新能源電力消納為什么那么難？

多年來，風電和光伏發(fā)電的波動性、隨機性、反調(diào)峰特性、極熱無風、晚峰無光等等已成老生常談，有人怨外送能力不夠，有人說電源結(jié)構(gòu)不合理，也有人要需求響應(yīng)，新能源電力消納問題好像盲人摸象，顯然還沒有形成共識。個人認為，新能源集中開發(fā)模式，按照制約問題出現(xiàn)的先后，依次是應(yīng)該送出問題、消納問題、系統(tǒng)安全問題。

新能源發(fā)展初期，由于新能源項目開發(fā)與電網(wǎng)建設(shè)的周期不同、協(xié)調(diào)不夠，接網(wǎng)和送出問題是首先出現(xiàn)的局部問題。

新能源發(fā)展規(guī)模較大時，局部（省級或區(qū)域）電力系統(tǒng)出現(xiàn)調(diào)峰問題，新能源消納問題會日益突出。

新能源進一步大規(guī)模高占比發(fā)展，局部問題逐漸向全系統(tǒng)擴散，由于新能源機組的慣量較小，常規(guī)電源占比下降，系統(tǒng)出現(xiàn)調(diào)頻問題將日趨嚴重。這也是新能源發(fā)展到一定規(guī)模必須面臨的系統(tǒng)難題。

新能源電力消納是一項系統(tǒng)工程，是新能源和電力系統(tǒng)的特征決定的。電力系統(tǒng)不只是發(fā)電企業(yè)，不只是電網(wǎng)，更不只是用戶，而是由“發(fā)輸配用儲”一系列環(huán)節(jié)組成的系統(tǒng)。所以，新能源電力消納問題要堅持系統(tǒng)思維。

2020年12月7日的中國能源報，發(fā)表了一篇“電力系統(tǒng)靈活性提升難在哪”，引用了《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》。“十三五”期間，將在“三北”地區(qū)推行熱電機組靈活性改造約1.33億千瓦、純凝機組改造約8200萬千瓦；抽水蓄能電站裝機達到4000萬千瓦左右；全國氣電裝機2020年達到1.1億千瓦以上。然而，“十三五”收官在即，電力系統(tǒng)靈活性提升目標卻遠未完成：截至2020年9月底，我國氣電裝機容量9637萬千瓦、抽水蓄能裝機容量3089萬千瓦，均大幅低于規(guī)劃目標；煤電靈活性改造進度更為緩慢，截至2019年底，只改造完成5775萬千瓦，僅為目標改造容量的1/4，且截至目前情況并無明顯改觀。

究其緣由，就是價格形成機制。長期以來，缺水區(qū)域電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻等責任大都由火電機組承擔，但隨著新能源規(guī)模越來越大、比例越來越高，以火電機組為主的電力系統(tǒng)已經(jīng)不堪重負。

新能源發(fā)展的技術(shù)邊界在哪里？

可以確定的是，碳達峰碳中和目標下，以風電和光伏發(fā)電為代表的新能源在2030年前將呈更大規(guī)模、更高速度發(fā)展態(tài)勢。在電力系統(tǒng)基本控制理論沒有大進步的情況下，仍要深入研究新能源送出、系統(tǒng)調(diào)峰問題和系統(tǒng)頻率穩(wěn)定問題。

新能源送出的系統(tǒng)經(jīng)濟性要給予足夠重視。發(fā)電企業(yè)更注重電量上網(wǎng)的利益，造成新能源發(fā)電機組仍不能承擔其應(yīng)有的責任。經(jīng)過十多年的技術(shù)進步，新能源發(fā)電機組發(fā)電效率大幅提升，但涉網(wǎng)性能并沒有得到同步提升，電壓支撐能力、功率控制水平遠不能與常規(guī)機組相比。客觀地說，由于新能源利用率不高，電網(wǎng)企業(yè)大規(guī)模投入新能源接網(wǎng)和送出工程整體效率偏低。經(jīng)過十多年的發(fā)展，資源富集的區(qū)域電網(wǎng)送出大多已經(jīng)飽和，新能源送出全部依靠新增輸電通道解決。這一部分電網(wǎng)投資不產(chǎn)生電量，納入輸配電價有效資產(chǎn)后，一方面會引起輸配電價上升，另一方面即使納入輸配電價也難以取得合理回報。

電力系統(tǒng)調(diào)峰問題相對容易解決。電力系統(tǒng)調(diào)峰問題主要反映的是電源結(jié)構(gòu)，水電等靈活調(diào)節(jié)電源的多寡決定了電力系統(tǒng)調(diào)峰裕度，當然與用電端的負荷特性也密切相關(guān)。困難的是，新能源富集的“三北”地區(qū)多以火電為主，而且多承擔供熱任務(wù)，在風電大發(fā)的冬春兩季系統(tǒng)調(diào)峰能力極小，這也是當前新能源消納問題的關(guān)鍵。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，發(fā)電側(cè)的靈活調(diào)節(jié)改造、儲能和需求響應(yīng)是解決系統(tǒng)調(diào)峰問題的三大類措施。如果制定相應(yīng)的電價引導(dǎo)機制，從發(fā)電側(cè)、儲能和需求響應(yīng)三方面發(fā)力，系統(tǒng)調(diào)峰問題相對容易解決。

高占比新能源電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的認識還不夠。與傳統(tǒng)同步發(fā)電機相比，新能源發(fā)電機組轉(zhuǎn)動慣量小或沒有轉(zhuǎn)動慣量。什么是轉(zhuǎn)動慣量？簡單說，電力系統(tǒng)是在發(fā)電機組帶動下實時平衡的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，由強大的發(fā)電機群將系統(tǒng)拉回平衡運行狀態(tài)。轉(zhuǎn)動慣量小的系統(tǒng)，抗干擾能力也較小。我們可以假設(shè)，當系統(tǒng)替換為新能源機組，系統(tǒng)慣量很小，那么電力系統(tǒng)就成為一個“輕”系統(tǒng)，一點干擾就可能導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。一些單位已經(jīng)研究了高占比新能源電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定約束，但還沒有提出切實可行的控制措施，這將是新能源發(fā)展面臨的另一個即將到來的系統(tǒng)性難題。

新能源發(fā)展的經(jīng)濟性邊界？

從政策設(shè)計上看，新能源發(fā)電側(cè)設(shè)置了95%的利用率目標，上網(wǎng)電價全面達到平價水平（燃煤脫硫機組標桿電價），消費側(cè)設(shè)定了可再生能源消納責任權(quán)重，電網(wǎng)側(cè)輸配價格基本固定，但系統(tǒng)的價格機制還沒有出臺明確的政策。從2020年風電搶裝潮看，電價對于風電發(fā)展巨大的驅(qū)動作用。未來，上網(wǎng)電價在新能源發(fā)展的調(diào)節(jié)作用將逐步減弱，逐步過渡至市場因素驅(qū)動，就需要研究系統(tǒng)的經(jīng)濟性問題。

系統(tǒng)成本增加。由于風電、光伏發(fā)電的隨機性和波動性，電力系統(tǒng)維持旋轉(zhuǎn)儲備或額外可調(diào)度容量的成本。隨著高比例新能源接入，消納一個單位的新能源電力邊際成本呈幾何級數(shù)增加，調(diào)節(jié)電源的經(jīng)濟性難以保障。

電網(wǎng)側(cè)成本增加。從電網(wǎng)側(cè)看，大規(guī)模新能源接網(wǎng)和輸電工程利用率偏低，即使納入輸配電價仍難以取得合理回報。尤其是，風電、光伏發(fā)電大型基地，遠離負荷中心，千萬千瓦級新能源外送需配套建設(shè)大量匯集和外送工程，且風電、光伏發(fā)電利用率不高（風電2000小時左右、光伏1400小時左右），電網(wǎng)工程整體利用率偏低。

一點應(yīng)對措施

新能源側(cè)。新能源既然要從補充電源向主力電源過渡，就必須要承擔其主力電源應(yīng)該具備的技術(shù)條件。一是提升涉網(wǎng)性能。新能源發(fā)電機組不能只追求發(fā)電效率，更應(yīng)同步提升其發(fā)電品質(zhì)、可控可調(diào)性和友好性。二是新能源端配置儲能。從電力系統(tǒng)的基本原理上看，儲能配置于負荷側(cè)更有助于提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)性和保證供電的可靠性，但從大型風電、光伏發(fā)電基地的角度看，新能源端配置儲能更有助于提升系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平和整體經(jīng)濟性。如果能出臺“儲能+”的電價，將更有助于推動新能源電力消納。

電網(wǎng)側(cè)。一直以來，出于經(jīng)濟性和不確定性電源比例較小的考慮，電力系統(tǒng)對于年利用小時低于3000小時的電源接入設(shè)計上有一定“輕視”，不考慮N-1等技術(shù)要求。但在新能源超常規(guī)的新形勢下，需要重新審視新能源接網(wǎng)設(shè)計的基本原則，提升系統(tǒng)可靠性和電網(wǎng)工程的經(jīng)濟性。如果新能源側(cè)配置了一定高比例儲能，接入設(shè)計是否要考慮N-1原則，儲能集中與分散配置方式均需進一步研究。

消費側(cè)。一般意義上，消費側(cè)的用電可持續(xù)性和品質(zhì)要求是持續(xù)上升的。但隨著電氣化水平不斷提升，間歇性用電設(shè)備也在大量增加，比如新能源汽車充電樁、電熱水器以及一些對于電力可持續(xù)性要求不高的負荷，因此建立電需求響應(yīng)是應(yīng)對電源端品質(zhì)下降的重要措施。

說了這么多，其實就是一句話。要應(yīng)對大規(guī)模高比例新能源發(fā)展，就要從電力系統(tǒng)整體出發(fā)，設(shè)計技術(shù)要求和經(jīng)濟性測算。“碳達峰、碳中和”目標下，新能源發(fā)展是肯定的，解決新能源發(fā)展的問題，就要堅持系統(tǒng)思維，全方位、全要素發(fā)力，如果仍是要求某一方或幾方去完成，努力的空間不大。