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西非地區可再生能源發展具有較大潛力，但是當前國內對于西非可再生能源發展的系統性分析較少。本文詳細梳理了西非電力供應及電網發展現狀，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展的技術障礙。基于當前西非可再生能源發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（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，可用發電與負荷需求不匹配，阻礙了經濟發展，特別是礦產資源開發。
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，可再生能源資源分布較為廣泛，北部地區太陽能資源較好，水電資源則分布在沿海地區的幾內亞等國。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，大力發展水電和太陽能發電，如圖1所示，通過跨國互聯電網建設實現不同地區、不同類型電源互補互濟，共享發電和備用容量，保證系統運行的穩定性和經濟性，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展面臨挑戰
不同研究均表明可再生能源未來在西非有巨大的發展空間。在西非當前電力背景下，由于缺乏相關知識和經驗，可再生能源的發展和接入將會給現有電力系統帶來一系列技術問題。
1）電力系統規模較小。大部分國家的電源裝機容量較小，跨國電網互聯較弱，系統備用發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，降低發電能力。
4）并網規劃能力薄弱。最低成本發電規劃是長期電源規劃中很重要的一步，但西非地區本地大多數公用事業部門（電力公司等）缺乏VRE電站規劃能力與工具，相關規劃需要借助外部資源，同時缺乏系統級的整體規劃。
3、西非可再生能源并網規劃運行技術
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電并網對系統的影響，提升系統運行的穩定性和可靠性。同時可以預見，西非未來VRE比例將大幅提升，并實現跨越式發展，為此按照階段需求程度并兼顧長遠發展提出適合西非地區發展狀況的可再生能源發電并網技術方案及建議，為西非可再生能源并網發展提供參考。
? 表1 VRE并網不同階段特性
1）實時監控: 為達到出力可見可控，西非VRE電站需要裝備實時監控系統，如SCADA系統，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服務，同時電力公司也需要具備對應的VRE監控系統。此外在并網監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，由于光伏發電將成為系統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，提高系統運行經濟性；在光伏發電比例較高時，也有助于提升系統可靠性。
3）發電調度: 西非大部分國家缺乏預測和調度相關的工具與系統，VRE難以有效納入調度計劃。VRE接入后，電力公司需要按照優先調度的原則在滿足系統安全約束的條件下制定充分的日前發電計劃，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發電的并網支撐功能及并網標準制定，對新建VRE發電設備及場站的并網提出要求，以提高系統運行的安全穩定性。
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，可以發展一定的光熱發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能力也是不可或缺的。
6）區域互聯與多能互補: 大規模可再生能源并網與消納需要不同區域電網的互聯，以充分利用多樣化電力系統之間的多能協同作用。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的發電和備用容量，對于各國接入大量VRE至關重要。
7）電源和電網協調規劃： 在西非，大部分可再生能源資源位于偏遠地區，電力需求較低，考慮各種約束的電源和電網協調規劃可以避免未來棄風棄光現象的發生。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調規劃，避免VRE的盲目開發。
展望
西非國家對當地可再生能源發電及電網設備、系統、技術、能力不足的擔心影響了大規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劃與運行問題，以及如何在本國電力系統中應用相關的技術具有重要作用。中國的可再生能源發展經驗表明，大規模開發可再生能源并接入電力系統是可以實現的，這為具有大規模水電及太陽能開發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揮互補優勢，深度合作，對于推動西非可持續發展將發揮重要作用。
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展”專題，歡迎點擊品讀。
主要內容
1、西非電力概況
西非地區（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，可用發電與負荷需求不匹配，阻礙了經濟發展，特別是礦產資源開發。
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，可再生能源資源分布較為廣泛，北部地區太陽能資源較好，水電資源則分布在沿海地區的幾內亞等國。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，大力發展水電和太陽能發電，如圖1所示，通過跨國互聯電網建設實現不同地區、不同類型電源互補互濟，共享發電和備用容量，保證系統運行的穩定性和經濟性，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區域
? 圖2 西非在建跨國輸電網絡
2、西非可再生能源并網發展面臨挑戰
不同研究均表明可再生能源未來在西非有巨大的發展空間。在西非當前電力背景下，由于缺乏相關知識和經驗，可再生能源的發展和接入將會給現有電力系統帶來一系列技術問題。
1）電力系統規模較小。大部分國家的電源裝機容量較小，跨國電網互聯較弱，系統備用發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，降低發電能力。
4）并網規劃能力薄弱。最低成本發電規劃是長期電源規劃中很重要的一步，但西非地區本地大多數公用事業部門（電力公司等）缺乏VRE電站規劃能力與工具，相關規劃需要借助外部資源，同時缺乏系統級的整體規劃。
3、西非可再生能源并網規劃運行技術
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電并網對系統的影響，提升系統運行的穩定性和可靠性。同時可以預見，西非未來VRE比例將大幅提升，并實現跨越式發展，為此按照階段需求程度并兼顧長遠發展提出適合西非地區發展狀況的可再生能源發電并網技術方案及建議，為西非可再生能源并網發展提供參考。
? 表1 VRE并網不同階段特性
1）實時監控: 為達到出力可見可控，西非VRE電站需要裝備實時監控系統，如SCADA系統，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服務，同時電力公司也需要具備對應的VRE監控系統。此外在并網監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，由于光伏發電將成為系統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，提高系統運行經濟性；在光伏發電比例較高時，也有助于提升系統可靠性。
3）發電調度: 西非大部分國家缺乏預測和調度相關的工具與系統，VRE難以有效納入調度計劃。VRE接入后，電力公司需要按照優先調度的原則在滿足系統安全約束的條件下制定充分的日前發電計劃，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發電的并網支撐功能及并網標準制定，對新建VRE發電設備及場站的并網提出要求，以提高系統運行的安全穩定性。
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，可以發展一定的光熱發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能力也是不可或缺的。
6）區域互聯與多能互補: 大規模可再生能源并網與消納需要不同區域電網的互聯，以充分利用多樣化電力系統之間的多能協同作用。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的發電和備用容量，對于各國接入大量VRE至關重要。
7）電源和電網協調規劃： 在西非，大部分可再生能源資源位于偏遠地區，電力需求較低，考慮各種約束的電源和電網協調規劃可以避免未來棄風棄光現象的發生。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調規劃，避免VRE的盲目開發。
展望
西非國家對當地可再生能源發電及電網設備、系統、技術、能力不足的擔心影響了大規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劃與運行問題，以及如何在本國電力系統中應用相關的技術具有重要作用。中國的可再生能源發展經驗表明，大規模開發可再生能源并接入電力系統是可以實現的，這為具有大規模水電及太陽能開發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揮互補優勢，深度合作，對于推動西非可持續發展將發揮重要作用。
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展”專題，歡迎點擊品讀。
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