山西電網消納風電能力的計算分析

李娜　張海江

摘 要： 山西電網風電并網規模不斷增大，電力系統的調峰能力已成為消納風電的主要因素。結合山西省水電貧乏、火電供熱機組增多等特點，并考慮負荷特性、電源特性，分析了山西電網的調峰能力和風電對電網調峰能力的影響，提出了山西電網消納風電能力的計算方法。在收集各種實際運行數據的基礎上，通過計算分析，得到了山西電網消納風電能力容量范圍，并據此提出了電網運行控制措施。通過實踐運行，證明此計算分析方法基本正確，達到了提高電網消納能力的目的。

關鍵詞： 風電并網； 電力系統； 消納風電能力； 調峰； 計算方法

中圖分類號：TM712 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）08-24-03

Computing analysis for wind power integration capacity into Shanxi power grid

Li Na， Zhang Haijiang

（Shanxi Electric Power Corporation， Taiyuan， Shanxi 030001， China）

Abstract： With the rapid development of wind farms connected with Shanxi power grid， the peak load regulation of power grid has become the main constraint condition to wind power integration capacity. Based on the feature that Shanxi is poor in hydroelectric resources and rich in thermal power， and by considering characteristics of loads power sources， the ability of peak load regulation of Shanxi power grid and the impacts of wind power are analyzed. A computing method for wind power integration capacity into Shanxi power grid is proposed. Using the computing， the range of wind power integration capacity is obtained. The specific measures to increase the capacity of wind power are proposed. The practice shows that this computing method is correct and can improve the capacity of wind power integration.

Key words： wind farms connected with power gird； power system； wind power integration capaticy； peak load regulation； computing method

0 引言

風能資源是清潔的可再生能源，風力發電是新能源中技術最成熟、最具規模開發條件和商業化發展前景的發電方式之一[1]。山西省風能資源豐富，具備大規模開發利用的資源條件。根據山西省發改委《山西省風電接入電網和輸電規劃研究》報告，截止“十二五”末，山西省的風電規劃總裝機將達到1200萬千瓦。

隨著山西省千萬千瓦級風電基地的逐步建成投產，風電在整個電源中比重逐年增加，電網電源結構更趨復雜，對電網的影響也逐步增大。由于風電出力隨機性、間歇性、反調峰特性明顯[2-3]，給電網調度和調峰帶來一定的困難[4]，風電并網、電力送出和市場消納已成為當前影響山西電網安全穩定運行和風電進一步大規模發展的主要問題。

本文結合山西電網水電貧乏，供熱機組增多的現狀，針對山西電網消納風電能力進行計算分析，并提出為消納風電而采取的電網運行控制措施。

1 山西電網風電發展現狀及運行情況

1.1 山西電網風電發展狀況

2008年7月28日，山西電網首座風電場-右玉小五臺風場（4.95萬千瓦）并網，拉開了山西風電發展的序幕。自2008年起，山西電網并網風電容量連年翻番。至2013年5月底，全省并網風電裝機達到241.9萬千瓦，占省調裝機容量的5.6%，超過水電成為山西省第二大電源。

1.2 山西電網風電運行概況

2012年，山西省風電最大發電負荷149.8萬千瓦，占全省風電裝機容量的75.8%，占當時全省發電負荷的5.72%。山西電網風電最大逆調峰幅度為80.4萬千瓦，使全網的調峰幅度增加了15.98%，對電網調峰造成了一定的困難。

2012年，風電功率波動性對電網的影響日益增加，全省風電1分鐘最大變化幅度達11.5萬千瓦，5分鐘最大變化幅度達27.6萬千瓦，15分鐘最大變化幅度達到28.9萬千瓦，對全網的功率調節造成較大的干擾。

1.3 電網調峰壓力持續加大

由于山西水資源短缺，水電機組相對較少，山西電網機組調峰能力十分有限。正常情況下，山西電網峰谷差達到350～400萬千瓦，2012年最大峰谷差達到571.4萬千瓦，峰谷差率23.6%。

山西省火電機組多是空冷，其調峰性能受季節影響而波動。在電源集中的北部電網，其中60%是供熱機組，“以熱定電”使調峰性能存在一定瓶頸，在冬季風電大發季節，供熱機組全部運行，受供熱影響，機組調峰能力不到20%，即便安排非供熱機組單機運行，依然存在發電容量超盈余，調峰容量不足的問題。

2012年底山西風電裝機總容量達197.5萬千瓦，2013年底達到315萬千瓦。2013～2017年山西電網將有890萬千瓦風電接入。隨著風電的陸續投產，山西電網的調峰能力將面臨嚴峻的考驗。

2 山西電網消納風電能力計算分析

電力系統消納風電容量受電網調峰能力、輸送能力、電壓波動、穩定水平等因素影響[5]，其中電網可為風電提供的調峰能力是最根本的制約因素。如果并網風電超過電網可為風電提供的調峰極限，電網將難以平衡風電出力。

山西電網調峰主要由省調機組承擔，火電機組占有絕對主導地位。山西省冬季氣候寒冷，供熱期約四個月，在北部大同、朔州等寒冷區域，冬季最冷月平均低溫在零下15度以下，供熱期可達5個半月[6]。2012年底省調機組中供熱機組容量達到1700.5萬千瓦，占火電裝機的45.3%。供熱期供熱機組的調峰能力大幅降低，為滿足對外供熱和設備防凍條件，機組的最大、最小出力均受到限制，調峰能力不足20%。在冬季供熱機組全開情況下，電網的調峰壓力巨大。

水電機組具有啟停迅速、簡單的特點，是優質的調峰電源。但山西電網僅有水電站四座，合計裝機容量為222.8萬千瓦。

2.1 夏季電網調峰能力計算分析

夏季山西電網調峰能力主要制約因素為空冷機組受真空影響，高峰影響出力大，進而影響了電網的調峰能力。

夏季山西電網用電負荷峰谷差率一般在20%-22%左右，整體來看機組調峰能力在40%-50%。從近些年風電運行實際情況看，夏季為全年風電出力最少的月份，風電出力一般不超過并網容量的30%，對電網調峰影響較小，目前夏季方式下山西電網具備全額接納風電的能力。

2.2 冬季電網調峰能力計算分析

由于冬季供熱機組的調峰能力大幅下降，為保證供熱，高峰時段出力不足、低谷時段向下調節能力受限，造成全網調峰存在較大困難。冬季全網高峰供熱影響出力基本在90-130萬千瓦之間，占運行機組可調容量的3%-5%。

根據省政府《山西省人民政府關于加快推進全省電力建設的若干意見》，提出了全面實施輸煤輸電并舉戰略，確定了到“十二五”末，全省電力裝機確保達到8000萬千瓦、力爭10000萬千瓦，外送能力確保達到3000萬千瓦、力爭5000萬千瓦的發展目標。“十二五”后三年，核準在建、路條及低熱值煤等規劃火電項目315.55萬千瓦，其中供熱機組比例高達66.7%；核準在建、路條新能源規劃項目104.3萬千瓦，其中風電項目64.2萬千瓦。

按照上述電源發展規劃，到“十二五”末，火電機組中供熱機組占比將超過50%，電源結構不合理的問題將更加突出，進一步加大冬季供熱期的調峰壓力。

2.3 聯絡線功率調節能力分析

山西作為全國電力外送大省，每年向華北及華中電網輸送大量電力。2012年，山西500千伏系統向東通過大房三回線、神保雙、陽北雙、潞辛雙四個外送通道、九條500kV線路與華北主網連接，向京津唐、河北南網送電。從區域電網用電負荷特性看，華北京津唐、河北南網的用電峰谷差在40%-48%左右，本身電網也面臨較大的調峰壓力，從技術層面看，通過減少聯絡線送電峰谷差提高山西電網調峰能力空間很小。

山西電網向南通過1000千伏長治-南陽-荊門特高壓線路與華中電網聯絡，每年10月中下旬至次年5月中下旬向華中輸送電力。華中電網水電裝機充裕，2012年底水電裝機容量8473.61萬千瓦，占總裝機的41.7%，具有較強的機組調峰能力，特高壓聯絡線送電峰谷差存在較大調節裕度。

2.4 電網風電消納能力計算分析

從以上的分析來看，夏季山西電網具備接納風電的能力，而在冬季，風電出力較大，同時由于供熱機組的調峰能力大幅下降，造成全網調峰存在較大困難，從而造成風電接納能力受限。

考慮山西電網冬季高峰用電負荷2528萬千瓦，根據電網近年來實際運行情況，冬季用電負荷的峰谷差率正常在20%-22%，計算取22%，并考慮低谷下旋100萬千瓦；考慮外送京津唐電力峰谷差為50%，約120萬千瓦，送特高壓電力按照峰谷差50萬千瓦考慮（高峰240萬千瓦、低谷190萬千瓦）。

發電電源中火電機組調峰能力差別較大，供熱機組在冬季供熱期調峰能力僅有15%，其他機組調峰能力在50%左右，根據電網近年來實際運行情況，火電機組調峰能力在33%-35%。計算中按照省調發電機組加權平均，考慮一定的出力受阻，省調火電機組調峰能力在33%左右。

山西電網可調節水電機組萬家寨和龍口電廠，按照各開兩臺機組考慮，可以提供56萬千瓦的調峰能力。調用西龍池抽水蓄能電站機組可以提高山西電網的調峰和風電接納能力，但西龍池電站接入忻朔電網，由于北部電網存在窩電問題，西龍池四臺機組不能充分發揮其調峰作用。

綜合考慮以上因素，不論是否考慮西龍池參與調峰，山西電網風電接納能力為348.2萬千瓦，若考慮特高壓送華中高峰和低谷容量均為240萬千瓦（低谷增加50萬千瓦），可提高風電接納能力83.3萬千瓦，風電接納能力可達到431.5萬千瓦。2013年底，山西電網實際接入風電315萬千瓦，還能全額消納風電，預計2014年將投產風電裝機574萬千瓦，此時，將不能滿足全額消納的要求。

3 提高電網消納風電能力可采取的電網運行控制措施

通過以上分析，受冬季機組供熱調峰能力大幅下降的影響，山西電網接納風電存在較大的調峰壓力。調用西龍池抽水蓄能電站機組可以提高山西電網的調峰和風電接納能力，但是會占用電網事故備用容量，造成運行安全壓力增加。即便考慮利用西龍池抽水電站的調峰作用，最大可滿足約80%左右的風電接納需求。因此，針對山西電網調峰困難的問題，可以從運行控制上加強以下幾方面工作。

⑴ 在風電大發的冬春季節，晚高峰旋轉備用容量不宜過大，否則將造成低谷調峰困難。建議不超過100萬千瓦。

⑵ 由于北部存在窩電問題，為充分發揮水電和抽蓄機組調峰能力，提高風電接納能力，在冬季風電大發期間，建議按照窩電容量安排相應機組停機備用。

⑶ 華中電網水電容量充足，調峰能力強。建議在山西電網電力充足的情況下，通過協調國網公司和華中電網，爭取政策支持，多向華中電網送電，盡可能減少峰谷差，提高風電的接納能力。

4 結束語

通過計算夏季、冬季各種運行方式下的電網消納風電能力，對電網規劃、電源規劃將產生積極的影響，通過采用各種適當的運行控制措施，可以充分發掘電網潛力，盡可能全額消納風力發電，將為新能源接入發揮積極作用。在2013年的電網運行實踐中，應用此計算方法安排電網運行方式，并指導電網調度運行，已證明是可行并符合實際情況的。下一步，要結合2013年的運行數據，繼續完善優化分析計算模型，挖掘提升電網消納能力。

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