我國風(fēng)電大規(guī)模集中并網(wǎng)的消納市場和消納策略

黃怡，張琳，劉建琴，王智冬

(國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 100052)

0 引言

研究指出，風(fēng)電消納受多種因素影響［5-6］，包括電源發(fā)展秩序、風(fēng)機(jī)技術(shù)水平、網(wǎng)架條件、管理制度等。目前，我國風(fēng)電實(shí)行“先省內(nèi)、再區(qū)域、后全國”的消納原則，國家能源局提出“提高風(fēng)電就地消納能力是促進(jìn)風(fēng)電消納的根本措施”［7］，有關(guān)研究進(jìn)一步提出按照地區(qū)全社會(huì)用電量或負(fù)荷比例安排本地風(fēng)電消納的思路。文獻(xiàn)［8］提出借鑒國外風(fēng)電消納良好政策機(jī)制的措施建議。文獻(xiàn)［9］提出了一套基于電源結(jié)構(gòu)、負(fù)荷特性和調(diào)峰能力的電網(wǎng)接納風(fēng)電評(píng)估體系，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)特性、條件安排風(fēng)電消納。基于以上成果，本文對(duì)比國內(nèi)外風(fēng)電消納特征，明確我國風(fēng)電消納條件，結(jié)合國情研究風(fēng)電的合理消納市場及消納策略，為大規(guī)模風(fēng)電發(fā)展提供參考。

1 國內(nèi)外風(fēng)電消納特征

1.1 國外風(fēng)電消納特征

根據(jù)世界風(fēng)能協(xié)會(huì)(world wind energy association，WWEA)統(tǒng)計(jì)，2011年全球風(fēng)電總裝機(jī)容量2.37億kW，同比增長20.3%，約62%的風(fēng)電裝機(jī)位于歐洲及北美洲地區(qū)［10］。上述地區(qū)已有風(fēng)電場大多裝機(jī)規(guī)模較小、集中度不高，除近期集中開發(fā)的大規(guī)模海上風(fēng)電場采用高電壓遠(yuǎn)距離輸送外，主要是分散接入配電網(wǎng)就地消納［11］。其風(fēng)電消納特征及保障措施主要為:

(1)大量的靈活快速調(diào)節(jié)電源為風(fēng)電發(fā)展提供充裕備用，平衡風(fēng)電出力波動(dòng)。2010年西班牙電網(wǎng)裝機(jī)與最大負(fù)荷比達(dá)2.2∶1，其電源構(gòu)成以聯(lián)合循環(huán)機(jī)組、風(fēng)電、水電為主，裝機(jī)占比分別為26%、19%和16%，其中具備良好調(diào)峰性能的裝機(jī)容量比例達(dá)到47.9%［12］。

(2)完善的堅(jiān)強(qiáng)互聯(lián)電網(wǎng)支撐，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電大范圍消納。丹麥?zhǔn)鞘澜缟巷L(fēng)電裝機(jī)比例最高的國家，2010年風(fēng)機(jī)規(guī)模約占本國容量的22%［13］。丹麥東部電網(wǎng)通過交流輸電線路與挪威、瑞典、芬蘭等國組成北歐電網(wǎng)(Nordel)，具有統(tǒng)一的電力市場交易平臺(tái);丹麥西部電網(wǎng)通過德國電網(wǎng)與歐洲大陸互聯(lián)電網(wǎng)(UCTE)進(jìn)行電量交易［11］?？鐕?跨區(qū)輸電網(wǎng)為丹麥電網(wǎng)提供了充足備用，擴(kuò)大消納范圍保障了較高的風(fēng)電消納比例。

(3)以降低其他電源利用時(shí)間為代價(jià)，保證風(fēng)電的高比例消納。在風(fēng)電大規(guī)模發(fā)展和優(yōu)先調(diào)度的情況下，其他常規(guī)機(jī)組配合風(fēng)電出力，設(shè)備利用率明顯下降。2010年，西班牙煤電、風(fēng)電利用時(shí)間基本相當(dāng)，分別為 2 174、2 153 h［12］。丹麥電網(wǎng)將供熱機(jī)組低限出力降到額定出力的20%，5 min時(shí)段內(nèi)的低限出力還能更低，以備必要時(shí)的風(fēng)電消納［14］。

(4)嚴(yán)格的風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、明確的獎(jiǎng)懲機(jī)制和有效的調(diào)度運(yùn)行措施，允許對(duì)風(fēng)電場進(jìn)行調(diào)控。以西班牙為例，在某些特定情況下，控制中心有權(quán)切除部分風(fēng)電或要求風(fēng)電場降低出力運(yùn)行，而不給予風(fēng)電損失電量補(bǔ)償［12］。

正常女性生殖道中的血液屏障和精子胞質(zhì)中的免疫抑制物可抑制免疫應(yīng)答反應(yīng)的產(chǎn)生。如果女性生殖道損傷或發(fā)生炎癥反應(yīng)，原有的屏障被破壞，可發(fā)生免疫應(yīng)答，產(chǎn)生抗精子抗體?？咕涌贵w可分為IgM、IgA、IgG、IgE 4種，在不孕女性中IgM的檢出率最高，IgA次之[55]?？咕涌贵w對(duì)于不孕的影響主要表現(xiàn)在：①阻止精子進(jìn)入宮腔并降低精子活性；②干擾精子獲能并抑制頂體反應(yīng)；③阻止精子穿過透明帶；④干擾精卵結(jié)合過程；⑤通過誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞及殺傷細(xì)胞損傷受精卵和胚胎，引起流產(chǎn)[56]。

1.2 我國風(fēng)電消納特征

根據(jù)我國風(fēng)能資源分布格局，我國風(fēng)電開發(fā)主要集中于遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的“三北”地區(qū)，并網(wǎng)風(fēng)機(jī)容量占到全國總量的78%。其中，蒙西、蒙東、甘肅、河北、遼寧等省(區(qū))并網(wǎng)風(fēng)電規(guī)模均超過300萬kW。除蒙西、蒙東、甘肅分別有約170萬、100萬、110萬kW的風(fēng)電經(jīng)500/750 kV省間交流通道送至省外，大部分省(區(qū))風(fēng)電經(jīng)220 kV及以下線路接入本地電網(wǎng)消納，造成部分省份棄風(fēng)嚴(yán)重。2011年6月，冀北、蒙西、吉林、黑龍江、蒙東、甘肅、新疆等省(區(qū))棄風(fēng)比例分別為4.2%、12.7%、13.8%、12.4%、25.9%、12.8%、4.1%［15］。

目前我國風(fēng)電消納特征及相關(guān)政策主要有:

(1)電源結(jié)構(gòu)以火電為主，供熱機(jī)組比重大，缺乏靈活快速調(diào)節(jié)的電源支撐。截至2010年底，我國煤電裝機(jī)占全國總裝機(jī)的72%，其中供熱機(jī)組占煤電裝機(jī)的20%以上。在風(fēng)能資源豐富的“三北”地區(qū)，供熱機(jī)組占火電裝機(jī)的比例更高。受電源結(jié)構(gòu)制約，電網(wǎng)調(diào)峰壓力較大。

(2)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱，省區(qū)間聯(lián)網(wǎng)能力不強(qiáng)，難以提供風(fēng)電消納支持。我國風(fēng)電富集地區(qū)大多相對(duì)偏遠(yuǎn)，受本地負(fù)荷及系統(tǒng)規(guī)模限制，風(fēng)電消納能力不足。在以分省分區(qū)平衡為主的格局下，各省(區(qū))間電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模有限，互濟(jì)能力不足，難以提供大規(guī)模風(fēng)電消納支持。

(3)實(shí)行風(fēng)電全額保障性收購制度，常規(guī)電源適應(yīng)性調(diào)節(jié)將付出較大的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。目前我國實(shí)行風(fēng)電全額保障性收購制度，規(guī)定國家根據(jù)規(guī)劃批準(zhǔn)建設(shè)的風(fēng)電場發(fā)電量，電網(wǎng)必須保障性全額收購［16］。為滿足風(fēng)電消納需要，在充分調(diào)動(dòng)調(diào)峰電源能力后，目前主要采用豐水期棄水、供熱期機(jī)組啟停調(diào)峰等手段，經(jīng)濟(jì)代價(jià)較大。

因此，限于我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式，目前我國風(fēng)電消納主要以就地平衡消納為主。受系統(tǒng)規(guī)模、電源結(jié)構(gòu)等因素影響，部分地區(qū)棄風(fēng)嚴(yán)重。

2 我國風(fēng)電消納市場

2.1 風(fēng)電規(guī)劃發(fā)展情況

根據(jù)資源分布及開發(fā)情況，我國有12個(gè)風(fēng)電發(fā)展重點(diǎn)省(區(qū))(簡稱12省區(qū))，包括甘肅、冀北、蒙西、蒙東、吉林、新疆、江蘇、山東省(區(qū))8個(gè)千萬kW級(jí)風(fēng)電基地，以及黑龍江、遼寧、山西、寧夏4個(gè)省(區(qū))。根據(jù)風(fēng)電項(xiàng)目前期工作、國家及地方規(guī)劃，預(yù)計(jì)2015年和2020年全國風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到1.2億kW和1.9億kW。其中，12省區(qū)2015年風(fēng)電裝機(jī)約占全國的85%，2020年約占全國的95%。2020年蒙西、吉林、甘肅、新疆等省(區(qū))風(fēng)電裝機(jī)將超過2 000萬kW。

2.2 風(fēng)電消納原則及思路

風(fēng)電消納基本原則為:以確保電網(wǎng)安全運(yùn)行為前提，以全社會(huì)電力供應(yīng)總成本最低為目標(biāo)，兼顧風(fēng)電發(fā)展經(jīng)濟(jì)性;統(tǒng)籌各類型電源調(diào)峰能力，挖掘電網(wǎng)消納風(fēng)電潛力，優(yōu)先消納風(fēng)電;按照“先省內(nèi)、后區(qū)域、再全國”的消納原則，合理提高風(fēng)電利用效率，最大限度滿足風(fēng)電規(guī)?；l(fā)展需要。

綜合現(xiàn)有風(fēng)電消納研究，可以歸納出以下2類風(fēng)電消納計(jì)算方法。本文通過生產(chǎn)模擬，對(duì)比測算2種方法下的風(fēng)電棄風(fēng)情況，重點(diǎn)針對(duì)我國12省區(qū)規(guī)劃規(guī)模，研究合理的風(fēng)電消納市場需求。

方法一:調(diào)峰平衡的風(fēng)電消納計(jì)算方法。根據(jù)各省(區(qū))電網(wǎng)調(diào)峰能力和風(fēng)電特性，通過生產(chǎn)模擬計(jì)算，控制棄風(fēng)電量在風(fēng)電可發(fā)電量的5%以下［17-18］，計(jì)算省內(nèi)可消納風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模，作為省內(nèi)消納規(guī)模;如果規(guī)劃裝機(jī)大于省內(nèi)消納規(guī)模，按照跨省、跨區(qū)的順序消納。

方法二:用電占比的風(fēng)電消納計(jì)算方法。將按本省(區(qū))全社會(huì)用電量10%推算的風(fēng)電規(guī)模與規(guī)劃裝機(jī)比較，如果規(guī)劃裝機(jī)小于推算的規(guī)模，規(guī)劃裝機(jī)全部在省內(nèi)消納;如果規(guī)劃裝機(jī)大于推算的規(guī)模，超出部分按照跨省、跨區(qū)的順序消納。通過生產(chǎn)模擬計(jì)算，分析是否出現(xiàn)棄風(fēng)，并計(jì)算棄風(fēng)電量水平。

風(fēng)電棄風(fēng)情況如圖1所示，風(fēng)電出力、負(fù)荷規(guī)模隨時(shí)間變化。為充分發(fā)揮風(fēng)電效益，其他電源充分參與調(diào)峰，但在風(fēng)電大發(fā)的部分情況下，常規(guī)電源按照最小出力運(yùn)行，電源總出力仍高于負(fù)荷需求規(guī)模，高出的時(shí)段將被迫棄風(fēng)運(yùn)行。

圖1 風(fēng)電棄風(fēng)情況示意圖Fig.1 Wind abandonment in wind power

2.3 風(fēng)電消納市場需求

2.3.1 棄風(fēng)情況

根據(jù)上述研究思路，方法一中，各地年風(fēng)電棄風(fēng)電量不超過風(fēng)電可發(fā)電量的5%。計(jì)算顯示，方法二中，2015年、2020年，12省區(qū)年棄風(fēng)總電量分別約占規(guī)劃風(fēng)機(jī)發(fā)電總量比例的13%、12%，明顯高于方法一。其中棄風(fēng)較嚴(yán)重省(區(qū))情況如圖2所示。

可以看出，12省區(qū)中，2015年，除江蘇、遼寧、山西、山東省無棄風(fēng)外，其他省(區(qū))風(fēng)電棄風(fēng)比例均大于5%;2020年除江蘇、遼寧、山西、寧夏省無棄風(fēng)外，其他省(區(qū))風(fēng)電棄風(fēng)比例均大于5%。方法二下，我國風(fēng)電發(fā)展重點(diǎn)省區(qū)大多存在較嚴(yán)重的棄風(fēng)現(xiàn)象。

此外，受負(fù)荷特性、電源結(jié)構(gòu)、電源出力及調(diào)節(jié)特性等多種因素影響，各地區(qū)風(fēng)電消納能力及棄風(fēng)情況存在較大差異，簡單按照用電占比安排各省(區(qū))風(fēng)電消納方法的科學(xué)性、合理性較差。風(fēng)電消納的關(guān)鍵仍在于系統(tǒng)的調(diào)峰能力。

圖2 風(fēng)電棄風(fēng)大于5%省(區(qū))情況(方法二)Fig.2 Provinces of wind abandonment in wind power more than 5%(method 2)

2.3.2 風(fēng)電消納市場

方法一:根據(jù)調(diào)峰平衡結(jié)果，2015年、2020年，12省區(qū)可消納風(fēng)電約5 100萬、7 400萬kW，區(qū)域內(nèi)跨省消納約1 000萬、1 700萬kW，需要跨區(qū)域消納約4 200萬、9 200萬kW，跨區(qū)消納比例為41%、50%。其中，東北、西北、華北電網(wǎng)2015年跨區(qū)消納比例分別為49%、44%、38%，2020年分別為 56%、49%、53%。按照方法一，風(fēng)電開發(fā)主要省(區(qū))2015年、2020年風(fēng)電消納市場比例情況如圖3所示。

圖3 風(fēng)電消納需求(方法一)Fig.3 Wind power consumption demand(method one)

方法二:2015年、2020年，按照本省(區(qū))風(fēng)電發(fā)電量10%原則，12省區(qū)內(nèi)需消納約7 500萬、10 200萬kW，區(qū)域內(nèi)跨省消納約 2 500萬、5 500萬kW，需要跨區(qū)域消納約300萬、2 500萬kW，跨區(qū)消納比例約為3%、14%。其中，東北、西北、華北電網(wǎng)2015年跨區(qū)消納比例分別為11%、0%、0%，2020年分別為32%、13%、5%。按照方法二，風(fēng)電開發(fā)主要省(區(qū))2015年、2020年風(fēng)電消納市場比例情況如圖4所示。

可見，隨著風(fēng)電裝機(jī)構(gòu)成占比的增大，調(diào)峰電源占比降低，本地風(fēng)電消納規(guī)模占地區(qū)規(guī)劃風(fēng)機(jī)規(guī)模的比例總體呈下降趨勢，但依據(jù)地區(qū)負(fù)荷、電源等特性不同存在較大差異。

圖4 風(fēng)電消納需求(方法二)Fig.4 Wind power consumption demand(method two)

根據(jù)我國電源及市場發(fā)展趨勢，跨區(qū)消納將是未來風(fēng)電消納的重要形式，東北、西北目前已存在風(fēng)電消納不足問題，隨著風(fēng)電持續(xù)大規(guī)模發(fā)展，“十二五”期間華北風(fēng)電也需尋求區(qū)外市場?？紤]負(fù)荷發(fā)展及資源互補(bǔ)，華中、華東將是未來我國大規(guī)模風(fēng)電消納的重要市場。

3 結(jié)論及建議

綜合以上分析可以看出，風(fēng)電消納受區(qū)域負(fù)荷特性、電源結(jié)構(gòu)及出力特性、環(huán)境及政策等多種因素影響，存在較大的地域差異。按照現(xiàn)有負(fù)荷特性及電源結(jié)構(gòu)，根據(jù)用電占比安排各省區(qū)風(fēng)電消納，還需因地制宜、研究落實(shí)保障風(fēng)電消納的合理措施。風(fēng)電消納必須結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際情況，按照調(diào)峰能力確定。

根據(jù)我國風(fēng)電發(fā)展條件及規(guī)劃情況，考慮負(fù)荷發(fā)展及資源互補(bǔ)，華中、華東將是未來我國大規(guī)模風(fēng)電消納的重要市場，大范圍跨區(qū)域風(fēng)電消納將是應(yīng)對(duì)大規(guī)模風(fēng)電集中開發(fā)的重要手段。

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