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计及高比例可再生能源运行特性的中长期电力发展分析

北极星输配电网  来源:电力系统自动化  作者:国网能源研究院有限公司王耀华,焦冰琦,张富强,冯君  2017/12/22 8:58:45  我要投稿  

北极星输配电网讯:一、研究背景

为破解当前能源发展面临的资源紧张、环境污染以及气候变化等诸多挑战,努力降低对化石能源的依赖,逐步构建以低碳、可再生的清洁能源为主体的新型能源系统,已成为世界各国的共同选择。由于清洁能源主要转化为电力使用,某种意义上,电力行业不仅处在能源转型的重要位置,也是推动转型的关键环节,并在一定程度上决定转型的效果及成败。

未来电力系统的清洁、低碳、绿色发展方向,定将促使以风电、太阳能发电为代表的可再生能源加速发展。高比例可再生能源电力系统区别于常规电力系统的最大不同点是:风电、太阳能发电广泛而大规模地接入电力系统,发电的随机性与波动性致使电力系统面临挑战。在此背景下,研究未来电力系统的发展显得十分有必要。

二、研究思路

面向高比例可再生能源的中长期电力发展研究是以实现国民经济发展、保障生态气候环境、承载能源革命使命等为目标,以能源电力发展的政策环境、国家和地方发布的有关规划、政策等为基础,综合考虑我国能源资源条件、供需格局、开发进度、建设周期等各个方面。具体研究思路是:根据各区域发电资源的开发潜力及开发条件和用能需求,以规划期内全社会电力供应总成本最低为目标,以能源供应能力、电力电量平衡、系统运行、环境空间、能源发展政策等为约束条件,构设优化问题,并求解得到发电能源包括非化石能源发电的开发规模和时序、各种类型电源和储能的装机规模和布局、跨省区电力输送规模等。

基于此研究思路,本文提出采用多区域、多场景中长期电力规划模型。多区域,即结合现有电网划分层次以及送受端关系,并考虑未来电网的互联互通需求,将全国划分为若干区域,统筹考虑区域内与区域间的供需及联络需求。多场景,即针对各区域的资源禀赋与负荷需求特点,选用若干典型场景来表征风光出力与负荷需求变化特性,并逐场景简单模拟高比例可再生能源电力系统的运行特性。典型场景可以采用聚类方法形成。

图1 面向高比例可再生能源的中长期电力发展研究思路框图

三、情景分析

本文主要面向了我国2050年高比例可再生能源电力系统的发展愿景。综合考虑现有电网的电力送受关系,将全国电网划分为西北、东北、华北送端(含蒙西与山西)、东中部受端、西南、南方6个区域电网。考虑到海上风电、光热、电储能等新发电技术的日益成熟及远期规模化商业应用趋势,本文重点针对常规煤电、气电、核电、风电、光伏发电、光热发电、生物质发电、抽水蓄能、电储能等电源类型开展应用研究。

参考国家能源电力发展政策及相关机构研究报告,本情景中,2030、2050年能源消费总量基准分别选取为55亿t和60亿t标准煤以内;2030、2050年全社会用电量分别选取为9.0万亿kW⋅h和11.7万亿kW⋅h,最大电力负荷14.5亿kW和18.7亿kW。本文未对负荷特性进行深入分析,主要参考现阶段负荷曲线形成典型负荷需求场景。

分析表明,本情景中,我国电力装机总规模呈现快速发展态势,但不同类型电源发展分化较为明显。部分水平年全国电源装机构成情况如图2所示。2030年全国电源总装机规模约30亿kW,2050年约48亿kW。非化石能源装机占比由2015年的36%增至2050年的近80%;其中风、光等间歇性电源装机迅速增长,装机占比由2015年的11%增至2050年的53%,成为非化石能源装机增长的主体;而煤电装机在展望期中达峰后开始呈现明显下降趋势,装机占比预计由2030年的40%左右降至2050年的16%左右。

图2 研究水平年全国电源装机结构

本情景中,2030年非化石能源发电量占比44%,风光等间歇性电源发电量占比在18%左右。展望2050年,非化石能源发电量占比达到75%,其中间歇性电源发电量占比达到40%,成为发电量主体;化石能源发电量占比降至25%,煤电则降至20%以下,实现主要发电主体到发挥容量价值的转变。跨区通道促进可再生能源在全国范围内优化配置。2030、2050年通过跨区通道交换的电能分别达到1.8万亿kW⋅h和3万亿kW⋅h,占当年全社会用电量的比重分别达到20%和25%左右。

四、结论

面向高比例可再生能源电力系统的发展愿景,需要转变传统的电力发展研究方法,寻求应对风光等可再生能源大规模发展挑战的解决之道。本文考虑不同发展阶段各类可再生能源技术进步及成本下降趋势,计及风光等可再生能源出力的随机性与波动性,提出了多区域多场景中长期电力规划模型。在此基础上,展望了我国2050年高比例可再生能源电力系统的电源格局与电力流,以及其系统运行情况。

需要指出的是,本文所提出的模型是基于全社会电力供应成本最小化的发展目标,未考虑不同投建及需求主体的利益诉求,所设计的中长期电力发展情景较为单一;此外,本文未涉及负荷特性的研究,也未对发电技术经济性、能源电力发展政策不确定性、储能应用场景等影响要素开展建模分析,还有待进一步研究。

作者及团队介绍

王耀华,国网能源研究院有限公司副总经理(副院长),《中国电力》主编,国家电网公司“能源电力规划研究实验室”主任,“适应高比例新能源的电力规划技术科技攻关团队”带头人,高级工程师,国家注册咨询工程师,能源电力发展与能源经济研究领域高级专家。获得中国电力科学技术奖、国家电网公司科技进步奖等多项奖励,在高层次学术期刊和学术会议上发表论文十余篇。主要研究方向为能源电力战略规划、能源经济、电力生产模拟、电力环境经济等领域。

焦冰琦,博士,国网能源研究院有限公司能源战略与规划研究所研究员,工程师。主要研究方向为能源与电力规划、运行。

张富强,博士,国网能源研究院有限公司能源战略与规划研究所主任工程师,高级工程师。主要研究方向为能源与电力规划、生产模拟与电力市场。

冯君淑,硕士,国网能源研究院有限公司能源战略与规划研究所研究员,工程师。主要研究方向为能源及电力发展战略与规划、电力系统优化运行。

伍声宇,博士,国网能源研究院有限公司能源战略与规划研究所室主任,高级工程师。主要研究方向为能源及电力发展战略与规划、电源优化规划研究、跨区联网扩展规划研究、电力系统优化运行。

作者所在团队依托于国家电网公司“能源电力规划实验室”和“适应高比例新能源的电力规划技术科技攻关团队”,研究方向包括能源电力行业发展战略与规划、电力系统运行生产模拟、新能源发展规划及消纳、能源经济与能源环境政策研究等,拥有自主开发的电力系统电源规划软件包GESP-IV在内的5套模型工具,先后完成了电力系统革命、国家电网公司“十三五”电网发展规划、跨区输电及能源综合运输体系构建、新能源开发与消纳等一系列国家能源主管部门、国家电网公司委托的重大课题研究。

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