高比例可再生能源电力系统优化运行

第1章 绪论 1.1 可再生能源及输配电系统发展现状 1.1.1 国内外可再生能源开发和利用现状 1. 世界可再生能源发展现状 能源是人类生存和社会经济发展的重要物质基础，但长期以化石能源为主导的能源消费体系在世界范围引发了化石能源危机、环境污染、温室效应等一系列问题，大力开发和利用可再生能源、促进能源体系转型，成为世界各国能源战略部署的共同选择。以风力发电、光伏发电为代表的可再生能源发电是实现电力能源消费向清洁转型的一种主要方式。本书着重关注风力发电和光伏发电的开发与利用现状。 近年来，在世界各国可再生能源发电政策鼓励下，风力发电和光伏发电装机容量一直呈现着快速增长态势。据统计，截至2020年底，全球光伏发电年新增装机容量高达139GW，总装机容量累计达到760GW；风力发电的增速也很显著，年新增装机容量达到了93GW，累计总装机容量约为743GW。截至2020年底，中国风光新增总装机容量达到120GW，累计总装机容量达到534GW，连续两年居世界**位，全球风力发电和光伏发电资源大国的装机容量如表1-1所示。 2. 我国风力发电和光伏发电并网运行现状 为构建清洁低碳、安全高效的能源体系，以风力发电、光伏发电为代表的可再生能源发电并网运行得到了高质量推进与发展，风力发电和光伏发电的装机容量和发电量呈现持续猛增态势。 在风力发电方面，我国风电累计并网装机容量及年发电量的发展趋势如图1-1所示。截至2020年底，全国风电累计并网装机容量达到了281GW，占全国电源总装机容量的13%；2020年全年风电年发电量为4665亿kWh，承担了约6%的全社会用电量。 随着风力发电并网装机容量在电源总装机容量占比的不断提升，风电利用效率成为关注重点。我国风电资源主要分布在河北、吉林、黑龙江、内蒙古、甘肃、新疆、江苏、山东等省（自治区）。得益于风电并网技术的不断提高、输电通道建设的不断加强，全国风电弃用现象逐步得到遏制，如图1-2所示。截至2020年底，全国弃风电量约为166亿kWh，平均弃风率降低至3%。但部分地区大型风电基地的弃风率仍然较高，如新疆、甘肃和内蒙古西部地区弃风率分别为10.3%、6.4%和7%，均远高于平均值。 我国近年来光伏发电同样发展迅猛。光伏发电累计并网装机容量和年发电量变化趋势如图1-3所示。截至2020年底，我国光伏发电累计并网装机容量达到253GW，约占全国电源总装机容量的12%；2020年全年光伏发电量为2605 亿kWh，在全社会用电量的占比超过3%[5]。光伏发电弃用现象也得到明显改善，如图1-4所示。2020年底，我国平均弃光率与前一年持平，大型光伏发电基地的弃光现象得到有效控制，例如，西北地区的弃光率由2019年的5.9%下降至4.8%。 光伏发电并网可分为集中式和分布式两种方式，其中，集中式光伏电站通常位于西北地区的大型光伏发电基地，经由特高压输电系统实现远距离输送；分布式光伏电站，如屋顶光伏等，主要分布在华北、华南地区，直接接入低压配电网实现就地消纳。如图1-5所示，2016～2020年，分布式光伏发电的占比呈递增趋势，光伏发电的地理分布正逐步蔓延向中东部和南方地区等负荷中心。截至2020年底，分布式光伏发电在光伏发电总装机容量的占比已达到31%。高比例分布式光伏发电接入配电网，将改变配电系统的运行特征，如何促进分布式可再生能源就地消纳、同时提高配电系统运行可靠性，将成为未来配电系统运行亟待解决的关键问题。 电力行业是我国碳排放占比*大的行业，为应对全球气候变暖趋势、实现2050～2100年全球碳中和的共同目标，以风力发电、光伏发电为典型的可再生能源发电技术已成为推动电力行业低碳化的核心技术之一。在2020年12月12日气候雄心峰会上，中国宣布，到2030年，中国非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿kW以上。截至2020年底，我国风电及光伏发电总装机容量为534GW，与2030年战略目标仍有较大差距。在可预见的未来10年内，我国电力系统的可再生能源发电占比将显著提高，高比例可再生能源系统将成为未来电力系统的必然趋势，可再生能源并网与消纳问题也将成为未来电力系统优化运行的一个核心问题及挑战。就当前形势而言，尽管全国平均弃风率和弃光率已得到有效遏制，但大型风光发电基地的弃用率仍高于平均值；大容量可再生能源发电依赖跨区输送与分配，可再生能源的间歇性和波动性特征对输电系统运行调度的影响将日益显著；此外，大量分布式可再生能源发电单元直接接入配电系统，也将改变配电系统结构形态及潮流分布特征，如何在保障供电可靠性的同时*大化可再生能源就地消纳能力，是未来配电系统运行调度的首要任务。 因此，为适应未来高比例可再生能源的接入，亟须研究并建立高比例可再生能源电力系统优化运行理论与方法体系，改善可再生能源并网技术，挖掘输电系统和配电系统的可再生能源分配与消纳潜力。 1.1.2 国内外输电系统发展现状 输电系统是实现大规模可再生能源输送与分配的通道，以缓解可再生能源资源分布与电力负荷分布匹配性差的问题。以我国为例，我国风电和光伏发电基地主要集中在西北、华北及东北地区，但负荷中心大多位于中部及东部地区，因此，亟须建设可再生能源大基地与负荷中心间的大容量远距离电力输送通道，促进可再生能源跨区域输送和广域消纳。本节以全球能源互联网[7]、欧盟“超级电网”计划和中国特高压输电工程为例，简要介绍国内外输电系统的发展现状。 1. 全球能源互联网 能源危机已成为世界面临的共同难题，世界能源资源与能源消费在空间上分布不均，多个能源消费大国的能源对外依存度不断提高，而部分能源资源丰富的国家的能源仍有巨大开发潜力。因此，为了充分利用全球各地区能源开发优势，促进可再生能源在全球范围内广域消纳，统筹解决世界能源和环境问题，全球能源互联网概念应运而生。 为了充分利用全球的风能和太阳能资源，有学者提出，将以特高压交直流输电通道为骨架，建立北半球亚洲、欧洲、北美洲电网互联格局，实现北极风电资源外送消纳，建立非洲、大洋洲、北美洲与欧洲、亚洲电网互联通道，促进太阳能资源跨洲外送，*终形成全球电网互联互通的新格局。全球能源互联网的建设将依赖于特高压输电技术和可再生能源发电技术的发展，互联互通格局下的电网运行调度也将面临新格局。 2. 欧盟“超级电网”计划 为实现“2050能源路线图”提出的碳排放目标、充分利用欧洲各地区可再生能源，2010年欧盟提出构建“超级电网”计划，依托长距离智能交直流混合广域电力传输系统，将多个不同种类的发电系统连接，并将大量可再生能源电力传输至几千千米外的负荷中心，实现大规模的可再生能源接入。 “超级电网”是在原有欧洲电网的基础上引入交直流互联技术，实现可再生能源跨国家跨电网的高效传输与消纳，进一步提高能源的利用率。目前欧洲互联电网（ENTSO-E）是世界上*大的互联电网，包括来自35个国家的39个输电系统运营商（TSO）。目前，欧洲“超级电网”仍在建设完善中，总输送距离预计约为5000km，届时约有42%的电力需要经过高压直流输电工程输送到欧洲大陆负荷中心。 3. 中国特高压输电工程 考虑到我国可再生能源资源及负荷呈逆向分布的特征，以及大规模可再生能源并网及输送需求，发展高压交直流电网，实现可再生能源的大范围消纳，是我国电网发展的未来形态之一。目前，我国特高压输电技术得到快速发展，已经形成了东北、华东、华中、华北、西北和华南6大区域电网互联形态。截至2020年底，全国22条特高压线路全年输送可再生能源电量2441亿kWh，占总输送电量的比重达到45.9%。截至2020年底，我国典型风电、光伏发电的外送特高压输电工程建设情况如表1-2所示。