遼寧電網提高風能和太陽能發(fā)電消納能力研究

張 凱，孫紅梅

(1.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；2.國網遼寧省電力有限公司檢修分公司，遼寧 沈陽 110003)

長期以來，化石能源支撐了工業(yè)文明發(fā)展，同時也帶來了環(huán)境污染、氣候變化等影響人類生存發(fā)展的現(xiàn)實難題，化石能源面臨枯竭，建立在化石能源基礎上的能源生產和消費方式亟待轉變，能源開發(fā)上的清潔替代和能源消費上的電能替代獲得廣泛共識[1]。在2014年中美兩國共同發(fā)布的《中美氣候變化聯(lián)合聲明中》，中國政府提出2030年左右碳排放達到峰值，將非化石能源在一次能源中的比重提升到20%左右。近年來，全球風電和太陽能發(fā)電規(guī)模增長迅猛，技術日益成熟，經濟性不斷提高，得到了各國政府支持，但是風能資源具有高度的隨機波動性和間歇性，太陽能資源受天氣等因素影響較大，因此，大規(guī)模的新能源發(fā)電接入電網對電力平衡、電網調峰等帶來諸多嚴峻挑戰(zhàn)[2-5]。

本文結合遼寧電網風能和太陽能發(fā)電的發(fā)展狀況，分析總結影響風能和太陽能資源利用的因素，通過分析遼寧電網目前采取的措施及其效果，提出針對風能和太陽能發(fā)電發(fā)展的建議。

1 遼寧風能和太陽能發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，我國電網建設步伐不斷加快，資源優(yōu)化配置能力明顯提高[6]。隨著經濟不斷增長，遼寧省用電量穩(wěn)步增加，風電和太陽能發(fā)電的裝機容量和發(fā)電量也隨之快速增長。2017年末，遼寧電網風電裝機容量7 100 MW，占總裝機容量的14.6%，全年發(fā)電149.63×108kWh；太陽能發(fā)電裝機容量2 220 MW，占4.57%，全年發(fā)電11.6×108kWh。

圖1 風電裝機容量

圖2 太陽能裝機容量

圖3 風電發(fā)電量

圖4 太陽能發(fā)電量

如圖1—圖4所示，通過2011—2017年風電和太陽能發(fā)電的裝機容量和發(fā)電量曲線可見，風電裝機容量在2011年末已有4 000 MW，之后穩(wěn)步發(fā)展，2014年后發(fā)展趨勢有所減緩。但是風電發(fā)電量始終穩(wěn)步增加。太陽能發(fā)電從2013年開始發(fā)展，2015年后裝機和電量均快速增加。

2 風能和太陽能發(fā)電的限制因素

2.1 風電的調峰特性

隨著經濟的發(fā)展，風電裝機容量提高，風電發(fā)電量逐年提高。但是大規(guī)模風電接入電網后，風電與負荷的不匹配也顯現(xiàn)出來。

如圖5、圖6所示，遼寧是典型的大陸性季風氣候，存在著明顯的季節(jié)交替規(guī)律，每年4、5月份是溫度迅速回升的過程，存在一段大風期，而同樣的10、11月份氣溫迅速降低伴隨著又一大風期的出現(xiàn)。從單日來看，風電出力的隨機性很大，總體上是夜間風資源比白天更好。由于風能資源的隨機性和季節(jié)性資源差距太大，決定了風電無法支撐電網的全部負荷，必須和大量火電等常規(guī)發(fā)電相配合才能滿足電力需求。

遼寧省處于北方，冬季需要供暖。因此，遼寧的電力負荷在春秋兩季略低，冬夏兩季較高。日負荷特性是白天大，夜間小。

圖5 遼寧電網2015—2017年各月負荷曲線

圖6 遼寧電網典型日負荷曲線

對比負荷與風電資源，春秋兩季正是風電資源好的時間，但是用電較少；夏季負荷大，但是無風；冬季負荷大，但由于供熱機組開機方式較大，消納風電的空間有限。從單日進行分析，風電出力隨機性很大，無特定規(guī)律，但是夜間風資源一般比白天稍好。

當風電裝機占比不大時，電網可以接納全部風電。但是當風電達到一定規(guī)模后，風電的逆調峰特性給風電接納帶來了巨大的困難。

2.2 太陽能發(fā)電的調峰特性

如圖7，與風電不同，太陽能發(fā)電雖然受天氣因素影響[7]，但可預測性和發(fā)電規(guī)律性都較好。目前遼寧電網還沒有發(fā)生過棄光現(xiàn)象，隨著太陽能發(fā)電裝機越來越大，太陽能發(fā)電的限制也凸顯出來。太陽能的調峰特性比風電稍好，但是同樣存在問題。

圖7 典型日太陽能發(fā)電電力曲線

從太陽能發(fā)電電力曲線可以看出，太陽能發(fā)電的最大出力在每天的中午11—13時，但是從典型日負荷曲線可以看出，中午是白天的低谷負荷時段，當太陽能發(fā)電裝機容量越來越大時，這一矛盾會越發(fā)凸顯出來。在我國西北地區(qū)已經有棄光現(xiàn)象發(fā)生。

2.3 電網安全約束

隨著風電的快速發(fā)展，與原來電網結構的不適應會越來越多。遼寧電網內同樣存在若干限制因素，例如彰武地區(qū)，由于220 kV某線路的限制，當區(qū)域內風電較大時，由于線路過載，必須限制風電出力，導致棄風；朝陽地區(qū)同樣存在N-1情況下其他線路過載的現(xiàn)象。隨著風電的快速發(fā)展，此類現(xiàn)象會越來越多。

3 提高新能源發(fā)電接納能力的措施

風電裝機容量和發(fā)電量增長的不同步，一方面由于風資源的不確定性較大，不同年份的風資源有所差異；另一方面也是因為隨著風電大規(guī)模接入電網后，因調峰困難等原因開始產生棄風，限制了風電發(fā)電量的增長。

3.1 遼寧電網提高新能源發(fā)電接納能力的措施及效果

2017年，遼寧電網在接納風電方面取得了重大進步，在風電發(fā)電量提高的基礎上，棄風電量和棄風率均較2016年大幅降低。目前，遼寧電網在提高接納風電接納能力方面采取的措施主要實施在電源側，包括以下措施。

a.火電機組靈活性改造

遼寧電網積極參與東北調峰輔助服務機制，鼓勵直調電廠機組靈活性改造，平均出力可以降低到額定容量的40%以下，個別機組最低出力降低到額定容量的20%，提高電網的風電接納能力達到2 160 MW。

b.電蓄熱改造

2017年遼寧開展了一批電蓄熱改造工程。冬季供暖期，在調峰困難時將電能通過蓄熱式電鍋爐轉化成熱能儲存起來，用于供熱，滿足了調峰。同時在用電高峰時，不影響機組正常發(fā)電。此措施大幅提高電能的利用率，2017年通過電蓄熱改造減少棄風電量1.65×108kWh。

c.提高風電預測準確率，調整火電開機

通過預測未來一段時間內風電功率，再結合負荷情況，使得調度人員根據預測的結果為風電預留接納空間，提前做好電力平衡，通過在風電高峰前使火電機組停機或者降低核電機組出力[8-9]，有效減少棄風，甚至零棄風。

d.開展現(xiàn)貨交易

以往國內電力市場交易主要以中長期為主，不利于清潔電力入場，加劇了棄風、棄光情況發(fā)生。2017年遼寧積極參加國調中心開展電力現(xiàn)貨交易，通過跨省電力支援，將無法消納的風電送往華北、山東等地，棄風等現(xiàn)象得到有效緩解。2017年遼寧電網通過現(xiàn)貨交易減少棄風電量0.83×108kWh。

e.升級網架結構

針對電網安全約束產生的限風棄風現(xiàn)象，遼寧電網已做出了電網規(guī)劃，通過新建1座500 kV變電站(4條線路)和1座220 kV變電站(3條線路)轉移彰武地區(qū)1座風場出力，解決該地區(qū)風電網架約束問題。通過在朝陽地區(qū)220 kV變電站及相關風電場安裝安全自動裝置解決該地區(qū)風電網架約束問題，預計2018年底，將基本解決網架限制因素。

3.2 其他建議

為完成電力的清潔化轉型，促進風電和太陽能發(fā)電進一步發(fā)展，不僅需要在電源側擴大新能源電力的接納能力，還應在需求側提高電氣化水平，加大電能替代[10]，例如電動汽車，既增加了電力負荷，還可作為分布式電源，在夜間充電，白天放電，起到削峰填谷的作用；冬季采用電取暖，既減少了因煤炭產生的環(huán)境污染，還提高了用電電力，提高電網接納能力；大力發(fā)展儲能技術，可以在電力系統(tǒng)中增加電能儲存環(huán)節(jié)，使得電力實時平衡的“剛性”變得更加“柔性”，特別是能夠平抑大規(guī)模清潔能源發(fā)電接入電網帶來的波動性。

4 結束語

通過分析遼寧電網負荷、風電和太陽能發(fā)電的特性，總結了影響風電和太陽能發(fā)電消納能力的因素：電網調峰困難引起的限電；電源發(fā)展與電網結構不匹配，因網架結構引起的限電。同時，根據遼寧目前采取的措施，提出提高風能和太陽能發(fā)電消納能力的建議。在電源側，加大機組的調峰能力，通過新技術使火電機組在低負荷下穩(wěn)定運行，在電網方面要加大接納各種電源的能力，網源協(xié)調發(fā)展，跨區(qū)域配置電力，用電側開發(fā)各種負荷，加大電能替代，大力發(fā)展儲能技術等。

遼寧電網的風能和太陽能發(fā)電消納情況是全國的縮影，隨著電力行業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)有問題一定會得到解決，同時電網在新能源接納和送出方面還會出現(xiàn)新的問題，完成電力清潔化轉型任重道遠。