基于新能源接入的平衡型电网构建策略

陈祖力 荣 幸 曾 亮 隋 兵 江全才

1.国网荆州供电公司经济技术研究所 湖北荆州 434000；2.三峡大学电气与新能源学院 湖北宜昌 443002

2020年，中国提出将采取更加有力政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年达到峰值，争取2060年实现碳中和，首次具体明确了我国“双碳”目标的时间节点和工作方向。中国作为一个工业化起步晚，尚处于工业化大发展时期的发展中大国，向世界彰显了我们的责任担当[1]。电力是我国能源供给的主力军，以传统火力发电为主的电源结构构成使得电力能源自然成为碳排放大户，我国目前年碳排放量100亿吨左右，电力能源年碳排放量45亿吨以上。截至2021年底，我国火电发电装机容量为129678万kW/h，占全部装机容量的54.6%。[2]

提高新能源在整个电能供应结构中的比例，使电力能源碳减排自然成为重中之重。2021年3月，中央提出构建以新能源为主体的新型电力系统的要求。提出到2030年我国风力发电、光伏发电总装机容量达到12亿kW以上的新能源建设指标。国家电网有限公司则提出，到2030年公司经营区风力发电、光伏发电总装机容量达到10亿kW以上的响应指标，全国电力新能源装机容量达到17亿kW以上。长期来看，增加风力发电和光伏发电装机是提高我国清洁能源占比、降低电力生产碳排放非常有效的一项措施。

但是，风力发电和光伏发电受气象条件影响极大，能源出力呈现波动性、间歇性的特征，负荷平衡和电网运行控制调度难度增大，导致局部时间不得不出现严重的弃风、弃光现象。[3-4]因此，科学规划风光能源接入电能的输送、接纳、区域消纳、转供、储能、综合能源转换利用等项目建设，构建大电网电能接纳、消纳、转供、储能、综合能源转换利用框架，实现风光能源的“有量尽接”全部适时接纳及供用平衡是实现双碳目标非常重要的一个环节。

本文结合风力发电及光伏发电的特征，提出平衡型电网的构建方法。以荆州地区为例，通过基础数据分析，提出新能源接入的负荷平衡方法，为区域内新能源开发及接入提供指导。

1 平衡型电网的构建策略

在新能源接入条件下，要构建平衡型电网，首先需要对供电辖区内的风光能源资源信息有一个全面的掌握，然后结合供电现状及未来电力需求，研究风光等新能源供电量及出力时序波动特征，在此基础上提出风光能源建设项目规划与电网网架建设改造规划，最后运用全面综合性大数据云计算信息平台实现平衡型电网的构建。平衡型电网的构建流程如下：

首先，调研收集供电辖区内风光资源信息，包括当前现状、类型、规模、等级、分布区域、建设条件、拟接入电网层次划分等，建立供电辖区风光能源资源信息数据库。然后分析供电现状与未来电力需求，供电网络结构现状及网络规划，供电层次、区域划分，电网负荷特性与负荷预测，供电需求，建立供电辖区电力需求信息数据库。其次，研究分析供电辖区风光能源供电量规模及出力时序波动特征，对比辖区用电量峰谷时序变化规律，基于电网供电能力与接纳能力、消费能力的现状，以满足辖区电力供需平衡为目的，提出供电辖区风光能源建设项目规划，基于辖区供电能力与接纳能力、消费能力的电力不平衡，培植电网转供、储能、多元化消纳与综合利用、电气化扩大利用及节能等项目开发，依托上一级大电网资源，力争实现供电辖区电力供需总体平衡和适时动态调整。利用抑制风光能源电压波动、频率波动、频带振荡、环流与谐振的理论研究成果和开发研制出来的有效抑制设备装置技术，结合供电辖区电网网架结构实际，推广有效抑制和消除风光能源的电能质量缺陷设备装置，提出供电辖区电网网架建设与改造项目规划，保障电力系统的稳定性和可靠性。最后，运用现代信息技术，研究分析供电辖区电能生产、输送、接纳、消费、储能及扩大电气化利用、交易等信息关联、制约、融合，提出建立全面综合性大数据云计算信息平台建议，为辖区电力的平衡调度和目标融合、标准化统一、多元化利用平衡提供参考。

2 案例分析

针对本文提出的平衡型电网的构建策略，以湖北荆州供电公司为例，进行平衡型电网构建分析。

2.1 能源构成分析

以2020年为基准年，荆州供电公司辖区已投入运行电力能源类型以火电(含生物质、余热等)、光电、风电、水电能源构成。荆州供电公司辖区能源构成如表1所示：

表1 能源结构数据

从图2可以看出，2020年荆州供电公司辖区火电、光电、风电、水电装机容量占比分别为72.2%、17.2%、8.7%、1.8%，传统火电能源仍然是主力军。从发电量和上网电量数据看，火电更是达到92.1%和91.1%的绝对高比例，未来电能供给还将相当长时间依赖火电能源，以风光新能源项目建设为主体的电源结构调整任务艰巨。从单位电源装机容量年发电量贡献指标数据看，水电、火电、光伏、风电发电量差别巨大，仅以光伏、风电与火电比较，火电单位装机容量年发电量贡献指标数据分别是光伏、风电单位装机容量年发电量贡献指标数据的5倍以上，未来要实现风光能源替代火电能源满足电力需求，风光电源装机容量必须大幅度提升，大力发掘风光能源资源，加大风光能源建设投入是关键。

2.2 风光接入的经济性分析

新能源发电量随季节的变化如图3所示，不同能源装机容量年均单位发电量存在较大差异，风电和光电能源月均单位容量装机发电量季节性波动明显，风电和光电能源装机容量年均单位发电量要远低于传统的水电和火电能源，与火电能源比较，火电能源每千瓦装机容量的年均发电量分别是风电和光电能源的2～4倍和4～5倍，风光能源单位装机容量低位产出问题较突出。意味着在同等发电量条件下，若以风电能源替代火电能源，风电能源装机容量应提供火电能源2～4倍的等量装机容量，若以光电能源替代火电能源，光电能源装机容量需达到火电能源4～5倍的等量装机容量，风光能源二者相比较，风电能源单位装机容量的年均发电量高于光电能源20%～80%，仅考虑单位装机容量的年均发电量单一因素，风电电源装机更优。

荆州供电公司辖区风光能源在装备容量及其占比、发电量及其占比方面仍然存在巨大差距，在资源开发及建设资金投入额方面存在较大困难，风光能源的大规模开发建设在短期时间内还不足以改变辖区的能源供应结构和方式，相当长时间内，辖区的能源供应仍旧要以火电能源和网购电能来保证。近年来，风光能源建设项目发展迅速，推动了行业技术进步和装备能力提升，使得风光能源单位装机容量资金投入额下降，风光能源建设资金投入成本降低，进一步促进了风光能源的建设发展。风光能源单位装机容量资金投入参考数据如表2所示：

表2 风光电源单位装机容量资金投入数据参考表(万元/MW)

由此可见，风光能源单位装机容量资金投入以光电最低，风电单位装机容量资金投入是光电单位装机容量资金投入的2倍以上，表明光电单位装机容量资金投入经济性更优。

下面进行风光能源建设项目综合经济性比较。根据荆州供电公司辖区风光电源年均发电出力情况和单位装机容量资金投入综合分析风光能源建设项目的经济性，投入产出经济性指标对比如表3所示：

表3 风光电源项目投入产出经济指标对比表

综合对比，光电投入产出经济性远优于风电，光伏电源每万元装机投入产生的年均发电量是风电的1～2倍以上，如果剔除风光能源发电运行维护费用和使用寿命期的较小差异，光电能源投入产出效益明显高于风电能源。建议荆州供电公司辖区优先开发具备条件的光电能源建设项目。

2.3 配网负荷平衡建议

为了研究分析荆州供电公司电力供需平衡，本文采取按主配网区分，主网按变电站电压等级区别逐步进行。以区域电源供给量自我平衡为基础平台，按供电网区域层次划分，逐一研究分析电力供需缺口、盈余裕度等要素，提出区域电源建设、电力平衡调度、电能综合利用等方面的总体建议。

首先，从配电台区着手，沿配电台区380V线路路径摸底调查清楚配电台区供电用户光伏电能资源及意愿，根据资源量建立小型分布式可供选择投入建设的220V电压等级家庭式光伏电源规模和时序。10kV电压等级光伏电源以分散式小规模三相T接接入10kV配电线路或以配电线路接入35kV变电站出口侧间隔，汇总计入配电网供电负荷、供电量。

其次，以配电台区用户数和户均容量标准为基数，考虑台区小负荷型用户及公共设施等用电需求，辅以电力增长年度预测，计算配电台区供电负荷、供电量需求，建立各配电台区电力需求年度台账，台区实现自产自供目标下供电负荷、供电量余缺和时序，依据供需从属关系汇总建立对上级10kV配电线路、35kV变电站的电力需求年度台账，供电负荷、供电量余缺和时序，完成各配电网电力需求基础台账建设工作。

再次，依据配电网电力需求基础台账，供电负荷、供电量余缺和时序，对比辖区光伏能源资源，结合年度光伏能源建设计划和实际完成情况，计算出配电网分年度电力需求余缺，进而提出和建立各配电网对主网的年度滚动供电需求计划和余量上网返供计划，实现各配电网滚动平衡供给。

最后，分析投资效益，提出光伏电源上网技术方案。从经济效益、技术可行、电网运行安全可靠等方面考虑，屋顶光伏电源以220V电压等级家庭式小型分布式电源接入上网最优，光伏电源装机容量小于12kW时采取单相T接上网模式，电源装机容量12～40kW时采取三相T接上网模式，电源装机容量大于40kW时采取三相T接逆变上网模式，自备储能电池自我调节光伏发电时刻与用电时刻的负荷和电量平衡，自备储能电池容量按装机用户满足日累计最大用电负荷需求为最低条件，即以装机用户容量乘以24小时为自备储能电池容量。光伏发电电能全部经储能上网，用户用电使用原配电网上网取电，设置双向计量装置。在380V配电台区出口端设置三相不平衡自动调节装置，集中解决配电台区线路三相不平衡和低电压问题。同时，根据该配电台区光伏上网负荷是否出现盈余而在台区变压器出口端择机加设储能逆变升压装置，将台区盈余负荷接入10kV线路向上一级配电网返供电。

3 结论

(1)火电单位装机容量年发电量贡献指标数据分别是光伏、风电单位装机容量年发电量贡献指标数据的5倍以上。未来要实现风光能源替代火电能源满足电力需求，风光电源装机容量必须大幅度提升，大力发掘风光能源资源，加大风光能源建设投入是关键；

(2)发展新能源过程中，通过风光电源单位装机容量资金投入与风光电源项目投入产出指标对比分析，确定荆州供电辖区光伏新能源为优先发展方向；

(3)在大规模新能源建设资金受限的情况下，可通过在配电台区设置小型分布式光伏发电的方式扩大新能源供电的比重。