北京電網風電發展與消納能力

余瀟瀟，張璞, 劉兆燕，左向紅，張凱，田子嬋

(1.北京電力經濟技術研究院，北京市 100055；2.北京勘測設計研究院，北京市 100024)

?

北京電網風電發展與消納能力

余瀟瀟1，張璞1, 劉兆燕1，左向紅1，張凱1，田子嬋2

(1.北京電力經濟技術研究院，北京市 100055；2.北京勘測設計研究院，北京市 100024)

結合北京地區風力資源分布情況及風力發電的并網現狀，對北京地區風力發電的發展情況進行了預測。預測內容包括規劃風力發電的輸出特性，以及“十三五”期間北京地區風力發電的發展情況。提出了一種以電網的負荷特性、常規電源調峰能力、新能源處理特性及外受電力交換情況作為邊界條件的風電消納計算方法。運用該方法對北京電網“十二五”末及“十三五”末對風電的消納能力進行了計算，并提出了促進北京電網風電發展的相關技術措施。

風電并網; 電網; 規劃; 風電消納

0 引 言

近年來，在國家政策的大力推動下，北京地區新能源發電發展迅速。截至2014年底，北京電網風電并網容量達到150 MW，占北京電網總裝機容量的1.4%。目前官廳4期與青灰嶺風場正在建設中，預計“十二五”末，北京風電裝機規模將達到300 MW。

與傳統電力系統中的大型、可控發電機組(火電、水電)不同，風電機組缺乏隨負荷變化調節出力特性的能力。風電機組輸出具有隨機性、不可控性。隨著風電機組的大量并網，電力系統的不確定性將增加。對于北京電網類似的受端電網，本地機組提供的系統備用容量非常有限，因此研究風電機組的最大接入能力對電網規劃及安全穩定運行至關重要。

北京地區風力資源主要分布在延慶等網架結構薄弱的遠郊地區，由于系統調峰能力不足，本地負荷消納能力有限，及網架送出能力受限等因素，近年來北京電網風電利用小時數逐年下降。因此，為了更好地促進風電并網的發展，本文結合北京地區風電發展現狀及“十三五”發展規劃，并以北京電網的負荷特性、常規電源調峰能力、規劃風電出力特性及外受電通道電力交換情況作為邊界條件，提出了一種計算風電消納能力的計算方法。并利用所提出的計算方法對北京電網“十二五”末及“十三五”末的最大風電消納能力進行了計算。本文中提出的新能源消納能力計算方法也適用于定量分析其它電網系統對不同種類分布式電源的消納能力。

1 北京地區風電發展情況

1.1 風電發展及消納現狀

北京市風能資源相對匱乏。北京風能資源儲量約為4 600 MW，主要分布于延慶、密云、門頭溝等北部及西北部山區。其中，位于北部延慶縣和河北懷來縣交界的狼山風口的北京官廳風電場的風力資源相對優越。鹿鳴山官廳風電場項目于2007年正式啟動，為北京市第1個風力發電項目。該項目一期裝機為33臺1.5 MW風機，二期裝機為33臺1.5 MW風機，二期加密工程裝機為33臺1.5 MW風機。鹿鳴山官廳風電場已投運，三期工程現已竣工，現總裝機規模為200 MW，第4期工程將于2015年投運，屆時官廳風場的總裝機規模將達到250 MW。

北京電網電力平衡納入京津唐電網統一平衡，在冬季大負荷供熱期間，供熱機組調峰能力下降，低谷負荷期間電力平衡困難，風機出力被迫受到限制，年度累計最大限電容量為95 MW，累計限電電量為2 662.75 MW。受電網對風電接入消納能力限制，北京市風電設備的平均利用小時數呈逐年降低趨勢，2014年北京市風電設備平均利用小時數為1 929 h，較2013年縮短171 h，較投運初期2011年縮短743 h[1]。

1.2 風電開發規劃

北京勘測設計研究院通過對北京地區風力資源的分析，按照風電場選址接入條件好、交通施工條件具備、與環境發展相協調的原則，規劃了“十三五”期間北京市風電建設項目，如表1及圖1所示[2]。

表1 北京地區“十三五”風電建設規劃

Table 1 Wind power construction plan in Beijing in 13thNational Five-Year Plan

圖1 北京市風場規劃示意圖

1.3 風電規劃出力特性

由于風電存在著明顯的間歇性和不確定性，其出力會在任何時刻因風速的改變而變化。當風電場數據較多形成風電基地時，隨著風電基地區域面積的增加，風速變化趨于平穩，會在某種程度上削弱整體出力的間歇性和不確定性[3]。為準確了解和掌握北京地區風能資源時空分布特性，為電網配套建設和消納能力分析提供依據，需對北京風電基地的出力特性進行重點分析和研究。在出力特性分析過程中，采用以下術語或定義。

(1)理論出力：各風電場或基地的理論出力為根據其代表測風塔和區域的代表機型的功率曲線進行計算的所有單臺風電機組出力之和。其中各風電場的出力均以各代表測風塔小時平均測風數據為依據進行計算；代表機型根據投運主流機型確定，并選擇當地空氣密度下的功率曲線進行計算。

(2)實際出力：在理論出力的基礎上，綜合考慮尾流影響、功率曲線保證率、風機可利用率等因素后的出力，對不同風電場的不同風速段的理論出力進行修正，修正系數取0.8～0.98。

1)年出力特性。根據各參證測風塔的測風數據和其代表的風電場裝機容量，分別計算每個測風塔代表的風電場出力特性，疊加后得到接入到北京市風電基地的總出力特性，計算成果見表2。

北京市規劃風電基地總裝機容量為247.5 MW，全年平均出力94.6 MW，占裝機容量39.41%；預計小時最大出力為213.1 MW，占裝機容量86.10%；小時最小出力為0。

表2 北京規劃風電項目出力特性表

Table 2 Output characteristics of planned wind power projects in Beijing

MW

2)月出力特性。北京市規劃風電基地風能資源分布有明顯的季節性差異，總體呈春冬風大，夏秋風小，風速的季節變化直接造成了風電場出力的季節性差異。北京市規劃風電基地逐月平均出力統計見表3，出力逐月變化圖見圖2。

表3 北京規劃風電項目逐月平均出力統計表

Table 3 Monthly average output of planned wind power projects in Beijing

圖2 北京規劃風電項目實際平均出力逐月變化圖

經統計，1月平均出力最大，達131.4 MW，占裝機容量53.09%，8月平均出力最小，為42.33 MW，占裝機容量17.10%。

3)日出力特性。北京市規劃風電基地日平均出力統計見表4。年出力日內變化見圖3。

從全年出力日變化曲線來看，規劃風電機組實際出力較為平穩，其中5時～18時，出力變化較小，且為較大值。19時～次日4時，出力較小。年最大出力出現在9時，為89.1 MW。

表4 北京市規劃風電項目日平均出力統計表

Table 4 Daily average output of planned wind power projects in Beijing

圖3 北京規劃風電項目實際平均出力日變化圖

2 北京電網發展情況

2.1 北京電網現狀

北京地區電網不僅是京津冀電網的重要組成部分，而且是京津冀電網的負荷中心和網架中心，除承擔為首都電網供電的任務外，還向相鄰的天津、河北省部分地區轉送電力，在京津冀電網中處于十分重要的地位。

北京電網目前主要通過經500 kV大房三回線接受來自山西的東送電力，經500 kV張南—昌平雙回線、張南—門頭溝雙回線、萬順三回線、托源安雙回線接受來自蒙西和張家口地區的東送電力，通過順義—太平、通州—盤山、安定—天津北郊、房山—保北500 kV線路與東北、天津、河北南網連接；另外還通過京西電廠—新懷來雙回220 kV線路與張家口地區連接，房山—韓村河—涿州雙回220 kV線路與河北南網連接。

截至2014年底，北京地區共有公用發電廠總裝機容量9 870 MW。其中火電廠裝機容量8 570 MW，比例約為86.8%；水電裝機容量1 010 MW，比例約為10.2%，主要為抽水蓄能電廠；風電廠裝機容量150 MW，比例約為1.5%；分布式電源容量32 MW，比例約為0.3%[4]。

2.2 北京電網調峰能力

截至2014年末，北京電網裝機容量為9 984.5 MW。燃煤機組的調峰能力為50%，燃氣機組的最小調峰能力為冬季5%，邊界條件按照負荷旋轉備用5%，風電增加的旋轉備用按風電高峰出力的50%考慮。因此，可以選取冬季最大負荷日為典型日，計算可消納風電容量。2013年冬季最大負荷日為2013年12月26日，負荷為15 347 MW，因此負荷所需旋轉備用為767.35 MW。機組所能提供的最大調峰能力如表5所示。

因此，風機可利用備用容量為624.55 MW。根據1.3風電規劃出力特性分析結果，增加的旋轉備用按風電高峰出力的50%考慮，則北京電網最大風電消納容量為1 249.1 MW。但是，考慮到北京電網在2017年將實現燃煤機組全部退運，僅依靠燃氣機組和十三陵蓄能電廠，北京地區無法對本地風電進行消納，必須依靠聯絡線對負荷及風電裝機的出力波動進行平衡。因此，需考慮京津唐電網的整體電力平衡計算北京電網對風電的消納能力。

2.3 北京電網規劃

根據“十三五”北京電網規劃，2020年北京地區最大負荷將達到28 500 MW，北京地區全社會用電量約125 TW·h?！笆濉?期間，北京市將新增裝機容量1 781 MW，北京電網裝機容量共計11 618 MW。外受電方面，到“十三五”末，規劃建成13個500 kV受電通道，共計28回500 kV線路，來滿足北京地區2020年28 500 MW負荷的需要。

3 北京電網風電消納能力分析

3.1 北京電網風電消納能力計算

(1)北京電網對風電的獨立消納能力?？紤]到風電場的外送功率較大，風電場并網點的電壓不宜過低[5-8]，計算中風電場并入110 kV變電站或220 kV變電站的110 kV母線，根據北京勘測設計院對北京風力資源的預評估，選擇風電場并網點為：鄧莊、聶各莊、付家臺、栗園、密云、平谷、懷柔，并網容量的計算結果如表6所示。

可見，風電場并網容量的主要限制條件是變壓器的容量。綜合上述分析可得到各并網點風電的并網容量為1 800 MW。考慮到北京電網在2017年北京地區煤電機組將全部退運，而冬季北京地區燃氣機組調峰能力十分有限，僅依靠燃氣機組和十三陵蓄能電廠，北京電網無法對本地風電進行消納，必須依靠聯絡線對負荷及風電裝機的出力波動進行平衡。因此，需要考慮京津唐電網的整體電力平衡計算北京電網對風電的消納能力。

表5 2014年北京電網內部電廠調峰容量統計

Table 5 Peak shift capacity of local power plants in Beijing power gird in 2014

表6 風電場并網容量的計算結果

MW

北京電網中的功率缺額主要由京津唐地區的發電機組平衡，目前京津唐電網的裝機容量為62 101 MW，其中負荷備用容量一般按5%比例考慮(即3 105 MW)，京津唐電網在2014年的實際運行中，備用容量的調用率接近100%。綜合一年的運行情況，可用來平衡北京地區分布式電源功率波動的旋轉備用容量應不超過1 500 MW(按照日最大負荷預測誤差10%進行計算，北京地區最大負荷為17 760 MW，保守選擇用于平衡分布式電源功率波動的旋轉備用為1 500 MW)。以風電最大功率波動50%來計算，其功率波動為900 MW，低于旋轉備用的最大值，為此，風電最大裝機容量為1 800 MW。

三華聯網后，電網的頻率調節系數為2 500～3 000 MW/0.1 Hz，當北京地區分布式電源出現1 500 MW的功率波動后，電網的頻率將出現0.050.067 Hz的偏差。按照調度系統國標中頻率波動不超過±0.2 Hz的運行要求，分布式電源引起的頻率偏差在允許范圍之內。由于京津唐電網的一次調頻死區為0.033 Hz，因此分布式電源的最大功率波動將引起京津唐地區的一次調頻動作。

北京地區主要新能源資源為風能、太陽能、生物質能和地熱能，占比分別為4%、53%、16%、27%。因此，光伏和生物質發電的比率將影響最終北京電網對風電的消納能力。

(2)北京電網對光伏發電的獨立消納能力。根據光伏發電系統的接入范圍可知，小型光伏發電系統一般接入城區和近郊區的380 V網絡，大/中型光伏發電系統一般接入遠郊區10 kV母線。經BPA計算，變電站的平均接入容量為8.3 MW，若考慮北京電網的變電站按400座計算，則北京電網可消納的光伏發電系統的容量為3 320 MW。

北京電網中的功率缺額主要由京津唐地區的發電機組平衡，與風電分析類似，以光伏電站最大功率波動50%來計算，其功率波動為1 660 MW，超過旋轉備用的最大值，為此，削減其裝機容量至2 500 MW滿足要求。

(3)北京電網對生物質發電的獨立消納能力。經BPA計算，變電站對生物質能分布式電源的平均接入容量為8.0 MW，若北京電網按400座變電站計算，則北京電網可消納的三聯供發電系統的容量為3 200 MW。

同上分析，以生物質發電系統最大功率波動20%來計算，其功率波動為640 MW，遠遠小于旋轉備用的最大值1 500 MW，為此，其裝機容量3 200 MW滿足電力平衡要求。

(4)新能源綜合消納能力分析?？紤]風電和光伏發電系統的最大功率波動為總并網容量的50%，生物質能發電系統的最大功率波動為總并網容量的20%，則分布式電源的功率波動為3 040 MW，可用來平衡北京地區分布式電源功率波動的旋轉備用容量不超過1 500 MW，低于分布式電源的最大波動功率，因此分布式電源的裝機容量需要進一步減小。其中，依據3種分布式電源的容量比例1∶1∶1.57進行削減，直至波動功率小于1 500 MW。削減后的各類分布式電源的接入容量如表7所示。

表7 北京電網接入各類新能源的容量

Table 7 The maximum penetration proportion of different renewable energy resources in Beijing power grid

MW

因此，北京電網對風電的消納極限能力為990 MW。

3.2 2015年風電消納能力

2015年北京地區風電接入容量為300 MW，小于北京電網風電消納極限，2015年北京電網負荷預計為19 800 MW，因此風電消納比率為1.52%。

3.3 2020年風電消納能力分析

根據表1, 2020年風電接入總容量將達到547.5 MW，考慮整個京津唐電網的電力電量平衡約束條件，此規劃接入容量小于北京電網風電消納極限。2020年北京電網負荷預計為28 500 MW，風電消納比率為1.9%。如果僅考慮本地機組提供旋轉備用，冬季燃氣機組調峰能力僅為5%，不足以平衡接入風電波動，需要依賴聯絡線提供負荷及新能源所需旋轉備用，否則將出現棄風限電現象。

3.4 提高風電消納能力措施分析

北京地區可開發風力資源有限，盡管依賴外受電通道，可提升風電消納能力極限，但是風場主要分布在遠郊地區，本地網架薄弱，負荷有限，仍存在棄風限電現象。為了提升外受風電消納比例，主要有以下措施：(1)加強風電接入地區網架建設[9-10]；(2)增強外受風電預測精度，合理規劃旋轉備用容量[11]；(3)研發大規模儲能技術，研究抑制平滑風電輸出功率波動；(4)合理電價政策，通過需求側管理達到調峰的目的。

4 結 論

本文分析了北京地區風力資源分布情況及風力發電的并網現狀，對北京地區風力發電的發展情況進行了預測。提出了一種以電網的負荷特性、常規電源調峰能力、新能源處理特性及外受電力交換情況作為邊界條件的風電消納計算方法。該方法對北京電網風電消納極限計算結果為990 MW。本文還提出了促進北京電網風電發展的相關技術措施。

[1]國網北京市電力公司.“十三五”北京地區配電網規劃—分布式電源專項規劃[R].2015.

[2]北京市發展與改革委員會.北京市風能資源開發規劃研究報告[R].2015.

[3]劉振亞.中國電力與能源[M].北京：中國電力出版社，2012.

[4]國網北京市電力公司.北京電網2015年度運行方式分析報告[R].北京： 國網北京市電力公司，2014.

[5]朱凌志，陳寧，韓華玲.風電消納關鍵問題及應對措施分析[J].電力系統自動化, 2011, 35(22): 29-34.Zhu Linzhi, Chen Ning, Han Hualing.Key problems and solutions of wind power accommodation[J].Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(22): 29-34.

[6]高宗和，滕賢亮，張小白.適應大規模風電接入的互聯電網有功調度與控制方案[J].電力系統自動化, 2010, 34(17): 37-42.Gao Zonghe, Teng Xianliang, Zhang Xiaobai.Solution of active power dispatch and control scheme for interconnected power grids with large-scale wind power integration[J].Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(17): 37-42.

[7]周姝燦，耿光超，江全元，等.極端風情況下風電場群電壓協調控制策略[J].電力建設, 2015, 36(3): 7-14.Zhou Shucai, Geng Guangchao, Jiang Quanyuan, et al.Coordinated voltage control strategy for wind farm clusters under extreme wind conditions[J].Electric Power Construction, 2015, 36(3): 7-14.

[8]遲永寧，劉燕華，王偉勝.風電接入對電力系統的影響[J].電網技術, 2007, 31(3): 77-81.Chi Yongning, Liu Yanhua, Wang Weisheng.Study on impact of wind power accommodation[J].Power System Technology, 2007, 31(3): 77-81.

[9]周雙喜，魯宗相．風力發電與電力系統[M]．北京：中國電力出版社，2011．

[10]王佳明，王智冬，李暉，等.預防大規模風機連鎖脫網事故的區域自動電壓控制協調控制策略[J].電力建設, 2014, 35(1): 78-83.Wang Jiaming, Wang Zhidong, Li Hui, et al.Regional AVC coordinated control strategy for large scale cascading trip-off prevention of wind turbines[J].Electric Power Construction, 2014, 35(1): 78-83.

[11]孟巖峰，胡書舉，鄧雅，等.風電功率預測誤差分析及預測誤差評價方法[J].電力建設, 2013, 34(7): 6-9.Meng Yanfeng, Hu Shuju, Deng Ya, et al.Analysis and evaluation method of wind power predicted-error[J].Electric Power Construction, 2013, 34(7): 6-9.

(編輯：劉文瑩)

Development and Maximum Accommodating Capacity of Wind Power in Beijing Power Grid

YU Xiaoxiao1, ZHANG Pu1, LIU Zhaoyan1, ZUO Xianghong1, ZHANG Kai1, TIAN Zichan2

(1.Beijing Electric Power and Economic Research Institute, Beijing 100055, China; 2.Beijing Survey and Design Research Institute, Beijing 100024, China)

According to the distribution of wind energy resource and the present situation of wind power integration in Beijing, the forecast of wind power generation development in Beijing power grid was provided, which focused on the output characteristics of the planned wind power projects and the development of wind power generation in Beijing during the 13th national five-year plan.A calculation method of the maximum proliferation ratio of wind power in Beijing power grid was proposed, whose boundary condition included the load characteristics of grid, the peak shift capability of local power generation plants, the new energy processing features and the power flow exchange limit with the outside grid.The method was used to calculate the maximum penetration ratio of wind power in Beijing power grid during the end of the 12th, 13th national five-year plan.Finally, this paper suggested some related technical measures to promote the development of wind power in Beijing power grid.

wind power integration; power grid; planning; wind power penetration

國家高技術研究發展計劃項目(863計劃)(2014AA051901)。

TM 614

A

1000-7229(2015)08-0049-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.08.008

2015-05-26

2015-07-12

余瀟瀟(1986)，女，博士，工程師，主要研究方向為電力系統規劃，新能源與分布式電源規劃，智能電網技術；

張璞(1986)，女，碩士，工程師，主要研究方向為電力系統規劃，電力系統仿真計算，電力經濟；

劉兆燕(1982)，男，高級工程師，主要研究方向為電力系統規劃，電力系統仿真計算，智能電網技術；

左向紅(1975)，女，碩士，高級工程師，長期從事電力系統規劃、設計，分布式電源規劃，智能電網技術研究工作；

張凱(1969)，男，通信作者，碩士，高級工程師，長期從事電力系統規劃，電力企業管理，智能電網技術研究等工作；

田子嬋(1985)，女，碩士，主要研究方向為復雜地形風力資源勘測研究，地區風力資源發展規劃。

Project Supported by the National High Technology Research & Development Program of China(2014AA051901).