淺議風電消納的基本思路

張忠翼劉明

(1.神華集團有限責任公司,北京 100011;2.神華國華定洲發電有限責任公司,河北定州 073000)

淺議風電消納的基本思路

張忠翼1劉明2

(1.神華集團有限責任公司,北京 100011;2.神華國華定洲發電有限責任公司,河北定州 073000)

本文從風電的特點出發,分析了風電與調峰電源、負荷、電網、網對網外送的電網等相連接的方式和效果。指出發展風電需要依靠適于風電消納的較為堅強的電網,在全國范圍內,統籌考慮風火打捆、風電直接接入負荷、風電通過網對網外送消納、小或大規模風電直接接入電網等各種風電消納方式。風電的輸電和用電環節討論了風電消納的基本思路,指出大規模風電開發的同時,要考慮大規模風電直接接入適于風電消納的電網。

風電 消納 電網 PSCAD/EMTDC

1 引言

風電是目前商業化開發條件最好的可再生能源，發展風電是我們的國策，我國在世界氣候大會上承諾，到2020年非化石能源消費在一次能源消費中占比將達到15%。

但是，風電自身也存在著不足點：一是由于風資源的間歇性，風電不能獨立支撐一個系統，需要調峰電源支持；二是風電利用小時數低；三是風電輸出功率波動較大，電能質量一般；四是風電在分布上，往往是風資源良好的區域往往遠離負荷中心。因此在發展風電時，需要在盡量少增加調峰電源的前提下增加風電容量和電量。風電分布與負荷分布的差異決定了大規模開發風電必須要在全國范圍內考慮風電消納；風電自身的不足使其需要與比自身容量更大的負荷、更大的調峰電源以及適于風電消納的較堅強的電網相結合，從而構成適于風電消納的電力系統。

2 風電消納的三個要素

當一地具備可開發的風資源后，不但需要有一定量的負荷來消納風電，還需要有調峰電源。負荷、調峰電源和風電場之間還要由電網構成一個互連區域。這樣負荷、調峰、電網就構成了風電開發的三個要素。同時風電利用小時數低、出力波動大的特點，決定了風電外送線路的建設要充分考慮經濟性，盡量避免長距離外送，接入點應能承受風電的波動，能以較短的電氣距離與負荷、調峰電源相結合。

因此，風電需要以較短的電氣距離與比其自身容量更大的負荷、更大的調峰電源和適于風電消納的較堅強電網相結合，并與其他電氣設備共同構成適于風電消納的電力系統。

3 風電與風電消納的三個要素的結合形式

3.1 風電就近接入調峰電源

如果是風電接入規劃或建設好的調峰電源外送，不考慮當地負荷，假如火電調峰深度50%，則1份火電裝機可以配0.5份風電，按風電發電小時2500小時考慮，在其原送出線路容量不變的條件下，線路折合送風電小時數為1250小時，占其傳輸電量的14.27%。這種情況下，火電廠外送的電量損失不到15%，風電可全額發出，線路利用率趨于100%。

但如果是專門為風電基地配火電調峰打捆外送，就須考慮如下問題：(1)資源消耗。風電集中的地域多為干旱地區，火電配套調峰會消耗大量水資源。(2)送出線路效率和調峰電源布置。送出線路規劃1份風電送出容量時，需要至少規劃2份的火電裝機容量和1份火電送出容量，不但需要安排較大的火電布機空間還要求外送線路有2份風電裝機容量的外送容量，需要很大的線路投資。(3)送出主體改變，占用受端很大的消納空間。同樣按風電發電小時2500小時考慮，則通道送出風電電量占其傳輸電量的14.27%，其主送的實際是火電，而且受端要多消納85.73%的調峰電量。此外，按本文假設，風火打捆外送，風電電量消費會小于15%，這樣，如果全國的風電基地都采用風火打捆外送的話，考慮非風電基地風電比例更少，那么，國家2020年非化石能源消費占一次能源消費15%的承諾是無法通過以風電為主的清潔能源發電方式實現的。

表1 風電接入電網網對網外送的各種方式

因此，風火打捆需根據資源稟賦首先考慮好火電的布置，再安排風電。

3.2 風電就近接入負荷

不計其他電源，當一個區域內只有風電接入負荷時，由于風電不能連續供電，一定要由區外向區內提供最大與負荷容量相同的調峰容量。假設風電發電小時為2500小時，則區外供電小時約為6260小時，區外供電線路的利用小時數較高。由于風電有功出力波動較大，為向風電提供調峰支持，區外供入有功的波動量也會很大。當風電電源和區外供電的電網電壓穩定時，由于傳輸有功的波動，負荷區的電壓波動會很大。

在與電網距離不遠的條件下，風電電源也可先與電網連接，再向負荷區供電。這種方式下電網承擔了風電的波動，向負荷輸出的功率會很平穩，線路利用小時數也會很高。

綜上，風電就近接入負荷，要求負荷區有較強的電壓無功調節能力，也可以酌情選擇先與電網連接，再由接網點向負荷區供電。

3.3 風電接入電網方式

3.3.1 中小規模風電場直接接入電網

如果直接接入電網的風電場容量較小，可就近接入電網中電壓較低的層面的變電站。比如，50MW的風電場可就近接入一個35kV變電站。當風電場規模逐漸加大后，比如，風電場規模由50MW增加到300MW，就不適于再接入附近的那一座35kV變電站，這時風電場可分散接入附近其它35kV變電站。但是，當附近沒有足夠的低壓變電站時，風電場就需要以較長距離接入遠方的低壓變電站，或集中接入附近的較高電壓等級的變電站，比如220kV變電站，或一部分就近接入較低電壓等級變電站，另一部分接入較高電壓等級的變電站。風電場接入較高電壓等級的變電站后，其功率會在此電壓等級與調峰功率結合，形成平穩的有功功率，供給下層的負荷。

3.3.2 風電場接入電網的網對網外送

連片規模較大的風電場群往往不能在一個區域內消納，這就需要風電在不同區域間消納也就是網對網消納。設火電調峰機組額定容量為g，調峰深度50%；風電容量為f，不能連續供電；送端負荷為l；不考慮其他電源；則保證風電充分發電條件下網對網消納的外送可分6種情況描述，見下文和表1。

火電在出力g/2的基礎上為風電調峰，風電所在電網的有功出力空間為f+g/2。當風電所在電網的發電出力的空間大于負荷，即f+g/2＞l時，風電側電網需要將多余的有功外送；此時(1)如果火電機組容量大于負荷容量，而且可以為全部風電調峰，即g＞l g＞2f或g＞f+g/2，則風電側電網有穩定的對外功率輸出，送出空間為f+g/2-l；(2)如果火電機組容量大于負荷容量，但不能為全部風電調峰，即g＞l g＜2f或g＜f+g/2，送出空間仍為f+g/2-l，但是風電側電網對外功率輸出會有波動；(3)如果火電機組容量小于負荷容量，不能為全部風電調峰，此時，g＜l g＜2f或g＜f+g/2，則風電側電網即有對外功率輸出f+g/2-l，當風電出力減少時，又有最大為l-g的外部注入功率。送出空間量需按照輸入輸出容量的最大值考慮。在火電為風電調峰模式下，當風電所在電網的出力的空間小于負荷，即f+g/ 2＜l時，(4)如果火電機組容量大于負荷容量，可以為全部風電調峰，即g＞l g＞2f或g＞f+g/2，則風電側電網可以自給自足，無需外送或受入功率；(5)如果火電機組容量小于負荷容量，且能為全部風電調峰，即g＜l g＞2f或g＞f+g/2，則風電側電網受入功率空間為l-g；(6)如果火電機組容量小于負荷容量，但不能為全部風電調峰，即g＜l g ＜2f或g＜f+g/2，則風電側電網的受入空間為l-g，但空間內，受入功率會有波動。

第一種情況是完全由風電側電網調峰，類似于風火打捆外送的送端增加了負荷，具穩定的功率輸出，但也同時具有風火打捆外送所需要注意的問題。

第二種情況為網對網外送但電網側調峰機組無法為風電提供充足的調峰能力。這種情況下，整個風電側電網和外送通道有功都會不停的波動，當風電裝機較多，火電調峰能力較差時，波動規模較大，聯絡線功率難以控制，ACE指標難以完成，風電側電網頻率、電壓等會難以控制，對相關電力系統運行會有不利的影響。

第三種情況下，無論風電側電網是輸出有功還是受入有功，都會造成電網和傳輸線路的功率波動，當功率波動較大時，對相關電力系統會有不利的影響。

第四種情況下，風電側電網可以自行消納。

第五種情況下，風電裝機相對較小，調峰機組可以為風電調峰，風電側電網可以從區外穩定的受入有功。

第六種情況下，調峰機組無力為風電全部出力調峰，風電側電網需要從區外受入有功，由于風電的波動，受入有功也是波動的。這種情況類似風電從一側單獨向負荷供電，系統從另一側為負荷補充風電不能滿足的電力需求。當風電接入的系統較小而且電網較堅強時，這種方式可以運行，否則對相關電力系統會有不利的影響。

由分析可知，以上六種情況中前三種情況風電側電網整體是以外送為主的；后三種情況風電側電網整體是以受入為主的。實際適用于風電網對網外送的是第一種情況，但這種情況具有類似風火打捆外送的優點和缺點，可送出的容量是受到限制的。

3.3.3 大規模風電基地分散直接接入電網

雖然負荷中心往往能得到一定量的調峰電源，但風電基地與負荷及調峰電源中心往往不能重疊，這樣需要將基地風電外送。由于外送風電的規模較大，不但要選擇通道還要選擇相對分散并有充裕的調峰和負荷的并網點。具體有以下4種方法。

(1)中近距離風電分散直接接網。中近距離是指風電基地到消納區域的距離在500公里以內，此時，風電可以酌情考慮以500kV線路外送。

(2)中遠距離風電分本、外網分散消納。風電分本、外網消納是把風電波動較小、發電小時較高的部分，比如出力的0-50%通過直流送出；將其波動較大的部分，比如出力的50-100%由本地電網調峰。

(3)中遠距離風電分散直接外送到負荷中心消納。這種方式是將中遠距離風電場不分內外網直接外送。

(4)風電分散接入特高壓電網。這種方式應注意以下兩點：第一，風電不宜接入特高壓電網北部起點站。因為特高壓電網北部的起點在內蒙古南部區域附近，是電源充足負荷匱乏區域。如果風火打捆接入起點站則即要接入風電又要接入火電，風電接入量會比較小；如果風電直接接入起點站，由于當地負荷少，風電需要經電網遠距離傳輸，會造成電網北部的較大波動，還會限制火電上網。第二，風電直接外送到調峰和負荷充足的特高壓站點，會使消納方式會更靈活、區域會更廣闊。

4 結語

根據風電自身的特點，風電需要與比其自身容量更大的負荷、更大的調峰電源以及適于風電消納的較堅強電網相結合。由于大多數風資源良好的區域遠離負荷中心，大規模發展風電就需要在全國范圍內統籌協調。由于發展風電是國策，目標是增加可再生能源電量占比，所以國家可以通過統籌協調，在盡量少增加調峰電源容量和電量的條件下增加風電容量和電量。

因此，本文風電接入電網基本思路是：依靠適于風電消納的較為堅強的電網，以盡量短的電氣距離，在全國范圍內，統籌考慮風火打捆(主要是根據資源稟賦使風電與已投或確實應投的火電打捆)、風電直接接入負荷(類似分散接入)、風電接入電網后網對網外送、小規模風電直接接入電網、尤其是大規模風電直接接入電網等各種風電消納方式，在盡量少增加調峰電源以及其他電源容量和電量的前提下，增加風電容量和電量的絕對值及占比，建設適于風電消納的電力系統。

[1]黃雅莉,賀志峰.國外風電消納的主要經驗及借鑒[J].陜西電力, 2013,(10).

[2]徐敏杰,胡兆光,譚顯東,單葆國.中國中長期能源和電力需求及碳排放情景分析[J].中國電力,2012(4).

[3] 呂泉,王偉,韓水,苑舜,張近朱,李衛東.基于調峰能力分析的電網棄風情況評估方法[J].電網技術,2013(7).

[4]邱大芳.擴大風電消納能力模式的博弈分析與機制研究[D].北京:華北電力大學,2013.

張忠翼(1980-),男,滿族,遼寧丹東人,畢業于東北電力大學,工學學士,工程師,負責風電運營調度;劉明(1981-),男,天津武清人,畢業于華北電力大學,工學學士,工程師,負責電氣系統維護。