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中国电科院罗魁:西非可再生能源发展现状及并网技术分析

西非可再生能源发展现状及并网技术分析

罗魁

(新能源与储能运行控制国家重点实验室(中国电力科学研究院有限公司))


本文发表在《全球能源互联网》2020年第5期“电力市场促进可再生能源发展”专题,欢迎点击品读

文章导读

西非地区可再生能源发展具有较大潜力,但是当前国内对于西非可再生能源发展的系统性分析较少。本文详细梳理了西非电力供应及电网发展现状,分析总结了西非的可再生能源资源潜力、分布以及相关的规划目标和方案,明确了西非当前电力背景及西非可再生能源进一步并网发展的技术障碍。基于当前西非可再生能源发展的阶段及中国的可再生能源并网经验,对比给出了适合西非可再生能源并网发展的技术方案和建议,为未来中-非电力及可再生能源合作提供借鉴和参考。

主要内容

1

西非电力概况

西非地区(包括贝宁、布基纳法索、科特迪瓦、几内亚、尼日利亚、加纳、冈比亚、多哥、塞拉利昂、塞内加尔、马里、几内亚比绍、尼日尔、利比里亚14个国家,不包含佛得角)的通电率位列世界末尾,2017年可用电人口仅占总人口的约52.3%,农村居民仅有8%可获得电力供应。截至2017年底,西非地区总装机容量为22.9 GW,可再生能源装机(包括生物质能、水电、风、光)占比为23.8%(5.44 GW),其中水电占可再生能源装机容量的97%(5.28 GW),剩余的主要为光伏(160 MW)。该地区电力缺乏,电网网架结构薄弱,电网覆盖率低,设备老旧,输配电损失大,可用发电与负荷需求不匹配,阻碍了经济发展,特别是矿产资源开发。

在能源资源方面,化石能源分布不均,油气资源主要分布在西非东部及沿海地区,可再生能源资源分布较为广泛,北部地区太阳能资源较好,水电资源则分布在沿海地区的几内亚等国。为获得可靠、廉价、清洁的电力供应,未来将以燃气电站为支撑,大力发展水电和太阳能发电,如图1所示,通过跨国互联电网建设实现不同地区、不同类型电源互补互济,共享发电和备用容量,保证系统运行的稳定性和经济性,西非在建跨国输电网络如图2所示。

图1 西非可再生能源重点开发区域

图2 西非在建跨国输电网络


2

西非可再生能源并网发展面临挑战

不同研究均表明可再生能源未来在西非有巨大的发展空间。在西非当前电力背景下,由于缺乏相关知识和经验,可再生能源的发展和接入将会给现有电力系统带来一系列技术问题。

1)电力系统规模较小。大部分国家的电源装机容量较小,跨国电网互联较弱,系统备用发电容量和无功功率不足。不考虑尼日利亚、加纳和科特迪瓦3国,其他西非国家的平均装机容量为250 MW,有3个国家的可用装机容量甚至不足100 MW,在这样的装机容量背景下,接入波动性可再生能源(variable renewable energy,VRE)对本国电力系统冲击巨大。

2)电网调度运行技术落后。西非大部分电网公司缺少现代化的电网调度自动化系统及适当的电网运行标准,例如欠缺AGC功能。因此在VRE渗透率为5%~10%的早期阶段,VRE接入对于具备调度自动化系统的电网来说不会存在问题,但对于西非电网落后的手动调度能力来说,其并网调度运行存在诸多困难。

3)设备及电站运维能力不足。电网运行人员对于可再生能源设备的知识和经验匮乏,运维能力不足,具有可再生能源设备和电站运维能力的本地利益相关者较少,导致后期可再生能源项目难以维护,效率降低或者损坏,降低发电能力。

4)并网规划能力薄弱。最低成本发电规划是长期电源规划中很重要的一步,但西非地区本地大多数公用事业部门(电力公司等)缺乏VRE电站规划能力与工具,相关规划需要借助外部资源,同时缺乏系统级的整体规划。


3

西非可再生能源并网规划运行技术

结合西非VRE接入比例及各国电力背景,可认为西非地区整体可再生能源处于并网运行的早期阶段,即阶段1,如表1所示。分析并提出适合该阶段的可再生能源并网技术,可以降低可再生能源发电并网对系统的影响,提升系统运行的稳定性和可靠性。同时可以预见,西非未来VRE比例将大幅提升,并实现跨越式发展,为此按照阶段需求程度并兼顾长远发展提出适合西非地区发展状况的可再生能源发电并网技术方案及建议,为西非可再生能源并网发展提供参考。

表1 VRE并网不同阶段特性

1)实时监控: 为达到出力可见可控,西非VRE电站需要装备实时监控系统,如SCADA系统,具备通信和控制能力, 能够响应控制信号自动调整出力,进而可提供频率电压调节服务,同时电力公司也需要具备对应的VRE监控系统。此外在并网监控方面相关的国际标准已经成熟,可以与各国电力背景相结合指导本地并网导则的制定。

2)功率预测: 在西非,由于光伏发电将成为系统中不可忽视的一部分,电网公司需要通过功率预测来感知爬坡事件,安排旋转备用容量,来有计划地平衡功率差额。先进的功率预测工具及系统可以帮助降低火电机组的调度出力,同时减少弃光,提高系统运行经济性;在光伏发电比例较高时,也有助于提升系统可靠性。

3)发电调度: 西非大部分国家缺乏预测和调度相关的工具与系统,VRE难以有效纳入调度计划。VRE接入后,电力公司需要按照优先调度的原则在满足系统安全约束的条件下制定充分的日前发电计划,体现VRE并网的经济性;同时根据VRE的日内出力,不断更新调整机组的调度顺序,优化机组出力。对于实时调度层面,目前还较难实现,需要足够的旋转备用进行支撑。

4)友好并网: 由于相关的VRE电站项目较少,当前西非各国电力公司对电力电子设备性能认识有限。随着VRE比例的不断提高,需要注意VRE发电的并网支撑功能及并网标准制定,对新建VRE发电设备及场站的并网提出要求,以提高系统运行的安全稳定性。

5)机组灵活性: 随着西非未来VRE接入比例增加,当进入第3阶段后,南部大量的水电及尼日利亚的燃气发电可以作为良好的灵活性资源,同时北部缺水但具备丰富太阳能资源的地区,可以发展一定的光热发电作为灵活性资源支撑当地VRE的并网消纳。在这些选项之外,西非大量燃油燃煤机组的灵活调节能力也是不可或缺的。

6)区域互联与多能互补: 大规模可再生能源并网与消纳需要不同区域电网的互联,以充分利用多样化电力系统之间的多能协同作用。西非各国装机容量普遍较低,通过电网跨国互联共享该地区的发电和备用容量,对于各国接入大量VRE至关重要。

7)电源和电网协调规划: 在西非,大部分可再生能源资源位于偏远地区,电力需求较低,考虑各种约束的电源和电网协调规划可以避免未来弃风弃光现象的发生。目前西非大部分电力部门为垂直一体化结构,这有助于电源和电网的协调规划,避免VRE的盲目开发。

展望

西非国家对当地可再生能源发电及电网设备、系统、技术、能力不足的担心影响了大规模利用可再生能源的信心,技术和经验共享对西非各国理解本国的可再生能源并网规划与运行问题,以及如何在本国电力系统中应用相关的技术具有重要作用。中国的可再生能源发展经验表明,大规模开发可再生能源并接入电力系统是可以实现的,这为具有大规模水电及太阳能开发潜力的部分西非国家开辟了光明的道路。中国和西非在可再生能源领域发挥互补优势,深度合作,对于推动西非可持续发展将发挥重要作用。

本文引文信息

罗魁. 西非可再生能源发展现状及并网技术分析[J]. 全球能源互联网,2020,3(5):526-536.


LUO Kui. Renewable energy development status and grid integration technology analysis in West Africa[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2020, 3(5): 526-536(in Chinese).

作者简介

罗魁


工程师


研究方向为新能源发电及并网,2018 年作为国网公司专家借调国际可再生能源署(IRENA)工作,参与西非清洁能源走廊倡议项目

E-mail:

luokui21@163.com

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编辑:李锡

审核:白恺


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