張 哲 趙建永 程晉伊

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 310000）

隨著氣候變化和環(huán)境污染問題日益突出，各國都采取措施積極應(yīng)對。2020年9月22日，第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)提出二氧化碳排放力爭2030年前達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。優(yōu)化能源供給結(jié)構(gòu)、推進(jìn)高比例新能源發(fā)電安全穩(wěn)定并網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)碳中和以及污染物減排的有效手段。截至2019年底，我國非化石能源發(fā)電裝機(jī)容量84 410 萬kW，比2018年增長8.8%，占總裝機(jī)容量的42.0%。2019年，非化石能源發(fā)電量約為23 927 億kWh，比2018年增長10.6%，占總發(fā)電量的32.7%[1]。以風(fēng)電、光伏為代表的新能源，在我國能源結(jié)構(gòu)中的地位越來越重要，但風(fēng)、光等新資源的隨機(jī)波動(dòng)也給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來了挑戰(zhàn)[2]。風(fēng)電、光伏高出力階段，電力系統(tǒng)無法接納全部新能源發(fā)電，造成“棄風(fēng)”“棄光”等棄電問題。本文分析造成“棄風(fēng)”“棄光”現(xiàn)象的原因，提出促進(jìn)新能源消納的措施。

1 新能源棄電原因分析

1.1 風(fēng)光強(qiáng)隨機(jī)波動(dòng)

風(fēng)、光的強(qiáng)隨機(jī)與間歇特性是造成新能源棄電的首要原因。對于電力系統(tǒng)而言，維持頻率與電壓的穩(wěn)定、提供高的質(zhì)量電能是首要任務(wù)。以風(fēng)電和光伏為代表的新能源出力受風(fēng)速和光照強(qiáng)度的直接影響，具有大范圍波動(dòng)的特性，不利于電力系統(tǒng)的接納。

1.2 新能源出力與負(fù)荷時(shí)空差異

新能源出力與負(fù)荷在時(shí)空分布上的差異性是造成新能源棄電的重要原因之一。時(shí)間方面，風(fēng)電在夜間處于高發(fā)時(shí)段，此時(shí)電力系統(tǒng)負(fù)荷較小，“三北”地區(qū)7、8月為負(fù)荷高峰月，但為風(fēng)電低谷月?？臻g方面，我國的新能源裝機(jī)大多集中在“三北”地區(qū)，占比超過70%，負(fù)荷多集中在東部省市，大量的新能源功率無法就地消納，跨區(qū)輸送能力與新能源發(fā)展速度不匹配。

1.3 電源結(jié)構(gòu)不合理

在“三北”地區(qū)，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組占比較高。冬季供暖期，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在“以熱定電”模式下運(yùn)行，導(dǎo)致其電功率調(diào)峰范圍較小?！叭钡貐^(qū)”的靈活調(diào)節(jié)電源占比較小，最大調(diào)節(jié)能力無法平抑新能源的波動(dòng)，導(dǎo)致新能源棄電。

2 促進(jìn)新能源消納措施

2.1 提高新能源功率預(yù)測精度

提高新能源預(yù)測的精度，降低新能源出力的不確定性。新能源出力預(yù)測技術(shù)一直是國家研究的重點(diǎn)，具有功率預(yù)測技術(shù)旨在預(yù)測新能源功率的變化，減少高波動(dòng)性對電力系統(tǒng)的影響。預(yù)測技術(shù)的進(jìn)步可以改善傳統(tǒng)電力調(diào)度的方式，強(qiáng)化電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)效益，減輕電力系統(tǒng)在負(fù)荷高峰期的部分壓力，提高風(fēng)電效益。

現(xiàn)有的新能源出力預(yù)測技術(shù)根據(jù)預(yù)測范圍可分為用于新能源場站設(shè)計(jì)的長期預(yù)測（以年為單位）、用于機(jī)組維護(hù)和控制策略的中期預(yù)測（以月或周為單位）、用于電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的短期預(yù)測（以天或小時(shí)為單位）、用于機(jī)組實(shí)時(shí)控制的極短期預(yù)測（以分鐘為單位）[3]。常用方法有自回歸移動(dòng)平均模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、模糊邏輯等。

2.2 新能源出力控制優(yōu)化

自動(dòng)發(fā)電控制（automatic generation control，AGC）是電力系統(tǒng)能量管理的重要功能。通過控制機(jī)組上網(wǎng)功率，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。新能源場站可通過AGC下發(fā)的有功功率指令和調(diào)度曲線，有計(jì)劃進(jìn)行功率限幅以及變功率速率的設(shè)置，設(shè)計(jì)智能控制策略，平滑功率輸出，防止風(fēng)光資源大幅度波動(dòng)對機(jī)組和電網(wǎng)的影響。

電壓也會(huì)對電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，電壓質(zhì)量取決于無功潮流的分布。與頻率不同，全網(wǎng)電壓等級(jí)不一致導(dǎo)致自動(dòng)電壓控制（automatic voltage control，AVC）的難度遠(yuǎn)高于AGC?，F(xiàn)有AVC系統(tǒng)出于安全性原因，常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)定期望電壓曲線，此方法無法根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整。需要針對電壓控制含非線性的多變量系統(tǒng)設(shè)計(jì)新的控制策略。例如，通過建立電壓系統(tǒng)模型并設(shè)計(jì)根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件，設(shè)計(jì)無功補(bǔ)償策略。近些年，隨著人工智能的快速發(fā)展，強(qiáng)化學(xué)習(xí)等算法也在AVC中發(fā)揮作用[4]。

2.3 火電靈活性改造

全國不同地區(qū)棄風(fēng)限電的原因存在差異，但本質(zhì)均是電力系統(tǒng)靈活性不足制約了新能源并網(wǎng)消納，火電機(jī)組靈活性改造是提高電力系統(tǒng)靈活性的有效方式之一。鍋爐在低負(fù)荷下的不穩(wěn)定燃燒[5]，導(dǎo)致靈活性改造需要投入大量的成本，且改造后的機(jī)組偏離設(shè)計(jì)工況，使供電煤耗增加，影響機(jī)組壽命。進(jìn)行靈活性改造前，需要針對特定區(qū)域定量分析和計(jì)算所需的靈活性調(diào)節(jié)容量，從而規(guī)劃火電靈活性改造規(guī)模。一般來說，火電靈活性改造主要從爬坡速率、調(diào)峰能力、啟停時(shí)間等方面進(jìn)行。

在爬坡速率方面，燃煤機(jī)組由于鍋爐的大慣性和純遲延作用，使得機(jī)組功率不能精確及時(shí)地響應(yīng)電網(wǎng)指令[6]。充分利用機(jī)組本身儲(chǔ)能，采用先進(jìn)控制策略對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化可有效解決此問題。

純凝機(jī)組的儲(chǔ)能主要包括鍋爐儲(chǔ)能、凝結(jié)水儲(chǔ)能、凝汽器冷卻系統(tǒng)儲(chǔ)能等。熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組包括熱網(wǎng)儲(chǔ)能，但機(jī)組的內(nèi)部儲(chǔ)能有限，在短時(shí)間內(nèi)“借用”后，需要設(shè)計(jì)控制策略進(jìn)行快速恢復(fù)，以免造成主蒸汽壓力、除氧器水位、熱網(wǎng)供熱品質(zhì)等重要參數(shù)的大范圍波動(dòng)。除了機(jī)組內(nèi)部儲(chǔ)能，外部儲(chǔ)能系統(tǒng)如蓄電池的加入，也可以有效提升火電機(jī)組的變負(fù)荷速率。

在調(diào)峰能力方面，需要探究深度調(diào)峰的改造手段。深度調(diào)峰是常規(guī)火電機(jī)組通過調(diào)整鍋爐燃燒強(qiáng)度以及產(chǎn)生的蒸汽量，使機(jī)組發(fā)電負(fù)荷在大范圍內(nèi)保持連續(xù)可調(diào)的運(yùn)行方式。實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰的關(guān)鍵在于如何保證低負(fù)荷下機(jī)組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保運(yùn)行。為滿足機(jī)組深度調(diào)峰目標(biāo)，需要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)備及系統(tǒng)改造。常用的技術(shù)包括鍋爐精細(xì)化運(yùn)行調(diào)整、燃燒器改造、制粉系統(tǒng)改造、富氧助燃改造等低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù)；省煤器煙氣旁路、省煤器給水旁路、熱水再循環(huán)、分級(jí)省煤器等寬負(fù)荷脫硝技術(shù)；針對磨煤機(jī)、泵、風(fēng)機(jī)等輔機(jī)的低負(fù)荷安全監(jiān)控技術(shù)；基于風(fēng)粉參數(shù)在線檢測、爐膛溫度場實(shí)時(shí)獲取等技術(shù)的深度調(diào)峰控制技術(shù)。

針對熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，蓄熱罐、電鍋爐、熱泵、蒸汽旁路技術(shù)、汽輪機(jī)低壓缸切除等設(shè)備的加入，可以豐富熱負(fù)荷的供給方式，打破原有的電功率玉熱功率間的耦合，使機(jī)組具備更大的電功率調(diào)節(jié)能力，實(shí)現(xiàn)電熱解耦[7]。

一般情況，提升靈活性改造預(yù)期將使熱電機(jī)組增加20%額定容量的調(diào)峰能力，最小技術(shù)出力達(dá)到40%～50%額定容量；純凝機(jī)組增加15%～20%額定容量的調(diào)峰能力，最小技術(shù)出力達(dá)到30%～35%額定容量。

通過啟停調(diào)峰設(shè)備改造可實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組的快速啟停。對凝結(jié)水和循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行改造，引入鄰機(jī)抽氣加熱本機(jī)給水，提高鍋爐啟動(dòng)速度。對磨煤機(jī)和給煤機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改造，優(yōu)化控制回路，提高制粉與送粉效率。研究熱應(yīng)力與壽命損耗在線監(jiān)測與計(jì)算方法，在啟停機(jī)過程中對壓力與溫度變化速率的允許范圍進(jìn)行規(guī)定，在實(shí)際操作中嚴(yán)格控制厚壁部件和受熱面的溫度、壓力變化速率，是實(shí)現(xiàn)機(jī)組快速啟停的安全保障。

2.4 綜合能源系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化

一般情況下，將含能源供給側(cè)、靈活調(diào)節(jié)資源以及負(fù)荷需求側(cè)整合成一個(gè)綜合能源系統(tǒng)，可以協(xié)調(diào)各種能源的發(fā)電運(yùn)行。在供電側(cè)，統(tǒng)火電、風(fēng)電、光伏、水電等多種能源形式都可為綜合能源系統(tǒng)提供電力輸入。在負(fù)荷側(cè)，大型電動(dòng)汽車可以在夜間風(fēng)力發(fā)電量大的時(shí)段進(jìn)行充電。

動(dòng)態(tài)電價(jià)政策會(huì)影響用戶的用電時(shí)段，保證負(fù)荷的平穩(wěn)可控，解決負(fù)荷與新能源發(fā)電量在時(shí)間尺度方面的沖突。抽水蓄能、蓄電池、儲(chǔ)熱等靈活資源可以擴(kuò)展傳統(tǒng)能源發(fā)電的調(diào)節(jié)范圍，促進(jìn)新能源消納。

綜合能源系統(tǒng)的主要任務(wù)是維持電力和熱力供需平衡，以最大限度降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本和新能源的棄電。需要根據(jù)綜合能源系統(tǒng)內(nèi)各環(huán)節(jié)的運(yùn)行特性，建立其數(shù)學(xué)模型，并設(shè)置參數(shù)運(yùn)行范圍，將綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度轉(zhuǎn)化為帶有方程和不等式約束的數(shù)學(xué)規(guī)劃。可以采用粒子群優(yōu)化、魯棒優(yōu)化、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)等方法進(jìn)行數(shù)學(xué)規(guī)劃，設(shè)計(jì)以提升新能源消納能力為目標(biāo)的綜合能源系統(tǒng)源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)調(diào)度策略。

2.5 加快新能源外送通道建設(shè)

針對新能源裝機(jī)與負(fù)荷的空間分布差異，可通過新能源電力外送進(jìn)行解決。目前，我國新疆、青海、甘肅、內(nèi)蒙古等地區(qū)已建成若干條新能源外送通道。新能源裝機(jī)容量逐年增長，未來仍需要加快“三北地區(qū)”新能源特高壓直流輸電外送通道的建設(shè)，拓展新能源消納空間。

3 結(jié)語

電力系統(tǒng)靈活性的不足是造成新能源棄電的直接原因。為了促進(jìn)新能源消納，需要提高風(fēng)電、光伏自身的功率預(yù)測和控制精度，增加更多的靈活性電源。充分利用負(fù)荷側(cè)響應(yīng)、優(yōu)化源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)調(diào)度策略是提高新能源消納的關(guān)鍵。加快新能源外送通道的建設(shè)，逐漸提高新能源外送電量，是拓展新能源消納空間的重要手段。