淺議風(fēng)電消納的基本思路

張忠翼劉明

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

淺議風(fēng)電消納的基本思路

張忠翼1劉明2

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

本文從風(fēng)電的特點出發(fā),分析了風(fēng)電與調(diào)峰電源、負(fù)荷、電網(wǎng)、網(wǎng)對網(wǎng)外送的電網(wǎng)等相連接的方式和效果。指出發(fā)展風(fēng)電需要依靠適于風(fēng)電消納的較為堅強(qiáng)的電網(wǎng),在全國范圍內(nèi),統(tǒng)籌考慮風(fēng)火打捆、風(fēng)電直接接入負(fù)荷、風(fēng)電通過網(wǎng)對網(wǎng)外送消納、小或大規(guī)模風(fēng)電直接接入電網(wǎng)等各種風(fēng)電消納方式。風(fēng)電的輸電和用電環(huán)節(jié)討論了風(fēng)電消納的基本思路,指出大規(guī)模風(fēng)電開發(fā)的同時,要考慮大規(guī)模風(fēng)電直接接入適于風(fēng)電消納的電網(wǎng)。

風(fēng)電 消納 電網(wǎng) PSCAD/EMTDC

1 引言

風(fēng)電是目前商業(yè)化開發(fā)條件最好的可再生能源，發(fā)展風(fēng)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(dá)到15%。

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

2 風(fēng)電消納的三個要素

當(dāng)一地具備可開發(fā)的風(fēng)資源后，不但需要有一定量的負(fù)荷來消納風(fēng)電，還需要有調(diào)峰電源。負(fù)荷、調(diào)峰電源和風(fēng)電場之間還要由電網(wǎng)構(gòu)成一個互連區(qū)域。這樣負(fù)荷、調(diào)峰、電網(wǎng)就構(gòu)成了風(fēng)電開發(fā)的三個要素。同時風(fēng)電利用小時數(shù)低、出力波動大的特點，決定了風(fēng)電外送線路的建設(shè)要充分考慮經(jīng)濟(jì)性，盡量避免長距離外送，接入點應(yīng)能承受風(fēng)電的波動，能以較短的電氣距離與負(fù)荷、調(diào)峰電源相結(jié)合。

因此，風(fēng)電需要以較短的電氣距離與比其自身容量更大的負(fù)荷、更大的調(diào)峰電源和適于風(fēng)電消納的較堅強(qiáng)電網(wǎng)相結(jié)合，并與其他電氣設(shè)備共同構(gòu)成適于風(fēng)電消納的電力系統(tǒng)。

3 風(fēng)電與風(fēng)電消納的三個要素的結(jié)合形式

3.1 風(fēng)電就近接入調(diào)峰電源

如果是風(fēng)電接入規(guī)劃或建設(shè)好的調(diào)峰電源外送，不考慮當(dāng)?shù)刎?fù)荷，假如火電調(diào)峰深度50%，則1份火電裝機(jī)可以配0.5份風(fēng)電，按風(fēng)電發(fā)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(fēng)電小時數(shù)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(fēng)電可全額發(fā)出，線路利用率趨于100%。

但如果是專門為風(fēng)電基地配火電調(diào)峰打捆外送，就須考慮如下問題：(1)資源消耗。風(fēng)電集中的地域多為干旱地區(qū)，火電配套調(diào)峰會消耗大量水資源。(2)送出線路效率和調(diào)峰電源布置。送出線路規(guī)劃1份風(fēng)電送出容量時，需要至少規(guī)劃2份的火電裝機(jī)容量和1份火電送出容量，不但需要安排較大的火電布機(jī)空間還要求外送線路有2份風(fēng)電裝機(jī)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(fēng)電發(fā)電小時2500小時考慮，則通道送出風(fēng)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(diào)峰電量。此外，按本文假設(shè)，風(fēng)火打捆外送，風(fēng)電電量消費會小于15%，這樣，如果全國的風(fēng)電基地都采用風(fēng)火打捆外送的話，考慮非風(fēng)電基地風(fēng)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(fēng)電為主的清潔能源發(fā)電方式實現(xiàn)的。

表1 風(fēng)電接入電網(wǎng)網(wǎng)對網(wǎng)外送的各種方式

因此，風(fēng)火打捆需根據(jù)資源稟賦首先考慮好火電的布置，再安排風(fēng)電。

3.2 風(fēng)電就近接入負(fù)荷

不計其他電源，當(dāng)一個區(qū)域內(nèi)只有風(fēng)電接入負(fù)荷時，由于風(fēng)電不能連續(xù)供電，一定要由區(qū)外向區(qū)內(nèi)提供最大與負(fù)荷容量相同的調(diào)峰容量。假設(shè)風(fēng)電發(fā)電小時為2500小時，則區(qū)外供電小時約為6260小時，區(qū)外供電線路的利用小時數(shù)較高。由于風(fēng)電有功出力波動較大，為向風(fēng)電提供調(diào)峰支持，區(qū)外供入有功的波動量也會很大。當(dāng)風(fēng)電電源和區(qū)外供電的電網(wǎng)電壓穩(wěn)定時，由于傳輸有功的波動，負(fù)荷區(qū)的電壓波動會很大。

在與電網(wǎng)距離不遠(yuǎn)的條件下，風(fēng)電電源也可先與電網(wǎng)連接，再向負(fù)荷區(qū)供電。這種方式下電網(wǎng)承擔(dān)了風(fēng)電的波動，向負(fù)荷輸出的功率會很平穩(wěn)，線路利用小時數(shù)也會很高。

綜上，風(fēng)電就近接入負(fù)荷，要求負(fù)荷區(qū)有較強(qiáng)的電壓無功調(diào)節(jié)能力，也可以酌情選擇先與電網(wǎng)連接，再由接網(wǎng)點向負(fù)荷區(qū)供電。

3.3 風(fēng)電接入電網(wǎng)方式

3.3.1 中小規(guī)模風(fēng)電場直接接入電網(wǎng)

如果直接接入電網(wǎng)的風(fēng)電場容量較小，可就近接入電網(wǎng)中電壓較低的層面的變電站。比如，50MW的風(fēng)電場可就近接入一個35kV變電站。當(dāng)風(fēng)電場規(guī)模逐漸加大后，比如，風(fēng)電場規(guī)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(fēng)電場可分散接入附近其它35kV變電站。但是，當(dāng)附近沒有足夠的低壓變電站時，風(fēng)電場就需要以較長距離接入遠(yuǎn)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(fēng)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(diào)峰功率結(jié)合，形成平穩(wěn)的有功功率，供給下層的負(fù)荷。

3.3.2 風(fēng)電場接入電網(wǎng)的網(wǎng)對網(wǎng)外送

連片規(guī)模較大的風(fēng)電場群往往不能在一個區(qū)域內(nèi)消納，這就需要風(fēng)電在不同區(qū)域間消納也就是網(wǎng)對網(wǎng)消納。設(shè)火電調(diào)峰機(jī)組額定容量為g，調(diào)峰深度50%；風(fēng)電容量為f，不能連續(xù)供電；送端負(fù)荷為l；不考慮其他電源；則保證風(fēng)電充分發(fā)電條件下網(wǎng)對網(wǎng)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(chǔ)上為風(fēng)電調(diào)峰，風(fēng)電所在電網(wǎng)的有功出力空間為f+g/2。當(dāng)風(fēng)電所在電網(wǎng)的發(fā)電出力的空間大于負(fù)荷，即f+g/2＞l時，風(fēng)電側(cè)電網(wǎng)需要將多余的有功外送；此時(1)如果火電機(jī)組容量大于負(fù)荷容量，而且可以為全部風(fēng)電調(diào)峰，即g＞l g＞2f或g＞f+g/2，則風(fēng)電側(cè)電網(wǎng)有穩(wěn)定的對外功率輸出，送出空間為f+g/2-l；(2)如果火電機(jī)組容量大于負(fù)荷容量，但不能為全部風(fēng)電調(diào)峰，即g＞l g＜2f或g＜f+g/2，送出空間仍為f+g/2-l，但是風(fēng)電側(cè)電網(wǎng)對外功率輸出會有波動；(3)如果火電機(jī)組容量小于負(fù)荷容量，不能為全部風(fēng)電調(diào)峰，此時，g＜l g＜2f或g＜f+g/2，則風(fēng)電側(cè)電網(wǎng)即有對外功率輸出f+g/2-l，當(dāng)風(fēng)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(fēng)電調(diào)峰模式下，當(dāng)風(fēng)電所在電網(wǎng)的出力的空間小于負(fù)荷，即f+g/ 2＜l時，(4)如果火電機(jī)組容量大于負(fù)荷容量，可以為全部風(fēng)電調(diào)峰，即g＞l g＞2f或g＞f+g/2，則風(fēng)電側(cè)電網(wǎng)可以自給自足，無需外送或受入功率；(5)如果火電機(jī)組容量小于負(fù)荷容量，且能為全部風(fēng)電調(diào)峰，即g＜l g＞2f或g＞f+g/2，則風(fēng)電側(cè)電網(wǎng)受入功率空間為l-g；(6)如果火電機(jī)組容量小于負(fù)荷容量，但不能為全部風(fēng)電調(diào)峰，即g＜l g ＜2f或g＜f+g/2，則風(fēng)電側(cè)電網(wǎng)的受入空間為l-g，但空間內(nèi)，受入功率會有波動。

第一種情況是完全由風(fēng)電側(cè)電網(wǎng)調(diào)峰，類似于風(fēng)火打捆外送的送端增加了負(fù)荷，具穩(wěn)定的功率輸出，但也同時具有風(fēng)火打捆外送所需要注意的問題。

第二種情況為網(wǎng)對網(wǎng)外送但電網(wǎng)側(cè)調(diào)峰機(jī)組無法為風(fēng)電提供充足的調(diào)峰能力。這種情況下，整個風(fēng)電側(cè)電網(wǎng)和外送通道有功都會不停的波動，當(dāng)風(fēng)電裝機(jī)較多，火電調(diào)峰能力較差時，波動規(guī)模較大，聯(lián)絡(luò)線功率難以控制，ACE指標(biāo)難以完成，風(fēng)電側(cè)電網(wǎng)頻率、電壓等會難以控制，對相關(guān)電力系統(tǒng)運行會有不利的影響。

第三種情況下，無論風(fēng)電側(cè)電網(wǎng)是輸出有功還是受入有功，都會造成電網(wǎng)和傳輸線路的功率波動，當(dāng)功率波動較大時，對相關(guān)電力系統(tǒng)會有不利的影響。

第四種情況下，風(fēng)電側(cè)電網(wǎng)可以自行消納。

第五種情況下，風(fēng)電裝機(jī)相對較小，調(diào)峰機(jī)組可以為風(fēng)電調(diào)峰，風(fēng)電側(cè)電網(wǎng)可以從區(qū)外穩(wěn)定的受入有功。

第六種情況下，調(diào)峰機(jī)組無力為風(fēng)電全部出力調(diào)峰，風(fēng)電側(cè)電網(wǎng)需要從區(qū)外受入有功，由于風(fēng)電的波動，受入有功也是波動的。這種情況類似風(fēng)電從一側(cè)單獨向負(fù)荷供電，系統(tǒng)從另一側(cè)為負(fù)荷補(bǔ)充風(fēng)電不能滿足的電力需求。當(dāng)風(fēng)電接入的系統(tǒng)較小而且電網(wǎng)較堅強(qiáng)時，這種方式可以運行，否則對相關(guān)電力系統(tǒng)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(fēng)電側(cè)電網(wǎng)整體是以外送為主的；后三種情況風(fēng)電側(cè)電網(wǎng)整體是以受入為主的。實際適用于風(fēng)電網(wǎng)對網(wǎng)外送的是第一種情況，但這種情況具有類似風(fēng)火打捆外送的優(yōu)點和缺點，可送出的容量是受到限制的。

3.3.3 大規(guī)模風(fēng)電基地分散直接接入電網(wǎng)

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

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

(2)中遠(yuǎn)距離風(fēng)電分本、外網(wǎng)分散消納。風(fēng)電分本、外網(wǎng)消納是把風(fēng)電波動較小、發(fā)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(wǎng)調(diào)峰。

(3)中遠(yuǎn)距離風(fēng)電分散直接外送到負(fù)荷中心消納。這種方式是將中遠(yuǎn)距離風(fēng)電場不分內(nèi)外網(wǎng)直接外送。

(4)風(fēng)電分散接入特高壓電網(wǎng)。這種方式應(yīng)注意以下兩點：第一，風(fēng)電不宜接入特高壓電網(wǎng)北部起點站。因為特高壓電網(wǎng)北部的起點在內(nèi)蒙古南部區(qū)域附近，是電源充足負(fù)荷匱乏區(qū)域。如果風(fēng)火打捆接入起點站則即要接入風(fēng)電又要接入火電，風(fēng)電接入量會比較?。蝗绻L(fēng)電直接接入起點站，由于當(dāng)?shù)刎?fù)荷少，風(fēng)電需要經(jīng)電網(wǎng)遠(yuǎn)距離傳輸，會造成電網(wǎng)北部的較大波動，還會限制火電上網(wǎng)。第二，風(fēng)電直接外送到調(diào)峰和負(fù)荷充足的特高壓站點，會使消納方式會更靈活、區(qū)域會更廣闊。

4 結(jié)語

根據(jù)風(fēng)電自身的特點，風(fēng)電需要與比其自身容量更大的負(fù)荷、更大的調(diào)峰電源以及適于風(fēng)電消納的較堅強(qiáng)電網(wǎng)相結(jié)合。由于大多數(shù)風(fēng)資源良好的區(qū)域遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，大規(guī)模發(fā)展風(fēng)電就需要在全國范圍內(nèi)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。由于發(fā)展風(fēng)電是國策，目標(biāo)是增加可再生能源電量占比，所以國家可以通過統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，在盡量少增加調(diào)峰電源容量和電量的條件下增加風(fēng)電容量和電量。

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

[1]黃雅莉,賀志峰.國外風(fēng)電消納的主要經(jīng)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(wèi)東.基于調(diào)峰能力分析的電網(wǎng)棄風(fēng)情況評估方法[J].電網(wǎng)技術(shù),2013(7).

[4]邱大芳.擴(kuò)大風(fēng)電消納能力模式的博弈分析與機(jī)制研究[D].北京:華北電力大學(xué),2013.

張忠翼(1980-),男,滿族,遼寧丹東人,畢業(yè)于東北電力大學(xué),工學(xué)學(xué)士,工程師,負(fù)責(zé)風(fēng)電運營調(diào)度;劉明(1981-),男,天津武清人,畢業(yè)于華北電力大學(xué),工學(xué)學(xué)士,工程師,負(fù)責(zé)電氣系統(tǒng)維護(hù)。