“双碳”背景下可再生能源发展中“弃风弃光”的问题及消纳措施

岑 彬

（国能浙江北仑第一发电有限公司,浙江 宁波 315800）

能源是国民经济和社会发展不可缺少的生产要素和物质基础。随着国民经济持续快速发展，对能源的需求量日益增加，供求矛盾将愈发突出。由于传统能源消耗量的迅速增加以及环境污染问题日趋严重，许多国家和地区大规模地开展了新能源的探索工作。近年来，为推动实现碳达峰、碳中和，我国在坚持安全降碳，在保障能源安全的前提下，大力实施可再生能源替代，加快构建清洁低碳安全高效的能源体系。然而，由于以风能、太阳能等为代表的新能源存在出力不稳定的缺点，“弃风弃光”问题也日益突出，甚至对电网的运行带来一定的威胁。因此，为了能够消纳逐渐增加的可再生能源，需要积极采取相应的举措。

本文对国内外可再生能源消纳问题的科研进展进行系统调研，分析造成“弃风弃光”现象的主要原因，并提出解决新能源消纳问题的对策和具体措施，以期为推动我国能源事业高质量发展提供参考。

1 我国可再生能源发展现状

我国能源结构的基本特征是“富煤、贫油、少气”，长期以来，我国能源消耗以煤为主（我国煤炭消费量每年约占全世界煤炭消耗总量的26.6%，约占我国能源消耗总量的67%），这在很大程度上使我国成为世界最大的碳排放国，占世界能源碳排放总量比重的28.8%。2020年9月22日，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布，中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。为了实现“双碳”目标，展现我国作为负责任大国积极应对全球气候变化的决心，推动能源结构转型已成为我国当下社会发展的重要议题。

图1是2011—2020年我国电力装机结构比例图[1]。由图1可知，我国的太阳能、风能等可再生能源的开发力度逐年增大，风能、太阳能发电装机容量占比逐年稳步上升。在这10年间，风电装机容量提高了约6倍，太阳能发电装机容量提高近120倍。总体来看，我国新能源发展取得了举世瞩目的成绩，装机总量已跃居世界第一[2]。然而，现阶段，大规模、高比例的可再生能源发电并网尚存在一定的技术瓶颈，影响其消纳比例。仅在2019年上半年，弃风电量和弃光电量分别为10.5 TW·h和2.6 TW·h。此外，由于易受自然条件的影响，可再生能源出力一般具有随机性和波动性，这会影响到电网中电力平衡的维持。同时，可再生能源电力市场交易机制不成熟等问题也随之产生。因此，提高电力系统消纳可再生能源的能力已成为我国能源结构转型进程中的当务之急。

图1 2011—2020年全国电力装机结构比例图

2 可再生能源难以消纳的原因

2.1 区位因素

据相关研究中所阐述的我国风力发电及光伏发电容量系数状况可知，从地域方面来看，我国风能资源丰富的地区主要分布在“三北”（华北、东北、西北）地区[3]。但受到经济社会发展水平和人口数量的制约，当地用电需求不足以消纳大量可再生能源；同时，现有的电网规划难以满足大量可再生能源并网的需求，导致可再生能源上网增速与电站建设速度不匹配，跨区域配电网建设改造与可再生能源的发展不协调，以至于这些电力资源不能被很好地输送到用电负荷中心地区而造成浪费。

2.2 调峰因素

可再生能源发电存在随机性和间歇性的缺点，而通过提升电力系统调峰能力的方法可以有效促进可再生能源的消纳。水电的调峰能力强，启停速度快，能够很好地承担部分调峰和填谷工作。但是由于我国地理等条件限制，水电的发电量和装机容量占比较小，因此依靠水电进行电网调峰任务并不现实。而采用核电调峰，会导致核电机组的发电效率和运行安全性降低。由于核电机组对安全性有极高的要求，因此在非必要情况下不会使用核电进行调峰。燃气轮机发电是解决电网调峰问题的方法之一，其具有能够实现快速启停、操作灵活、负荷升降快、运行安全的特点。然而，受制于我国的资源现状，燃气机组只能在小范围内得到应用，因此燃气也不能成为调峰的主要手段。作为我国发电行业的主体，火电机组承担了调峰任务的大部分工作。然而目前，我国火电机组的调峰能力仍低于国际水平，且在可再生能源较为丰富的“三北”地区，火电机组冬季还需进行供暖工作，导致其调峰能力大大降低[4]。

2.3 市场及政策因素

近年来，全国电力需求增速放缓，传统能源由于成本低廉且出力稳定，对可再生能源的发展造成一定程度的限制，成为导致可再生能源消纳难的重要原因之一。此外，我国的电力市场建设仍处于初步阶段，关于可再生能源的价格补贴、调峰补偿机制等具体政策的研究尚未完善，难以推动火电灵活性改造、储能装置的建设，也未能调动火电企业参与调峰的积极性。电力的跨区域输送并未被纳入国家能源战略指定的送受电计划中，相关政策的不完善导致各地对消纳可再生能源的积极性不足，阻碍了可再生能源向外输送。

3 可再生能源的消纳措施

3.1 火电机组深度调峰改造

2021年8月10日，国家发展改革委、国家能源局发布《关于鼓励可再生能源发电企业自建或购买调峰能力增加并网规模的通知》（以下简称《通知》）。《通知》明确，在电网企业承担可再生能源保障性并网责任的基础上，鼓励发电企业通过自建或购买调峰储能资源的方式，扩大可再生能源发电装机并网规模。自建调峰资源指发电企业按全资比例建设抽水蓄能、化学储能电站、气电、光热电站或开展煤电灵活性改造。2021年10月，国家发展改革委、国家能源局发布的《全国煤电机组改造升级实施方案》提出，各地在推进煤电机组改造升级工作过程中，需统筹考虑煤电节能降耗改造、供热改造和灵活性改造制造，实现“三改”联动。同时，要合理安排机组改造时序，保证本地电力安全可靠供应。

火电灵活性是电力系统灵活性的关键指标。火电灵活性通常指火电机组的运行灵活性，即火电机组的出力变化范围、响应时间、负荷变化速率等反映机组适应电网出力波动大、响应速度快的要求的能力[5]。

由于我国的火电机组设计时并未考虑深度调峰需求，只能通过技术改造提高火电机组的灵活性。其中最为常见的方法是对锅炉低负荷稳定燃烧方面进行相关改造，具体工作内容包括制粉系统改造、煤质掺烧、精细化调整、燃烧器改造、智能控制等。实际工程中，西安热工研究院有限公司对330 MW亚临界热电联产机组进行优化，将锅炉不投油最低稳燃负荷降低到额定负荷的25%～30%，并将机组的负荷变化速率提升至2% Pe/min[6]。2019年，大唐三门峡发电公司机组深度调峰取得新突破，该公司二期630 MW机组单机深度调峰至135 MW稳定运行，机组调峰深度达到21.4%，各项参数及环保指标均正常稳定。

除此之外，通过对锅炉性能进行调峰实验，进而提出针对性的优化建议，也是常见的灵活性改造方案。陈宇等（2019）对浙江省58台300 MW及以上的火电机组40%额定负荷进行了调峰试验，分析汽轮机及其辅助设备运行时对调峰能力的影响[7]。洪军等（2021）对某660 MW超临界燃煤发电机组进行了提高锅炉调峰性能的试验研究，调整后，实现了锅炉在30%额定负荷下的稳定运行[8]。

3.2 提高可再生能源出力预测精度

提高可再生能源出力的预测水平，可以有效降低新能源出力的不确定性。图2、图3分别为海南省光伏发电典型日出力曲线和风力发电典型日出力曲线[9]。由图2、图3可以看出，光伏发电出力主要集中在日间11:00—16:00，风力发电出力具有夜间出力大、白天出力小的特点，两者的典型日出力都具有一定的时间规律。可再生能源发电企业可以运用大数据、人工智能技术，根据过往发电数据，结合外界影响因素（如太阳辐射强度、气温、风速等），对可再生能源的发电量进行时序预测。这一措施可以为可再生能源发电项目的兴建与调度提供充分的数据支撑，有利于促进电网工作方式的合理发展，保障电力系统的安全性。此外，可再生能源发电量的预测也有助于主体多元、竞争有序的电力交易市场体系的构建。综上，通过数字化技术实现可再生能源的高精度预测，对其在电力系统中的消纳有着积极的影响。

图2 海南省光伏发电典型日出力曲线

图3 海南省风力发电典型日出力曲线

3.3 推动储能技术发展

电网的运行具有发电与用电动态平衡的特点，传统能源可以做到通过统一调度规划来满足用电需求，而可再生能源大多受到外界气候因素、自然资源的影响，出力具有很强的波动性，且出力规律时常与实际用电需求相悖。为了解决可再生能源发电与用电不匹配的问题，突破发电不能存储的困境，储能技术逐渐进入大众视野。储能技术是指利用大容量且能实现快速充放电的储能设施装置或物理介质将能量存储起来的技术，主要有物理储能、电化学储能、储热和储氢、电磁储能等。大量储能电站的建设与投用可以在电网负荷处于高峰期时输出功率，负荷处于谷值期时吸收功率，缩小系统的峰谷差，平滑负荷曲线，从而提升电网的可再生能源消纳能力，保障电网运行的灵活与稳定。

3.4 加快电力市场建设

由于我国电力市场建设起步较晚，可再生能源领域相关的政策法规还不够完善。近年来，国家推出多项举措，通过市场手段来改善可再生能源的消纳问题。2021年，国家发改委、国家能源局等9部门联合印发《“十四五”可再生能源发展规划》，《规划》中明确指出，一方面要健全可再生能源电力消纳保障机制，强化可再生能源电力消纳责任权重引导，加强可再生能源电力消纳责任权重评价考核，建立健全可再生能源电力消纳长效机制；另一方面，要完善可再生能源市场化发展机制，完善可再生能源全额保障性收购制度，发挥全国统一电力市场体系价格信号引导作用，通过市场机制优化可再生能源开发建设布局。这些举措能够有效激发市场主体活力，完善可再生能源电力消纳保障机制，充分发挥市场在资源配置中的决定性作用[10]。

此外，扩大可再生能源外送区域也是解决可再生能源消纳问题的关键手段之一。鉴于我国可再生能源的分布特点，如何将可再生能源电力输送至用电需求更大的地区成为迫切需要解决的问题。这就需要有关部门创建新能源跨区域消纳机制，打破地域市场壁垒，全国上下一盘棋，促进可再生能源在更大范围内进行消纳。

4 结语

随着我国碳达峰、碳中和重点任务的推进，大力开发可再生能源已经成为我国能源发展的方向，随着越来越多风电、太阳能发电等负荷变动快的可再生能源发电设备投入使用，弃风弃光电量随之增加，我国新能源消纳问题日益凸显。为了解决可再生能源分布不合理、跨区域输配电能力不足、市场体制不完善等突出问题，需要从“源—网—荷”角度入手，大力发展火电机组灵活性改造技术、可再生能源出力预测技术，大力发展蓄水储能和电化学储能等一系列储能技术，同时加快完善电力市场建设，多措并举，多计共施，电力监管机构、发电企业、电网企业相互协调，提高可再生能源的消纳率，从而推动我国可再生能源产业持续健康发展。