大力發(fā)展新能源是我國踐行“雙碳”目標，著(zhù)力構建清潔低碳安全高效能源體系的重要途徑。但我們必須清醒地意識到電力消納問(wèn)題已逐步成為制約新能源進(jìn)一步發(fā)展的主要問(wèn)題?！巴ㄟ^(guò)直流特高壓線(xiàn)路進(jìn)行電力外送”作為解決電力資源與負荷區域不平衡的主要路徑，從理論上來(lái)講，可以解決能源負荷分布失衡與新能源消納問(wèn)題，但在實(shí)際運行中還存在著(zhù)諸多現實(shí)性的制約因素，無(wú)法從根本上解決外送消納的問(wèn)題。本文從現有直流特高壓線(xiàn)路外送存在問(wèn)題切入，結合擬規劃建設的新能源基地項目對外送電情況進(jìn)行系統推演分析，并提出針對性建議。

（來(lái)源：微信公眾號“中國電力企業(yè)管理” 作者：肖玲娟等）

傳統直流特高壓線(xiàn)路運行

【資料圖】

面臨的主要問(wèn)題

無(wú)法滿(mǎn)足功率靈活調節的客觀(guān)需求，進(jìn)一步加劇受電端省份的調峰難度。受常規直流采用的晶閘管換流技術(shù)特性限制，常規直流特高壓不能實(shí)現功率靈活調節，已投運的直流特高壓線(xiàn)路基本采用兩段式或三段式功率曲線(xiàn)，與受電端省份的負荷曲線(xiàn)無(wú)法完全匹配，一定程度上甚至可能加劇受電端省份的峰谷差，增大其調峰難度。近期，山東、河南、江西、河北等多個(gè)省份自身的調峰壓力日漸增長(cháng)，作為主要受電端省份如再消納外部直流輸電將面臨更為嚴峻的調峰挑戰。

多饋入受電端省份無(wú)法承受和消納多條直流特高壓線(xiàn)路電力電量。受電端省份交流網(wǎng)架結構是制約特高壓線(xiàn)路輸送能力的關(guān)鍵因素，尤其是多饋入點(diǎn)的受電端省份更面臨巨大挑戰。如天中直流和青豫直流均落點(diǎn)河南省，在正常運行中兩條直流之間存在耦合效應。為保證電網(wǎng)穩定運行，兩者只能按照總送電功率不超過(guò)600萬(wàn)千瓦控制，輸送功率此消彼長(cháng)、互為制約。同時(shí)，天中直流、青豫直流與長(cháng)南線(xiàn)（華中華北交流特高壓聯(lián)絡(luò )線(xiàn)）也存在著(zhù)耦合效應，當兩個(gè)直流高負荷率運行時(shí)，會(huì )將特高壓長(cháng)南線(xiàn)調減出力。在“十四五”規劃中，存在兩條及以上直流特高壓線(xiàn)路落點(diǎn)的受電端省份（如山東、河南、浙江等省份）均將面臨此困境。

“水電大省”電力市場(chǎng)供需存在季節性波動(dòng)，嚴重影響外送線(xiàn)路利用率。如果受電端省份為水電大?。ㄈ绾?、四川等省份），其電力需求則會(huì )存在較大的季節性波動(dòng)，豐水期基本不需受入電量，需求主要在枯水期，特高壓線(xiàn)路的利用率因此受到嚴重影響。以四川為例，水電裝機容量占比高達80%。豐水期（6～10月），四川的水電機組高負荷運行，屬于外送型電網(wǎng)，尤其是日間平谷段水電大量富余?？菟冢?1月～次年5月），四川的水電發(fā)電能力大幅下降，只占豐水期的40%左右，需要通過(guò)外購電來(lái)滿(mǎn)足省內的用電需求。該類(lèi)季節性用電缺口從根本上對外送線(xiàn)路的利用率存在不可調和的限制，不利于新能源基地持續、穩定的外送輸出。

大容量、高比例新能源接入

加劇對傳統直流特高壓的挑戰

電網(wǎng)平穩調度、供需動(dòng)態(tài)平衡，與新能源發(fā)電“靠天吃飯”特性存在較大沖突。新能源發(fā)電出力受風(fēng)力、光照等氣候因素影響，難以實(shí)現持續穩定供電或根據負荷需求調節發(fā)電出力。同時(shí)，隨機性和波動(dòng)性也降低了發(fā)電曲線(xiàn)置信度。以風(fēng)電為例，單個(gè)場(chǎng)站的風(fēng)功率1分鐘波動(dòng)值最大約為20%，10分鐘波動(dòng)最大值可達100%甚至更大。日內逆調峰特性加劇“鴨型曲線(xiàn)”現象。一般而言，風(fēng)電夜間大發(fā)時(shí)是用電低谷，用電高峰期風(fēng)電出力反而較??；光伏發(fā)電在晚高峰出力為零，大量的光伏接入電網(wǎng)、特別是分布式接入，導致“鴨型曲線(xiàn)”效應越來(lái)越嚴重。

常規電源集中性好、單機容量大，設備性能穩定，計劃性強，調節主要以負荷側變化為主。反觀(guān)新能源裝機，單體容量小、發(fā)電曲線(xiàn)變化多且快，電壓接入等級不同、源荷同為變量，對電網(wǎng)規劃、調度方式均形成巨大挑戰。隨著(zhù)新能源裝機比例的逐步提升，電網(wǎng)功率實(shí)時(shí)平衡難度進(jìn)一步增大，電網(wǎng)潮流多變，可測、可控、可調難度呈指數型上升。

規?；履茉吹慕尤?，將導致電網(wǎng)抗干擾能力下降，系統的安全性穩定性無(wú)法有效保證。系統轉動(dòng)慣量越大，電網(wǎng)穩定性越強。旋轉設備被靜止設備替代，即新能源發(fā)電代替傳統化石能源發(fā)電方式，系統慣量不再隨規模增長(cháng)、甚至呈下降趨勢。當電網(wǎng)出現擾動(dòng)時(shí)，由于有效轉動(dòng)慣量減小，系統整體波動(dòng)加劇，兼之新能源機組電壓、頻率耐受能力差，新能源可能出現大規模脫網(wǎng)風(fēng)險，并引發(fā)系統連鎖反應。新能源機組動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力較常規電源弱，且新能源發(fā)電逐級升壓接入電網(wǎng)，與主網(wǎng)的電氣距離是常規機組的2～3倍。隨著(zhù)新能源發(fā)電占比快速提高，系統動(dòng)態(tài)無(wú)功儲備及支撐能力急劇下降，系統電壓穩定問(wèn)題突出，高比例新能源接入地區的電壓控制困難，高比例受電地區的動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力不足。

風(fēng)光變流器等大量電力電子設備接入，電能質(zhì)量問(wèn)題日益突出，不僅傳統電網(wǎng)頻率、電壓和功角穩定問(wèn)題受到深度影響，而且出現新的次/超同步振蕩穩定問(wèn)題，造成火電機組連鎖跳閘，從而帶來(lái)新的電網(wǎng)安全風(fēng)險。

常規直流特高壓技術(shù)特性劣勢制約新能源高比例送出。常規直流特高壓采用半控晶閘管作為換流核心元件，在換流過(guò)程中，無(wú)論整流還是逆變，均需要吸收大量無(wú)功功率保證換流器運行。一般無(wú)功消耗約為有功的40%～60%，因此傳統直流特高壓送受電端均需要能夠提供大量的無(wú)功功率的交流電網(wǎng)作為支撐。當直流特高壓發(fā)生換相失敗、甩負荷或換流器閉鎖故障時(shí)，系統輸送功率大量缺失甚至中斷，此時(shí)無(wú)功補償過(guò)剩，引發(fā)送端換流站母線(xiàn)暫態(tài)過(guò)電壓，而隨著(zhù)新能源大規模接入送端電網(wǎng)，使得交流系統強度進(jìn)一步降低，加劇過(guò)電壓嚴重程度，如果過(guò)電壓進(jìn)一步誘發(fā)大規模風(fēng)電場(chǎng)脫網(wǎng)，將導致故障范圍擴大。因此，常規特高壓送電端需要配備滿(mǎn)足一定電氣距離的煤電機組作為解決暫態(tài)過(guò)電壓的措施，并且為了保障電網(wǎng)設備安全，現有直流特高壓會(huì )采取降功率運行方式來(lái)滿(mǎn)足暫態(tài)過(guò)電壓安全裕度。

受暫態(tài)過(guò)電壓限制，嚴重制約了直流輸電能力，天中、吉泉、祁韶、魯固、錫泰等線(xiàn)路均因此受限，同時(shí)直流特高壓輸送功率與新能源送電功率還存在反向制約關(guān)系。如青豫直流輸送功率提高到400萬(wàn)千瓦，則新能源上網(wǎng)功率必須小于260萬(wàn)千瓦；吉泉直流輸送功率由600萬(wàn)千瓦提升至1000萬(wàn)千瓦，近區風(fēng)電接納能力則由450萬(wàn)千瓦下降至300萬(wàn)千瓦。從運行情況看已投運的風(fēng)光火為主力電源的直流特高壓線(xiàn)路可再生能源電量占比均不足40%。

直流特高壓外送對沙戈荒

新能源基地制約的案例分析

以寧夏騰格里沙漠基地項目為例，其配套電源裝機1764萬(wàn)千瓦，其中煤電464萬(wàn)千瓦，風(fēng)電400萬(wàn)千瓦，光伏900萬(wàn)千瓦。通過(guò)寧夏-湖南±800千伏直流特高壓外送，設計輸送能力800萬(wàn)千瓦。

近電氣距離的煤電機組建設條件差。受暫態(tài)過(guò)電壓影響，需配套煤電機組直接接入換流站，滿(mǎn)足一定電氣距離，提高對直流的支撐能力。煤電廠(chǎng)廠(chǎng)址調整后，煤炭運輸距離增大，導致到廠(chǎng)煤價(jià)上漲，當入爐煤價(jià)提高140元/噸時(shí)，度電成本增加0.042元/千瓦時(shí)。

煤電提供可靠支持，但擠占新能源發(fā)電空間。為保證對直流特高壓線(xiàn)路的無(wú)功支撐，配套煤電機組需常態(tài)保持開(kāi)機方式。按照煤電機組最小出力30%考慮，午間光伏大發(fā)時(shí)，即使線(xiàn)路滿(mǎn)送，不考慮風(fēng)電發(fā)電量，僅光伏棄電功率將達到約240萬(wàn)～300萬(wàn)千瓦，此時(shí)段棄電率達到27%。

大量?jì)δ芫徑庀揠娗闆r但降低項目收益率。為保證外送輸電通道可再生能源電量比例原則上不低于50%，需要配置高冗余新能源裝機，同時(shí)為解決午間光伏大發(fā)高棄電率和晚高峰頂峰需求的問(wèn)題，要同步配置高比例儲能，投資大幅增加，進(jìn)一步降低項目收益率。當儲能容量由20%，2小時(shí)調整至20%，4小時(shí)時(shí)，投資增加導致資本金收益率降低0.6個(gè)百分點(diǎn)。

兩省發(fā)受曲線(xiàn)匹配困難。湖南省的用電曲線(xiàn)和寧夏新能源基地的發(fā)電曲線(xiàn)存在季節性和日間錯配現象。從受電端省份湖南省的用電曲線(xiàn)看（見(jiàn)圖1、圖2），湖南省用電負荷呈現工作日內日峰谷差明顯，最大峰谷差達40%以上，用電高峰時(shí)段為9:00～11:00、18:00～21:00，且節假日負荷曲線(xiàn)較工作日下降最大可達40%左右，與光伏發(fā)電曲線(xiàn)匹配性差；年際最高負荷變化幅度大，3～6月最高負荷明顯降低，年際變化幅度超50%，而寧夏風(fēng)電則呈現夏季發(fā)電量低的特點(diǎn)，尤其是7、8月。如果湖南省根據用電負荷情況修改送電功率曲線(xiàn)，將會(huì )造成更高的棄風(fēng)、棄光率。如受電端需求減少，通道送電功率400萬(wàn)千瓦，除去煤電最低運行負荷，午間僅棄光率就超過(guò)70%，晚間風(fēng)電大發(fā)時(shí)，棄風(fēng)率達到20%左右。

電網(wǎng)需配備大量集中式或分布式調相機。根據相關(guān)測算，夏腰方式下直流滿(mǎn)送，新能源大發(fā)，火電保持開(kāi)一半方式下，直流特高壓三次換相失敗閉鎖情況下，暫態(tài)過(guò)電壓標幺值超過(guò)1.3，還需加裝20臺分布式調相機。

結論及建議

多維度綜合考慮基地項目選址論證?；仨椖恳巹澱撟C要綜合考慮消納、電力市場(chǎng)、場(chǎng)址、資源、技術(shù)方案等多方面因素，加強源網(wǎng)合作力度，延伸源網(wǎng)合作工作周期。抓住目前項目開(kāi)發(fā)建設中的主要矛盾，即在優(yōu)先解決外部條件的情況下進(jìn)行內部?jì)?yōu)化，減少項目不可控因素，將電源端投資經(jīng)營(yíng)壓力與電網(wǎng)企業(yè)在特高壓線(xiàn)路的投資經(jīng)營(yíng)壓力實(shí)現捆綁，促使源網(wǎng)同時(shí)發(fā)力，更好地解決消納問(wèn)題。

加快柔性直流技術(shù)的研究和試點(diǎn)應用?；谌嵝灾绷骶邆淙缦录夹g(shù)優(yōu)勢：可實(shí)現無(wú)源孤島送電、在受電端電網(wǎng)不存在換相失敗，具備電壓支撐能力、不需要火電等常規電源為其電壓支持，可改善受電端電壓穩定性，功率調節靈活，送電曲線(xiàn)可以靈活調節、不需采用常規直流的臺階式曲線(xiàn)，在送受電端之間分擔新能源的調峰需求的技術(shù)優(yōu)勢，建議大力推進(jìn)柔性直流研發(fā)應用，著(zhù)力推進(jìn)柔性直流在設備成本、輸送容量、輸送距離、單站損耗等瓶頸技術(shù)的研發(fā)力度，建議把遠海風(fēng)電基地送出作為示范應用場(chǎng)景，推動(dòng)在大規模風(fēng)電場(chǎng)接入系統試點(diǎn)工程，充分發(fā)揮柔性直流在新能源消納方面靈活性和安全性的優(yōu)勢。

合理設置傳統直流特高壓可再生能源電量占比。細化可再生能源基地分類(lèi)。結合基地項目資源情況、電源裝機類(lèi)型及消納路徑，匹配不同類(lèi)型的特高壓線(xiàn)路建設型式，并分類(lèi)合理設置電量占比，避免“大撥轟、一刀切”現象，建議將風(fēng)光火儲等基地外送項目可再生能源電量占比由50%調整為40%左右，水風(fēng)光儲或水火風(fēng)光等基地項目可再生能源電量占比可酌情提高的合理化建議。

合理設置裝機方案，豐富拓展集團“一體化調度”內涵。結合受電省份的實(shí)際消納情況合理配置新能源裝機，合理控制光伏超配比率和儲能設備的配置規模，爭取較優(yōu)的送電曲線(xiàn)，進(jìn)一步拓展豐富“一體化調度”內涵，綜合考慮送電端、受電端相關(guān)省區煤電、風(fēng)電、光伏發(fā)電等各電源點(diǎn)的機組容量、電價(jià)、市場(chǎng)需求等因素，統一研究售電營(yíng)銷(xiāo)策略、發(fā)電調度計劃、機組檢修計劃等，統籌開(kāi)展風(fēng)光火、跨省區的統籌調度。

（本文僅代表作者個(gè)人觀(guān)點(diǎn)）

本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2023年06期，作者肖玲娟、蔣海波、劉長(cháng)棟供職于國家能源集團技術(shù)經(jīng)濟研究院

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