0 引言

近年来，中国可再生能源快速发展，随之产生的消纳问题也引起越来越多关注[1]。《2021年电力工业统计资料汇编》数据显示，2021年，中国风电和太阳能发电装机已达全部发电装机的26.7%，发电量占全部发电量的11.7%。考虑到中国风、光资源禀赋差异，国家发展改革委、国家能源局2021年以来发布了第一批和第二批大型风电光伏基地项目建设的通知。然而供给侧可再生能源大规模发展下，中国风、光资源与需求侧电力负荷在时间和空间上分布的不匹配性对风、光资源地区可再生能源消纳带来了极大挑战，造成了清洁发电资源的浪费[2]。从需求侧角度来看，可再生能源消纳问题的形成原因主要在于：一方面，可再生能源电力本地需求相对不足；另一方面，需求侧负荷灵活性不足使得可再生能源出力曲线与电力负荷波动曲线不匹配。鉴于此，从需求侧角度出发，提高地区电力消费需求和提高负荷灵活性是缓解可再生能源消纳问题的两大可行措施。

以大型风、光基地内蒙古自治区为例，根据政府发展规划报告和文献[3-4]对内蒙古未来可再生能源消纳情况预测，内蒙古2030年可能产生高达2000亿kWh的弃风弃光电量。在电力需求方面，2022年，内蒙古约6.1%的用电量增长速度难以满足风、光发电增速高达11.4%和15.4%的快速发展及其负荷波动带来的消纳问题；在电力需求灵活性方面，内蒙古钢铁和电解铝等工业部门具有巨大用电灵活性潜力，约占地区六大工业重点行业负荷灵活性潜力的89.6%[5]。在此背景下，研究如何促进风、光资源密集地区电力需求增长，并提升电力需求灵活性，对促进可再生能源消纳，推动中国能源结构转型和促进“双碳”目标实现具有重要现实意义。

灵活性资源分布于电力系统各个环节，而电力需求侧具有较大的灵活性潜力尚待挖掘[6]。需求侧资源主要包括工业、商业和居民用户等。2035年，预计住宅、商业、工业部门等灵活性需求响应项目将使中国低碳电力系统运行成本降低约3%，每年节省约470亿元[7]。与其他用户相比，能源密集型工业在负荷灵活性方面具有巨大潜力，大容量负荷特征使单个工业用户可提供兆瓦级别的灵活性。2022年3月，国家发展改革委、国家能源局印发《“十四五”现代能源体系规划》，强调加强电力需求侧响应能力建设，鼓励电解铝、铁合金等行业发挥可控负荷功能，高比例释放用电灵活性，力争2025年电力需求侧响应能力达到最大负荷的3%～5%。由此看来，中国能源结构转型优先任务是实现以清洁能源为主的工业化，工业灵活性转型已成为发展低碳经济更快捷的路径[8]。

本文将大型风、光基地内蒙古自治区作为研究样本，分析供给侧可再生能源大规模发展背景下，如何通过提高需求侧电力消费需求和提升负荷灵活性这2个关键措施，来缓解由消纳需求不足和源荷时空错配导致的风、光资源地区可再生能源消纳问题。一方面，本文分析内蒙古未来2025年、2030年可再生能源消纳情况，并依托2003—2019年内蒙古9个地级市面板数据，构建多元回归模型分析影响内蒙古电力消费的主要因素，从增加需求角度探究如何有效促进风、光资源密集地区可再生能源消纳。另一方面，本文采用混合整数线性规划（mixed integer linear programming，MILP）模型，对“双碳”目标下内蒙古未来电解铝和钢铁等负荷灵活性潜力较大行业低碳转型发展的绿色电力需求情况进行预测分析，从增加灵活性负荷角度探究促进风、光资源密集地区可再生能源消纳的可行路径。

1 文献综述

1.1 关于电力需求的影响因素研究

在国家整体层面，文献[9]发现经济规模和投资规模有助于电力消费量增长，而电力强度与投资效率与电力消费呈负相关关系。文献[10]认为，经济、技术、结构、人口等是中国电力消费增长的主要驱动因素。在此基础上，文献[11-12]在地区层面对电力需求的影响因素展开深入分析，研究了经济增长、结构变化、政策因素等影响电力消费和可再生能源消纳的关键因素，并提出了相应的政策建议。

1.2 关于电力系统灵活性的研究

随着可再生能源发电比例不断增加，学者们针对电力系统灵活性展开了广泛讨论，相关研究主要包括以下2个方面。第一，电力系统灵活性评估方法研究。已有研究主要采用构建综合评估指标体系[13]、典型场景聚类算法[14]和构建模型求解计算[15]等方法对电力系统灵活性进行量化分析。在上述方法中，MILP模型技术被认为是更加有效、可靠的方法[16]。第二，关于如何提升电力系统灵活性的研究。国内外相关研究主要从供电侧、输电侧、需求侧、储能灵活性等方面展开[17]，相比之下，关于中国灵活性负荷潜力的研究相对较少。事实上，需求侧灵活性不论从经济成本还是发展潜力角度来看都是优选方案[18]，并且随着世界各国采取制定更加雄心勃勃的气候目标，需求侧灵活性的重要性将越发凸显[19]。

需求侧灵活性指电力用户根据电价、财政激励等措施或政策要求，改变、转移或削减自身电力需求的能力[20]，其中，需求响应和需求侧管理是近年来学者们讨论和研究的主要话题[21]。对于灵活性潜力较强的工业部门而言，工业生产可避峰开展，一般属于可平移负荷[22]。学者们根据不同行业负荷特征对工业用电灵活性提升展开了研究。例如，文献[23]通过研究发现，荷兰塔塔钢铁厂提供需求响应的灵活性潜力为10 MW/30 min，这相当于德国居民所能提供需求响应总容量的五分之一。文献[24]分析了德国电解铝、电弧炉炼钢、水泥等工业行业需求侧管理的灵活性潜力，并预测了其作为备用容量在电力市场可获得的经济收益。文献[8]认为中国目前在利用负荷灵活性方面相对落后，并通过对中国电解铝行业案例分析发现，对电解槽改造技术的应用将为中国电解铝行业电力负荷提供±9.01 GW的灵活性。

与已有文献相比，本文贡献体现在2个方面。第一，以风、光资源密集的内蒙古自治区为例，分析内蒙古到2030年可再生能源消纳情况，并通过分析内蒙古电力需求主要影响因素，探讨促进本地电力需求增加的途径，为大规模可再生能源消纳提供基础性条件。第二，对工业部门、居民建筑、电动汽车、储能等不同负荷的灵活性潜力进行梳理和比较分析，并对灵活性潜力较大的工业部门中，具有主体规模大、调节成本低、可控性强等优点的钢铁、电解铝行业用电灵活性潜力展开分析，从负荷侧灵活性角度为促进风、光资源密集地区可再生能源消纳提供新的思路，对中国能源结构转型路径的探索提供参考。

2 内蒙古可再生能源消纳情况及电力消费需求的影响因素分析

2.1 内蒙古未来可再生能源消纳情况分析

根据内蒙古自治区政府发展规划报告和文献[3-4]，本文通过计算内蒙古自治区2025年、2030年可再生能源发电量及其本地消纳量和外送量，对内蒙古未来可再生能源消纳情况进行预测（表1、图1—2）。其中，内蒙古未来可再生能源外送电量通过采用2010—2022年内蒙古外送电量的历史数据拟合预测得到，结果显示，内蒙古2025年和2030年可再生能源外送电量分别为955亿kWh和2 051.6亿kWh。这一预测结果与《内蒙古自治区人民政府办公厅关于印发自治区新能源倍增行动实施方案的通知》中关于内蒙古2025年和2030年跨省跨区外送可再生能源电量1000亿kWh和2000亿kWh的规划接近。这既表明预测具有较高可信度，同时也说明了可再生能源本地消纳不足是内蒙古未来可再生能源消纳问题的主要原因。

图1 内蒙古2025年、2030年可再生能源发电量、本地消纳量、外送量以及弃风弃光量预测
Fig. 1 The prediction of renewable energy generation, local consumption, external delivery and abandoned wind and PV power in Inner Mongolia in 2025 and 2030

表1 内蒙古2025年、2030年可再生能源发电量、本地消纳量、外送量以及弃风弃光量预测
Table 1 The prediction of renewable energy generation, local consumption, external delivery and abandoned wind and PV power in Inner Mongolia in 2025 and 2030亿kWh

资料来源：2025年、2030年内蒙古风电、光伏装机量数据来自内蒙古《关于印发自治区新能源倍增行动实施方案的通知》，风电、光伏发电利用小时数来自《2022年度全国可再生能源电力发展监测评价报告》；内蒙古未来外送电量通过历史数据预测得到，2025年、2030年内蒙古外送通道中可再生能源占比数据来自《内蒙古自治区“十四五”电力发展规划》；本地消纳可再生能源电量通过内蒙古未来全社会用电量与可再生能源消纳责任权重计算得到，其中，全社会用电量数据分别通过文献[3]、文献[4]和历史数据预测这3种方法得到，其预测值分别对应序号1～3；2025年、2030年内蒙古可再生能源消纳责任权重数据来自《内蒙古自治区“十四五”可再生能源发展规划》和《关于征求2021年可再生能源电力消纳责任权重和2022—2030年预期目标建议的函》。

年份序号可再生能源发电量消纳量外送量弃风弃光量本地2025 13 326.51 714.8955.0656.7 23 326.51 827.0955.0544.5 33 326.51 764.0955.0607.5 16 504.62 556.02 051.61897 26 504.62 439.92 051.62 013.1 36 504.62 414.42 051.62 038.6 2030

图2进一步展示了表1中2021—2030年内蒙古弃风弃光电量预测情况。可以看出，2025年，内蒙古预计将产生544.5亿kWh～656.7亿kWh弃风弃光量；到2030年，内蒙古弃风弃光量预计将进一步提升至1897亿kWh～2 038.6亿kWh。整体来看，弃风弃光电量呈现出增长趋势，未来内蒙古可再生能源消纳问题亟待解决。

图2 2021—2030年内蒙古弃风弃光量情况预测
Fig. 2 The prediction of abandoned wind and PV power in Inner Mongolia from 2021 to 2030

2.2 内蒙古电力消费需求的影响因素分析

为探究如何促进内蒙古自治区电力消费需求以提升内蒙古可再生能源本地消纳水平，本文采用2003—2019年内蒙古自治区呼和浩特市、包头市、乌海市、赤峰市、通辽市、鄂尔多斯市、呼伦贝尔市、巴彦淖尔市、乌兰察布市9个地级市17 a的面板数据，对内蒙古电力需求的影响因素展开分析。样本数据来自2004—2020年《中国城市统计年鉴》和《内蒙古统计年鉴》。以2004年作为样本起始年份的原因主要在于：巴彦淖尔市和乌兰察布市在2003年变更为地级市，其相关数据指标在此前为缺失。对于少量数据缺失问题，本文使用插值法对其进行填补。

构建多元回归分析模型对内蒙古电力需求的影响因素进行实证分析：

式中：主要变量定义见表2；i代表城市；t代表年份；vt代表年份固定效应；γi代表城市固定效应；εit为随机误差项。被解释变量Eit代表内蒙古i城市在t年份的电力需求情况，采用内蒙古各城市全社会用电量来衡量。[11-12]的做法，本文从经济增长、人口、产业结构、供暖和技术进步等5个方面选取影响电力消费的因素。为缓解异方差问题影响，本文对所有非比值型变量进行对数化处理。主要变量衡量方法及描述性统计见表2。为进一步控制时间因素特征和各城市不随时间变化的个体因素特征对内蒙古电力消费的影响，本文控制了年份固定效应vt和城市固定效应γi。

表2 主要变量的描述性统计
Table 2 Descriptive statistics of main variables

变量名符号定义均值标准误电力消费E城市全社会用电量取对数12.9401.482经济增长G城市国民生产总值取对数15.0751.140人口规模P城市年末总人口取对数5.3380.598二产比重I第二产业增加值占GDP比重45.09812.155三产比重T第三产业增加值占GDP比重48.88113.347集中供暖H城市集中供暖面积取对数7.4811.066技术进步C城市科学技术支出取对数7.0662.280

2.3 实证分析

2.3.1 平稳性检验

考虑到本文所采用的样本数据为长面板数据，可能受到数据质量问题、样本时间变动趋势等因素影响而导致分析结果不稳健，本文采用LLC单位根检验方法对样本数据的平稳性进行验证。表3结果显示，所有主要变量单位根检验的P值均小于0.1，表明本文所用指标通过了平稳性检验，具备支撑下一步实证分析的平稳性条件。

表3 单位根检验
Table 3 The unit root test

变量T值调整后的T值P值E -7.661 7-3.452 40.000 3 G-7.739 2-4.527 10.000 0 P-7.832 9-3.542 50.000 2 I-7.028 8-4.455 10.000 0

续表

变量T值调整后的T值P值T -7.852 1-4.931 70.000 0 H-6.555 8-1.867 90.030 9 C-6.457 9-1.974 40.024 2

2.3.2 实证分析结果

对内蒙古自治区各地级市电力消费主要影响因素的实证分析结果如表4所示。表4表明经济发展、人口规模、产业结构调整和居民供暖是促进内蒙古电力消费水平提升的重要影响因素，而当前技术进步未对内蒙古需求侧电力利用效率提升发挥有效调节作用。总体而言，模型1中各主要变量的系数方向均与预期相符，基本符合其各自经济现实意义，且R2值接近1，说明模型拟合程度较好，结论较为可靠。

表4 内蒙古电力消费影响因素分析的估计结果
Table 4 Estimation results of influencing factors analysis of power consumption in Inner Mongolia

注：括号中为稳健标准误，回归控制了个体和年份双向固定效应；***、**、*分别表示1%、5%、10%的显著性水平。

变量系数T值P值G 0.476 8** (0.171 6)2.779 10.024 0 P 1.225 7** (0.511 8)2.394 80.043 5 I0.099 5*** (0.019 9)4.999 00.001 1 T0.113 6*** (0.021 8)5.211 40.000 8 H 0.858 3*** (0.162 8)5.273 80.000 8 C-0.028 5 (0.070 3)-0.405 30.695 8常数项-16.246 9*** (3.286 6)-4.943 40.001 1 N 153 R20.867

进一步对比工业和第三产业发展对电力消费的影响可知，与第三产业相比，内蒙古工业发展对电力消费的带动作用较弱。文献[3]同样表明，内蒙古2030年第二产业电力消费增长速度预计为4%，远低于第三产业12%的增速。“双碳”目标下，工业部门低碳技术转型对地区未来绿色电力消费具有重要的带动作用。鉴于此，内蒙古未来应通过对工业部门生产工艺电气化转型升级来提高电力消费需求，同时充分发挥工业用电的灵活性潜力，从而为地区可再生能源消纳创造良好条件，促进风、光资源地区可再生能源消纳。

3 内蒙古工业部门未来绿色电力需求和灵活性潜力分析

3.1 中国未来不同灵活性负荷的潜力分析

根据需求侧可控负荷的用电特征，可提供灵活性的用户主要包括工业负荷、建筑楼宇、居民用电和新型负荷4种，其调度响应方式分为可中断、可平移和可转移负荷3种[22]（见图3）。

图3 需求侧灵活性负荷
Fig. 3 Demand side flexibility load

借鉴文献[7,13,15,17,24-27]，本文对2035年中国需求侧各类负荷灵活性进行整理和计算，计算结果见表5。综合考虑单体容量规模、投资成本等因素，电动汽车和抽水蓄能作为灵活性负荷发展的优先级较低，电池储能目前成本较高；而以钢铁行业和电解铝行业为代表的工业部门有产能规模大、建设成本低、可控性强等明显优点，具有较强灵活性潜力，工业部门作为灵活性负荷的发展优先级较高。鉴于此，本文以内蒙古工业部门中用电灵活性潜力占比约90%的钢铁行业和电解铝行业为研究样本[11]，分析内蒙古工业部门未来低碳转型的绿色电力需求和灵活性潜力。

表5 2035年中国各类灵活性负荷产能规模及灵活性潜力
Table 5 Future capacity scale and electricity flexibility potential of various flexible loads in China in 2035

资料来源：2035年中国电弧炉炼钢产能及电力消费量数据来自文献[25]，电弧炉炼钢负荷灵活性调节区间参数数据来自文献[21]；电解铝未来产能数据来自行业政策规划文件，电解铝行业灵活性潜力数据来自文献[7]；居民建筑的可调节负荷规模和灵活性潜力数据分别来自文献[7]和文献[26]；居民建筑、电动汽车、抽水蓄能和电池储能等负荷的产能/容量规模和灵活性潜力数据来自文献[10]；不同负荷技术利用率数据来自文献[13,24,27]；2035年各类灵活性负荷的发展优先级情况来自文献[15]；各类灵活性负荷单日可调节负荷由本文通过计算得到。

负荷类型产能/容量规模灵活性潜力可调节负荷发展优先级电弧炉炼钢2.76亿t0.16亿kW3.92亿kWh/d较高电解铝0.45亿t0.25亿kW5.88亿kWh/d较高居民建筑3亿kW0.3亿kW7.3亿kWh/d较高电动汽车2.2亿辆2.5亿kW21.9亿kWh/d较低抽水蓄能1.2亿kW1.2亿kW21.6亿kWh/d中等电池储能0.5亿kW0.5亿kW9.72亿kWh/d较高

3.2 钢铁行业脱碳转型路径下的内蒙古绿色电力需求和灵活性潜力分析

钢铁行业涉及多项工艺技术和多种原料设备，具有大规模、多层次特点，是制造流程和电力调度最复杂的工业行业之一[27]。为此，本文借鉴文献[25]的研究，考虑钢铁、电解铝行业总产能及其利用率、单位产能电量、标准功率等构建MILP模型，测度比较不同低碳技术方案下钢铁、电解铝行业的绿色转型经济成本，规划钢铁、电解铝行业最具成本效益的脱碳转型路径。

3.2.1 内蒙古及其主要电力受端地区钢铁行业未来绿色电力需求分析

2021年，内蒙古钢铁产能2800万t，占全国总产能的2.4%。目前内蒙古钢铁行业炼钢技术全部为高炉-转炉技术，没有电弧炉炼钢，电力需求为46.3亿kWh，仅占电解铝行业用电量的5.4%。2050年，全国钢铁产能预计达71 000万t[27]。随着钢铁行业向风、光资源丰富地区转移，根据2022—2025年内蒙古钢铁产能占全国总产能的比例由2.4%增长至3.7%，研究假设内蒙古2030年钢铁产能占全国总产能比例上升至5%，达到4600万t；2050年内蒙古钢铁产能占全国总产能的比例调整至10%，为7100万t。此时低碳炼钢技术加速发展，产能包括电弧炉、氢基竖炉和电解炼钢等技术。表6中MILP模型的计算结果表明，2030年和2050年，内蒙古钢铁行业低碳转型将促进134.6亿kWh和1597亿kWh的可再生能源消纳。河北、山东、江苏既是内蒙古跨省电力外送的主要受端地区，也是全国高载能行业聚集地，未来电力需求规模十分庞大。2021年，内蒙古主要电力受端地区的钢铁行业产能规模为51 286万t，占全国总产能的50.3%，用电量为963亿kWh。随着全国钢铁行业产能压缩，2030年和2050年内蒙古主要电力受端地区钢铁行业产能预计将下降至41 400万t和35 500万t。由于电弧炉等炼钢技术产能比例不断上升，钢铁行业用电需求大幅增加，2030年和2050年分别上升至2 176.4亿kWh和7985亿kWh。

表6 内蒙古及其主要电力受端地区钢铁行业未来绿电需求和用电灵活性潜力
Table 6 Future green electricity demand and flexibility potential of iron and steel industry in Inner Mongolia and its main power receiving areas

资料来源：2021年内蒙古及其主要电力受端地区钢铁行业产能数据来自全球能源监测网站；2050年中国钢铁行业产能数据来自文献[28]；钢铁行业用电量、电弧炉产能及其用电量数据由文献[25]构建的MILP模型计算得到；钢铁行业灵活性潜力数据由本文计算得到。

内蒙古自治区内蒙古电力受端地区2030年2050年2030年2050年产能/万t4600710041 40035 500用电量/亿kWh134.615972 176.47985电弧炉产能/万t1585457014 26922 850电弧炉用电量/亿kWh121.33551 091.61775灵活性潜力/MW9232 701.78 307.313 508.4变量

3.2.2 内蒙古及其主要电力受端地区钢铁行业未来用电灵活性潜力分析

钢铁熔炼过程是不可中断的，熔炉关闭后重启将产生大量的成本损失，虽然电弧炉工艺熔炼过程可立即中断，但不计经济成本的允许可中断时间最多仅为30 min[24]。考虑到中断负荷的潜在损失和人工操作成本，通过调节输出功率来释放和发挥电弧炉用电灵活性是更可行的办法[22]。根据文献[21]的研究，对于电弧炉炼钢技术的灵活性调度，熔炼功率可在标准功率的±25%之间进行调节。考虑电弧炉炼钢技术利用率为75%[24]，本文对内蒙古电弧炉炼钢技术用电灵活性潜力进行估算。表5结果显示，2030年和2050年内蒙古电弧炉炼钢灵活性潜力预计为±461.5 MW和±1 350.83 MW；内蒙古主要电力受端地区电弧炉炼钢技术用电灵活性潜力预计可达±4 153.65 MW和±6 754.2 MW。未来随着工业用户参与辅助服务市场相应补偿机制的完善，钢铁行业用电灵活性潜力将充分发挥，进一步通过缓解电源与负荷之间的时空错配来更好促进风、光资源密集地区可再生能源的消纳。

3.3 电解铝行业脱碳转型路径下的内蒙古绿色电力需求和灵活性潜力分析

与钢铁行业相比，铝的生产过程相对简单，而电解作为生产铝的主要能耗工艺，其电力成本约占总成本的30%～40%。本文考虑内蒙古电解铝行业未来使用绿色电力并通过有限范围的功率调节实现用电灵活性，从而促进可再生能源消纳，并获取一定的经济收益。

3.3.1 内蒙古及其主要电力受端地区电解铝行业未来绿色电力需求分析

内蒙古现阶段高载能产业用电主要来自电解铝行业。2021年，内蒙古电解铝产能630万t，占全国总产能的14%，用电量为850.5亿kWh。在中国电解铝产业相关政策文件指导下，中国电解铝远期产能预计锁定在4500万t左右。假设到2030年和2050年，内蒙古电解铝产能占全国总产能的比重分别下降至10%和5%。表7显示，预计2030年和2050年内蒙古电解铝行业用电量分别为607.5亿kWh和303.8亿kWh。

表7 内蒙古及其主要电力受端地区电解铝行业未来绿电需求和用电灵活性潜力
Table 7 Future green electricity demand and flexibility potential of electrolytic aluminum industry in Inner Mongolia and its main power receiving areas

资料来源：2021年内蒙古电解铝行业产能数据来自中国有色网；2021年内蒙古主要电力受端地区电解铝行业产能数据来自中国行业研究网；电解铝行业用电量、灵活性潜力及可调节负荷数据通过计算得到。

内蒙古自治区内蒙古电力受端地区2030年2050年2030年2050年产能/万t450225675450用电量/亿kWh607.5303.8911.3607.5灵活性潜力/MW1 415.3707.82 123.11 415.3可调节负荷/ （万kWh·d-1）3 396.71 698.65 095.33 396.7变量

对于河北、山东和江苏这3个内蒙古主要电力受端地区，其未来电解铝行业也将面临产能转出的情况。2021年，全国电解铝产能为4 485.9万t，上述3个省份电解铝行业产能为1125万t，占比约25%。未来随着电解铝产能转出，该行业用电量也将持续下降。假设2030年和2050年内蒙古主要电力受端地区电解铝产能降至全国产能的15%和10%，此时受端地区2030年和2050年电解铝行业电力需求分别为911.3亿kWh和607.5亿kWh。

3.3.2 内蒙古及其主要电力受端地区电解铝行业未来用电灵活性潜力分析

电解铝行业生产流程特征决定了其利用率高达95%～98%[26]。与钢铁行业类似，长时间断电将导致熔炉温度过低，进而产生较高的额外设备启停成本，电解铝行业用电灵活性同样可以通过有限的功率调节来实现[22]。根据文献[8]，采用电解槽改造技术可使电解铝行业实现±10%范围内的正向与负向需求响应能力。因此，本文根据中国电解铝行业用电灵活性参数来计算内蒙古电解铝行业用电灵活性潜力。

表7结果显示，2030年，内蒙古电解铝行业用电的灵活性潜力预计为±707.7 MW，即用电灵活性最高可达1 415.3 MW，单日可调节电量预计为3 396.7万kWh；内蒙古主要电力受端地区电解铝行业用电灵活性潜力预计可达2 113.1 MW，单日可调节电量预计为5 095.3万kWh。

3.4 未来工业部门绿电需求增长及用电灵活性潜力发挥对内蒙古可再生能源消纳的影响分析

考虑内蒙古未来工业部门绿电需求增长及其用电灵活性潜力发挥情况下，表6和表7计算结果显示，2030年内蒙古钢铁和电解铝行业低碳转型将产生约742.1亿kWh的绿电消费需求，通过增加本地消纳能力缓解未来严峻的弃风弃光问题。到2030年和2050年，电弧炉炼钢和电解铝行业共计约可提供2 338.3 MW和4 114.46 MW的用电灵活性潜力。根据国家发展改革委和国家能源局发布的《各省级电网典型电力负荷曲线》，其未来用电灵活性潜力相当于2020年内蒙古高峰负荷的9.22%。用电灵活性潜力提升将通过灵活调整负荷、削峰填谷等方式缓解由源荷时间错配导致的弃风弃光问题，进一步促进内蒙古可再生能源电力消纳。此外，受端地区电力需求增长将对内蒙古的可再生能源消纳产生促进作用。一方面，在内蒙古特高压外送电网的支持和区域间电力中长期与现货市场机制和交易规则的不断完善下，内蒙古可再生能源电力外送的技术约束和现实阻碍将得到极大缓解。根据《内蒙古自治区“十四五”电力发展规划》，2025年内蒙古电力外送能力将达到7800万kW，新增通道可再生能源电量占比不低于50%。另一方面，受端地区本地风、光资源利用情况较好。国家能源局数据显示，2022年，江苏、山东和河北光伏利用率高达100%、98.5%和98.0%，风电利用率分别为100%、97.9%和95.6%。负荷灵活性提升将进一步促进受端地区本地风、光资源充分利用，从而使受端地区对内蒙古绿色电力需求增长。以内蒙古未来外送通道50%可再生能源占比估算可知，受端地区2030年电弧炉炼钢和电解铝灵活性负荷需求将对内蒙古产生约1 001.5亿kWh的可再生能源电力消费需求。综上，2030年内蒙古预计产生约2000亿kWh弃风弃光量（表1），而本地及主要电力受端地区工业部门将产生至少1 743.6亿kWh的绿电需求，这将极大程度缓解内蒙古可再生能源消纳问题。在此基础上，本文进一步考虑内蒙古钢铁行业和电解铝行业发挥用电灵活性的预期收益。以蒙东地区为例，根据2023年9月《关于完善蒙西、蒙东电网分时电价政策的实施方案征求意见通知》中内蒙古现行分时电价政策实施情况，以及《2023年12月国网蒙东电力代理购电价格公告》中峰谷平时电价数据，若钢铁和电解铝行业在谷时和峰时分别向上和向下调节功率，充分发挥用电灵活性潜力，钢铁行业和电解铝行业预计将分别节省7.2%和2.9%的用电成本。这一收益对推动工业用户调整用电策略、改进工艺流程具有一定积极影响。考虑到中国当前仅通过有序用电、峰谷电价等行政手段调节和引导电力需求侧灵活性，未来随着钢铁、电解铝等用电灵活性潜力较大行业参与电力辅助服务市场提供辅助服务的相关补偿和奖励机制的逐渐完善，钢铁、电解铝等行业将为电力系统灵活性、稳定性提升和促进内蒙古可再生能源消纳做出更大贡献。

4 结论及建议

本文以大型风、光基地内蒙古自治区为研究对象，从电力需求增加和电力需求灵活性提升视角探究如何促进风、光资源密集地区可再生能源消纳。研究发现：

第一，内蒙古到2030年可能产生约2000亿kWh的弃风弃光量。从增加电力需求角度看，经济发展、产业转型、人口和供暖等因素对内蒙古电力消费促进作用明显，相比之下，工业部门发展对地区电力消费的带动作用有待提升。鉴于此，推动上述因素发展并积极推动工业部门低碳技术进步可作为促进地区可再生能源消纳的主要抓手。

第二，与居民建筑、电动汽车、储能等负荷相比，以电弧炉炼钢和电解铝行业为代表的工业部门具有主体规模大、调节成本低、可控性强等优点，特别是对风、光资源密集地区而言，工业部门用电灵活性潜力巨大，发展优先级较高。内蒙古钢铁行业和电解铝行业到2030年通过生产工艺改进将创造742.1亿kWh本地可再生能源需求，以及约1 001.5亿kWh的外送需求，并且其未来用电灵活性潜力相当于2020年内蒙古高峰负荷的9.22%，将极大缓解地区可再生能源消纳问题。

未来，风、光资源密集地区应加速推动产业结构电气化转型和工业低碳转型技术进步，通过电弧炉炼钢等生产工艺改进，采用可再生能源电力炼钢和制铝。与此同时，应建立健全工业用户参与电力需求响应或辅助服务市场相关体制机制设计，为钢铁、电解铝等企业主体，以及居民建筑、储能、电动汽车等需求侧分散资源提供调频等辅助服务制定合理的服务费用和补偿标准，从而激发各部门巨大的灵活性负荷潜力。