隨著世界經濟的快速增長，人類對能源的需求越來越大。現有的能源結構中，煤炭、石油等化石能源占有很大比重，但化石能源作為不可再生能源其儲量有限，而且其燃燒和利用過程還會污染環(huán)境并排放溫室氣體。能源危機和環(huán)境污染是全人類面臨的共同問題。

在有限的資源利用和嚴格的環(huán)境保護的雙重制約下實現人類的可持續(xù)發(fā)展，立足于科技進步，調整和優(yōu)化能源結構，大規(guī)模開發(fā)利用清潔可再生能源已成為全球共識。但隨著新能源大規(guī)模開發(fā)，我國局部地區(qū)消納矛盾逐漸凸顯，出現了棄風、棄光問題，引起社會各界的關注。

青海省依托豐富的太陽能風能資源等大力發(fā)展光伏風電產業(yè)，初步形成了較為完整的光伏風電產業(yè)鏈，根據青海省電網發(fā)展規(guī)劃，2020年累積并網光伏風電容量將分別達到1400萬kW和760萬kW。目前，青海全省光伏風電主要集中在海南、海西地區(qū)，截至2016年底，電源總裝機容量為2302萬kW，其中光伏發(fā)電并網容量達682萬kW，風電并網容量達68萬kW。

由于新能源發(fā)電出力具有波動性、隨機性和間歇性，大規(guī)模的新能源發(fā)電接入電網后，會對電網的調峰、無功電壓和暫態(tài)穩(wěn)定性都帶來一定的影響。同時，由于新能源（風電和光伏發(fā)電）發(fā)電出力的不確定性、反調峰性，大規(guī)模新能源并網后要求電力系統留有更多的備用電源和調峰電源。

本文基于光伏風電消納能力，分析不同負荷水平及不同外送曲線對光伏風電消納能力的影響，并根據風電發(fā)電特性、光伏發(fā)電特性及風光互補特性，提出基于新能源消納能力的優(yōu)先發(fā)展光伏、優(yōu)先發(fā)展風電及尋找風光最優(yōu)配比的風電光伏發(fā)展策略，指出一種探索電網新能源消納能力最大的方法，并結合青海電網新能源發(fā)展策略進行分析和計算。

1 研究基礎

1.1 光伏風電出力特性

光伏出力較大時段主要集中在11:00—16:00，典型日出力曲線如圖1所示。若優(yōu)先發(fā)展光伏，光伏開發(fā)超過一定規(guī)模時，將加重電網中午時段棄電現象。

圖1 光伏典型日出力曲線

風電出力具有一定間歇性、隨機性，呈現夜間出力大，白天出力小的特點，典型日出力曲線如圖2所示。若優(yōu)先發(fā)展風電，風電開發(fā)超過一定規(guī)模時，將加重電網夜間小負荷時段的棄電現象。

圖2 風電典型日出力曲線

光伏與風電之間具有一定的互補性，風光出力疊加后最大出力系數及日最大峰谷差較光伏有所下降，平滑了新能源出力的波動性，降低對負荷的負效應，因此，需充分發(fā)揮光伏風電互補特性，尋找風光最優(yōu)配比，達到消納新能源規(guī)模最大的目標。風光互補后出力曲線如圖3所示。

圖3 風光互補后出力曲線

1.2 水電優(yōu)化調度曲線

新能源規(guī)模較大省份，為配合新能源運行，在光伏電站發(fā)電出力較大的時段11:00—16:00，水電站降低出力為光伏調峰運行，其余時間水電大發(fā)以平衡負荷。水電優(yōu)化調度曲線如圖4所示。

圖4 水電優(yōu)化調度曲線

1.3 電力電量需求及負荷特性分析

青海電網某連續(xù)三年全社會用電量分別為675億kW?h、711億kW?h、779億kW?h，年均增長率5.0%；全社會最大用電負荷分別為8800MW、10016MW、10966MW，年均增長率6.4%。青海電網年負荷特性曲線及日負荷特性曲線分析結果如圖5、圖6所示。

圖5 青海電網年負荷特性曲線

2 基于時序生產運行仿真的新能源消納能力計算模型（略）

3 基于新能源消納能力的光伏風電并網優(yōu)化策略研究

3.1 研究思路

本文研究思路如圖7所示。首先根據新能源規(guī)劃開發(fā)規(guī)模及布局，分析新能源消納情況。若新能源棄電率不滿足要求，基于生產模擬運行仿真，研究優(yōu)先發(fā)展風電、優(yōu)先發(fā)展光伏及尋找風光最優(yōu)配比三種發(fā)展策略下新能源消納能力，并基于新能源消納能力最大推薦逐年新能源并網規(guī)模優(yōu)化方案，最后進行網架適應性校核。

3.2 青海電網規(guī)劃新能源消納情況分析

根據規(guī)劃新能源發(fā)展策略，青海電網連續(xù)3年新能源棄電率/棄電量分別為12.42%/18.2億kW?h、18.48%/42.88億kW?h、16.96%/50.53億kW?h。不滿足新能源棄電率不超過7%要求，因此，為保證新能源有序發(fā)展、有效接納，需開拓省外受電市場或優(yōu)化新能源開發(fā)方案。

圖7 研究思路框圖

表1 連續(xù)3年新能源消納情況分析

3.3 不同負荷水平對青海電網新能源消納情況影響分析

考慮負荷水平較規(guī)劃水平降低了5%，導致新能源消納情況更加嚴峻，此時青海電網新能源棄電率/棄電量分別為17.35%/25.4億kW?h、28.1%/65.1億kW?h、23.1%/68.7億kW?h。

3.4 不同外送曲線對青海電網新能源消納情況影響分析

若考慮將新安排新能源全部消納，需開拓省外受電市場。第一年外送電量方案已確定，此時青海電網新能源棄電率/量為12.42%/18.2億kW?h；第二年為將新能源棄電率控制在7%，建議外送電量增加至76億kW?h，此時新能源棄電率/量為7.02%/16.28億kW?h；第三年為將新能源棄電率控制在7%，建議外送電量增加至67億kW?h，此時新能源棄電率/量為7.04%/20.98億kW?h，全省最大外送電力約890萬kW。

表2 青海負荷水平降低5%新能源消納情況分析

表3 優(yōu)化外送電量方案時新能源消納情況分析

3.5 基于新能源消納能力的光伏風電并網優(yōu)化策略研究

基于2.1節(jié)提出的光伏、風電及風光互補特性，同時為將新能源棄電率限制在7%以內，提出了優(yōu)先發(fā)展風電、優(yōu)先發(fā)展光伏及風光最優(yōu)配比原則對新能源并網方案進行優(yōu)化。

方案一：優(yōu)先發(fā)展風電。第一年無新增裝機；第二年可消納風電140萬kW；第三年可消納風電共424萬kW，此外可消納光伏70萬kW。

表4 新能源并網規(guī)模優(yōu)化方案一

方案二：優(yōu)先發(fā)展光伏。第一年無新增裝機；第二年可消納光伏135萬kW；第三年可消納光伏共245萬kW，剩余33萬光伏無法消納。

表5 新能源并網規(guī)模優(yōu)化方案二

方案三：尋找風光最優(yōu)配比。通過青海電網生產模擬運行仿真研究，在保持風光總裝機不變的前提下，逐漸降低風電裝機、增加同等量的光伏裝機，當第二年、第三年全省風光比例分別為1:3.7、1:1.3時，此時新能源棄電率最小。即該風光配比方案下，新能源消納能力最大。

圖8 第二年風光不同配比下青海電網棄電率

圖9 第三年風光不同配比下青海電網棄電率

表6 新能源并網規(guī)模優(yōu)化方案三

因此，建議第一年不新增新能源裝機；第二年可消納新增風電120萬kW、光伏30萬kW；第三年可消納風電共444萬kW，此外可消納光伏40萬kW。

綜合以上三種新能源發(fā)展策略，可探索出電網新能源消納能力最大的方案，即尋找風光最優(yōu)配比方案。

結論

1）電網不同負荷水平或外送曲線直接影響電網新能源消納能力。

2）基于新能源消納能力，提出通過尋找風光最優(yōu)配比，可探索出電網新能源消納能力最大的風光發(fā)展策略，為后續(xù)全國新能源并網規(guī)模及配比方案提出指導性意見及思路，避免大量的棄風棄光現象發(fā)生。