高比例新能源电力系统的发展机遇、挑战及对策
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[1-2]、美国[3]和中国[4]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。
2017年1月，国家能源局发布了《2016年风电并网运行情况》，全年“弃风”电量497亿kW·h，超过三峡全年发电量的一半，全国平均“弃风”率达到17%，甘肃、新疆、吉林等地“弃风”率高达43%、38%和30%。2016年仅西北地区“弃光”电量就达70亿kW·h，平均“弃光”率近20%，新疆、甘肃“弃光”率高达32%、30%。弃风弃光现象极大地阻碍了中国可再生能源的健康持续发展。解决可再生能源并网消纳问题成为国家的重大需求。高比例可再生能源的接入将使电力系统运行方式更加多样化、电网交直流连接更复杂化。
针对高比例可再生能源接入的电网运行问题，国内外学者从电力系统灵活性规划与挑战[5-6]、交直流输电的挑战[7]、高比例可再生能源电力系统[8-10]、接入可再生能源的复杂互联电网特性[11]、适应高比例可再生能源发展的新型电力规划及生产模拟[12]等方面开展了研究。针对新能源消纳问题，从消纳关键因素分析[13]、清洁能源替代潜力评估[14]、新能源消纳技术措施[13-17]、国外高比例新能源消纳经验[18-20]、直流联络线运行方式优化提升新能源消纳[21]、区域电网协调消纳[22-23]、风电和太阳能发电占比在20%下生产模拟与实证分析[24]等方面开展了研究。但仍缺乏高比例新能源接入区域电网的实际运行分析及典型高比例新能源电力系统面临的机遇与挑战实证分析。
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7.5 t，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。2015年12月12日巴黎全球气候变化大会达成了《巴黎协定》，中国承诺2030年前CO2排放达到顶峰、非化石能源消费比例超过20%。高比例可再生能源成为未来国际能源竞争的焦点。
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
截至2016年年底，全球风光电装机容量分别达到了4.87亿kW、3.16亿kW，其中当年新增装机容量分别为5 460万kW、7 000万kW，中国风光电装机容量均位列世界第一。截至2016年年底，中国风光电装机容量分别达到1.69亿kW、7 742万kW，分别占全球风电总装机容量的35%、25.4%；2016年中国新增风光电装机容量分别为2 332.8万kW、3 324万kW，分别占全球当年新增装机容量的42.7%、48.8%。中国风电装机容量较大的内蒙古、新疆、甘肃、河北分别可排列当年全球风电装机容量国家排名的第5位、第6位、第7位和第10位；新疆可排列当年全球光伏装机容量国家排名的第8位，甘肃、青海和内蒙古均可排列第9位。
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，例如建设1万kW的光伏发电需要500亩土地；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；甘肃省可开发的风能和太阳能非常丰富；甘肃风光电主要集中在瓜州、玉门、金昌和武威河西走廊一带；风光电规模远远超过当地用电负荷，距离甘肃用电负荷中心兰州的输电距离超过1 000 km，是全世界距离负荷中心最远的新能源基地；酒泉风光电基地主要采用330 kV汇集、750 kV电压送出，是全世界风光电汇集和送出电压等级最高的新能源基地。
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
高比例新能源电力系统的发展机遇、挑战及对策
