电结构将再次发生改变[1]。在新能源发电的过程中存在一些问题。例如，新能源发电受到自然资源的影响极大，其发电量与自然资源影响程度呈正相关关系，导致发电量存在极大的不确定性。火电虽然在资源消耗和环境保护方面有所不足，但是其发电的可靠性和稳定性较高。文章将结合火力发电和新能源发电对发电调控方面的问题进行探讨，以期找到行之有效的指导策略。

1 新能源发电的优势和缺点

当前我国新能源发电以风力发电、太阳能发电和水力发电为主，其他发电形式，如潮汐能发电占比较低。因此文章主要分析风力发电、光伏发电和水力发电[2]。

1.1 风力发电的优势和缺点

1.1.1 风力发电的优势

风力发电如图1 所示。风力发电的优势就在于分布广、灵活性强、后期维护成本低。一般风力发电需要提前一年进行踏勘选址，在确定风机点位之后进行一年的风力勘测，来了解所选风机点位的风力。我国幅员辽阔，风力资源丰富地区众多，而风力发电机组占地面积小，一般按照装机容量选立几条线路之后便可发电上网，这样的灵活性是其他发电形式都不具备的。相比较火力发电而言，风力发电设备的后期维护成本低，维护损失电量小，能够最大限度地保证风机可利用率。

图1 风力发电示意图

1.1.2 风力发电的缺点

风力发电的缺点主要体现在过度依赖于风力资源、发电不稳定等方面。任何地区大风天数有限，难以提供充足的、保证风力发电机组满发的风力资源[3]。一般地区每年都会有大风季和小风季。在大风季，风机能够保证满发，发电量十分可观；但是在小风季，风机一般发电量较少。这就导致发电量就十分不稳定，用电需求和发电量之间不匹配。如果在用电高峰时，恰逢大风季，一般而言可以对火电进行限电，充分利用风力发电。但是由于风力发电存在不稳定性，可能会因为风能波动而对电量产生影响，影响电量供应，调度不得不优先火电，并对风力发电进行限负荷。这样一来风力发电虽然能够提供足够负荷，但由于限电并不能完全实现电量上网，造成电量浪费。

1.2 光伏发电的优势和缺点

1.2.1 光伏发电的优势

光伏发电如图2 所示。光伏发电的优势不如风力发电和水力发电明显，其供电可靠性居中，故障对整体发电影响不明显，也具备分布性广、可恢复的特点。

图2 光伏发电示意图

1.2.2 光伏发电的缺点

光伏发电的缺点是发电量不高、占地面积较大、光伏板易损坏、维护成本较高。光伏发电站一般建在山区，利用大面积的光伏板吸收太阳能，通过逆变器进入升压站，最终实现上网。但是其影响因素较多，多云、雨雪、长时间风吹、尘土覆盖等都会影响光伏板的太阳能吸收率，进而影响发电量。同时，由于光伏板损坏率较高，对发电量也会产生一定的影响。

1.3 水力发电的优势和缺点

1.3.1 水力发电的优势

水力发电如图3 所示。水力发电既包含了火力发电的稳定性，又具有较高的清洁性，且发电效率较高，发电成本较低，容易调节，并且具有较大的经济效益、社会效益和生态效益。

图3 水力发电示意图

1.3.2 水力发电的缺点

水力发电的缺点在于其可选建厂位置有限，建造费用较高，容量一般在300 MW 以下。虽然是清洁能源发电形式，但同时可能会有一定程度的破坏生态的风险。

2 新能源发电调控方式

在用电高峰期，虽然各地区的用电指标不同，但是一般不会对新能源发电进行限电，只要在负荷指标内，一般会按照应发尽发的原则，不会轻易对新能源发电进行限电。但是，在用电低谷时，如工厂停工停产，社会的用电负荷相较于以往大幅度降低，这时不需要电厂过多的出力，调度就会通过AGC 下发限电指令，根据当时的实际条件对新能源发电进行限电[4]。

2.1 优先调整水电

水电的调整效率快，一般先对水电进行一部分限电，然后再根据剩余负荷对风电和光伏发电进行限电[5]。但是，这时的电力调控只考虑当时电力需求，不会考虑新能源发电的实际情况。水力发电的调整速度快，并且受自然资源影响较小，可以常年作为调控的一部分。

2.2 根据天气状况调整风力发电和光伏发电

风力发电和光伏发电容易受到自然资源影响。如果在大风季对风力发电限电，会导致风力资源的浪费。因此风电场会选择将部分机组停运，让发电机组达到限电指令相应负荷即可，进而避免在大风天气风力发电机组空运致使设备出现故障。在小风季，风力发电出力不足，即便不限电也达不到半发或满发状态，会导致出力不足。对于光伏发电而言也一样。阳光充足的时候对光伏发电场会停运部分机组，减少太阳能资源的浪费。阴雨天气并不限制光伏发电量。最终在经济效益上对新能源发电产生一定程度的影响[6]。

2.3 合理限制火力发电

煤炭价格过高时，火电电价没有变动，这样一来发电企业极容易发生亏损，企业会停运部分火电机组来减少亏损。负荷余量由新能源发电输出。

3 新能源发电调控及结构优化的指导策略

3.1 构建功率预测系统

在当前风电场及光伏电站的实际运行过程中，风电场会设立测风塔预测风功率，并形成短期预测、超短期预测等多通道对未来一周的风速及功率情况进行预测。光伏电站主要根据天气预报来预测天气，并判断其是否会对发电产生影响。风力发电和光伏发电这两种不同新能源发电形式的功率预测手段在当前都仅仅作为风电场的预测手段，预测准确率高达98%以上，但是其并未接入调度中[7]。如果能够构建功率预测系统，对风速和天气进行预测，进而得到未来一周左右调控范围内各新能源发电的出力情况，并将其汇总上报给省调。这样在非紧急情况下需要限电时，就可以提前调控，控制一部分火力发电，充分发挥新能源发电的优势。

针对季节错峰发电，由于当前全国风力发电容量在新能源发电里占比较高，而风力发电在大风季和小风季出力不同，因此，在进行发电调控时，可以在大风季由风力发电优先发力，减少火力发电和其他新能源发电。这一举措能够使新能源发电可利用率达到最佳，同时减少火力发电的经济和生态负效益。

3.2 火电负荷替代，新能源发电扩容

如果某地区内的火电厂停运，其装机容量可以被各大发电企业争取并划分为一定容量的新能源发电，并保证总装机容量相等。这一举措是改变当前供电结构的有效办法。由于火力发电稳定，可靠性强，无法轻易对其进行限电，使之停运，这也是当前在发电调控上优先停运新能源发电的根本原因[8]。但如果个别火电停运，进行负荷更替后，可以使全国火电总装机容量有序、稳步地下降，新能源发电容量有所提升。这样一来在进行发电调控时，即便火电满发，但其负荷有限，留给新能源发电的弹性空间容量更大，即便对其调控限电，其最终的发电负荷也相较之前有较大程度的提升，经济效益、生态效益和产业结构也有较大的提高。

4 结束语

综上所述，当前社会对我国供电结构提出了更高的要求。当前供电结构不断改革和调整，国家全面推行“碳达峰”和“碳中和”政策，新能源发电不断发展、完善，思考如何对新能源发电进行合理调控是当前电力调度工作中必须思考的重要问题。电力调度涉及煤炭、电力、民生、经济、环保等多个领域，涵盖新能源发电调控合理性、新能源发电发展和产业升级等多个领域。通过不断发展新能源发电，由清洁能源发电替代一部分负荷的火力发电将是必由之路，也是发展趋势，文章提出采取构建功率预测系统、火电负荷替代、新能源发电扩容等有针对性的指导策略来进一步对新能源发电进行宏观调控，优化我国电力供给结构，使之成为供电可靠、供电高效、供电节效的最优调控策略，进而帮助我国新能源发电不断发展。