我国可再生能源高渗透发展的瓶颈与对策

× ×·×××·×工程7（2021）1611研究清洁能源技术-专题文章我国可再生能源高渗透发展的瓶颈与对策刘吉珍a，王清华a，宋子秋b，方芳a，b，刘华北电力大学可再生能源发电系统国家重点实验室，北京102206b华北电力大学控制与计算机工程学院，北京102206阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2020年2020年8月21日修订2020年8月27日接受2020年12月1日网上发售关键词：瓶颈对策闲置风能和太阳能可再生能源A B S T R A C T中国已成为世界上最大的能源生产国和消费国，风能和太阳能发电装机容量位居世界第一。然而，中国严重的风能和太阳能限电严重阻碍了可再生能源的开发和利用。针对可再生能源消费中存在的问题，分析了影响可再生能源发电容量的4个关键因素：功率平衡、功率调节性能、输电容量和负荷水平。针对这些瓶颈，提出了集中式和分布式发展可再生能源、提高火电调峰灵活性、增加燃气轮机和抽水蓄能比例、建设输电通道和柔性智能电网、发展需求响应和虚拟电厂、积极支持和储能新能源、建立相应的政策和市场机制等7条解决方案中国政府和能源主管部门出台了一系列政策措施，近三年来，中国在推广可再生能源方面取得了显著成绩风电闲置率由二零一六年的17%下降至二零一八年的7%，太阳能闲置率由二零一六年的10%下降至二零一八年的3%。©2020 THE COUNTORS.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍化石燃料枯竭、环境污染和气候变化已成为共同问题。清洁高效利用传统能源、开发利用新能源、提高电力系统灵活性、发展智能电力系统是大多数国家达成共识的应对策略[1]。中国2018年装机容量达到1.9 109 kW，发电量总计7 1012 kW h[2]。2018年和2019年中国的电力供应结构和发电能力如图所示。1和2，显示2018年至2019年，非化石燃料（以下简称非化石）能源装机占比增长1%，发电量增长1.6%。在中国，可再生能源的两个主要来源是风力发电和光伏（太阳能）发电。中国是世界风能和太阳能发展的领导者*通讯作者。电子邮件地址：ffang@ncepu.edu.cn（法国）Fang）。https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.08.016发电量截至2018年底，风电和太阳能发电装机容量分别为1.84 × 108 kW和1.74 × 108 kW，占总装机容量的9.7%和9.2%。此外，风能和太阳能发电量合计3.6581011和分别为1.769 1011kW h，占总发电量的5.2%和2.5%[3，4]。如图3和4，2005年至2018年，中国风电和太阳能装机分别增长了15倍和1740倍，这表明中国可再生能源的开发和建设已经上升到一个新的水平。近年来，中国分布式可再生能源发展迅速，尤其是分布式太阳能发电。截至2018年底，分布式太阳能装机容量为50.61吉瓦（GW），比2017年增加20.96吉瓦（71%）。此外，在其能源发展战略行动计划2014-此外，海上风电发展势头强劲，我国海上风电储量巨大，水深5-50 m、高度70 m的截至2018年底，中国2095-8099/©2020 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engJ. Liu，Q.美国驻华大使，法-地Wang， Z. Song等人工程7（2021）16111612×Fig. 1. 2018年和2019年中国图二、2 0 1 8 年 和 2 0 1 9 年 中国发电量构成。图三. 中国风电装机容量（2005见图4。 中国的太阳能装置（2005另有6.47 × 106 kW在建。因此，中国在海上风电方面排名第三，仅次于英国和德国[6《2018年中国可再生能源的比重正在快速增长，可再生能源很可能成为中国虽然中国的风能、太阳能和水电闲置问题在过去两年有所缓解，但电力发展第十三个五年规划（2016-2020年）指出，这在中国的一些 地 区 仍 然 是 一 个 严 重 的 截 至 2018 年 底 ， 中 国 闲 置 风 电2.77×1010kW·h，闲置太阳能5.5×109kW·h，同比减少2.2×1010，1.5×109kW·h，与2016年相比[10]。然而，在这方面，2018年，新疆、甘肃、内蒙古等地风电、太阳能发电量降幅超过3 × 10 10kW·h，占全国总闲置容量的90%以上，部分地区闲置容量严重。能源供应紧张是近年来风能、太阳能发电闲置的原因之一。但是，问题的根源在于风电和太阳能发电的发展与现有电力系统不匹配，技术不成熟，难以跨区域吸收风电和太阳能发电，需求侧缺乏大规模吸收风电和太阳能发电的能力。因此，解决闲置风能和太阳能发电的瓶颈问题是能源转型和发展的关键[11-14]。此外，由于可再生能源装机容量迅速增加，未来占比不断提高，可再生能源的吸收将面临比闲置的风能和太阳能容量更多的问题。因此，研究我国可再生能源消费的瓶颈及解决途径，对当前和未来都具有重要意义。J. Liu，Q.美国驻华大使，法-地Wang， Z. Song等人工程7（2021）16111613从发电平衡的角度来看，功率调节性能、电网输电能力和负荷水平是影响可再生能源采用能力的重要因素。此外，可再生能源的特性，如可再生能源布局，功率预测水平和控制性能，是显着的影响因素。此外，电力市场机制对可再生能源的采用具有重大影响[15]。已经开展了若干关于评估可再生能源采用能力的研究，以概述进一步的有效办法。Wang等人[16]提出了一种新的风光互补电力系统可再生能源采用能力评估方法，在评估过程中考虑了可再生能源的不确定性和相关性。可再生能源的不确定性给描述可再生能源发电带来了挑战，并且现有的研究由于频繁更新的数据而遭受高计算开销为了解决这些问题，Liu等人。[17]提出了一种基于深度强化学习的算法，以确定近似的最优采用能力。在促进可再生能源整合的需求方管理方面，Hungerford等人。[18]将基于详细最终用户数据的灵活负荷表示集成到澳大利亚国家电力市场的系统级模型中，并提出了一种通过应用能量受限发电机来表示灵活负荷的方法。并网的高渗透率可再生能源对电网稳定性提出了挑战，因此Al-Shetwi等人[19] 建议检讨近期有关可再生能源发电厂在电网中渗透的整合要求此外，Wu et al.[20]提出了一种利用基于电压源换流器的高压直流输电（VSC-HVDC）来加强具有高比例可再生能源的地区电网的设计方法此外，可以采用基于市场的方法来缓解整合问题。Li等人[21]将基于市场的方法应用于中国的可再生能源整合，其中涉及发电权交易和调峰辅助服务。Fur-2010，Guo等人[15]介绍了中国两级市场的模型Zhen等人[22]以中国唐山为例，研究了采用可再生能源的电力系统规划，其中补贴政策对电力系统的发展影响很大，因为它降低了传统发电的成本优势，提高了公用事业公司发展可再生能源发电的积极性。针对风电、太阳能闲置日益增多的问题，结合我国电力发展的现状和趋势(1) 以中东部地区分布式可再生能源资源开发利用为重点，可再生能源集中开发与分布式开发相结合，以缓解可再生能源资源建设分布与电源负荷不匹配的(2) 提高火电柔性调峰能力，开展火电柔性改造，发展智能发电技术[23，24]，以使系统适应可再生能源电力的大规模采用;(3) 提高燃机和抽水蓄能供电比例(4) 增加输电渠道和灵活的智能电网建设[25]，以加强可再生能源的输送;(5) 构建需求响应[26，27]和虚拟电厂[28，29]，引导需求侧容量的增加;(6) 研究可再生能源主动支持技术，提高可再生能源发电的并网友好性能及其对电网的主动支持能力;(7) 建立政策和市场机制，增加高渗透率的可再生能源消费，完善灵活的交易机制，消除省际市场壁垒。在图5中，图示了所提出的瓶颈和对策之间的关系。第二分析和总结了可再生能源大规模利用的四大瓶颈。第三部分结合中国的实际情况分析了这些瓶颈最后，第四部分对本文进行了总结。2. 大规模采用可再生能源的瓶颈电力系统的基本特征是能量供需之间的实时平衡。随着风力发电、太阳能发电等可再生能源的开发利用，图五. 提出了瓶颈问题及相应的对策。J. Liu，Q.美国驻华大使，法-地Wang， Z. Song等人工程7（2021）16111614×电力系统必须在间歇性发电（供应）和随机波动的负荷（需求）之间实现平衡。当电力供需不平衡时，调度必须采取措施减少负荷（供小于求）或取消发电限制（供大于求）以便维持电力系统中的安全和稳定操作。因此，风能和太阳能闲置的根本原因是未能确保电力系统中能源供需之间的实时平衡。在接下来的章节中，我们根据实际情况，分析了制约我国可再生能源发展的瓶颈。2.1. 布局和规划限制我国在中国，三北地区（东北、西北和华北）拥有全国75%的截至2018年底，中国72%的风力发电和56%的太阳能发电来自这些地区。然而，这些地区绝大多数经济发展相对落后，电力需求不足，电力市场规模较小，可再生能源负荷在当地无法充分利用。表1列出了2018年中国部分省份的可再生能源装机容量和渗透率（渗透率= 2018年底可再生能源装机容量/2018年最大负荷），显示中国负荷量不足。部分省区（内蒙古东部、宁夏、甘肃、青海、新疆）可再生能源普及率超过100%，高于丹麦、西班牙、葡萄牙等发达国家。在本节中，我们以新疆为例。截至2018年底，新疆电网发电装机容量来表12018年中国部分省（区）可再生能源装机及渗透率同期，新疆根据我们的分析，新疆换句话说，即使其区域电网全部采用可再生能源发电，仍会有一部分风能和太阳能发电闲置，因为还必须预留一定数量的常规电厂（火电或水电），用于可再生能源调峰和调频的随机波动，以维持电力系统中的实时供需平衡。但新疆只是这里研究的三个地区的一个缩影，大部分地区装机容量过剩，但本地吸纳能力不足。相比之下，特别是在欧洲和美国，陆上风电主要分布。例如，德国和丹麦90%的陆上风力发电接近电力负荷，可直接就近消纳此外，可再生能源主要分布在葡萄牙和西德，占比超过50%。2.2. 灵活的调峰容量约束中国主要使用煤炭发电，特别是在三北地区：70%的电力来自煤炭，7.7%来自柔性电力，这是安装的可再生能源的37%。柔性电源的最大调节能力与可再生能源的波动不匹配，从而限制了中国部分地区可再生能源的采用。与欧洲和北美等发达国家不同，中国缺乏灵活和可扩展的电力供应。图6比较了中国与几个可再生能源普及率较高的主要国家的电力供应结构。截至2018年底，中国4.41%的发电厂采用燃气发电，可以快速应对可再生能源的随机波动。水力发电约占18.6%，抽水蓄能电站约占1.5%，其余多为径流式电站，季节性特征明显。水库蓄水除发电外，还应满足防洪和农田灌溉的需要，其中调峰能力也是有限的。燃煤发电量占总发电量的53.1%，但纯凝机组最低出力为额定负荷的50%，青海12.29 133新疆28.44 112每分钟1.5%的额定负荷，这不能满足高比例的可再生能源的需求。见图6。 各国供电结构比较。省（区）装机容量（GW）普及率（%）冬季供热机组最低出力为60%内蒙古东部12.41196额定负载的70%深度调峰能力宁夏18.28141这些装置与国外同类装置有很大不同。甘肃21.21140此外，我国燃煤机组变负荷率J. Liu，Q.美国驻华大使，法-地Wang， Z. Song等人工程7（2021）16111615××××××××××××××××××下面，我们以甘肃、内蒙古和东北地区为例，这些地区可再生能源消费问题严重。首先，甘肃省是中国可再生能源的主要用户。截至2018年底，可再生能源装机容量虽然水电比重已达18.1%，但灵活可调的抽水蓄能容量为1.2 ×106 kW，占2.34%。因此，火力发电仍然是其主要的可再生能源，其中40%用于供热，现有可再生能源的可再生能力不能满足可再生能源的并网需求二是内蒙古截至2018年底，风电装机容量2869 10 7 kW，太阳能发电装机容量945 10 6 kW。此外，风能和太阳能的装机份额合计为30.9%。但灵活可调的抽水蓄能占0.9%，燃气发电占0.5%。作为供电主导类型的火电机组装机比例约为70%，其中大部分为供热机组，占比超过60%。在冬季，大多数供热厂无法实行调峰，电网调峰能力大大降低。但是，自备电厂的比例很高：自备电厂在电网中的总装机容量超过9106kW，其发电量约占地区总发电量的三分之一。自备电厂平均利用小时数超过6000 h，严重挤占清洁能源消纳空间。三是东北地区截至2018年底，区域电网可再生能源总并网装机容量达到2655 × 107kW，占各类电源总装机容量的25.62%。风电装机容量为1.873 × 107 kW，太阳能发电装机容量为7.82 × 106 kW。而灵活可调的抽水蓄能容量为1.5 × 106 kW，占总容量的1.0%此外，火电装机占比约70%，其中大部分用于供暖，调峰和调频能力远远不够。2.3. 交付能力限制当当地负荷出现过剩而当地消费能力不足时，可以通过建设跨区输电通道将电力输送到负荷需求高的地区。然而，在三北地区，跨区域输电通道严重滞后，原因是风能和太阳能电站建设周期短，输电通道建设周期长目前，这一地区仅有新疆等少数省份完成了大容量输电通道的建设;其他大部分省份的输电通道仍处于规划阶段或正在建设中。2018年底，新疆但其外送通道容量仍仅占电网总发电装机容量（8.991107kW）的14.5%，甚至不及的安装能力为风功率（1.921 107 kW）。此外，新疆本地用电负荷（2.824 ×107kW）和外送通道容量（1.3 ×107kW）达到4.124 ×107kW，占总装机容量的45.8%。剩余装机容量超过50%，但不能消耗。2018年新疆风电闲置率为22.9%。在新疆的阿勒泰和塔城，风力发电的使用才刚刚开始发展，甚至远未达到106千瓦。因此，仅仅依靠当地的负荷，进一步的大规模发展是难以实现的。要做到这一点，就需要将风能输送到其他地方。相比之下，欧洲大陆已经形成了一个国家之间联系密切的网络结构，这有利于跨境采用可再生能源。目前，葡萄牙通过六回400千伏和三回220千伏与西班牙电网相连，交换功率为2.2106106千瓦，提供葡萄牙5.26（4.83 + 0.43）10 6千瓦风能和太阳能发电的42%该网络有助于加快可再生能源的开发和实现可靠的电力供应。2.4. 市场约束我国电力市场机制尚处于起步阶段，调峰辅助服务尚处于试点阶段。中国采用固定电价和优先上网的保障性购买机制。此外，我国对可再生能源发电实行完全保障性收购制度，其中可再生能源发电收入由电网企业按基准电价支付的发电费用构成当地脱硫燃煤电厂和政府子公司的可再生能源。中国尚未建立全国统一的电力市场，各省之间存在严重的市场壁垒。此外，跨省、跨地区交易缺乏完善的市场环境。更有甚者，电量和输电方式一般由受、发地区地方政府通过长期协议商定，输电价格以当地物价管理部门核定的价格为基础，受电省份电价相对偏高。此外，中国的可再生能源跨地区和跨省份消费仍受政府定价的影响，这削弱了受援省份的积极性。因此，有必要明确政策和电价机制，以减少省际壁垒.中国电力市场以中长期交易为主，短期灵活交易机制尚未完善，现货市场尚未形成，因此没有实现可再生能源边际成本低的优势。在欧盟建立统一电力市场目标的指引下，欧盟各国相互开放市场，逐步走向统一电力市场，促进可再生能源消费。欧盟实施了附加法规，要求加强市场统一，扩大电力市场的交易范围和流动性，以提高市场竞争和资源配置效率。近年来，欧盟可再生能源资源发展迅速，有助于确保可再生能源的采用，但必须打破电力和电力之间局部平衡的原有格局。为此，欧盟也在加强输电基础设施和跨境网络的建设。例如，葡萄牙和西班牙属于同一个Mer- cado Ibérico da Energia Elétrica（MIBEL），该市场与德国的欧洲能源交易所（EEX）、北欧联营、中欧和西欧、意大利和斯洛文尼亚的市场共同运营。基于几天内的市场边际价格和日内市场联合清算，欧洲已经形成了新的统一电力市场拍卖，并在其他市场实现了新能源的采用。J. Liu，Q.美国驻华大使，法-地Wang， Z. Song等人工程7（2021）16111616·××××3. 高渗透率可再生能源采用的对策3.1. 促进集中式和分布式协作一是采取集中开发与分散开发并举的原则，重点加强中东部地区分布式可再生能源的开发利用。一方面，我国可再生能源资源集中在三北地区，适合采取集中开发模式。但这种模式在加大开发利用力度的同时，还应结合地区自身资源、当地负荷特点以及不同地区可再生能源输出特点。此外，为了提高大电网的资源优化配置，应尽快完成一条出线通道的规划。与此同时，中国中东部和南部地区的消费能力超过了三北地区。因此，应在消费能力较强的地区或负荷中心加大风电开发力度，特别是海上风电的开发利用，以提高风电就近消费能力。表2和表3显示了2019年上半年中国风能和太阳能发电的运行情况，表明三北地区有大量风电闲置，但中东部地区没有。因此，优化可再生能源布局，加强东南沿海城市和近海地区风电建设，注重分布式开发模式将是有益的3.2. 提高火电调峰灵活性这些措施包括：发展低成本、高效率的热电偶技术，降低燃煤电厂的最小出力，提高负荷响应率，保证安全灵活运行，在低负荷运行时保持高效率，使调峰范围达到20%~目前，中国电厂的调峰能力比丹麦和德国电厂要浅得多，调峰的快速爬坡能力只有德国的一半而且，基本上不可能实现其次，提高火电灵活性至关重要。中国的电力供应结构以燃煤发电为主，缺乏灵活的电源类型，如抽水蓄能和燃气。到2030年，这两种柔性电源的总装机容量将达到10%左右，但仍远远落后于德国、美国、日本和其他国家目前的比例。因此，我国现有火电机组，特别是热电联产机组的灵活性，应严格按照“十三五”规划尽快提高。但是，火电厂的柔性改造不能“一刀切”，要根据电厂的区域、等级和特点进行统筹规划。目标是在北方三省地区完成4座108kW具有调峰灵活性的火电厂升级改造和2.15座108kW燃煤电厂，其中纯凝汽式电厂8.2座107kW，热电联产电厂1.33座108kW。改造完成后，可增加调峰容量4.6×107kW。表22019年上半年中国大陆省（区、市）风电并网运行情况省/直辖市累计并网容量（MW）发电量（×108kW·h）弃用电量（×108kW·h）率北京1902.0--天津5206.6--河北一14 650170.37.4百分之四点二山西11 340113.71.21.0%内蒙古一28 960356.230.5百分之八点二辽宁7 890104.80.6百分之零点六吉林5 14064.72.2百分之三点三黑龙江6 02074.71.5百分之二点零沪b7107.9--江苏B9 27091.4--浙b1 57015.1--安徽B2 58022.6--福建B3 25036.3--江西B2 47024.8--河南b5 62042.6--粤b4 02035.5--广西B2 60030.8--海南B2902.3--渝b5605.2--四川B2 64044.4--湖北B3 71035.3--湖南3 81037.71.1二点九厘山东11 910126.20.2百分之零点二贵州4 25042.50.3百分之零点七云南8 6301590.5百分之零点三西藏80.1--陕西4 40034.30.4百分之一点一甘肃成为12 820118.913.3百分之十点一青海352034.80.5百分之一点四宁夏10 11090.42.3二点四厘新疆某19 260207.942.417.0%总192 6902 145.0104.64.7%a有大量闲置风力发电的区域。b没有闲置风力发电的地区。J. Liu，Q.美国驻华大使，法-地Wang， Z. Song等人工程7（2021）16111617×××××·××·××表32019年上半年中国大陆省（区、市）太阳能发电建设运营情况累计装机容量（兆瓦）新增装机容量（MW）闲置电量（×108kW·h）费率太阳能发电厂总装机容量北京43050400--天津1 3801 02010050--河北13 1908 9908504401.6百分之一点八山西9 7607 8501 12010400.1百分之零点二山东14 3706 520760400.1百分之零点二内蒙古9 7809 5605004400.6百分之零点六辽宁3 1002 2208030--吉林2 7102 05060200.41.9%黑龙江一2 2101 4506040--上海a1 000601200--江苏一14 0508 130730210--浙a12 3603 930980310--安徽一11 5406 980360210--福建一1 5704009030--江西一5 6703 110300160--河南一10 1206 0002100--湖北一5 5103 550410190--湖南一3 1101 380190120--重庆一630580200200--川a1 8501 6805010--陕西8 0506 7908906601.9百分之三点九甘肃8 6608 1303703404.36.9%青海10 79010 6801 2301 2205.26.3%宁夏8 3207 660160401.9百分之三点二新疆（含兵团）10 66010 6107407007.7百分之十点六西藏1 0201 02040402.1百分之二十五点七广东5 6002 8203300--广西1 3401 040100100--海南1 4001 2704040--贵州1 7801 6008000.1百分之零点七云南3 6403 4602101500.1百分之零点三总185 590130 58011 4006 82026.1二点四厘XPCC：新疆生产建设兵团。a没有闲置太阳能的区域。三是大力发展智能发电与控制技术，实现机组储能深度利用，包括开展发电过程智能检测与控制技术、智能仪表控制系统设备、先进运行控制技术关键问题研究和发电机组示范应用。此外，开展凝结水节流快速变负荷控制技术、高给水节流快速变负荷控制技术、供热抽汽节流快速变负荷控制技术等具有重要意义。例如，辽宁电网在提高其火电灵活性后，在需要供暖时大大提高表4比较了吉林和黑龙江电网的具体数据辽宁电网供热运行容量为1.5× 107 kW，纯凝运行容量为2.4 × 106 kW在供热能力和纯凝能力分别提高20%和15%的情况下，对固定容量调峰能力进行了计算，结果表明，调峰能力可提高3.36 ×106 kW，比吉林、黑龙江电网分别提高54.8%和66.3%。此外，辽宁电力电网可将风电增加到1.9 109 kW h，使辽宁成为中国东北地区闲置风电最少的省份-2019年为1.6 108 kW h，分别比吉林和黑龙江低79.2%和72.4%-这将有助于解决冬季风电闲置的问题。 此外，电网可实现节煤6.27×105tCO2排放量1.5×106t， SO2排放量8000t，氮氧化物（NOx）排放量44000t。3.3. 增加灵活可调的动力比例截至2018年底，中国燃气发电装机容量为8.33107kW，抽水蓄能装机容量为2.999107kW，占中国总装机容量的5.8%。因此，抽水蓄能电站装机容量“十三五”能源发展规划提出加快大型抽水蓄能电站建设，6 107千瓦的建设和4 107千瓦的运行在2020年。抽水蓄能是一种机械能储存方式。抽水蓄能的储能功率为100 ~ 2000 MW，储能时间为4表4东北三省火电弹性调峰能力比较省加热单元纯凝调峰能力风力发电量增加2019年弃用风电容量（GW）单位（GW）改善（GW）（×108kW·h）（×108kW·h）辽宁15.02.43.36191.6吉林10.40.62.17187.7黑龙江9.80.42.02145.8J. Liu，Q.美国驻华大使，法-地Wang， Z. Song等人工程7（2021）16111618××·××·每千瓦480-800美元。抽水蓄能具有无可比拟的技术经济优势，将进一步加快抽水蓄能电站的建设。抽水蓄能电站具有调峰和填谷的双重功能，具有响应速度快、运行灵活、启停方便等特点从静止状态发电到满负荷仅需2 -4 min，从空载状态发电到满负荷仅需30-35 s，从抽水状态快速切换到满负荷状态仅需从技术可靠性、经济成本等方面考虑，抽水蓄能发电具有目前其它储能技术无法比拟的优势，是现代电网调峰的最佳电源之一因此，我国应加快抽水蓄能电站的建设，特别是在北方三省有迫切需要、有条件的地区，充分发挥抽水蓄能电站提供后备、增强系统灵活性的作用此外，储能的应用场景广泛，如发电侧平滑可再生能源电力输出、输电侧调峰调频、配电侧提高分布式太阳能发电利用率、用户侧改善需求响应特性等因此，对电池储能、压缩空气储能、蓄热等相关技术进行深入研究和示范具有重要意义3.4. 加快输电通道和柔性电网建设输电通道的建设是采用高比率可再生能源的最直接方法。在截至2018年底，中国已建成8条交流（AC）和13条直流（DC）特高压（UHV）输电通道，4条交流和2条直流特高压输电通道正在建设中。国家电网特高压累计送电量和线路长度见图1 - 2。7和8考虑到柔性直流输电是国际公认的技术上最具优势的风电场并网方式，也是远距离海上风电接入的最佳方式，可大大提高大型风电场的并网性能，应加大柔性智能电网的建设力度。此外，为了实现未来输配电网的智能化，还应实现以下重要目标：新一代智能电网调度见图7。 国家电网特高压累计送电量。见图8。 国家电网特高压累计线路长度。控制系统、透明配电网架构与智能运维、多种信息融合的智能控制、大数据驱动的运行优化、全景信息融合与安全防护。例如，关于国家电网中特高压输电线路的建设，图图7和图8分别显示了2008年至2018年输电线路和电力输送的累计长度。在此期间，特高压输电线路从640公里增加到27114公里，增加了42倍此外，累计输电量从2008年的7.7 107到2018年的1.145777 1012 kW h，增长了14 880倍。特高压输电线路的建设有助于弥合电源和负荷的不平衡，并提高了获得可再生能源的能力3.5. 开发需求响应和虚拟电厂电力系统涉及许多可调负载（例如，空调、供暖）和可推迟的负荷（例如，洗衣机、消毒柜），与电网配合良好。据统计，我国用户用电中约有15%-电动汽车（EV）可以充电和放电。电动汽车到电网（V2G）的应用场景如图9所示，假设2020年中国将拥有5 106辆电动汽车电动汽车目前的充放电功率高达7 kW，因此它们可以向电网上传7 107 kW的调节容量（双向），约占中国电网目前装机容量的4%因此，许多环境友好型需求方资源尚未得到充分利用。在充分认识这类资源特点的基础上，大力开发和利用需求侧灵活调度资源，构建泛在电力物联网，新能源电站、储能、负荷和电网调度中心广泛互联。这将使其能够充分检测源网络中负载存储设备的操作、状态和环境信息，用市场方法指导用户使用可再生能源通过建立合理的电价机制，引导用户错峰填谷，协调优化供需，扩大系统虚拟发电厂是基于分布式能源生产数据运行的基于云的控制系统。此外，虚拟电厂提供的多重集成模式及其在协同调节下的稳定输出特性，J. Liu，Q.美国驻华大使，法-地Wang， Z. Song等人工程7（2021）16111619××·×·图9.第九条。EV V2G的应用场景。AC：交流电; DC：直流电。新的方法来实现可再生能源的有效利用。如图10所示，江苏电网采用的源-网-负荷友好交互技术，将大量分散的微小负荷纳入可控资源接入电网，实现了源网与负荷的大规模友好交互传统的“电源跟随电网”模式通过大规模毫秒级/秒级/分钟级精确负荷控制，实现发电、供电、用电之间的良性互动，有效拓展电网故障时的可控资源，完善大电网安全控制措施，促进可再生能源充分消纳和能源供给侧结构性改革2016年6月15日，国内首个大规模源网负荷友好交互系统在江苏建成并投入运行。经过二、三级扩容后，系统的负荷精确控制能力达到3.76×106kW s和2.6106 kW ms。该项目实现了取得了明显成效，目前正在推广。据估计国家电网运行区域内的6省1市（江苏、浙江、安徽、山东、湖南、河南、上海）可中断负荷控制容量为8.6 × 10 -6到2019年底。预计区外直流输电总容量增加6.6 × 106 kW，占区内特高压直流额定输电容量的7%左右，新增季度利润约3.564× 108 CNY。3.6. 发展新能源积极扶持蓄能由于可再生能源发电量的不断增加，对未来电力系统的安全稳定运行提出了不可忽视的挑战。大规模的可再生能源应该成为主要电源的责任研究可再生能源发电的调峰、调频、惯性支持等关键技术是十分 图图11和图12示出了用于风力发电和太阳能发电的虚拟同步机技术，这对于提高并网友好性是重要的。见图10。 源-网络-负载友好交互技术示意图。J. Liu，Q.美国驻华大使，法-地Wang， Z. Song等人工程7（2021）16111620见图11。 风力发电用虚拟同步机。双馈感应发电机。见图12。 太阳能发电虚拟同步器。可再生能源发电性能和对电网的主动支撑能力。3.7. 建立适当的政策和市场机制电力市场的发展必然要求对发电厂的发电容量进行市场竞价。因此，火力发电的灵活性、低碳含量和可再生能源的可持续性应是市场投标的主要考虑因素而且，这是中国转变能源结构，引导火电企业提高经营灵活性，促进可再生能源大规模消纳的必由之路因此，迫切需要市场机制，如辅助服务市场政策，以增强各类电源的灵活性。2012年，英国政府首次提出海上风电场的成本削减政策，以尽量减少化石燃料产生的温室气体排放，被其他国家抄袭。中国国家主席推动了能源革命和污染防治，强调了基于清洁技术的能源政策。其政策旨在表5列出了2016年至2018年扩大采用可再生能源的情况。同时，考虑到目前我国省际壁垒严重制约了能源资源在更大范围内的优化配置，大市场、大电网的效益难以充分发挥。推进省际电力交易必须打破政府间壁垒，放开省际间优先发电权，建立有效的电力交易市场机制。因此，国家和地方政府应加快电力市场化改革，充分发挥市场调节功能，完善中长期电力交易机制，扩大清洁能源J. Liu，Q.美国驻华大使，法-地Wang， Z. Song等人工程7（2021）16111621××·表5政府和能源主管部门发布的可再生能源消费政策时间部策略名称2016-02-05国家能源局关于北方三省区可再生能源消纳的通知2016-03-24（NEA）国家发展和可再生能源发电全额担保收购管理办法2016-05-27国家发改委国家发改委、国家能源局关于风电、太阳能发电全额保障购电管理的通知2017-01-18国家发改委、财政部、国家能源局关于试行可再生能源绿色电力证书及自愿认购的2017-02-14NEA贸易体系关于开展跨区域可再生能源增量现货交易试点的复函，2017-07-19NEA省份关于实施可再生能源发展“十三五”规划的指导意见2017-08-14NEA批复同意启动福建电力辅助服务市场2017-11-08国家发改委、国家能源局解决水、风和太阳能闲置问题的实施计划2018-03-23国家发改委、国家能源局关于提高电力系统2018-12-04国家发改委、国家能源局清洁能源消费行动计划（2018能源，并推动现货电力市场的建设作为一个整体。加强宏观政策引导，形成有利于清洁能源消费的体制机制，研究实施可再生能源电量配额制度，制定年度削坡补贴计划，加快平价上网进程，建立可再生能源发电、可再生资源和电网一体化的市场机制因此，企业将能够提高其竞争力，并在符合市场改革的规则框架内降低成本的同时有证据可依赖最后，建立一个充分例如，让我们看看广西电网的清洁能源采用情况。广西地处沿海地区，夏季台风频繁，带来短时间内的强降雨，使水库水位急剧上升而且台风期间，由于负荷低，水电难以消耗，造成产能闲置的风险很大广西风电总装机容量为2.7×106kW，风电出力存在反向调峰，加剧了低负荷时期的供需不匹配。广西电网通过发挥市场化作用，鼓励用户更多使用清洁能源，引导大型企业从自备电厂转为主电源。2018年以来，水电、火电发电权转让共开展17笔交易，约占水电富余电量的7.5× 109千瓦时，实现了清洁能源采用和市场化履约的“双赢”局面，同时缓解了4. 结论基于我国可再生能源发展的现状，结合资源禀赋和分布特点，探讨了高比例用户采用可再生能源的4个瓶颈制约因素：布局规划、调峰灵活性、输送能力和市场转化。针对这些问题，我们提出了七条解决方案：集中式和分布式开发可再生能源，提高火电调峰灵活性，增加燃气轮机和抽水蓄能的比重，建设输电通道和柔性智能电网，发展需求响应和虚拟电厂，采用技术为新能源提供积极支持以及建立适当的政策和市场机制。在实践中，中国政府和能源部门出台了一系列政策措施，包括可再生能源监测预警、放开发电市场、跨省跨区电力交易、绿色电力证书、火电厂弹性改造、可再生能源清洁供暖等，以解决可再生能源规划、并网、补贴、贸易和能源消费。2016年至2018年，中国在扩大可再生能源消费方面取得了显著成就。风能和太阳能的闲置率逐年大幅下降。风电闲置率由2016年的17%下降至2018年的7%，太阳能闲置率由2016年的10%下降至2018年的3%。中国能源结构将长期处于转型期。从中国电力战略发展规划和各方预测来看，未来中国可再生能源电力发展有望保持较快步伐。 可再生能源的应用也将面临更大的挑战，需要各部门通力合作，有针对性地采取措施，推动能源生产和消费革命，构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系。我们的研究并没有提出任何固定的标准，关于技术瓶颈及其对策，以提高可再生能源的采用率，因为每种技术都有自己的技术瓶颈，这可能是相应领域的研究重点。例如，中国海上风电的技术瓶颈之一因此，从长远来看，一个有效的对策是增加对各个领域核心技术的投资致谢该工作得到了中国工程院咨询研究项目（2017-XY-16）和国家自然科学基金（52061635102）的部分支持。遵守道德操守准则Jizhen Liu、Qinghua Wang、Ziqiu Song和Fang Fang声明他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。J. Liu，Q.美国驻华大使，法-地Wang， Z. Song等人工程7（2021）16111622引用[1] Rueda-Bayona JG，Guzmán A，Eras JJC，Silva-Casarín R，Bastidas-ArteagaE，Horrillo-Caraballo J.哥伦比亚的可再生能源和海上风电技术的机会。J CleanerProd 2019;220：529-43.[2] 中国电力工业年度发展报告[互联网].北京：中国电力企业联合会; 2019年6月14日[引自2020年10月24日]。可从以下网址获得：http://www.cec.org.cn/yaowenku-aidi/2019-06-14/191782.htm中文.[3] 2018年风电并网运行情况[互联网]。北京：中华人民共和国国务院; 2019年1月29日[ 引 自 2020年10月24日 可 从 以 下 网 址 获 得 ：http://www.gov.cn/xinwen/2019-01/29/content_5361945 htm. 中文.[4] 2018年光伏发电量统计数据[互联网]。北京：国家能源局; 2019年3月19日[引自2020 年 10 月 24 日 ] 。 可 从 以 下 网 址 获 得 ： http://www.ne