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西非地區(qū)可再生能源發(fā)展具有較大潛力，但是當前國內對于西非可再生能源發(fā)展的系統(tǒng)性分析較少。本文詳細梳理了西非電力供應及電網發(fā)展現狀，分析總結了西非的可再生能源資源潛力、分布以及相關的規(guī)劃目標和方案，明確了西非當前電力背景及西非可再生能源進一步并網發(fā)展的技術障礙?；诋斍拔鞣强稍偕茉窗l(fā)展的階段及中國的可再生能源并網經驗，對比給出了適合西非可再生能源并網發(fā)展的技術方案和建議，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、幾內亞、尼日利亞、加納、岡比亞、多哥、塞拉利昂、塞內加爾、馬里、幾內亞比紹、尼日爾、利比里亞14個國家，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人口的約52.3%，農村居民僅有8%可獲得電力供應。截至2017年底，西非地區(qū)總裝機容量為22.9 GW，可再生能源裝機（包括生物質能、水電、風、光）占比為23.8%（5.44 GW），其中水電占可再生能源裝機容量的97%（5.28 GW），剩余的主要為光伏（160 MW）。該地區(qū)電力缺乏，電網網架結構薄弱，電網覆蓋率低，設備老舊，輸配電損失大，可用發(fā)電與負荷需求不匹配，阻礙了經濟發(fā)展，特別是礦產資源開發(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)的幾內亞等國。為獲得可靠、廉價、清潔的電力供應，未來將以燃氣電站為支撐，大力發(fā)展水電和太陽能發(fā)電，如圖1所示，通過跨國互聯電網建設實現不同地區(qū)、不同類型電源互補互濟，共享發(fā)電和備用容量，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和經濟性，西非在建跨國輸電網絡如圖2所示。
? 圖2 西非在建跨國輸電網絡
2、西非可再生能源并網發(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。在西非當前電力背景下，由于缺乏相關知識和經驗，可再生能源的發(fā)展和接入將會給現有電力系統(tǒng)帶來一系列技術問題。
1）電力系統(tǒng)規(guī)模較小。大部分國家的電源裝機容量較小，跨國電網互聯較弱，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，其他西非國家的平均裝機容量為250 MW，有3個國家的可用裝機容量甚至不足100 MW，在這樣的裝機容量背景下，接入波動性可再生能源（variable renewable energy，VRE）對本國電力系統(tǒng)沖擊巨大。
2）電網調度運行技術落后。西非大部分電網公司缺少現代化的電網調度自動化系統(tǒng)及適當的電網運行標準，例如欠缺AGC功能。因此在VRE滲透率為5%~10%的早期階段，VRE接入對于具備調度自動化系統(tǒng)的電網來說不會存在問題，但對于西非電網落后的手動調度能力來說，其并網調度運行存在諸多困難。
3）設備及電站運維能力不足。電網運行人員對于可再生能源設備的知識和經驗匱乏，運維能力不足，具有可再生能源設備和電站運維能力的本地利益相關者較少，導致后期可再生能源項目難以維護，效率降低或者損壞，降低發(fā)電能力。
4）并網規(guī)劃能力薄弱。最低成本發(fā)電規(guī)劃是長期電源規(guī)劃中很重要的一步，但西非地區(qū)本地大多數公用事業(yè)部門（電力公司等）缺乏VRE電站規(guī)劃能力與工具，相關規(guī)劃需要借助外部資源，同時缺乏系統(tǒng)級的整體規(guī)劃。
3、西非可再生能源并網規(guī)劃運行技術
結合西非VRE接入比例及各國電力背景，可認為西非地區(qū)整體可再生能源處于并網運行的早期階段，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技術，可以降低可再生能源發(fā)電并網對系統(tǒng)的影響，提升系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。同時可以預見，西非未來VRE比例將大幅提升，并實現跨越式發(fā)展，為此按照階段需求程度并兼顧長遠發(fā)展提出適合西非地區(qū)發(fā)展狀況的可再生能源發(fā)電并網技術方案及建議，為西非可再生能源并網發(fā)展提供參考。
? 表1 VRE并網不同階段特性
1）實時監(jiān)控: 為達到出力可見可控，西非VRE電站需要裝備實時監(jiān)控系統(tǒng)，如SCADA系統(tǒng)，具備通信和控制能力， 能夠響應控制信號自動調整出力，進而可提供頻率電壓調節(jié)服務，同時電力公司也需要具備對應的VRE監(jiān)控系統(tǒng)。此外在并網監(jiān)控方面相關的國際標準已經成熟，可以與各國電力背景相結合指導本地并網導則的制定。
2）功率預測: 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，電網公司需要通過功率預測來感知爬坡事件，安排旋轉備用容量，來有計劃地平衡功率差額。先進的功率預測工具及系統(tǒng)可以幫助降低火電機組的調度出力，同時減少棄光，提高系統(tǒng)運行經濟性；在光伏發(fā)電比例較高時，也有助于提升系統(tǒng)可靠性。
3）發(fā)電調度: 西非大部分國家缺乏預測和調度相關的工具與系統(tǒng)，VRE難以有效納入調度計劃。VRE接入后，電力公司需要按照優(yōu)先調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)電計劃，體現VRE并網的經濟性；同時根據VRE的日內出力，不斷更新調整機組的調度順序，優(yōu)化機組出力。對于實時調度層面，目前還較難實現，需要足夠的旋轉備用進行支撐。
4）友好并網: 由于相關的VRE電站項目較少，當前西非各國電力公司對電力電子設備性能認識有限。隨著VRE比例的不斷提高，需要注意VRE發(fā)電的并網支撐功能及并網標準制定，對新建VRE發(fā)電設備及場站的并網提出要求，以提高系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定性。
5）機組靈活性: 隨著西非未來VRE接入比例增加，當進入第3階段后，南部大量的水電及尼日利亞的燃氣發(fā)電可以作為良好的靈活性資源，同時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地VRE的并網消納。在這些選項之外，西非大量燃油燃煤機組的靈活調節(jié)能力也是不可或缺的。
6）區(qū)域互聯與多能互補: 大規(guī)模可再生能源并網與消納需要不同區(qū)域電網的互聯，以充分利用多樣化電力系統(tǒng)之間的多能協(xié)同作用。西非各國裝機容量普遍較低，通過電網跨國互聯共享該地區(qū)的發(fā)電和備用容量，對于各國接入大量VRE至關重要。
7）電源和電網協(xié)調規(guī)劃： 在西非，大部分可再生能源資源位于偏遠地區(qū)，電力需求較低，考慮各種約束的電源和電網協(xié)調規(guī)劃可以避免未來棄風棄光現象的發(fā)生。目前西非大部分電力部門為垂直一體化結構，這有助于電源和電網的協(xié)調規(guī)劃，避免VRE的盲目開發(fā)。
展望
西非國家對當地可再生能源發(fā)電及電網設備、系統(tǒng)、技術、能力不足的擔心影響了大規(guī)模利用可再生能源的信心，技術和經驗共享對西非各國理解本國的可再生能源并網規(guī)劃與運行問題，以及如何在本國電力系統(tǒng)中應用相關的技術具有重要作用。中國的可再生能源發(fā)展經驗表明，大規(guī)模開發(fā)可再生能源并接入電力系統(tǒng)是可以實現的，這為具有大規(guī)模水電及太陽能開發(fā)潛力的部分西非國家開辟了光明的道路。中國和西非在可再生能源領域發(fā)揮互補優(yōu)勢，深度合作，對于推動西非可持續(xù)發(fā)展將發(fā)揮重要作用。
羅魁（新能源與儲能運行控制國家重點實驗室（中國電力科學研究院有限公司））
本文發(fā)表在《全球能源互聯網》2020年第5期“電力市場促進可再生能源發(fā)展”專題，歡迎點擊品讀。
主要內容
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、幾內亞、尼日利亞、加納、岡比亞、多哥、塞拉利昂、塞內加爾、馬里、幾內亞比紹、尼日爾、利比里亞14個國家，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人口的約52.3%，農村居民僅有8%可獲得電力供應。截至2017年底，西非地區(qū)總裝機容量為22.9 GW，可再生能源裝機（包括生物質能、水電、風、光）占比為23.8%（5.44 GW），其中水電占可再生能源裝機容量的97%（5.28 GW），剩余的主要為光伏（160 MW）。該地區(qū)電力缺乏，電網網架結構薄弱，電網覆蓋率低，設備老舊，輸配電損失大，可用發(fā)電與負荷需求不匹配，阻礙了經濟發(fā)展，特別是礦產資源開發(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)的幾內亞等國。為獲得可靠、廉價、清潔的電力供應，未來將以燃氣電站為支撐，大力發(fā)展水電和太陽能發(fā)電，如圖1所示，通過跨國互聯電網建設實現不同地區(qū)、不同類型電源互補互濟，共享發(fā)電和備用容量，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和經濟性，西非在建跨國輸電網絡如圖2所示。
? 圖1 西非可再生能源重點開發(fā)區(qū)域
? 圖2 西非在建跨國輸電網絡
2、西非可再生能源并網發(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。在西非當前電力背景下，由于缺乏相關知識和經驗，可再生能源的發(fā)展和接入將會給現有電力系統(tǒng)帶來一系列技術問題。
1）電力系統(tǒng)規(guī)模較小。大部分國家的電源裝機容量較小，跨國電網互聯較弱，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，其他西非國家的平均裝機容量為250 MW，有3個國家的可用裝機容量甚至不足100 MW，在這樣的裝機容量背景下，接入波動性可再生能源（variable renewable energy，VRE）對本國電力系統(tǒng)沖擊巨大。
2）電網調度運行技術落后。西非大部分電網公司缺少現代化的電網調度自動化系統(tǒng)及適當的電網運行標準，例如欠缺AGC功能。因此在VRE滲透率為5%~10%的早期階段，VRE接入對于具備調度自動化系統(tǒng)的電網來說不會存在問題，但對于西非電網落后的手動調度能力來說，其并網調度運行存在諸多困難。
3）設備及電站運維能力不足。電網運行人員對于可再生能源設備的知識和經驗匱乏，運維能力不足，具有可再生能源設備和電站運維能力的本地利益相關者較少，導致后期可再生能源項目難以維護，效率降低或者損壞，降低發(fā)電能力。
4）并網規(guī)劃能力薄弱。最低成本發(fā)電規(guī)劃是長期電源規(guī)劃中很重要的一步，但西非地區(qū)本地大多數公用事業(yè)部門（電力公司等）缺乏VRE電站規(guī)劃能力與工具，相關規(guī)劃需要借助外部資源，同時缺乏系統(tǒng)級的整體規(guī)劃。
3、西非可再生能源并網規(guī)劃運行技術
結合西非VRE接入比例及各國電力背景，可認為西非地區(qū)整體可再生能源處于并網運行的早期階段，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技術，可以降低可再生能源發(fā)電并網對系統(tǒng)的影響，提升系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。同時可以預見，西非未來VRE比例將大幅提升，并實現跨越式發(fā)展，為此按照階段需求程度并兼顧長遠發(fā)展提出適合西非地區(qū)發(fā)展狀況的可再生能源發(fā)電并網技術方案及建議，為西非可再生能源并網發(fā)展提供參考。
? 表1 VRE并網不同階段特性
1）實時監(jiān)控: 為達到出力可見可控，西非VRE電站需要裝備實時監(jiān)控系統(tǒng)，如SCADA系統(tǒng)，具備通信和控制能力， 能夠響應控制信號自動調整出力，進而可提供頻率電壓調節(jié)服務，同時電力公司也需要具備對應的VRE監(jiān)控系統(tǒng)。此外在并網監(jiān)控方面相關的國際標準已經成熟，可以與各國電力背景相結合指導本地并網導則的制定。
2）功率預測: 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，電網公司需要通過功率預測來感知爬坡事件，安排旋轉備用容量，來有計劃地平衡功率差額。先進的功率預測工具及系統(tǒng)可以幫助降低火電機組的調度出力，同時減少棄光，提高系統(tǒng)運行經濟性；在光伏發(fā)電比例較高時，也有助于提升系統(tǒng)可靠性。
3）發(fā)電調度: 西非大部分國家缺乏預測和調度相關的工具與系統(tǒng)，VRE難以有效納入調度計劃。VRE接入后，電力公司需要按照優(yōu)先調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)電計劃，體現VRE并網的經濟性；同時根據VRE的日內出力，不斷更新調整機組的調度順序，優(yōu)化機組出力。對于實時調度層面，目前還較難實現，需要足夠的旋轉備用進行支撐。
4）友好并網: 由于相關的VRE電站項目較少，當前西非各國電力公司對電力電子設備性能認識有限。隨著VRE比例的不斷提高，需要注意VRE發(fā)電的并網支撐功能及并網標準制定，對新建VRE發(fā)電設備及場站的并網提出要求，以提高系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定性。
5）機組靈活性: 隨著西非未來VRE接入比例增加，當進入第3階段后，南部大量的水電及尼日利亞的燃氣發(fā)電可以作為良好的靈活性資源，同時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地VRE的并網消納。在這些選項之外，西非大量燃油燃煤機組的靈活調節(jié)能力也是不可或缺的。
6）區(qū)域互聯與多能互補: 大規(guī)模可再生能源并網與消納需要不同區(qū)域電網的互聯，以充分利用多樣化電力系統(tǒng)之間的多能協(xié)同作用。西非各國裝機容量普遍較低，通過電網跨國互聯共享該地區(qū)的發(fā)電和備用容量，對于各國接入大量VRE至關重要。
7）電源和電網協(xié)調規(guī)劃： 在西非，大部分可再生能源資源位于偏遠地區(qū)，電力需求較低，考慮各種約束的電源和電網協(xié)調規(guī)劃可以避免未來棄風棄光現象的發(fā)生。目前西非大部分電力部門為垂直一體化結構，這有助于電源和電網的協(xié)調規(guī)劃，避免VRE的盲目開發(fā)。
展望
西非國家對當地可再生能源發(fā)電及電網設備、系統(tǒng)、技術、能力不足的擔心影響了大規(guī)模利用可再生能源的信心，技術和經驗共享對西非各國理解本國的可再生能源并網規(guī)劃與運行問題，以及如何在本國電力系統(tǒng)中應用相關的技術具有重要作用。中國的可再生能源發(fā)展經驗表明，大規(guī)模開發(fā)可再生能源并接入電力系統(tǒng)是可以實現的，這為具有大規(guī)模水電及太陽能開發(fā)潛力的部分西非國家開辟了光明的道路。中國和西非在可再生能源領域發(fā)揮互補優(yōu)勢，深度合作，對于推動西非可持續(xù)發(fā)展將發(fā)揮重要作用。
羅魁（新能源與儲能運行控制國家重點實驗室（中國電力科學研究院有限公司））
本文發(fā)表在《全球能源互聯網》2020年第5期“電力市場促進可再生能源發(fā)展”專題，歡迎點擊品讀。
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