新能源在新型电力系统中运用分析

国电南瑞科技股份有限公司深圳分公司 余 平 张 齐 周江木 曾庆金

现阶段，能源行业的碳排放量超过碳排放总量的90%，为此积极构建新能源电力系统对加快能源转型，提高电力消费清洁能力有着重要的促进作用，从而降低碳排放，实现节能减排的目标。德国、英国等西方国家纷纷拟建了可再生能源的利用率，以期在2050年之前实现碳中和。我国也将在构建新型电力系统上承担大国责任，做出重要贡献。在能源消费方面，新型电力系统的建立有助于改善传统的化石能源消费结构，改善土地沉降、水质污染以及空气污染等环境问题。与此同时，有利于推动电力行业形成良性竞争环境，充分激发市场主体活力。本文以某电力企业为例，对新能源在新型电力系统中的运用进行分析。

1 新能源出力模型

1.1 风电出力

风力发电主要应用在风力资源相对较好的平原地区、偏远山区等。风力发电以风力驱动风机叶片旋转发电机进行发电，可将风动能转为机械能力。根据风速大小和风向的具体角度得出风电出力。但同时，由于风向和风速并不可控，因此风力发电的间歇性、波动性较强。可以通过建立风速拟合模型的方式量化风能资源，得出具体的风电场出力，科学调度风电资源。风速概率密度函数为：fw（v）=（2v/c）exp[-（v/c）]。风电发电以反调峰特性为主，当风力较大时，负荷的需求随之降低。当风电出力降低时，此时负荷的需求则较高。季节的不同，风电场出力大小也存在一定的差异性。

1.2 光伏出力

本案例中对光伏出力情况展开深入研究，发现光伏发电是借助半导体光生伏特的特点，直接将太阳辐射转为电能。相较于其他发电技术，该种发电模式相对简单，发电损耗小、安全性能高且使用寿命长等优势。但同时，由于太阳能组件转换效率较低，因此光伏发电的应用也受到一定的影响。只有有效预测光伏发电出力，才能显著提升光伏电站的运营效率，实现电力系统的安全、可靠运行[1]。

1.3 储能系统

储能系统模型的建立通常需要综合考量储能系统的充放电形式、效率以及剩余容量等。在同一桩体下，充电与放电无法同时进行，当储能单位固体运行的维护成本无法在短期内进行预测时，储能运行维护成本应依据初始成本展开评估和计算。当前，储能寿命、容量以及成本方面对储能规模化产生一定的影响。只有解决上述问题才能确保储能系统得到可持续发展。

2 构建新型电力系统的挑战

2.1 技术突破

当前，我国电化学储能应用较为广泛，占总装机比重的85%以上。市场中电化学储能的度电成本在0.5元/kWh，规模化的储能度电成本则在0.3元/kWh。为进一步提升供电的安全性，应注重储能技术的创新，进而满足中长周期储能需求。光热发电作为清洁能源，不仅安全性能高，甚至可以作为风光新能源调峰的重要因素。光热的持续发电出力可降低15%～20%左右。其优势还体现在爬坡速度快，升降负荷速度保持在5%左右的额定功率，热态启动时间可控制在20min 以内。在新型电力系统构建背景下，光热、光伏以及陆上风电互补调节可再生能源发电将成为主要的发电模式。在未来的发展中，注重提高光热在电力系统中的电量电力支撑，应注重新型传热介质的研发，有效提升光热电站运行转化效率。

2.2 供应链安全性

新型电力系统中新能源的广泛应用与规模化发展，我国企业的发展逐渐摆脱了传统能源导致的供应链安全问题。现阶段，在全球范围内我国已经是第一大风光、电化学储能装机国，对新能源、新技术的应用有着良好的发展前景。

2.3 市场机制建设

本案例中，由于中长期交易始终是电力市场化交易的主要内容。现货市场的不完善对边际成本产生了重要影响，无法保证现货市场的稳定性、可靠性。导致资源在利用过程中无法得到相应的投资回报，缺少内生动力。在市场发展初期阶段，市场中辅助性产品相对单一且补偿机制不合理。另一方面，竞价限制造成火电机组运行效率受到不利影响，而成本的分摊则加剧了核电承担经营成本。目前，我国现有终端用户电价不高，交叉补贴现象严重，在新型电力系统构建过程中无法形成需求侧传导，严重影响新能源长期、稳定发展[2]。

2.4 应用经济性

虽然我国新能源度电成本不断降低，但总体利用成本依然持续上升。2020年全球风光发电价格变化见表1。我国陆上风电价格在30～60美元/kWh（1美元≈7.161人民币）。但同时，电力系统的投资改造成本、系统调节运行成本则显著提升。以煤电为例，通过灵活改造的方式可将容量成本控制在1000元左右，系统调节运行成本由抽水储能和新型成本储能构成。由于煤电机组的长期运行造成机组寿命缩短，煤耗也随之增加。当煤电机组负荷降低10%左右时，煤耗将增加5%左右。除此之外，如果新能源的渗透率超过15%时，系统整体的消耗成本也将以最快的速度增长。

表1 2020年全球风光发电价格变化

3 新能源在新型电力系统中的应用措施

3.1 发挥电力多元转换互补效应

电力多元转换技术的应用，一方面能够解决新能源外送面临的中长周期储能问题，推动电力跨区域、跨季节的优化与配置。另一方面，则能够运用电力多元转换技术替代化石能源，推动多元互补融合现代能源供应体系的优化与完善。在电力多元转换互补效应中，氢可以充分发挥其核心作用，通过电解水制氢的方式，实现剩余新能源电力的充分利用，达到大规模、高效率的新能源消纳。

与此同时，将氢能融合到各类燃料中，制成甲烷、甲醇等原材料，进一步推动高耗能行业的绿色、可持续发展。一旦新能源出力不足时，氢能则能弥补能源不足，确保电网安全稳定运行。进而形成多能互补的低碳发展格局，深度融合氢能、电能。供热方面主要体现在积极推动工业领域的发展，电气化热泵可提供150°以上的低品位热源，氢电混合热泵可为工业生产、人们生活供暖[3]。

3.2 强化分布式能源应用

由于我国风电装机、光伏装机较为集中，因此本案例中为保证新能源在新型电力系统构建中发挥其自身的积极作用，在未来的发展过程中，应推动自建分布式能源的有效应用。该种方式对转变能源消费群体，降低外部资源依赖有着积极意义，最大限度减少长距离输电造成的资源浪费。分布式能源的有效应用，对规避大电网导致的可再生能源无法利用有着促进作用。

除此之外，微电网的投资与利用是提高新能源利用率的基础，微电网作为自平衡单元，能借助大数据等信息技术对小区居民的用电、供热以及供气展开综合服务，提高居民生活质量和生活水平。微电网在调峰、调频以及备用性能方面有着良好的表现。因此，应用微电网有助于实现隔墙售电。为实现上述目标，不仅需要做好分布式能源、微电网发展的顶层设计工作，还要针对商业区、居民住宅区以及旅游景点等地展开试点工作，形成可推广管理机制。

3.3 推动新能源发展

当前，受到矿产资源不足、生态环境保护等因素的制约，大力发展新能源的基础上要注重能源设备的高效、循环利用，从而降低新能源设备对环境造成的污染。风电行业的风机叶片也作为新型可回收树脂材料，用于代替玻璃纤维，在降低回收成本方面有着良好的表现。在此过程中，应做好老旧风机的拆解工作，将其转为纤维板产品。在光伏领域中晶体硅光伏组件中玻璃、半导体材料较多，可以采取物理分离、化学处理的方式实现回收与利用，将其应用于光伏组件与建筑材料中，对绿色可持续发展有着重要而积极的影响。

由于新能源能量密度相对较低，因此在同等电量的基础上所占用的土地资源也较多。但土地资源有限，对农业发展、建设用地以及畜牧业发展都将产生不利影响。为此，只有加快新能源建设，使其有效应用到新型电力系统构建中，形成新能源+的现代化发展模式，扩大新能源在不同应用场景下的规划，提高土地资源的利用效率。以光伏+农业为例，该种方式可形成棚顶发电、棚下种植模式，以太阳能新型发电为主，降低土地资源的利用面积，形成农业科技化、现代化发展模式。除此之外，为强化新能源企业建设水平，还需要注重构建完整的产业链，使得回收市场能够保持稳定、持续发展态势。不断增强产业循环、协调耦合能力，有效激发新能源循环利用产业生态模式。

3.4 构建能源管理体系

在构建能源管理体系过程中，主要从统筹能源生产、兼顾能源与资源利用等方面入手，保障低碳绿色能源的有效供给和高效利用。在新能源电力规划中，加强与国土资源规划的协调发展，明确自然生态系统保护目标。强化能源电力、国土空间规划以及矿产资源规划协同发展。作为能源电力管理部门需要重视能源数据的公开性、透明性，发挥数据在能源利用、技术创新中的重要作用。通过建立能源信息收集平台、能源数据库的方式，方便人员获取电力数据信息，最大限度降低收集能源电力数据耗费的时间与经济成本。提升能源电力行业的工作效率。加强监督和管理，强化电力企业的服务水平，实现大电网、微电网的有机融合，合理配置资源[4]。

3.5 打造多元化电力系统

积极打造智能电力系统有助于新能源的有效应用与融合。通过建立全网协同、数字驱动等现代化调控体系，可实现源网荷储多向互动目标，协调多种能源，进一步提升电力设施的利用率。一方面灵活改造煤电机组，将煤电功能定位转为调节电源，强化整体规划与引导。对于60万kW 亚临界机组来说，尽量采取灵活改造的方法，逐步完善补偿机制，确保煤电机组正常、稳定运行。

另一方面，强化储能体系建设，针对单机容量超30万kW 设备展开系统性分析。提升电力系统的应用水平。坚持集中化、分布式共同发展模式，积极发展风电、光伏发电。重视中东部风能和太阳能资源的利用，加快海上风电开发、海上风电基地建设。立足风电、光伏发电技术，逐步降低投入成本，不断完善新能源发电服务体系，保障新能源发电在市场中具有一定的竞争实力。推动水电、核电的开发，加快流域调节。从现有资料得出2025年、2030年、2035年全国以新能源为主的电力供应格局。见表2。

表2 2025年、2030年、2035年全国以新能源为主的电力供应

总而言之，在现代化经济发展背景下，各领域的发展对电力行业有了更高的要求，电力行业任务艰巨，只有加快新能源的开发与利用，才能构建新型电力系统格局，推动电力稳定、可持续发展。当前，电力依然以传统能源为主，不仅无法满足绿色生态环境保护要求，对经济发展建设也有着一定的阻碍作用。为此，强化新能源应用，有助于提高能源的利用效率确保电力企业实现经济效益最大化的基础上，为生态环境保护提供支持。