绿色电力发展背景下陕西“十四五”电源结构优化研究

王 雷,赵 娟，王 喆，吴 磊，贾宏刚

(1.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075；2.国网陕西省电力公司经济技术研究院，陕西 西安 710075)

0 引言

新一轮能源革命正在逐步改变电力系统格局及电网发展模式。随着经济发展方向的转变和生态环境约束的增强以及电力体制改革的不断深入推进，市场条件下的电源规划工作面临的不确定因素更为复杂〔1〕。电源规划是电力系统规划设计的核心〔2〕，也是开展网架结构研究的边界条件。“十四五”期间是陕西电力发展转型、电源结构优化的关键期，也是陕西建设能源强省的攻坚期。结合陕西自身能源资源特点及电力绿色发展的整体思路，在满足负荷供电需求的基础上，提出结构合理的电源规划方案，是做好“十四五”陕西电力规划的前提。

本文结合陕西电源发展实际，总结“十三五”陕西电源发展特点，以陕西电源发展在“十四五”及中长期所面临的形势与问题为导向，通过对陕西电源结构的电网调峰能力及新能源接纳能力〔3〕、系统灵活性约束及需求侧响应的电力系统源网荷协调规划模型〔4〕进行分析，重点研究系统消纳能力和可再生能源装机规模适应问题；针对陕西电源结构的大规模间歇性电源接入后电力系统的灵活性问题〔5〕，研究电力系统灵活性评价。文中提出符合陕西实际的电源结构方案，通过引入陕西绿色电力发展的多项指标，并运用权重系数法对不同电源结构场景进行比较，为“十四五”及中长期陕西电力规划提供参考。

1 陕西电力供需现状

2005年以来，陕西电力需求快速增长，全社会用电量从516亿kWh增长至1 683亿kWh，年均增长率达到8.8%；全社会最大负荷从8 740 MW增长至29 500 MW，年均增长率达到9.1%。电力需求在“十五”和“十一五”期间保持两位数增长，“十二五”中后期，受经济形势下滑的影响，电力需求增速有所降低。“十三五”以来，随着经济形势的回暖，电力需求呈现恢复性增长。

截至2019年底，陕西发电装机容量61 690 MW，其中水电3 908 MW、火电43 224 MW、风电5 263 MW、光伏9 295 MW，所占比例分别为6.3%、70.1%、8.5%和15.1%，新能源装机占比日益提升。

2 陕西电源结构发展趋势

2.1 负荷增长潜力较大，电力供应整体偏紧

近年来，陕西负荷增速高于全国增速。陕西是西北对接全国的桥头堡，经济发展具有得天独厚的优势。随着关中城市群建设的日益推进，以及陕北能源化工行业的逐步回暖，同时在电能替代及新一轮电气化的潜力推动下，“十四五”陕西电力负荷有望保持较高的增长速度。陕西目前在建火电大部分均在2020年前投产，电力供需在“十四五”中后期趋紧。

2.2 环保约束日益增强，源荷均衡格局逐步打破

随着汾渭平原建设的逐步推进，陕西关中地区被正式纳入大气污染防治重点区域。陕西省铁腕治霾打赢蓝天保卫战三年行动方案(2018-2020年)明确〔6〕，对关中地区火电企业进行优化布局，关中核心区不再新建火电、热电企业。关中地区目前相对均衡的源荷格局将被打破，彬长煤电基地新建电源的不确定性增大。

2.3 新能源高速发展与外部条件的合理适应

在能源革命新形势下，电源结构将逐渐从以化石能源为主向化石能源与清洁能源并重转变，大力发展新能源已成为政府及发电企业的共识。近年来，陕西新能源装机增速较快。目前，陕西已核准备案风电光伏规模达到约30 000 MW，约是陕西已装新能源规模的2倍，大规模新能源装机的储备及接入需求对新能源建设硬性条件(土地、资源等)及电网送出与消纳提出了更高的要求。同时，随着新能源平价上网的逐步推进，近年来空前高涨的建设热情是否能得以延续均值得商榷。在新能源规划方面，应理性对待。

此外，陕西负荷峰谷差较大，最小负荷率β在0.6～0.7之间。随着大规模新能源的接入，电网调峰压力日益增大，容量电源利用小时逐年攀低。需要充分发挥调峰电源的作用，建立调峰辅助服务补偿机制，有效改善新能源波动对电网的冲击及容量电源的运营效益。

3 研究思路与方法

具体研究按图1所示框图逐步进行。首先，对陕西电力需求进行预测，并进行电力平衡分析，确定容量电源建设空间；其次，在此空间基础上提出新能源建设3个场景以及调峰电源灵活性建设3个方案，共计9个电源建设方案；第三，运用绿色电力发展指标体系，采用权重系数法对各方案进行优选；第四，得出相关结论及建议。

陕西电力新能源主要涉及陕西风电、光伏及调峰电源建设，而省内的水电资源相对匮乏，主要集中在汉江流域，目前已基本开发完成〔7〕。

4 电力需求预测及电源建设空间分析

4.1 电力需求预测

“十三五”陕西国民经济增速7.3%左右，“十四五”增速预计达到5%以上。根据对电采暖、电锅炉、电动汽车等领域替代估算，“十四五”陕西电能替代潜力约为74亿kWh。综合考虑经济发展、电能替代对人均用电量增长的贡献，2025年陕西人均用电量预计达到6 000 kWh，全社会用电量达到约2 400亿kWh。陕西“十四五”电力需求水平见表1。

表1 陕西“十四五”及远期电力需求预测

从区域负荷分布来看，关中是陕西经济的中心，随着“西咸新区”建设进程的加快、“关中-天水经济区”的发展以及“丝绸之路经济带新起点战略”的实施，关中地区将带动全省经济高速增长。关中电网是电力需求增长的主导力量，考虑规划期关中电网电力负荷约占全省负荷的60%。

陕北是陕西经济的重要增长点，是国家重要的能源化工基地。考虑到国家能源消费革命及转型可能会对陕北化工及煤炭工业发展造成一定影响，规划期陕北电网电力负荷约占全省负荷的27%。

陕南发展将围绕丰富的稀有金属矿产开发、水资源开发，以及依靠生态环境资源优势，发展生态旅游、生态产业，形成绿色产业经济体系。考虑规划期陕南电网电力负荷约占全省负荷的13%。

4.2 电源建设空间分析

考虑如下分析原则：

1)“十四五”水电装机在已有装机基础上，仅考虑在建的镇安抽水蓄能电站4×350 MW机组、黄金峡90 MW机组。

2)陕西内用火电在已有装机基础上，考虑已核准在建6 020 MW火电机组，并退役部分关中及陕北300 MW以下火电机组。

3)发挥西北联网效益，备用容量按照最大负荷的8%考虑。

4)“网对网”外送考虑德宝直流3 000 MW及灵宝直流1 110 MW规模。西北主网通过750 kV交流向陕西送电2 000 MW。

按照以上分析原则，陕西“十四五”电源建设空间12 600 MW，具体分析结果见表2。

表2 陕西“十四五”电源建设空间 /10MW

5 电源结构分析

5.1 新能源建设场景

陕西风、光资源较为丰富的陕北地区，属于光资源II类资源区、风资源IV类资源区，有较大的新能源开发潜力。陕西已核准风电15 060 MW，备案光伏15 080 MW，总计30 140 MW。

基于核准备案总体规模，结合资源条件、电网调峰能力及新能源接纳能力，提出2025年新能源3个建设场景见表3。其中，低场景按照目前核准备案新能源容量在“十四五”全部建成考虑，高场景非水可再生电量消纳占比约为2019年实际占比的2倍。

注：含陕武直流配套风光各3 000 MW；消纳占比不考虑弃电，并扣除直流配套新能源电量

5.2 调峰电源建设方案

根据电源建设空间分析，2025年陕西调峰电源建设空间12 600 MW。结合陕西电源实际建设条件及特点，主要考虑从煤电、电池储能和热电灵活性改造释放出力3个方面满足电力平衡需求。

2025年陕西省热电规模约12 900 MW，其中300 MW及以上热电机组约11 000 MW，冬季受阻出力约2 200 MW，热电机组全部灵活性改造最大可释放出力为2 200 MW。

结合陕西电网负荷特性和电源出力特性，经济配置运行下电池储能可替代火电装机约1 800 MW，为了减少火电装机和提高陕西电网新能源调峰消纳能力，适当规划电池储能。

为满足电力平衡需求，在储能和灵活性改造基础上，陕西还需新增一定规模的煤电装机。

陕西2025年调峰电源新增建设方案见表4。

表4 2025年陕西省新增调峰电源方案 /10MW

5.3 电源结构评价

新能源建设规模与系统调节能力息息相关。基于新能源不同建设场景及调峰电源灵活性不同方案，可提出3大类共9个电源结构方案：

3大类方案分别代表电源结构中新能源的中、低、高3个场景，是电源结构中体现绿色电力发展的重要指标。每一类方案下根据调峰电源结构的不同分为灵活性中、低、高3个子方案。其中，方案1、2、3对应新能源装机结构中场景及灵活性中、低、高3个方案；方案4、5、6对应新能源装机结构低场景；方案7、8、9对应新能源装机高场景。

上述9个方案反映出电源结构中清洁能源占比及对系统调节能力的需求。

为便于对上述9个电源结构方案进行评价，后续引入陕西绿色电力发展的4个方面指标(见图2)，即清洁发展、能源效率、电力保障和经济性指标〔8〕，分别考察陕西电源结构在这4个方面的体现，随机生产模拟结果，利用权重系数法对上述电源结构场景和方案进行如下比较分析。

权重系数法根据随机生产模拟结果的不同输出项，分别以非化石装机发电量占比、发电系统供电煤耗、可靠性EENS、综合上网电价4个指标量化体现绿色电力发展的4个方面，并对不同指标赋予了不同的权重系数。

在权重系数法中，根据每项指标的生产模拟计算结果按照方案序次进行排位打分，所得分数乘以该项指标对应的权重系数得出该方案的综合得分，依次计算所有方案的综合得分后，对方案进行排名，得出最优方案，计算方法具体见下式：

(1)

其中，Qi为第i个电源方案的权重分析总得分；Qj为第i个方案第j项指标在所有方案该项指标中的排位得分；λj为第j项指标的权重系数。

利用权重系数法对各方案进行综合评分，得出表5所示的生产模拟计算结果。

评分结果显示，新能源低场景灵活性高方案评分最高，灵活性低方案次之，新能源高场景灵活性低方案评分最低。

表5 不同电源方案下生产模拟计算及综合评分结果

续表5

根据电源结构评价结果，同时结合灵活性改造工程的具体实施难度及储能建设条件，建议“十四五”期间陕西电源装机方案按照新能源低场景灵活性中方案考虑，具体内容见图3所示，其中火电装机包含神府、榆横及陕北直流外送配套电源，新能源装机包含陕北直流配套电源。

6 结语

在能源革命新形势下，对电源结构的优化,以及对新的绿色替代电源技术的研究势在必行。在深入研究储能等新型调峰电源和灵活性改造、需求侧管理等手段的基础上，合理安排煤电建设规模；通过引入绿色电力发展不同指标对未来可能的电源结构方案进行优化与评价，使陕西“十四五”及远期电源结构方案既满足国家关于非水可再生能源配额要求，充分考虑新能源建设和消纳诉求，又能够有序安排新能源建设规模，同时采用内用与外送相互配合多方并举共同解决新能源消纳隐患。