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西非地區(qū)可再生能源發(fā)展具有較大潛力，但是當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)于西非可再生能源發(fā)展的系統(tǒng)性分析較少。本文詳細(xì)梳理了西非電力供應(yīng)及電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀，分析總結(jié)了西非的可再生能源資源潛力、分布以及相關(guān)的規(guī)劃目標(biāo)和方案，明確了西非當(dāng)前電力背景及西非可再生能源進(jìn)一步并網(wǎng)發(fā)展的技術(shù)障礙?；诋?dāng)前西非可再生能源發(fā)展的階段及中國(guó)的可再生能源并網(wǎng)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)比給出了適合西非可再生能源并網(wǎng)發(fā)展的技術(shù)方案和建議，為未來中-非電力及可再生能源合作提供借鑒和參考。
主要內(nèi)容
1、西非電力概況
西非地區(qū)（包括貝寧、布基納法索、科特迪瓦、幾內(nèi)亞、尼日利亞、加納、岡比亞、多哥、塞拉利昂、塞內(nèi)加爾、馬里、幾內(nèi)亞比紹、尼日爾、利比里亞14個(gè)國(guó)家，不包含佛得角）的通電率位列世界末尾，2017年可用電人口僅占總?cè)丝诘募s52.3%，農(nóng)村居民僅有8%可獲得電力供應(yīng)。截至2017年底，西非地區(qū)總裝機(jī)容量為22.9 GW，可再生能源裝機(jī)（包括生物質(zhì)能、水電、風(fēng)、光）占比為23.8%（5.44 GW），其中水電占可再生能源裝機(jī)容量的97%（5.28 GW），剩余的主要為光伏（160 MW）。該地區(qū)電力缺乏，電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，電網(wǎng)覆蓋率低，設(shè)備老舊，輸配電損失大，可用發(fā)電與負(fù)荷需求不匹配，阻礙了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，特別是礦產(chǎn)資源開發(fā)。
在能源資源方面，化石能源分布不均，油氣資源主要分布在西非東部及沿海地區(qū)，可再生能源資源分布較為廣泛，北部地區(qū)太陽能資源較好，水電資源則分布在沿海地區(qū)的幾內(nèi)亞等國(guó)。為獲得可靠、廉價(jià)、清潔的電力供應(yīng)，未來將以燃?xì)怆娬緸橹危罅Πl(fā)展水電和太陽能發(fā)電，如圖1所示，通過跨國(guó)互聯(lián)電網(wǎng)建設(shè)實(shí)現(xiàn)不同地區(qū)、不同類型電源互補(bǔ)互濟(jì)，共享發(fā)電和備用容量，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，西非在建跨國(guó)輸電網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。
? 圖2 西非在建跨國(guó)輸電網(wǎng)絡(luò)
2、西非可再生能源并網(wǎng)發(fā)展面臨挑戰(zhàn)
不同研究均表明可再生能源未來在西非有巨大的發(fā)展空間。在西非當(dāng)前電力背景下，由于缺乏相關(guān)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，可再生能源的發(fā)展和接入將會(huì)給現(xiàn)有電力系統(tǒng)帶來一系列技術(shù)問題。
1）電力系統(tǒng)規(guī)模較小。大部分國(guó)家的電源裝機(jī)容量較小，跨國(guó)電網(wǎng)互聯(lián)較弱，系統(tǒng)備用發(fā)電容量和無功功率不足。不考慮尼日利亞、加納和科特迪瓦3國(guó)，其他西非國(guó)家的平均裝機(jī)容量為250 MW，有3個(gè)國(guó)家的可用裝機(jī)容量甚至不足100 MW，在這樣的裝機(jī)容量背景下，接入波動(dòng)性可再生能源（variable renewable energy，VRE）對(duì)本國(guó)電力系統(tǒng)沖擊巨大。
2）電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行技術(shù)落后。西非大部分電網(wǎng)公司缺少現(xiàn)代化的電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)及適當(dāng)?shù)碾娋W(wǎng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，例如欠缺AGC功能。因此在VRE滲透率為5%~10%的早期階段，VRE接入對(duì)于具備調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的電網(wǎng)來說不會(huì)存在問題，但對(duì)于西非電網(wǎng)落后的手動(dòng)調(diào)度能力來說，其并網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行存在諸多困難。
3）設(shè)備及電站運(yùn)維能力不足。電網(wǎng)運(yùn)行人員對(duì)于可再生能源設(shè)備的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)匱乏，運(yùn)維能力不足，具有可再生能源設(shè)備和電站運(yùn)維能力的本地利益相關(guān)者較少，導(dǎo)致后期可再生能源項(xiàng)目難以維護(hù)，效率降低或者損壞，降低發(fā)電能力。
4）并網(wǎng)規(guī)劃能力薄弱。最低成本發(fā)電規(guī)劃是長(zhǎng)期電源規(guī)劃中很重要的一步，但西非地區(qū)本地大多數(shù)公用事業(yè)部門（電力公司等）缺乏VRE電站規(guī)劃能力與工具，相關(guān)規(guī)劃需要借助外部資源，同時(shí)缺乏系統(tǒng)級(jí)的整體規(guī)劃。
3、西非可再生能源并網(wǎng)規(guī)劃運(yùn)行技術(shù)
結(jié)合西非VRE接入比例及各國(guó)電力背景，可認(rèn)為西非地區(qū)整體可再生能源處于并網(wǎng)運(yùn)行的早期階段，即階段1，如表1所示。分析并提出適合該階段的可再生能源并網(wǎng)技術(shù)，可以降低可再生能源發(fā)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的影響，提升系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)可以預(yù)見，西非未來VRE比例將大幅提升，并實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，為此按照階段需求程度并兼顧長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提出適合西非地區(qū)發(fā)展?fàn)顩r的可再生能源發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)方案及建議，為西非可再生能源并網(wǎng)發(fā)展提供參考。
? 表1 VRE并網(wǎng)不同階段特性
1）實(shí)時(shí)監(jiān)控: 為達(dá)到出力可見可控，西非VRE電站需要裝備實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，如SCADA系統(tǒng)，具備通信和控制能力， 能夠響應(yīng)控制信號(hào)自動(dòng)調(diào)整出力，進(jìn)而可提供頻率電壓調(diào)節(jié)服務(wù)，同時(shí)電力公司也需要具備對(duì)應(yīng)的VRE監(jiān)控系統(tǒng)。此外在并網(wǎng)監(jiān)控方面相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成熟，可以與各國(guó)電力背景相結(jié)合指導(dǎo)本地并網(wǎng)導(dǎo)則的制定。
2）功率預(yù)測(cè): 在西非，由于光伏發(fā)電將成為系統(tǒng)中不可忽視的一部分，電網(wǎng)公司需要通過功率預(yù)測(cè)來感知爬坡事件，安排旋轉(zhuǎn)備用容量，來有計(jì)劃地平衡功率差額。先進(jìn)的功率預(yù)測(cè)工具及系統(tǒng)可以幫助降低火電機(jī)組的調(diào)度出力，同時(shí)減少棄光，提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；在光伏發(fā)電比例較高時(shí)，也有助于提升系統(tǒng)可靠性。
3）發(fā)電調(diào)度: 西非大部分國(guó)家缺乏預(yù)測(cè)和調(diào)度相關(guān)的工具與系統(tǒng)，VRE難以有效納入調(diào)度計(jì)劃。VRE接入后，電力公司需要按照優(yōu)先調(diào)度的原則在滿足系統(tǒng)安全約束的條件下制定充分的日前發(fā)電計(jì)劃，體現(xiàn)VRE并網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性；同時(shí)根據(jù)VRE的日內(nèi)出力，不斷更新調(diào)整機(jī)組的調(diào)度順序，優(yōu)化機(jī)組出力。對(duì)于實(shí)時(shí)調(diào)度層面，目前還較難實(shí)現(xiàn)，需要足夠的旋轉(zhuǎn)備用進(jìn)行支撐。
4）友好并網(wǎng): 由于相關(guān)的VRE電站項(xiàng)目較少，當(dāng)前西非各國(guó)電力公司對(duì)電力電子設(shè)備性能認(rèn)識(shí)有限。隨著VRE比例的不斷提高，需要注意VRE發(fā)電的并網(wǎng)支撐功能及并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定，對(duì)新建VRE發(fā)電設(shè)備及場(chǎng)站的并網(wǎng)提出要求，以提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。
5）機(jī)組靈活性: 隨著西非未來VRE接入比例增加，當(dāng)進(jìn)入第3階段后，南部大量的水電及尼日利亞的燃?xì)獍l(fā)電可以作為良好的靈活性資源，同時(shí)北部缺水但具備豐富太陽能資源的地區(qū)，可以發(fā)展一定的光熱發(fā)電作為靈活性資源支撐當(dāng)?shù)豓RE的并網(wǎng)消納。在這些選項(xiàng)之外，西非大量燃油燃煤機(jī)組的靈活調(diào)節(jié)能力也是不可或缺的。
6）區(qū)域互聯(lián)與多能互補(bǔ): 大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)與消納需要不同區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)，以充分利用多樣化電力系統(tǒng)之間的多能協(xié)同作用。西非各國(guó)裝機(jī)容量普遍較低，通過電網(wǎng)跨國(guó)互聯(lián)共享該地區(qū)的發(fā)電和備用容量，對(duì)于各國(guó)接入大量VRE至關(guān)重要。
7）電源和電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃： 在西非，大部分可再生能源資源位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，電力需求較低，考慮各種約束的電源和電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃可以避免未來?xiàng)夛L(fēng)棄光現(xiàn)象的發(fā)生。目前西非大部分電力部門為垂直一體化結(jié)構(gòu)，這有助于電源和電網(wǎng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃，避免VRE的盲目開發(fā)。
展望
西非國(guó)家對(duì)當(dāng)?shù)乜稍偕茉窗l(fā)電及電網(wǎng)設(shè)備、系統(tǒng)、技術(shù)、能力不足的擔(dān)心影響了大規(guī)模利用可再生能源的信心，技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)共享對(duì)西非各國(guó)理解本國(guó)的可再生能源并網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行問題，以及如何在本國(guó)電力系統(tǒng)中應(yīng)用相關(guān)的技術(shù)具有重要作用。中國(guó)的可再生能源發(fā)展經(jīng)驗(yàn)表明，大規(guī)模開發(fā)可再生能源并接入電力系統(tǒng)是可以實(shí)現(xiàn)的，這為具有大規(guī)模水電及太陽能開發(fā)潛力的部分西非國(guó)家開辟了光明的道路。中國(guó)和西非在可再生能源領(lǐng)域發(fā)揮互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，深度合作，對(duì)于推動(dòng)西非可持續(xù)發(fā)展將發(fā)揮重要作用。
羅魁（新能源與儲(chǔ)能運(yùn)行控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司））
本文發(fā)表在《全球能源互聯(lián)網(wǎng)》2020年第5期“電力市場(chǎng)促進(jìn)可再生能源發(fā)展”專題，歡迎點(diǎn)擊品讀。
主要內(nèi)容
1、西非電力概況
西非地區(qū)（包括貝寧、布基納法索、科特迪瓦、幾內(nèi)亞、尼日利亞、加納、岡比亞、多哥、塞拉利昂、塞內(nèi)加爾、馬里、幾內(nèi)亞比紹、尼日爾、利比里亞14個(gè)國(guó)家，不包含佛得角）的通電率位列世界末尾，2017年可用電人口僅占總?cè)丝诘募s52.3%，農(nóng)村居民僅有8%可獲得電力供應(yīng)。截至2017年底，西非地區(qū)總裝機(jī)容量為22.9 GW，可再生能源裝機(jī)（包括生物質(zhì)能、水電、風(fēng)、光）占比為23.8%（5.44 GW），其中水電占可再生能源裝機(jī)容量的97%（5.28 GW），剩余的主要為光伏（160 MW）。該地區(qū)電力缺乏，電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，電網(wǎng)覆蓋率低，設(shè)備老舊，輸配電損失大，可用發(fā)電與負(fù)荷需求不匹配，阻礙了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，特別是礦產(chǎn)資源開發(fā)。
在能源資源方面，化石能源分布不均，油氣資源主要分布在西非東部及沿海地區(qū)，可再生能源資源分布較為廣泛，北部地區(qū)太陽能資源較好，水電資源則分布在沿海地區(qū)的幾內(nèi)亞等國(guó)。為獲得可靠、廉價(jià)、清潔的電力供應(yīng)，未來將以燃?xì)怆娬緸橹危罅Πl(fā)展水電和太陽能發(fā)電，如圖1所示，通過跨國(guó)互聯(lián)電網(wǎng)建設(shè)實(shí)現(xiàn)不同地區(qū)、不同類型電源互補(bǔ)互濟(jì)，共享發(fā)電和備用容量，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，西非在建跨國(guó)輸電網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。
? 圖1 西非可再生能源重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域
? 圖2 西非在建跨國(guó)輸電網(wǎng)絡(luò)
2、西非可再生能源并網(wǎng)發(fā)展面臨挑戰(zhàn)
不同研究均表明可再生能源未來在西非有巨大的發(fā)展空間。在西非當(dāng)前電力背景下，由于缺乏相關(guān)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，可再生能源的發(fā)展和接入將會(huì)給現(xiàn)有電力系統(tǒng)帶來一系列技術(shù)問題。
1）電力系統(tǒng)規(guī)模較小。大部分國(guó)家的電源裝機(jī)容量較小，跨國(guó)電網(wǎng)互聯(lián)較弱，系統(tǒng)備用發(fā)電容量和無功功率不足。不考慮尼日利亞、加納和科特迪瓦3國(guó)，其他西非國(guó)家的平均裝機(jī)容量為250 MW，有3個(gè)國(guó)家的可用裝機(jī)容量甚至不足100 MW，在這樣的裝機(jī)容量背景下，接入波動(dòng)性可再生能源（variable renewable energy，VRE）對(duì)本國(guó)電力系統(tǒng)沖擊巨大。
2）電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行技術(shù)落后。西非大部分電網(wǎng)公司缺少現(xiàn)代化的電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)及適當(dāng)?shù)碾娋W(wǎng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，例如欠缺AGC功能。因此在VRE滲透率為5%~10%的早期階段，VRE接入對(duì)于具備調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的電網(wǎng)來說不會(huì)存在問題，但對(duì)于西非電網(wǎng)落后的手動(dòng)調(diào)度能力來說，其并網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行存在諸多困難。
3）設(shè)備及電站運(yùn)維能力不足。電網(wǎng)運(yùn)行人員對(duì)于可再生能源設(shè)備的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)匱乏，運(yùn)維能力不足，具有可再生能源設(shè)備和電站運(yùn)維能力的本地利益相關(guān)者較少，導(dǎo)致后期可再生能源項(xiàng)目難以維護(hù)，效率降低或者損壞，降低發(fā)電能力。
4）并網(wǎng)規(guī)劃能力薄弱。最低成本發(fā)電規(guī)劃是長(zhǎng)期電源規(guī)劃中很重要的一步，但西非地區(qū)本地大多數(shù)公用事業(yè)部門（電力公司等）缺乏VRE電站規(guī)劃能力與工具，相關(guān)規(guī)劃需要借助外部資源，同時(shí)缺乏系統(tǒng)級(jí)的整體規(guī)劃。
3、西非可再生能源并網(wǎng)規(guī)劃運(yùn)行技術(shù)
結(jié)合西非VRE接入比例及各國(guó)電力背景，可認(rèn)為西非地區(qū)整體可再生能源處于并網(wǎng)運(yùn)行的早期階段，即階段1，如表1所示。分析并提出適合該階段的可再生能源并網(wǎng)技術(shù)，可以降低可再生能源發(fā)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的影響，提升系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)可以預(yù)見，西非未來VRE比例將大幅提升，并實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，為此按照階段需求程度并兼顧長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提出適合西非地區(qū)發(fā)展?fàn)顩r的可再生能源發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)方案及建議，為西非可再生能源并網(wǎng)發(fā)展提供參考。
? 表1 VRE并網(wǎng)不同階段特性
1）實(shí)時(shí)監(jiān)控: 為達(dá)到出力可見可控，西非VRE電站需要裝備實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，如SCADA系統(tǒng)，具備通信和控制能力， 能夠響應(yīng)控制信號(hào)自動(dòng)調(diào)整出力，進(jìn)而可提供頻率電壓調(diào)節(jié)服務(wù)，同時(shí)電力公司也需要具備對(duì)應(yīng)的VRE監(jiān)控系統(tǒng)。此外在并網(wǎng)監(jiān)控方面相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成熟，可以與各國(guó)電力背景相結(jié)合指導(dǎo)本地并網(wǎng)導(dǎo)則的制定。
2）功率預(yù)測(cè): 在西非，由于光伏發(fā)電將成為系統(tǒng)中不可忽視的一部分，電網(wǎng)公司需要通過功率預(yù)測(cè)來感知爬坡事件，安排旋轉(zhuǎn)備用容量，來有計(jì)劃地平衡功率差額。先進(jìn)的功率預(yù)測(cè)工具及系統(tǒng)可以幫助降低火電機(jī)組的調(diào)度出力，同時(shí)減少棄光，提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；在光伏發(fā)電比例較高時(shí)，也有助于提升系統(tǒng)可靠性。
3）發(fā)電調(diào)度: 西非大部分國(guó)家缺乏預(yù)測(cè)和調(diào)度相關(guān)的工具與系統(tǒng)，VRE難以有效納入調(diào)度計(jì)劃。VRE接入后，電力公司需要按照優(yōu)先調(diào)度的原則在滿足系統(tǒng)安全約束的條件下制定充分的日前發(fā)電計(jì)劃，體現(xiàn)VRE并網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性；同時(shí)根據(jù)VRE的日內(nèi)出力，不斷更新調(diào)整機(jī)組的調(diào)度順序，優(yōu)化機(jī)組出力。對(duì)于實(shí)時(shí)調(diào)度層面，目前還較難實(shí)現(xiàn)，需要足夠的旋轉(zhuǎn)備用進(jìn)行支撐。
4）友好并網(wǎng): 由于相關(guān)的VRE電站項(xiàng)目較少，當(dāng)前西非各國(guó)電力公司對(duì)電力電子設(shè)備性能認(rèn)識(shí)有限。隨著VRE比例的不斷提高，需要注意VRE發(fā)電的并網(wǎng)支撐功能及并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定，對(duì)新建VRE發(fā)電設(shè)備及場(chǎng)站的并網(wǎng)提出要求，以提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。
5）機(jī)組靈活性: 隨著西非未來VRE接入比例增加，當(dāng)進(jìn)入第3階段后，南部大量的水電及尼日利亞的燃?xì)獍l(fā)電可以作為良好的靈活性資源，同時(shí)北部缺水但具備豐富太陽能資源的地區(qū)，可以發(fā)展一定的光熱發(fā)電作為靈活性資源支撐當(dāng)?shù)豓RE的并網(wǎng)消納。在這些選項(xiàng)之外，西非大量燃油燃煤機(jī)組的靈活調(diào)節(jié)能力也是不可或缺的。
6）區(qū)域互聯(lián)與多能互補(bǔ): 大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)與消納需要不同區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)，以充分利用多樣化電力系統(tǒng)之間的多能協(xié)同作用。西非各國(guó)裝機(jī)容量普遍較低，通過電網(wǎng)跨國(guó)互聯(lián)共享該地區(qū)的發(fā)電和備用容量，對(duì)于各國(guó)接入大量VRE至關(guān)重要。
7）電源和電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃： 在西非，大部分可再生能源資源位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，電力需求較低，考慮各種約束的電源和電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃可以避免未來?xiàng)夛L(fēng)棄光現(xiàn)象的發(fā)生。目前西非大部分電力部門為垂直一體化結(jié)構(gòu)，這有助于電源和電網(wǎng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃，避免VRE的盲目開發(fā)。
展望
西非國(guó)家對(duì)當(dāng)?shù)乜稍偕茉窗l(fā)電及電網(wǎng)設(shè)備、系統(tǒng)、技術(shù)、能力不足的擔(dān)心影響了大規(guī)模利用可再生能源的信心，技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)共享對(duì)西非各國(guó)理解本國(guó)的可再生能源并網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行問題，以及如何在本國(guó)電力系統(tǒng)中應(yīng)用相關(guān)的技術(shù)具有重要作用。中國(guó)的可再生能源發(fā)展經(jīng)驗(yàn)表明，大規(guī)模開發(fā)可再生能源并接入電力系統(tǒng)是可以實(shí)現(xiàn)的，這為具有大規(guī)模水電及太陽能開發(fā)潛力的部分西非國(guó)家開辟了光明的道路。中國(guó)和西非在可再生能源領(lǐng)域發(fā)揮互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，深度合作，對(duì)于推動(dòng)西非可持續(xù)發(fā)展將發(fā)揮重要作用。
羅魁（新能源與儲(chǔ)能運(yùn)行控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司））
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