可再生能源發(fā)電集群優(yōu)化規(guī)劃與評(píng)價(jià) 節(jié)選

第1章 緒論 1.1 可再生能源發(fā)電 能源是人類賴以生存的基礎(chǔ)，隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，全球能源需求量也呈現(xiàn)出與日俱增的態(tài)勢。2021年國際能源署(International Energy Agency，IEA)預(yù)測，到2030年十年間全球能源需求量預(yù)計(jì)每年增長1.3%[1]。過去的一百年中，煤炭和石油一直占據(jù)著全球能源供給的中心地位，隨著全球化石類能源開發(fā)量的減少、能源需求的日益增加、生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，加快開發(fā)利用可再生能源已成為世界各國的普遍共識(shí)。 根據(jù)國際能源署可再生能源工作組[2]的定義，可再生能源是指“從持續(xù)不斷地補(bǔ)充的自然過程中得到的能量來源”，主要包括風(fēng)能、太陽能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿确腔惸茉础Ｄ壳半娔苁强稍偕茉吹闹饕D(zhuǎn)化形式。國際可再生能源署(International Renewable Energy Agency，IRENA)統(tǒng)計(jì)顯示[3]，截至2020年底，全球可再生能源發(fā)電裝機(jī)總量達(dá)到約2922GW，其中，水力發(fā)電裝機(jī)1211GW，風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)732GW，太陽能發(fā)電裝機(jī)709GW，其他包括生物質(zhì)能發(fā)電、地?zé)崮馨l(fā)電、海洋能發(fā)電等總裝機(jī)265GW。圖1.1展示了全球可再生能源發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量的變化趨勢。從圖中可以看出，隨著全球流域內(nèi)梯級(jí)水電站的持續(xù)開發(fā)和建設(shè)成本的不斷攀升，近年來水力發(fā)電裝機(jī)容量增長緩慢；生物質(zhì)能的發(fā)展受制于高昂的建設(shè)和運(yùn)營成本以及環(huán)境問題，而地?zé)崮芎秃Ｑ竽艿难芯可刑幱谄鸩诫A段，缺乏大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)的條件。風(fēng)能和太陽能發(fā)電技術(shù)由于其靈活性和良好的商業(yè)開發(fā)價(jià)值，隨著制造成本的逐年下降，迎來了一個(gè)快速增長的過程，正逐漸成為可再生能源發(fā)電領(lǐng)域的主力軍。 圖1.1 全球可再生能源發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量變化趨勢 1.1.1 光伏發(fā)電 光伏組件的平均成本在近幾十年內(nèi)呈現(xiàn)大幅下降的趨勢，1976年光伏組件的平均成本高達(dá)79美元/W，是2017年平均成本0.37美元/W的200多倍[4]。相比于2000年1200MW的裝機(jī)容量，2017年底全球光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量為390GW，規(guī)模擴(kuò)大了上百倍；到2020年，全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到709GW[5]。我國作為世界光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)增長的主力軍，2006年《可再生能源法》實(shí)施以來，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迎來了發(fā)展黃金時(shí)代；2013年確立分類光伏發(fā)電標(biāo)桿電價(jià)政策后，光伏發(fā)電的開發(fā)進(jìn)程進(jìn)一步加快。圖1.2展示了我國近年來光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量，截至2021年底，中國光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到306GW，突破3億 kW大關(guān)，連續(xù)七年位居全球首位[6]，同比增長達(dá)到20.9%。 圖1.2 我國光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量發(fā)展趨勢 1.1.2 風(fēng)力發(fā)電 截至2020年底，全球風(fēng)力發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到約732GW，相比2000年的17GW擴(kuò)大了約42倍。到2026年底全球風(fēng)力發(fā)電預(yù)計(jì)將新增裝機(jī)容量469GW[7]。在國家法律和政策的支持下，我國的風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入了快速發(fā)展期，2006～2018年的12年間，風(fēng)電裝機(jī)容量年平均增長率達(dá)43%。截至2021年底，全國風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)總量約330GW，同比增長16.6%[6]。圖1.3為我國近年來風(fēng)力發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量發(fā)展趨勢。 圖1.3 我國風(fēng)力發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量變化趨勢 1.1.3 新能源發(fā)展政策 為了進(jìn)一步推動(dòng)可再生能源發(fā)展，近年來世界各國先后出臺(tái)了多項(xiàng)推進(jìn)可再生能源發(fā)電的產(chǎn)業(yè)政策。2014年，美國環(huán)保署( U.S. Environmental Protection Agency，EPA)公布了其“清潔能源計(jì)劃”(Clean Power Plan)，承諾十年內(nèi)可再生能源使用量增加一倍。2018年8月，美國環(huán)保署提出了“經(jīng)濟(jì)清潔能源條約”(Affordable Clean Energy Rules)，旨在大力減少碳排放，并要求各州在法律生效的三年內(nèi)制定各自的能源發(fā)展計(jì)劃。美國目前有超過30個(gè)州明確了新能源發(fā)展目標(biāo)，特別是加利福尼亞州在2018年9月頒布的“SB 100”法案中，提出2026年加州可再生能源發(fā)電占比達(dá)到50%，2030年占比達(dá)到60%的目標(biāo)，為其他國家和地區(qū)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了借鑒意義。 德國早在2000年正式頒布了《可再生能源法》( Eerneuerbare Energien Gesetz， EEG)，旨在建立可再生能源發(fā)電的固定上網(wǎng)電價(jià)制度，對(duì)推動(dòng)風(fēng)電、太陽能等可再生能源的發(fā)展發(fā)揮了決定性的作用。2014年德國提出了2025年可再生能源發(fā)電占比達(dá)到40%以上，2030年占比超過55%的宏偉目標(biāo)；接著在2017年對(duì)《可再生能源法》進(jìn)行了修訂，進(jìn)一步確立了采用招投標(biāo)來提供可再生能源津貼的新模式。日本政府在2018年7月公布的“第5次能源基本計(jì)劃”中也制定了面向2030年及2050年的能源中長期發(fā)展戰(zhàn)略，提出到2030年可再生能源發(fā)電在總發(fā)電量中占比要提升至22%～24%的目標(biāo)，并首次將可再生能源定位為2050年的“主力能源”。 我國一直以來都把發(fā)展清潔能源作為實(shí)施能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的主攻方向。在《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略(2016—2030)》中，我國提出了到2020年、2030年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重分別提高到15%、20%的目標(biāo)。緊接著在2016年制定的《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中進(jìn)一步明確了可再生能源的發(fā)展目標(biāo)和主要任務(wù)，部署了與發(fā)展新能源發(fā)電技術(shù)相關(guān)的一系列重點(diǎn)及重大示范工程項(xiàng)目，提出的一系列2020年可再生能源開發(fā)利用主要指標(biāo)如表1.1所示。其中，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電均超額完成[6]。 表1.1 2020年可再生能源開發(fā)利用主要指標(biāo) 可再生能源產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展壯大，產(chǎn)業(yè)規(guī)模和技術(shù)裝備水平連續(xù)躍上新臺(tái)階，但是發(fā)展不平衡、不充分的矛盾也日益凸顯。特別是可再生能源發(fā)電消納問題突出，已嚴(yán)重制約了電力行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。2018年我國頒布了一系列可再生能源政策著力解決這一問題，可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段。2021年國家發(fā)展和改革委員會(huì)、國家能源局《關(guān)于2021年可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重及有關(guān)事項(xiàng)的通知》[8]中指出：從2021年起，每年初滾動(dòng)發(fā)布各省權(quán)重，同時(shí)印發(fā)當(dāng)年和次年消納責(zé)任權(quán)重，當(dāng)年權(quán)重為約束性指標(biāo)，各省按此進(jìn)行考核評(píng)估，次年權(quán)重為預(yù)期性指標(biāo)，各省按此開展項(xiàng)目儲(chǔ)備。此外，風(fēng)能和太陽能發(fā)電的實(shí)施成本呈現(xiàn)出逐年降低的趨勢，預(yù)計(jì)在2030年投產(chǎn)的風(fēng)電、光伏電站的平均度電成本將比2020年分別下降31%和61%[9]，“十四五”初期風(fēng)電、光伏發(fā)電將逐步實(shí)現(xiàn)平價(jià)，屆時(shí)將有效緩解中央補(bǔ)貼資金壓力，實(shí)現(xiàn)可再生能源的高質(zhì)量發(fā)展。 1.2 分布式可再生能源發(fā)電技術(shù)特點(diǎn) 集中式發(fā)電和分布式發(fā)電是可再生能源規(guī)模化利用的兩種方式。集中式發(fā)電(centralized generation)通過集中布局大規(guī)模可再生能源發(fā)電，通過高電壓等級(jí)線路接入輸電系統(tǒng)，結(jié)合統(tǒng)一管理、綜合調(diào)控的手段，供給遠(yuǎn)距離負(fù)荷。集中式發(fā)電布局集中、選址固定，與電網(wǎng)之間保持單向的電力交換，便于管理和運(yùn)行維護(hù)。我國的集中式可再生能源電站多分布在土地資源以及風(fēng)、光等可再生資源豐富的甘肅、新疆和青海等西部地區(qū)，圖1.4為西寧共和縣集中光伏電站的現(xiàn)場圖。以光伏電站為例，截至2020年上半年，我國在甘肅、新疆、青海集中式光伏裝機(jī)容量已超過2990萬 kW，占全國的20%[10]。 圖1.4 西寧共和縣集中光伏電站 我國西部地區(qū)地廣人稀，整體用電量小，雖然國家建設(shè)了龐大的“西電東輸”工程，但現(xiàn)有的電網(wǎng)設(shè)施還遠(yuǎn)不能完全滿足“西電”的大規(guī)模輸送，由此造成了西部地區(qū)嚴(yán)重的“棄光、棄風(fēng)限電”現(xiàn)象。僅2017年上半年，新疆(含新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán))和甘肅省的棄光率高達(dá)26%和22%。由于甘肅、新疆(含新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán))、寧夏目前“棄能限電”嚴(yán)重，我國已決定暫不安排這三地2017～2020年新增光伏電站的建設(shè)計(jì)劃[10]。 相對(duì)集中式發(fā)電，分布式發(fā)電是指分布在不同位置的中小型可再生能源發(fā)電，單個(gè)電源的裝機(jī)容量通常在幾千瓦至幾十兆瓦之間。我國在2017年12月1日實(shí)施的國家標(biāo)準(zhǔn)《分布式電源并網(wǎng)技術(shù)要求》（GB/T 33593—2017）中，對(duì)分布式電源(distributed resources，DR)、分布式發(fā)電( distributed generation，DG)等做了詳細(xì)規(guī)定，分布式電源定義為“接入35kV及以下電壓等級(jí)電網(wǎng)、位于用戶附近，在35kV及以下電壓等級(jí)就地消納為主的電源”。按能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的不同，分布式發(fā)電通常采用的技術(shù)類型有：往復(fù)式發(fā)電機(jī)、斯特林發(fā)電機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、天然氣燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電以及各種儲(chǔ)能技術(shù)等。IEEE 1547.2—2008標(biāo)準(zhǔn)提供了分布式發(fā)電技術(shù)的兩種分類方法[11]：按原動(dòng)機(jī)的不同，可以分為旋轉(zhuǎn)型和非旋轉(zhuǎn)型兩種；按并網(wǎng)接口和功率變換的不同，可以分為同步發(fā)電機(jī)、異步發(fā)電機(jī)和基于電力電子變換裝置并網(wǎng)的分布式電源。 與傳統(tǒng)的集中式發(fā)電相比，分布式可再生能源發(fā)電技術(shù)具有如下特點(diǎn)[12-14]。 (1)實(shí)現(xiàn)了“源-荷”的就近消納。大型集中式發(fā)電需要將電力升壓接入輸電網(wǎng)，僅作為發(fā)電站運(yùn)行。而分布式發(fā)電是直接接入配電網(wǎng)用戶側(cè)，發(fā)電用電并存，且要求盡可能地在35kV及以下電壓等級(jí)范圍內(nèi)消納，可以在一定程度上提高電網(wǎng)對(duì)分布式發(fā)電的消納率。 (2)經(jīng)濟(jì)效益良好。分布式發(fā)電靠近負(fù)荷，不但可以降低輸電網(wǎng)損耗，而且由于分布式發(fā)電占用的土地面積和物理空間少，降低了投資費(fèi)用。相對(duì)于集中式發(fā)電所配套的電力設(shè)施建設(shè)周期長、投資風(fēng)險(xiǎn)大的缺點(diǎn)，分布式發(fā)電具有技術(shù)和設(shè)備小型化、模塊化，建設(shè)周期短，可緊密跟蹤負(fù)荷增長進(jìn)行擴(kuò)建，投資費(fèi)用低，風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn)。 (3)提高供電可靠性。合理的分布式發(fā)電運(yùn)行方式，特別是與儲(chǔ)能系統(tǒng)配合，將提高配電網(wǎng)用戶側(cè)的供電可靠性，可以在一定程度上緩解電網(wǎng)投資。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)大面積停電事故時(shí)，具有特殊設(shè)計(jì)的分布式發(fā)電系統(tǒng)(如與重合閘相結(jié)合的計(jì)劃孤島模式)仍能保持正常運(yùn)行。 (4)綠色環(huán)保。可再生能源分布式發(fā)電項(xiàng)目在發(fā)電過程中，不僅基本實(shí)現(xiàn)了零排放、零污染，還可以有效降低建設(shè)高壓輸電線路造成的電磁污染和對(duì)線路沿途植被的破壞。 可再生能源以分布式發(fā)電的形式接入配電網(wǎng)，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)消納的重要方式。我國近些年不斷出臺(tái)政策刺激分布式可再生能源發(fā)電的發(fā)展。以光伏發(fā)電為例，我國大力支持在已建成且具備條件的工業(yè)園區(qū)、經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)等用電集中區(qū)域規(guī)模化推廣屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)，同時(shí)也積極鼓勵(lì)在電力負(fù)荷大、工商業(yè)基礎(chǔ)好的中東部城市和工業(yè)區(qū)周邊，按照就近利用的原則建設(shè)光伏電站項(xiàng)目。目前，我國全額就近消納的分布式光伏項(xiàng)目，如自愿放棄補(bǔ)貼，可不受規(guī)模限制[15]。同時(shí)政府也在積極推進(jìn)分布式發(fā)電市場化，2021年起，對(duì)新備案集中式光伏電站、工商業(yè)分布式光伏項(xiàng)目，中央財(cái)政不再補(bǔ)貼，實(shí)行平價(jià)上網(wǎng)。新建項(xiàng)目上網(wǎng)電價(jià)按當(dāng)?shù)厝济喊l(fā)電基準(zhǔn)價(jià)執(zhí)行。新建項(xiàng)目可自愿通過參與市場化交易形成上網(wǎng)電價(jià)，以更好體現(xiàn)光伏發(fā)電、風(fēng)電的綠色電力價(jià)值[16]。 在政策的激勵(lì)下分布式發(fā)電發(fā)展迅速，天津大學(xué)26樓屋頂分布式發(fā)電項(xiàng)目如圖1.5所示，該項(xiàng)目建設(shè)當(dāng)年獲得了“金太陽”項(xiàng)目的支持。