四川省實現高比例可再生能源接入的發展研究

程平凡，曾成碧，苗 虹

(四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065)

能源是現代工業的基礎，沒有能源與能源技術支撐，所有的現代物質文明都無法存在。伴隨著經濟的發展，傳統化石能源的開發利用導致環境惡化、氣候變暖、資源緊張等突出問題。以風能、太陽能為代表的可再生能源在能源消費總量中逐步提高，成為清潔、環保、優質的新選擇[1-3]。四川省水電資源豐富，是我國重要的電力外送基地。此外，2018年四川省能源工作會議披露，風電、光伏的裝機容量將穩步提升，年內裝機規模達到5.1×106kW。因而整合省內各類可再生能源，優化水、風、光等可再生能源的開發時序和規模，提高四川省的可再生能源使用占比具有重要意義。

因可再生能源具有間歇性的特點，對電力系統的調峰調頻能力提出更高要求[4-5]。常規能源、抽水蓄能、儲能系統啟動次數更為頻繁，影響其經濟壽命[6-8]。高比例的可再生能源接入電網，將對電力系統的規劃設計、調度運行、保護控制、運行維護等方面產生新的挑戰[9-12]。四川是水電資源大省，同時也有著豐富的可再生資源，這樣的資源稟賦決定了其作為我國清潔能源生產端的定位。要實現省內高比例的可再生能源生產消費占比，就需充分地利用多能源間的互補特性和發掘設備的潛能，著力解決強不均衡性、不確定性及波動性下多元能源間優化協調運行問題[13-15]，以最大限度消納可再生能源，提高電能質量，同時保證電網安全運行，打造高品質的能源輸送樞紐。

全球能源技術的發展，對我國來說既是嚴峻挑戰也是重大機遇。四川省的可再生能源分布特點與我國相似，通過研究提高省內可再生能源接入的比例，也可以為全國可再生能源發電與并網提供一定參考。本文將根據四川省現有能源結構組成，分析四川省發展可再生能源的重要性和必要性。通過建立交直流混聯智能電網的電力規劃和生產模型，進行四川省高比例可再生能源發展的途徑研究，最后提出促進相關產業發展的政策建議，為四川打造為全國能源轉型升級的示范基地提供技術保障。

1 四川省能源發展現狀及趨勢

1.1 四川省能源消費構成

根據中國統計出版社出版的2017年四川統計年鑒已知，四川省在2016年的能源消費總量為16 688.7萬t標準煤。其中煤品燃料消費量6 946.5萬t標準煤，與2015年相比，占能源消費比重下降3.6%，減少消費592.8萬t，可以減少排放CO21 576.9萬t和SO24.1萬t。油品燃料消費量4 515.8萬t標準煤，占比為27.1%，與上年相比增幅減小。天然氣消費量2 414.9萬t標準煤，比2015年增長6.2%，占比提高0.9個百分點，凈增140.9萬t標準煤。2016年以水電為主的一次電力消費為5 271.7萬t標準煤，比2015年增長7.4%，占比提高2.0個百分點。總體來說，2016年四川省非化石能源消費占一次能源消費比重達到35.4%，高于13.3%的全國平均水平。

在電力生產方面，目前四川的水電裝機容量達到7 564萬kW，居全國第一。水電、風電、光伏發電等清潔能源發電量占比高達88%，2017年的外送電量達1 389.52億kW·h，相當于節約5 000多萬t標準煤。

總體來看，四川省的煤品消費無論是從總量還是所占比重已經3年內持續下降，除水電外的可再生能源利用不斷提高，已經成為我國重要的清潔能源基地。

1.2 四川省能源發展趨勢

立足于建成全國優質清潔能源基地和國家清潔能源示范省，四川省將構建清潔低碳、安全高效的能源體系。

水電仍然是主要的開發資源。根據規劃，全省2020年水電總裝機容量預計將達到8 301萬kW。四川盆地還具有豐富的天然氣和頁巖氣資源，天然氣總資源量7.2萬億m3，累計探明儲量3萬億m3；頁巖氣資源量27.5萬億m3，可開采量4.42萬億m3。可以通過發展天然氣分布式能源、擴大CNG汽車等方式來促進產業發展。為優化省內的能源結構，四川省將有序布局風電、太陽能發電、生物質能的開發。預計2020年，全省將建成600萬kW的并網風電。在光照資源豐富的川西地區，將建成太陽能發電453萬kW。生物質能發電也將投產超過50萬kW。充分利用各種資源互補優勢，提高可再生能源的利用占比。

作為電力外送大省，加快輸送網絡的建設，可以有效地減少棄水、棄風等現象。四川電網與外區電網已形成“四直四交”的聯網格局，但仍不滿足現有需要。在未來的發展中，完善優化電力新通道將是重點。

2 高比例可再生能源接入電網設想

2.1 電力規劃方法

針對高比例可再生能源接入、交直流混聯的新型電網模式，需轉變傳統的根據電力需求預測來優化電源配置的規劃方法。新的電力規劃將從廣區域、多資源、變時序出發，考慮電源的波動性和隨機性特征，統一布局多區域的電源，優化跨區域的電力輸送通道。

新的規劃方法中，需優化的變量是調峰調頻電廠的配置以及未來電網擴展的預留空間；各區域的電力需求、可再生能源利用規模、電網供電的經濟特性等可作為限制條件；最終的輸出結果為各分區域電力生產布局、能源利用結構占比、電網運行成本、長遠規劃方案等。具體的電力規劃方法可以用圖1表示。

圖1 高比例可再生能源接入的電力規劃方法

2.2 規劃模型分析

以“清潔低碳、安全高效”為目標，電力規劃應具有最優的經濟特性。供電成本可以分為機組能耗成本、外送電力成本以及電網損耗三部分，以供電成本最低的目標函數可以寫為

P=min∑[Cr,tTr,tPc(1+γ)-yi+Ck,tTk,tPk(1+γ)-yi+PL(1+γ)-yi]

(1)

式中：r為電源所屬區域；t為電源類型；Cr,t表示各區域電源的發電容量；Tr,t則表示電源的利用時間；Pc為單位發電成本；γ為折現率；yi表示與規劃初期的時間距離；Ck,t表示各區域外送電力通道的容量；Tk,t則表示外送通道的利用時間；Pk為單位電力外送成本；PL為單位電網損耗成本。

約束條件主要有：

1)發電資源約束

RL,r+RI,r+RE,r≥RC,r+RW,r+RR,r

(2)

式中：RL,r為本地發電資源；RI,r為外地調入本地的發電資源；RE,r為本地調出的發電資源；RC,r、RW,r、RR,r分別是發電所需使用的燃料資源、水力資源和可再生資源。

2)可再生能源約束

四川省著力打造清潔能源外送基地，高效利用可再生能源，將不斷提高可再生能源發電占比。由30%上升到60%以上。

3)環境保護約束

∑Vr,t≤Etotal

(3)

式中：ΣVr,t表示不同區域、不同類型的電源所排放污染物的總量，主要包括CO2、SO2和NOx等氣體；Etotal則是所允許的排放總量。

2.3 經濟特性分析

經濟特性分析以上以小節所規劃方案為研究對象，要求系統運行成本在規劃期內最小。目標函數為

P=∑(PF,r,t+PB,r,t+PD,r,t)

(4)

式中：r為電源所屬區域；t為電源類型；PF,r,t、PB,r,t、PM,r,t、PD,r,t分別是燃料費用、電網停電損失、電網維護費用、設備折舊費。

約束條件有：

1)電力平衡約束

PL+PS=∑Pr,t+PI,r+PE,r

(5)

式中：PL為負荷功率；PS為備用功率；∑Pr,t為各個區域不用類型電源所發功率；PI,r、PE,r則是區域所受功率和外送功率。

2)電能傳輸通道約束

PTmin≤PI,r+PE,r≤PTmax

(6)

式中：PTmin和PTmax分別為電能傳輸通道的上下限值。

3)旋轉備用約束

(7)

(8)

式中：r為電源所屬區域；t為電源類型；上標up表示上調旋轉備用；down表示下調旋轉備用；Rr,t,T為T時刻電源的旋轉備用；PR,T表示T時刻系統所需的備用。

4)機組運行約束

(9)

Pr,t,i-PdownR,T,i≥Pimin

(10)

|Pi,T-Pi,T-1|≤ΔPi

(11)

式中：r為電源所屬區域；t為電源類型；up表示上調旋轉備用；down表示下調旋轉備用；Pr,t,i則是第i臺機組的發電量；PR,T,i為第i臺機組的旋轉備用；Pimax和Pimin分別是第i臺機組發電量上限和下限；Pi,T表示第i臺機組在T時刻的發電量；ΔPi即是機組i在單位時間內負荷變化允許的最大值。

5)電網安全約束

-Pl,max≤∑Sk,lpk,l≤Pl,max

(12)

式中：Pl,max表示支路l的最大潮流功率；Sk,l為節點k注入功率對支路k潮流的靈敏系數；pk,l為節點k注入支路l的凈功率。

3 高比例可再生能源接入的發展戰略

3.1 總體發展戰略規劃

要想實現高比例可再生能源的發展，需規模化利用水電、風電、光電等新能源，綜合考慮分布式電源、儲能裝置、抽水蓄能水電站的地理布局，協調電網與負荷的發展，逐步利用新能源替代煤炭、石油的使用，完善綠色、低碳、高效的電能結構。

根據國家、四川省的相關發展戰略，四川省的能源發展可分為三個階段。2020年前是實現能源體系轉型攻堅的關鍵期；2030年前是實現能源體系轉型的攻堅期；2050年前則是能源體系的轉型期。結合現有發電、儲能、新能源汽車等技術，不同時期的發展重點可以用圖2表示。

圖2所示的發展戰略側重于電源方面，而擴展電力通道、建設能源互聯網、設立儲能系統、推廣新能源汽車也是發展戰略的重要部分。

要想保障電力資源的合理調用，必須建立安全可靠、智能經濟的輸配電網。加強建設能源輸送通道和互聯網，可以讓四川省的可再生能源參與全國能源消費的一次平衡，從廣域空間中消納清潔電力。

目前四川省內僅有寸塘口1座投產的抽水蓄能電站，裝機容量為0.2萬kW，遠遠達不到配置電力總裝機容量4%～7%的要求。隨著風電、光伏發電機組容量的不斷提高，儲能電站的容量還應增加。加快建設抽水蓄能電站，是未來實現高比例可再生能源接入電網必不可少的一環。

推廣新能源汽車，一方面要完善充電樁等基礎配套設施，另一方面可以采取政府補貼等手段，激發居民的購買欲。利用新能源汽車不僅實現電能替代，清潔環保，還能對電網產生“削峰填谷”的積極作用，減小電網的調度調峰壓力，最大程度利用可再生新能源。

圖2 四川省高比例再生能源接入的發展戰略

3.2 具體發展措施

為實現高比例可再生能源接入電網，相關部門可以從以下幾方面進行積極引導。

1)突出以可再生能源為中心的發展目標。可預見的是，目前占四川發電量絕大部分的水電資源，將在2030年前后基本開發完畢。政府需制定可再生能源不同階段的發展計劃和目標，來滿足不斷增長的電能需求。還可以通過行政和市場等手段，鼓勵對可再生能源的投資、研發、生產等，提高可再生能源的利用水平。

2)完善優化電力網絡和外送通道的建設。高比例可再生能源的接入，不確定性必然對電網運行特性影響更加突出。電網規劃時，需將風電場、光伏電站等納入考慮，優化配置接入點和匯集點。同時加強四川電網與省外電網的通道建設，利用從廣區域的可再生能源消納。

3)創新突破新型能源技術。未來四川省不僅要實現高比例的可再生能源接入，還要能夠供應價格低廉的電力。加強可再生能源發電關鍵技術的研發，繼續降低風電、光伏的發電成本。微型化生物質能發電技術，使其能廣泛應用于偏遠地區的分布式發電。改進優化關鍵設備，如并網逆變器、大容量儲能電池等，進一步降低電網運行成本。

4)積極探索建立電力市場。四川作為重要的電力外送基地，在滿足省內需求后，富余的電力可以進行現貨交易。先期可以進行跨區域間可再生能源增量現貨交易的試點工作，初步探索可再生能源上網電價調整機制，最終完善電力市場的建設，激發市場活力，提升可再生能源接入比例。

5)加快能源領域的立法進程。四川省可再生能源的發展成果有目共睹，但仍有棄水棄風棄光、補貼不到位等現象。進一步深化電力市場的改革、優化可再生能源調度方法、促進可再生能源的發展就需要配套文件法規，應用法律手段，切實解決不同能源之間的優先之爭，科學引導四川省內能源結構的積極轉變。

4 關鍵技術支撐

在未來的發展中，電能在居民能源消費的比例將進一步顯著增加。除現有已經規模化應用的風電、光伏發電等技術，以智能電網、儲能技術為代表的新型電力技術[16]將成為未來高比例可再生能源接入利用的技術支撐。

4.1 智能電網技術

智能電網技術包括智能電網標準體系、智能輸變電技術、智能配用電技術、智能調度技術。智能電網可以靈活接納分布式電源，實現自愈控制和互動化，為用戶提供高效的電力增值服務。傳統的電網運行一般對負荷不加以控制，出現緊急情況則采用切負荷的方法，來保證電網發電與負荷的功率平衡。而高效的智能電網通過通信系統、計算機網絡、傳感器等基礎設施，為高比例可再生能源提供平臺，為負荷中心提供合適的應急電力，能夠防止因自然環境或者人為原因造成大電網停電事故。

目前我國電網各個環節的信息共享程度較低，綜合利用效能未能充分發揮。未來智能電網的發展，以信息化、自動化技術為基礎，集成新工藝、新材料、新設備，可靠地滿足發電、輸電、供電提出的各種變化要求。

4.2 交直流混聯電網技術

在交直流混聯電網中，交流和直流互為支撐。目前我國的電網已經形成特高壓交直流混聯的格局，具有“強直弱交”的特點，即是大區域之間的電網聯絡采用高壓直流方式，區域內部則使用交流方式。相較于交流輸電技術，長距離輸電采用高壓直流具有傳輸容量大、損耗小等優點。我國已建成投入運行的高壓直流線路達到20余條。

隨著可再生能源利用率不斷提高，越來越多的分布式發電系統接入系統，小區域內采用交直流混聯微電網則具有廣闊的應用前景。混聯微電網相較于單一形式的微電網，可以減少各類功率變換器的數量，抑制諧波產生，具有更好的延展性，是未來微電網的發展趨勢。

交直流混聯電網目前已經有規模應用的案例，今后的研究工作將側重于安全穩定標準的制定、電網大擾動的分析等方面。混聯微電網方面，其拓撲結構、容量配置、性能評估、運行控制、保護和能量管理等方面也仍需積極探索。

4.3 電能大規模儲能技術

引入大規模儲能環節到電力系統中，可以提高電能供需管理的效率、利用系統的安全穩定運行、有效利用設備資源、擴大可再生能源接入的規模。電能大規模儲能技術的發展和應用必將給未來電網帶來革命性的變革[17-18]。

目前大規模儲能技術相對成熟、已投入實際應用的只有抽水蓄能技術，并且其受到地理位置的制約。為實現高比例可再生能源接入，需進一步突破電池儲能的規模化集成技術。大容量、快速、高效、低成本、綠色環保將是未來的儲能裝置的發展趨勢。隨著成本的下降，電池儲能將成為未來儲能主流，壓縮空氣和飛輪等其他儲能可作為輔助。大規模儲能技術可應用于調峰填谷、平抑可再生能源的間歇性和波動性等。

5 未來可用技術展望

5.1 超導電力技術

超導電力技術是基于超導體零電阻和完全抗磁體的基本屬性，與現代電力技術緊密結合而形成的新興技術。超導電力技術構建超導輸電線、變壓器、儲能裝置等電力設備，實踐于電網發、輸、配等各個環節[19-20]。采用超導技術，可以增加發電機的單機容量，滿足日益增長的能源需求。應用于以特高壓電網為骨干的能源互聯網，則可以提高輸送容量，降低網損，提高系統運行的靈活性、可靠性、安全性，增加能源利用效率，為超大規模的智能電網建設提供技術支撐。

目前超導技術整體處于研究、試驗的階段。未來超導技術的發展主要集中于新型超導材料的研究、運行溫度的提高，以減少設備投入和運行成本。此外，實現超導體高載流復合化、裝置集約化也是重點研究方向。

5.2 二氧化碳捕集與封存技術

二氧化碳捕集與封存技術(Carbon Capture and Storage, CCS)，是一項新興的、具有較強減少碳排放能力的技術。CCS技術被認為是控制溫室氣體的重要技術，是應對全球變暖的有效措施[21]。在電力系統中應用CCS技術，需與大型高效電站結合，才能產生顯著的經濟效益。

當前常用的二氧化碳捕集技術可分成三類[22]：燃后捕集技術、燃前捕集技術和富氧燃燒技術。我國已經建成多個燃煤電廠燃后捕集示范項目，燃前捕集技術的代表項目則為整體煤氣化聯合循環系統(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)，以后的研究重點將集中于富氧燃燒技術，主要是降低制氧設備的成本。二氧化碳封存技術則多利用地下深層鹽水層、廢棄的油田以及不可開采的煤層等。部分小型示范項目[23]表明，封存二氧化碳可以提高煤層甲烷的開采量。

5.3 新一代人工智能技術

未來不僅有高比例可再生能源接入電網，可預見也將存在大規模的新能源汽車接入，電網將具有更復雜的結構，其不確定性、非線性、強耦合性等特征更為突出。因此新一代人工智能技術憑借先進的傳感技術和計算機技術[24]，轉變傳統的計算分析方法，成為解決復雜電力系統問題的有效手段。

基于大數據特征分析，人工智能技術可以解決傳統分析方法無法精確建模、計算時間長等困難。人機輔助決策也可以更好地對電網實現自動實時控制。新一代人工智能技術可以應用到電網規劃、電力調度、電力市場交易等領域。未來人工智能將會更多地滲入電力系統。

6 結 語

能源是現代工業的基礎，能源的發展關系到國家的戰略安全。目前我國能源對外依存度上升快速，只有優化國內國能能源結構，才能保證自身的能源安全，實現可持續發展。四川省內自然資源稟賦，是我國重要的電力外送基地。提高省內可再生能源發電的比例，一方面需要科學技術支撐，另一方面還需完善相關政策制度。通過技術創新，降低可再生能源發電、儲能等環節的成本；出臺能源法律體系，構建基于市場的可再生能源電能供求機制和交易體系。兩個方面并舉，雙管齊下，四川省實現60%～80%高比例可再生能源接入是完全可行的。