郭飛，王智冬，王帥，黃怡，張琳

(1.國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京市102209;2.國家電網(wǎng)公司，北京市100031)

0 引言

近年來，隨著我國政府政策扶植力度的不斷加大，我國風能產(chǎn)業(yè)呈飛速發(fā)展的態(tài)勢。2012年中國新增風電裝機容量接近16 GW，年增長20.4%，總裝機容量達到78 GW，中國已成為全球風電裝機容量最多的國家。圖1給出了我國2001—2012年間歷年新增及累計風電裝機容量。由圖1可知，我國風電總裝機容量逐年遞增，2007年裝機容量增長率達到最大值56.6%，2008年裝機容量增長率有所下降，2009年裝機容量增長率再次升高達到53.5%，新增裝機容量13 803.2MW，2009年后裝機容量增長率雖呈下降趨勢，但 2012風電裝機容量增長率仍達20.42%。

圖1 2001—2012年中國歷年新增及累計風電裝機容量Fig.1 New and accumulated capacity of wind power in China(2001－2012)

至2012年為止，華北地區(qū)仍是中國風電裝機最多的區(qū)域。截至2012年末內(nèi)蒙古累計風電裝機容量為19.3 GW，新增風電裝機容量1.7 GW，位居全國第1，山東新增1.4 GW、河北新增1.1 GW分列第2、第3。根據(jù)國家能源局《2020年全國電力流》規(guī)劃方案，未來我國風電將繼續(xù)保持高速增長，“十二五”期間，我國將重點建設(shè)八大1 000萬kW級風電基地，預(yù)計2015年風電裝機將達到120 GW，2020年達到190 GW。目前部分地區(qū)受消納能力限制，運行中已出現(xiàn)了較大的棄風，影響了風電的效益。如:我國的吉林地區(qū)風電所占比例較高，電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻問題較為突出［1］。吉林省調(diào)直調(diào)的供熱機組占直調(diào)容量的90%，風電裝機占7.8%。在冬季夜間的低負荷、大風時段，風電出力大，電網(wǎng)調(diào)峰困難，被迫限制風電出力。風電消納已經(jīng)成為新能源能否得到有效利用的迫切需要解決的難題。

對于風電消納問題，國內(nèi)外文獻通常從消納能力的定量計算、系統(tǒng)調(diào)峰、電源協(xié)調(diào)優(yōu)化控制以及系統(tǒng)網(wǎng)架優(yōu)化的角度進行分析。文獻［2-3］在考慮電力系統(tǒng)靜態(tài)安全約束的背景下，建立了代數(shù)模型求解風電并網(wǎng)功率極限。文獻［4］通過分析系統(tǒng)的負荷特性，在充分考慮尖峰火電機組備用、低谷火電機組最小技術(shù)出力等情況后，提出了考慮電力平衡的風電消納能力計算方法。文獻［5］在“十二五”期間某電力系統(tǒng)中、低負荷水平的基礎(chǔ)上，分別計算2種負荷水平下的該電力系統(tǒng)的調(diào)峰需求，然后計算出該電力系統(tǒng)的調(diào)峰能力。文獻［6］從負荷特性和電源結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過對電網(wǎng)在不同月份、不同電源備用率下的調(diào)峰、調(diào)頻特性進行分析，得出了該電網(wǎng)的調(diào)峰能力。文獻［7］提出風水協(xié)調(diào)運行的理念，根據(jù)水電、風電協(xié)調(diào)運行的特性，計算出水電可吸收的風電出力波動，再利用電力系統(tǒng)運行仿真程序計算火電可吸收的風電出力波動，從而得到系統(tǒng)的風電消納能力。

本文將對我國風電消納現(xiàn)狀及限制消納能力的因素進行詳細分析。重點從系統(tǒng)的角度，對風電輸送方式進行深入探討，研究應(yīng)對風電消納的措施。

1 風電發(fā)展存在的問題

風力發(fā)電的特點是清潔、可再生，并且與傳統(tǒng)化石能源相比，其發(fā)電成本比較低。對于社會可持續(xù)發(fā)展而言，風力發(fā)電是一個重點的發(fā)展方向。但是，風電由于受自然條件影響，具有隨機性、波動性和間歇性的特征，這些特征不利于對其有效控制，這也是風電的關(guān)鍵缺陷，大大限制了風電的普及和應(yīng)用。盡管風電機組的制造技術(shù)及其控制系統(tǒng)在不斷發(fā)展，但是總體來說，風電仍舊屬于不同于常規(guī)發(fā)電能源的、較難控制的一類電源。

大規(guī)模風電接入電力系統(tǒng)后，由于其出力具有波動性、隨機性、間歇性的特征，給電力系統(tǒng)的有功/無功潮流、系統(tǒng)穩(wěn)定性、電壓、電能質(zhì)量、系統(tǒng)備用、短路容量、保護及頻率方面帶來的影響不容忽視［8］;另一方面，電力系統(tǒng)由于存在調(diào)峰、電壓控制、經(jīng)濟調(diào)度、調(diào)頻等方面任務(wù)的需求，不得不限制風電出力來實現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行和電力電量上的平衡。

歐洲風電發(fā)展已經(jīng)歷了近20年，在技術(shù)水平、運行管理和電力市場等方面均處于世界領(lǐng)先地位［9-10］。歐洲風電能夠快速發(fā)展主要依賴于風電控制技術(shù)的不斷改進、合理的規(guī)劃和電力市場的支持與引導。根據(jù)《2012中國風電發(fā)展報告》［11］，丹麥和德國的全國風電裝機容量的比例分別達到40%和15%，風力發(fā)電量則分別占到22%和10%。歐洲能夠保持較高的風電接入比例，主要是由于其燃油機組、燃氣機組和抽水蓄能在電源結(jié)構(gòu)中所占的比重較大，另外則是在歐洲有一個較為堅強的400kV電網(wǎng)作為風電輸送的有效支撐。并且，歐洲各國不僅對電網(wǎng)企業(yè)有義務(wù)接納風電有所規(guī)定，還對風電并網(wǎng)的技術(shù)要求和規(guī)范、風電場的風機性能、風電場管理等方面提出了嚴格的技術(shù)要求。風電場必須在保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行并滿足相關(guān)并網(wǎng)規(guī)范的前提下，才有優(yōu)先并網(wǎng)的權(quán)利。

近年來，我國也相繼出臺了一系列的政策法規(guī)支持風電等可再生能源的利用，但是我國風電的開發(fā)利用環(huán)境與國外不同，受我國電源結(jié)構(gòu)、能源資源與負荷呈逆向分布以及新能源基地所處地區(qū)大多網(wǎng)架相對薄弱的限制，大規(guī)模發(fā)展風電無法在本地消納，需要研究相關(guān)應(yīng)對措施。

2 我國風電場消納問題的原因

目前我國多數(shù)地區(qū)風電場出現(xiàn)無法消納的原因主要有以下3個方面:

(1)電源結(jié)構(gòu)造成系統(tǒng)調(diào)峰能力受限。影響系統(tǒng)接納風電能力的關(guān)鍵因素是系統(tǒng)調(diào)峰能力。由于風電具有波動性，無法參與系統(tǒng)調(diào)峰，在大規(guī)模風電并網(wǎng)后，系統(tǒng)需要為風電和負荷波動預(yù)留足夠的調(diào)峰容量，當出現(xiàn)調(diào)峰電源難以滿足接納風電的調(diào)峰需求時，就會棄風。我國風能資源集中分布在“三北”(東北、西北、華北)和沿海部分地區(qū)，除華北外，東北、西北經(jīng)濟相對欠發(fā)達，電力需求基數(shù)小，火電供熱機組多，系統(tǒng)峰谷差大，供暖期系統(tǒng)負荷低谷時段，受供熱機組調(diào)節(jié)能力限制，系統(tǒng)調(diào)峰能力進一步降低，無法滿足調(diào)節(jié)風電的需求。

(2)區(qū)域電源總量過剩。外送通道一定的情況下，區(qū)域常規(guī)機組富裕，電源裝機容量相對于區(qū)域負荷嚴重過剩，是風電消納能力受限的另一主要原因。以內(nèi)蒙古西部地區(qū)為例，發(fā)電裝機嚴重富裕(火電機組過剩)，采暖期內(nèi)供熱機組和自備電廠調(diào)峰能力有限，即使火電機組全部調(diào)節(jié)至最小技術(shù)出力，仍然無法滿足風電消納需求。

(3)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱。電網(wǎng)輸電能力直接關(guān)系到風電場出力能否全部送出。風電資源豐富地區(qū)，大多處于電網(wǎng)尚未覆蓋和網(wǎng)架薄弱地區(qū)，輸電能力無法滿足風電送出;此外，風電建設(shè)周期短，配套送出工程建設(shè)周期長，風電與送出工程尚未實現(xiàn)同步核準、同步建設(shè)，導致電網(wǎng)網(wǎng)架送出能力有限，出現(xiàn)風電受限。

3 提高風電消納能力的措施

應(yīng)對風電消納問題，可以從影響新能源并網(wǎng)消納的因素角度著手。

(1)提高系統(tǒng)調(diào)峰能力。調(diào)整系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)，增加具備調(diào)節(jié)庫容的水電機組，在有條件的地區(qū)建設(shè)抽水蓄能電站或燃油機組、燃氣機組;改善系統(tǒng)負荷特性，通過峰谷電價等需求管理手段，降低系統(tǒng)負荷峰谷差，減少調(diào)峰壓力;挖掘現(xiàn)有常規(guī)火電機組，特別是熱電機組調(diào)節(jié)能力，建立輔助服務(wù)電價機制，保證火電機組，特別是熱電機組調(diào)峰經(jīng)濟性。

(2)合理控制風電發(fā)展總量和布局。根據(jù)國家風電發(fā)展總體目標，結(jié)合地區(qū)能源資源特點、電源總量和電源結(jié)構(gòu)，對常規(guī)電源總量過剩地區(qū)，在規(guī)劃外送通道投產(chǎn)前，控制地區(qū)風電開發(fā)規(guī)模和進度;在滿足環(huán)保要求前提下，采取措施提高地區(qū)負荷水平。

(3)加快配套風電送出工程建設(shè)。加強主網(wǎng)架建設(shè)，解決因電網(wǎng)輸電能力影響風電消納的問題;積極建設(shè)大型能源基地跨區(qū)外送通道，在同時具備開發(fā)大型火電、風電的綜合能源基地，送端采取風火打捆方式，擴大風電消納范圍。

4 風電輸送方式

風電富集的區(qū)域一般距離負荷中心較遠，需要遠距離輸送，電源可以考慮建設(shè)單純送風電或風火打捆2種結(jié)構(gòu)形式，輸送方式分別考慮交流或直流輸電方式。

4.1 專用通道輸送方式

4.1.1 交流專用通道

風電出力具有隨機性和間歇性的特點，且風電機組不具備調(diào)峰、調(diào)頻能力，給大規(guī)模風電并網(wǎng)送出、系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻、電網(wǎng)電壓無功控制、系統(tǒng)運行經(jīng)濟性等造成不利影響。交流專用通道潮流隨風電功率波動頻繁，電壓控制困難，無功配置要求較高。

采用PSD-BPA仿真軟件，以500kV交流純送風電200 km、2 400MW為例，若1 200MW風機脫網(wǎng)，送端電壓波動將超出正常運行允許范圍，如圖2、3所示。

圖2 送受端電壓波動Fig.2 Voltage fluctuation of sending＆receiving end

圖3 送出線路無功功率Fig.3 Reactive power of outgoing line

受風電利用小時數(shù)低的影響，交流專用通道利用小時一般為1 800～2 200 h。由于風電保證容量小，參與電力平衡容量一般為3%～5%。采用交流專用通道輸送風電，通道的年輸送電量有限，電網(wǎng)設(shè)備利用率較低，機組替代率低。一般用于1000kV電壓等級、送電距離420 km以下，500kV電壓等級、送電距離220 km以下，220kV電壓等級、送電距離90 km以下的風電送出。

4.1.2 直流專用通道

我國在運的直流輸電系統(tǒng)均采用定功率控制模式，純風電經(jīng)直流系統(tǒng)外送相當于直接為一恒功率負荷供電，正常運行時風功率波動會引起送端頻率嚴重偏離風電機組允許范圍，導致風電機組停機。采用常規(guī)直流技術(shù)，直流功率跟隨風電功率波動，送端系統(tǒng)電壓波動較大，且風電功率頻繁波動引起直流系統(tǒng)運行狀態(tài)頻繁調(diào)整，降低直流系統(tǒng)運行的可靠性和壽命。由于柔性直流輸電采用全控電力電子器件，能夠?qū)崿F(xiàn)有功、無功的獨立控制，可用于專用直流通道輸送風電，但目前最大送電容量僅1 000MW，無法滿足風電大容量送電需要。

圖4為8 h內(nèi)風電專用直流通道輸電功率變化情況，通道輸送容量隨風電功率變化而變化，受風電出力的波動性影響，初步測算8 h內(nèi)濾波器投切和換流變分接頭調(diào)整的次數(shù)將分別達到15次和24次，明顯高于常規(guī)直流正常運行情況，會降低直流系統(tǒng)運行可靠性和壽命。

圖4 純風電直流輸電功率8 h變化示意圖Fig.4 DC transmission power changes of wind-only in 8 hours

考慮直流輸電經(jīng)濟適用范圍，按照±800kV直流額定功率8 000MW、輸電距離1 300～2 350 km、年利用小時2 200 h、運營期30年、工程總投資185～240億元測算，直流輸電價為0.192～0.253元/(kW·h)(含稅、線損)。若上網(wǎng)電價按照重點省區(qū)(不含山東、江蘇)火電標桿上網(wǎng)電價平均值0.33元/(kW·h)測算，到網(wǎng)電價將達到0.522～0.583元/(kW·h)，遠高于我國主要受端電網(wǎng)最高火電標桿上網(wǎng)電價0.5014元/(kW·h)(湖南)。因此，若采用直流單純輸送風電，工程投資高，輸送電量少，經(jīng)濟性差。

4.2 風火打捆輸送方式

我國風電主要集中在三北地區(qū)，哈密、內(nèi)蒙古東部、內(nèi)蒙古西部等風電基地，同時具備大規(guī)?；痣姾惋L電開發(fā)的條件。由于風電利用小時數(shù)較低，單獨輸送風電線路利用效率低，需要和其他能源聯(lián)合輸送，即通過風電與其他能源的相互調(diào)節(jié)提高線路的利用效率，同時減小輸送功率的波動，圖5為風火打捆聯(lián)合運行示意圖。

圖5 風火打捆聯(lián)合運行示意圖Fig.5 Wind＆thermal combined operation

采用風火打捆輸送，無論是交流還是直流輸電方式，與專用通道方式相比，均具有通道功率平穩(wěn)、利用小時數(shù)高、經(jīng)濟效益好的優(yōu)勢。

4.2.1 技術(shù)分析

(1)交流輸送方式。風火打捆交流送電方式，送端配套火電機組平衡風電功率波動，對送端電壓有一定支撐作用，交流電壓易于控制，系統(tǒng)整體運行狀態(tài)相對平穩(wěn)。送端系統(tǒng)和火電共同調(diào)節(jié)風電變化，可以實現(xiàn)交流通道平穩(wěn)送出功率。

(2)直流輸送方式。風火打捆直流送電方式，可充分應(yīng)用配套火電調(diào)節(jié)能力，保證直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。以甘肅酒泉風電基地為例，非供熱機組和非供熱期供熱機組最小出力為其鍋爐最低穩(wěn)燃負荷，新建單機容量300MW及以上火電機組技術(shù)可調(diào)節(jié)容量為50%，調(diào)節(jié)速度為2%/min。

從調(diào)節(jié)速度來分析，結(jié)合式(1)計算配套風電容量。根據(jù)酒泉風電的出力特性，1 min出力變化率小于1.5%/min概率達99%，酒泉送端按照配套8 000MW火電(可調(diào)容量為4 000MW)，按照100%消納風電考慮，配套風電容量應(yīng)小于5 330MW，才滿足風電調(diào)峰需要。

在大多數(shù)情況下，酒泉火電能及時跟蹤風電波動;在少數(shù)風電出力快速變化的時段，可借助堅強的750kV電網(wǎng)，調(diào)用西北電網(wǎng)的水電、火電、抽蓄等系統(tǒng)資源，跟蹤風電功率的波動，保持系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

圖6 風火打捆直流外送示意圖Fig.6 Wind＆thermal combined DC transmission

4.2.2 經(jīng)濟性及風火打捆比例

采用風火打捆輸送方式，通道利用小時數(shù)可達到6 000～7 000 h，其中風電、火電利用小時數(shù)分別為1 800～2 200 h、5 000～5 500 h?；痣娙萘考帮L電保證容量均可參與電力平衡，容量效益較好。風火打捆輸送風電，通道年輸送電量高，電網(wǎng)設(shè)備利用率高，機組替代率高。風火打捆的規(guī)模主要受以下因素影響:

(1)風電的出力特性;

(2)送端電網(wǎng)或配套火電的調(diào)峰能力;

(3)受端電網(wǎng)調(diào)峰能力(決定了交流或直流外送輸電通道功率曲線);

(4)技術(shù)性約束(無功電壓控制);

(5)經(jīng)濟性約束。

考慮以上約束條件，不計風電出力的日特性和季特性，不考慮逐點電力電量平衡以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)約束，根據(jù)風電和火電出力配合關(guān)系，配套風電裝機容量簡化計算公式如下:

根據(jù)我國大部分電網(wǎng)負荷特性，輸電通道小方式運行功率取值在0.7～0.9 pu較為合理，送端風火打捆配套火電平均調(diào)峰深度50%，通過對重點省區(qū)風電特性分析，風電有效出力0.6～0.8 pu。據(jù)此計算，配套風電裝機容量與通道能力的比值(即風火打捆比例理論值)在1∶1.5～1∶4。例如±800kV特高壓直流輸電工程，額定輸電容量8 000MW，考慮風電出力為0時仍能滿足直流輸電需要，計及網(wǎng)損和備用情況，送端配套火電14×660MW，共9 240MW，直流小方式運行功率0.8 pu，風電有效出力按0.6 pu，根據(jù)公式(2)，配套風電裝機4 000MW。

5 結(jié)語

本文針對目前我國風電發(fā)展的現(xiàn)狀進行了概述，指出我國目前存在較大的風電消納問題。其次，從不同的角度分析了該問題的原因，包括我國的風電系統(tǒng)調(diào)峰能力不足、區(qū)域電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱和區(qū)域電源過于集中。其中，系統(tǒng)的調(diào)峰能力、電網(wǎng)的輸送能力、調(diào)度模式等是影響各參與方風電消納積極性的主要因素。針對不同的制約因素，進行了風電消納應(yīng)對措施的研究和分析，重點對風火打捆聯(lián)合運行以及不同的風電輸送方式進行了研究。給出了專用通道輸送風電技術(shù)可行性及經(jīng)濟性分析，風火打捆輸送風電的技術(shù)經(jīng)濟性分析以及合理的風火打捆比例。

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