從電源調(diào)節(jié)性能來看,我國抽蓄、燃機(jī)等靈活調(diào)節(jié)電源比重低,“三北”地區(qū)靈活調(diào)節(jié)電源僅為新能源裝機(jī)的17.9%,其中東北為新能源裝機(jī)的7%、西北為新能源裝機(jī)的2.4%。西班牙、德國、美國的靈活調(diào)節(jié)電源占總裝機(jī)的比例分別為31%、19%、47%,美國和西班牙靈活調(diào)節(jié)電源達(dá)到新能源的8.5倍和1.5倍。我國火電裝機(jī)超過1TW,但調(diào)峰能力普遍只有50%左右,“三北”地區(qū)的火電機(jī)組在供暖期只有20%的調(diào)節(jié)能力。相比之下,西班牙、丹麥等國家的火電機(jī)組都具備深度調(diào)峰能力,可調(diào)節(jié)出力高達(dá)80%。

從電網(wǎng)互聯(lián)互通水平來看,不能滿足“三北”新能源外送需要。截至2015年底,西北電網(wǎng)新能源裝機(jī)60GW,跨區(qū)電力外送能力僅16.1GW。東北電網(wǎng)新能源裝機(jī)已達(dá)25.5GW,電力富余20GW以上,跨區(qū)外送輸電能力只有3GW。而丹麥與挪威、瑞典等國間輸電容量8GW,是本國風(fēng)電裝機(jī)的1.6倍;葡萄牙新能源裝機(jī)5.3GW,與周邊國家聯(lián)網(wǎng)容量達(dá)2.8GW。

總體來看,我國新能源消納問題與負(fù)荷規(guī)模、電源調(diào)節(jié)、電網(wǎng)互聯(lián)等關(guān)鍵因素呈強(qiáng)相關(guān)性。“三北”地區(qū)現(xiàn)有新能源消納條件不足,而東中部地區(qū)的消納空間沒有通過電網(wǎng)互聯(lián)得到充分利用,是產(chǎn)生棄風(fēng)、棄光問題的主要原因。此外,我國正在建設(shè)全國電力市場(chǎng),調(diào)峰補(bǔ)償、價(jià)格響應(yīng)等市場(chǎng)機(jī)制尚未建立,發(fā)電計(jì)劃由各地政府制定,各省優(yōu)先考慮本地電廠多發(fā),接受外來新能源的意愿不強(qiáng),省間壁壘嚴(yán)重,客觀上加劇了新能源消納的難度。

3.2 典型省(地區(qū))電網(wǎng)關(guān)鍵因素定量分析

選取山東、甘肅、蒙東、吉林以及葡萄牙電網(wǎng)作為新能源消納的典型場(chǎng)景,按照式(10)定量分析新能源消納關(guān)鍵因素的作用。新能源消納空間電量與新能源理論電量之間的關(guān)系如表3所示。

山東電網(wǎng)新能源裝機(jī)僅為最大負(fù)荷的14%,遠(yuǎn)小于負(fù)荷規(guī)模,新能源理論電量為消納空間電量的13.6%,消納條件與葡萄牙相當(dāng),沒有棄風(fēng)、棄光。

甘肅、蒙東電網(wǎng)新能源裝機(jī)已經(jīng)超過最大負(fù)荷,外送通道容量不足,加之蒙東電網(wǎng)供暖期調(diào)節(jié)能力大幅下降,是導(dǎo)致其消納問題的主要原因。

吉林電網(wǎng)供暖期電源調(diào)節(jié)能力低,新能源發(fā)電需求遠(yuǎn)超消納空間,消納問題突出。非供暖期消納條件大幅改善,新能源理論電量為消納空間電量的42.3%,實(shí)際運(yùn)行中吉林電網(wǎng)非供暖期棄風(fēng)率也控制在10%以內(nèi)。

葡萄牙電網(wǎng)電源調(diào)節(jié)性能高出山東、甘肅1倍,且外送通道容量大,能夠充分利用歐洲電網(wǎng)整體調(diào)節(jié)能力,新能源理論電量與消納空間電量的比值為29.7%,消納條件良好。

參考吉林非供暖期的新能源理論電量與消納空間電量的比值,以40%作為理想消納條件,如果單純采用提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力措施,甘肅電網(wǎng)電源調(diào)節(jié)性能β需要增加到0.63,增長(zhǎng)57%;供暖期的蒙東和吉林電網(wǎng)電源調(diào)節(jié)性能β需要增加到0.59和0.45,分別增長(zhǎng)136%和80%,涉及純凝及供熱機(jī)組大面積改造,代價(jià)高、技術(shù)難度大。如果采用加強(qiáng)電網(wǎng)互聯(lián)互通的措施,甘肅需要增加外送電量82.0TW•h,供暖期的蒙東和吉林需要增加外送電量70.3TW•h和34.8TW•h,非供暖期的蒙東和吉林需要增加外送電量4.0TW•h和1.5TW•h。按照6000利用小時(shí)數(shù)核算,甘肅、蒙東、吉林分別需要增加外送通道容量13.7、12.4、6.1GW。從實(shí)施效率和成本來看,解決新能源消納問題最有效的途徑,是從電源、電網(wǎng)、負(fù)荷三方面綜合采取措施。

4 新能源消納解決措施及生產(chǎn)模擬

4.1 新能源消納措施

為解決我國新能源消納問題,“十三五”期間考慮綜合采取多項(xiàng)措施：

1）提高電源調(diào)節(jié)能力。對(duì)東北、西北電網(wǎng)火電機(jī)組進(jìn)行靈活性改造,供熱機(jī)組最小技術(shù)出力降低至55%,凝汽機(jī)組最小技術(shù)出力降低至30%。同時(shí),加快推進(jìn)東北抽蓄電站建設(shè),到“十三五”末裝機(jī)規(guī)模達(dá)到4.1GW。

2）提高電網(wǎng)互聯(lián)互通水平[10-11]。推進(jìn)跨區(qū)跨省輸電通道建設(shè)。加強(qiáng)送受端交流電網(wǎng)建設(shè),保證跨區(qū)直流能夠滿功率運(yùn)行。“十三五”期間,東北、西北電網(wǎng)新建跨區(qū)直流外送通道如表4所示。

3）推進(jìn)“電能替代”,加強(qiáng)需求側(cè)管理[12-13]。東北、西北電網(wǎng)通過電能替代,各新增用電量80TW•h;2020年東北、西北電網(wǎng)預(yù)計(jì)電動(dòng)汽車數(shù)量可達(dá)61萬輛和50萬輛;引入需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)全部負(fù)荷的10%參與響應(yīng)。