摘要：随着我国经济的不断发展，环境污染、气候变化、能源安全和可持续发展等问题日益突出，全球主要国家已将新能源列入国家能源优先发展战略，高比例新能源发展面临重大机遇与挑战。在介绍了国内外新能源发展的背景和现状的基础上，分析了中国大规模新能源发展的主要特点，以甘肃为例，研究高比例新能源接入电力系统发展的机遇，分析了面临的送出、消纳、系统稳定、运行控制、经济性和效率等一系列挑战，展望了高比例新能源发展趋势并提出了应对措施。
关键词：高比例新能源电力系统；发展机遇；挑战
引言
中国新能源发展势头迅猛，目前已成为新能源装机最多的国家。欧洲、美国和中国分别提出2050年实现100%、80%、60%可再生能源电力系统蓝图。然而，在高比例可再生能源接入的未来电力系统中，作为电力供应重要支柱的风电和太阳能，其时空分布特性和不确定性将导致电力系统运行方式发生巨大改变，“三北”地区新能源已经出现严重弃风弃光现象。
本文围绕高比例新能源电力系统实际运行中面临的送出、消纳、系统稳定、运行控制、经济性和效率等一系列挑战进行实证分析，通过实证分析提出应对措施并展望高比例新能源的发展趋势。
1新能源发展的背景
近年来中国占全世界新增能源需求的70%以上，2016年中国能源消费总量达到43.56亿t标准煤，占全世界能源消费总量的23%，成为能源消费最多的国家。2016年中国消费了50.6%全世界煤炭，煤炭占中国能源消费总量的比重高达61.82%，是世界主要经济体中煤炭消费比重最高的国家。
2016年中国石油对外依存度达到65.49%，中国已经成为全世界石油进口量最多的国家。中国70%进口石油来自中东和北非，需要通过霍尔姆斯海峡或亚丁湾、印度洋、马六甲海峡和南海运输通道，保证能源运输安全的压力巨大。
2007年中国成为全世界CO2排放量最大的国家。2016年中国CO2排放量达到104亿t，占全球的29%，超过美国和欧盟的总和；人均CO2排放量7.5t，超过了欧盟和日本。受到能源消费总量和以煤炭为主的能源结构的双重影响，中国SO2、NOx和粉尘等污染物排放指标已占全球总排放量的1/3以上，2012年以来中国东部地区频繁出现大范围雾霾天气，最严重的月雾霾天数达到25天、范围超过270万km2，中国的雾霾问题引起了国内外广泛关注。欧美国家已将可再生能源列入国家能源优先发展战略，近期西方七国分别提出了2050年100%可再生能源的战略目标。2016年中国可再生能源仅占能源消费总量的2.82%，远低于欧美国家的发展水平。
2新能源发展现状与特点
2.1中国集中式新能源发展概况
中国陆上风能资源80%以上集中在“三北”地区、太阳能资源80%以上集中在西部地区，而用电负荷主要位于中东部地区，中国风能、太阳能资源与用电负荷逆向分布的特点突出；风光资源属于低密度能源，利用风光资源建设风光发电项目需要足够大的土地资源；尽管近期中国用电负荷集中的东南部地区风光电快速发展，但受到风光能源资源和土地资源的双重因素制约，中国东南部地区分散式风光电的发展潜力有限；风光电资源和土地资源丰富的西部和北部地区发展潜力巨大，是中国风光电发展的主要阵地，大规模风光电基地是中国的主要发展模式。
2.2典型高比例新能源电力系统发展概况
甘肃酒泉是中国开工建设的第一个千万kW风电基地，目前集中并网风光电已经超过1200万kW，是全世界集中并网规模最大的新能源基地。
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甘肃风光电90%以上集中在河西走廊，其中超过80%集中在河西走廊西端的酒泉西部地区，受到大气环流和两山夹一谷地形的影响，甘肃风电出力长时间尺度具有较强相关性；受到超过800km长河西走廊风力传播空间分布的影响，单台风电机组的出力特性呈现明显的间歇性，单个风电场出力特性具有很强的随机波动性，风电场群、瓜州地区、酒泉基地和全省风电出力波动幅度逐步降低，随着分布空间距离的增加，风电具有自我平抑出力波动的能力，大规模风电基地出力具有短时间尺度空间互补性；受到河西走廊局部气候条件影响（河西走廊通常天黑开始起风一直持续到天亮），导致甘肃风电呈现出较强的反调峰特性。
3高比例新能源电力系统发展的机遇与挑战
3.1高比例新能源电力系统
伴随着新能源的快速增长，中国部分地区风光电占总装机容量的比例不断增加。截至2017年7月底，甘肃、宁夏、新疆和青海等省区的风光电比例已经超过总装机容量的30%，其中甘肃已经达到了41.8%，装机容量和发电量比例等主要指标达到国际先进水平，高比例风光电发展趋势明显。尽管如何定义高比例新能源电力系统存在一定的分歧，但国家批准甘肃省建设国家新能源综合示范区具有一定的代表性，明确提出了2020年甘肃省新能源占总装机容量50%以上、新能源发电量占全社会用电量的30%以上、特高压直流外送新能源比例达到40%以上、非化石能源在一次能源消费中的比例达到25%以上的量化指标，其中新能源占总装机容量50%以上、占总发电量30%以上应该可以作为高比例新能源电力系统的主要评价指标。
3.2高比例新能源电力系统发展的机遇
面对气候变化、环境保护和可持续发展等一系列挑战，可再生能源逐步替代化石能源成为必然选择，以甘肃为例，高比例新能源电力系统将迎来如下发展机遇。可再生能源资源随机波动且时空分布不均匀的特点突出，酒泉—湖南特高压直流外送新能源比例达到40%以上，有利于解决可再生能源资源与消费市场空间差异、资源与使用时间差异等基本问题，大电网配置可再生能源资源的作用明显。甘肃是国内外新能源比例最高、距离用电负荷中心最远和集中并网规模最大新能源基地，面临着新能源发电远距离送出、市场消纳、系统调峰、安全稳定和运行控制等一系列技术挑战，科技创新在新能源发展的地位突出。
甘肃已成为世界风光电比例最高、集中并网规模最大、送出距离最远的可再生能源基地，建设新能源综合利用示范区将大幅度提高新能源比例、增加新能源规模，不仅需要技术创新，同时需要在新能源管理体制、新能源发电管理机制等方面有所突破，亟需构建适应高比例新能源电力系统发展的能源管理体系。总之高比例新能源电力系统发展将面临能源替代、电力主导、资源配置、科技创新和体制机制创新等方面的机遇。
4高比例新能源电力系统发展的应对措施
针对高比例新能源电力系统的发展，推荐采取如下应对对策。
（1）提高高比例新能源自我平抑随机波动的能力，采取风电、光电和水电不同比例和不同空间区域的组合措施，发挥不同省份新能源基地的时空特性相互调节与补充作用。
（2）加快规划建设高比例新能源送出输电网络，采取大规模新能源基地远距离输送、跨新能源基地相互连接等技术措施，解决新能源资源大范围配置问题。
（3）常规水电扩机增容、火电灵活性改造提高调节功能措施，加快抽水蓄能电站建设和供热机组储热改造，推进电动汽车储能广泛应用，加快其他储能技术研究与突破，提高电力系统调峰、调频、灵活性和适应能力。
（4）尽快突破省际间电力市场壁垒，建立全国统一电力市场体系；逐步建立国家强制性绿色证书和可再生能源配额制，实现高比例新能源在全国的资源配置。
结语
环境污染、气候变化、能源安全和可持续发展等问题日益突出，全球主要国家已将新能源列入国家能源优先发展战略，高比例新能源电力系统面临重大发展机遇，同时也面临送出、消纳、系统稳定、运行控制、经济性和效率等一系列挑战。亟需为高比例新能源电力系统发展探索道路、破解难题、总结经验，占领高比例新能源发展的国际制高点。
参考文献
[1]康重庆,姚良忠.高比例可再生能源电力系统的关键科学问题与理论研究框架[J].电力系统自动化,2017,41(9):1–11.
[2]陈国平,李明节,许涛,等.中国电网支撑可再生能源发展的实践与挑战[J].电网技术,2017,41(10):3095–3103.
[3]刘小聪,单葆国,王成洁,等.高比例清洁能源替代潜力评估模型及关键影响因素分析[J].电网技术,2017,41(9):2755–2761.
论文作者:李莹
论文发表刊物:《电力设备》2018年第11期
论文发表时间:2018/8/6
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