关于山东省风电场接入系统方式的研究

刘 威 董 霜 沙志成 薛嫣然

山东电力工程咨询院有限公司 山东 济南 250013

0 引言

风能是一种清洁的永续能源，与传统能源相比，风力发电不依赖其它一次能源，不存在燃料价格风险，发电成本稳定，也没有碳排放等环境成本；此外，可利用的风能在全球范围内分布都很广泛。正是因为有这些独特的优势，风力发电逐渐成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分，近年来随着世界石油价格的大幅上涨和风机机组造价的下降，风力发电得到迅速发展。中国作为能源消费大国，能源产业的发展支撑着经济的高速发展。随着煤炭供应的日趋紧张以及化石能源带来的环境问题，发展新能源已成为必然选择。

山东省是一个水资源匮乏、煤炭供不应求、环保空间有限、土地资源相对稀少的省份，资源条件已成为制约山东省电源发展的重要因素。山东省的资源和自然条件决定了在今后相当长的一个时期内，以煤电为主的能源格局不会改变。这就对山东省转变电力发展方式，积极调整能源结构，科学有序发展风力发电提出了迫切要求。

山东省风电发展潜力巨大，但也面临诸多问题。本文通过分析山东省各地区风能利用的现状及发展规划、风能资源的分布特点和风电场接入系统现状，结合山东省电网网架结构特点，针对不同的区域，研究风电接入系统方式。

1 山东省风电发展概况

1.1 山东省风电现状及发展规划

山东省气候属暖温带大陆性季风气候类型，地理位置上处于中纬度，平原面积大，海岸线长，大风系统频繁发生，风资源丰富，具有良好的开发利用条件。根据山东全省各地气象站观测场10米高度的测风资料，山东全省风能资源总体分布主要表现为：沿海地区风速较大，低山丘陵地区风速较小，山地外围较山地中部大，平原地区风速大于山地而小于沿海[1]。 全省10米高（陆地、近海域）风能资源总储量为1.71亿千瓦，占全国风能资源总储量的4.1%；可开发风能资源储备量为0.88亿千瓦，占全国可开发风能资源总储备量的8.8%[2]。

山东省是我国最早重视和开发利用风能发电的省份之一。早在80年代就在荣成安装了2台单机容量为55kW的并网型风力发电机组，开始了国产风电机组的试验工作。自2003年以来，风电装机总容量以及占全省总装机容量的百分比均以较快的速度增长。截至2010年底，山东省风电装机容量达到138万千瓦，占全省装机总容量的2.2%；截至今年9月底，全省风电装机容量已达到230万千瓦，较2010年底增长了67%。

山东省陆地和海上风能资源总含量为6700万千瓦，根据目前技术水平和开发能力，结合全省电力发展规划、各规划风电场前期工作进展及建设条件，2015年和2020年，山东省风电装机规划容量将分别达到800万千瓦和1500万千瓦，分别占全省电源装机总容量的7.61%和9.78%。

1.2 山东省风电分布特点及周边电网结构

山东省风能资源丰富区主要集中在海岛海域，半岛沿海地带和山区的海拔高度较高的、较平坦的山顶、山脊、山梁及特殊地形形成的风口地带。具体包括：全省海域内的299个海岛（海岛岛屿海岸总长683千米）；围绕山东半岛的渤海海域；半岛北岸沿海地带风能区（从滨州无棣大口河向东，经东营黄河三角洲、潍坊北部沿海，经烟台市莱州、龙口、蓬莱、福山、牟平沿海、威海市的威海北部沿海至荣城东南部沿海海岸线一带）；半岛南岸沿海地带风能区（从日照市的岗头山市的胶南，即墨市沿海，烟台市的海洋沿海，威海市的文登，至荣成石岛沿海一带）；鲁中山区，胶东半岛中部山区，海拔大于500米的较平坦的山顶、山脊和山梁；滨州、东营、潍坊北部海岸离岸5~10公里的内陆地带，烟台、威海、青岛、日照离海岸3~5公里内陆平原和山丘地带等。

从山东省风资源分布和相应地区网架结构的特点来看，山东省风电分布与电网结构基本呈逆向分布的特点，即：沿海风能资源较丰富的地区大多位于电网末端，内陆风能资源较丰富的地区大多位于山区或边远地区，均远离负荷中心，网架结构相对较为薄弱，可接入风电的电网资源相对有限，必须充分利用现有电网资源，满足大规模风电接入的需要。截至目前各地市风电场投产情况见下表1：

1.3 山东省风电场接入现状

截至目前，山东省已并网风电场共40座、1646台风机，总装机容量230万千瓦，绝大多数风电场规模容量不超过10万千瓦，且分布较分散。如表1所示。这些风电场中，华润蓬莱平顶山、大唐莱州、华能寿光及华能河口风电场开发规模较大，均在10～30万千瓦左右，综合考虑风电场开发、周边电网结构、负荷特点和消纳能力等因素，不适合以110kV及以下电压等级接入系统，因此，上述风电场均以220kV电压等级接入电网；其余风电场虽然开发规模相对较小，但也基本为5～10万千瓦左右，考虑接入点电网结构、负荷特点、消纳能力等因素，绝大部分以110kV电压等级接入系统，个别容量在3万千瓦左右的，以35kV电压等级接入系统。

表1 山东省各地市风电场投产情况

从目前运行的实际情况来看，将开发容量相对较小的风电场接入110kV及以下电压等级，分区消纳，可以满足风电的送出要求，同时又为接入点电网提供有效的电力补充。例如：东源海阳丘儿山风电场位于海阳市的南部、濒临黄海，规划容量1.5万千瓦，且周边没有其他风电，现以2回35kV线路接入110kV行村站35kV侧；110kV行村站现有主变31.5+50MVA，2010年变电站最小负荷达到1.8万千瓦，东源海阳丘儿山风电场所发电力可就地消纳。

接入各电压等级风电场容量见下表2。

2 山东省规划开发风电场接入电网形势分析

2.1 沿海地区（滨州、东营、潍坊、威海、烟台、青岛、日照、临沂）

根据山东省风电发展规划，从目前开展前期工作的风电场来看，早期的分散式、小容量开发格局已发生改变，沿海地区已呈现出大容量、规模化的发展趋势。同一区域规划开发的风电场大片相连，总容量基本在30万千瓦以上，分期建设容量也基本在5万千瓦左右，而且同一风能区内一般由多个投资方进行建设。若考虑拆分风电场，以110kV及以下电压等级分散式接入电网，周边有限的网架资源根本无法满足大规模、连片开发的风电场接入需要，必须统筹考虑，采取风电场集中式送出的方式，以220kV电压等级接入电网。

表2 接入各电压等级风电场情况（万千瓦）

例如：东营市规划风场装机容量217.4万千瓦，现有风电装机容量49.4万千瓦，“十二五”期间规划新增装机容量59.4万千瓦。其中东营河口区规划装机达到150万千瓦左右。仅在220kV学堂站附近，已有3个风电场接入学堂站（其中国华利津风电场一、二期9.9万千瓦、国华河口风电场一、二期9.95万千瓦以110kV电压等级接入，华能河口风电场一至四期19.8万千瓦以220kV电压等级接入），并网容量约40万千瓦；正在进行前期工作的有国华河口风电场三至六期19.8万千瓦，国华利津刁口风电场三期4.95万千瓦、华能河口风电场五至六期9.9万千瓦、华能利津风电场9.9万千瓦，总装机容量约45万千瓦。由于学堂站位于东营电网的末端，所在区域电网结构薄弱；周边110kV变电站布点少，多为内桥接线，出线间隔基本已满，不具备再扩建条件；且110kV变电站最小负荷仅达到2～4万千瓦左右，35kV变电站最小负荷仅达到0.2～0.3万千瓦左右，风电装机容量远远大于变电站的最小负荷水平，后续工程并网电压等级选择困难。根据该区域风资源情况，相对于目前各风电场分散接入的方式，风电集中送出方式更为合理。

烟台市规划风场装机容量864.7万千瓦，现有风电装机容量67.05万千瓦，“十二五”期间规划新增装机容量约250万千瓦。烟台市各风场大片相连，仅以蓬莱市南部、栖霞市西北部地区为例：蓬莱市南部、栖霞市西北部地区现有风电装机容量8.7万千瓦，中电蓬莱一、二期容量约为8.7万千瓦考虑以110kV接入220kV沈余站；规划风电装机容量83.03万千瓦，大唐苏家店华润大柳行、大辛店、槐树庄、磁山风电共约19.92万千瓦，华能山东蓬莱风电一、二期9.96万千瓦，村里集风电场规划容量约为9.9万千瓦，国电蓬莱虎山风电场规划容量约为4.95万千瓦，国华大辛店风电场规划容量约为14.75万千瓦，大唐栖霞苏家店风电场规划容量约为9.9万千瓦，大唐栖霞庄园风电场规划容量约为4.95万千瓦。该区域只有一座220kV沈余站，变电容量2×180MVA，2010年最小负荷约为15万千瓦，即沈余站110kV、35kV侧及其所接带110kV、35kV变电站最大风电接入容量按15万千瓦考虑，不具备风电以110kV及以下电压等级并网的条件，只能考虑风电集中式接入系统，以220kV电压等级接入电网。

2.2 内陆地区（济南、泰安、淄博、济宁、枣庄等地区）

风力发电是一种特殊的电力，它以自然风为原动力，风资源的随机性和间歇性决定了风电机组的输出特性也是波动和间歇的。作为发电机构的异步发电机在发出有功功率的同时，需要从系统吸收无功功率，且无功需求随有功输出的变化而变化。当风电场的容量较小时，这些特性对电力系统的影响并不显著，但随着风电场容量在系统中所占比例的增加，风电场对电力系统的影响会越来越显著，可能会出现电网电压水平下降、线路传输功率超出热极限和系统短路容量增加等一系列问题[3-5]。因此，风电场的联合送出也是存在一些限制的。

相对于沿海地区来说，山东省内陆地区同一区域的风资源开发规模相对较小，基本在5～20万千瓦左右，在电网接入条件允许的情况下，风电场可以110kV及以下电压等级接入系统。根据目前山东电网结构、负荷特点和短路水平，一座110kV变电站110kV侧最大可接入容量在10万千瓦左右，35kV侧最大可接入容量在5万千瓦左右，最小负荷在2～4万千瓦左右；一座220kV变电站110kV侧最大可接入容量在20万千瓦左右，35kV侧最大可接入容量在7万千瓦左右，最小负荷在8万千瓦左右。考虑各风场规模容量，为满足风电场接入需要，结合周边网架特点，可采用以110kV电压等级接入220kV变电站110kV侧。对于个别规模容量在4万千瓦以内，且周边无其他风电场的项目，可考虑以110kV或35kV电压等级分散式接入各110kV变电站。

因此，建议风电场的接入问题应统筹规划、根据不同的容量，不同的区域分别采用集中式接入或分散式接入，以保证风电的安全送出，避免重复投资，并满足电网运行的要求。

3 结论及建议

综合考虑山东省风资源特点及周边网架结构、消纳能力等情况，风电场接入应统筹考虑，因地制宜，在满足风电接入需要的同时，保证局部电网安全运行，实现风力发电的有效消纳。对于风资源较为集中，相邻几个风电场总容量超过20万千瓦的，考虑风电场集中式送出，以220kV电压等级接入电网；对于分布相对较为分散、容量在5～10万千瓦以内的单个风电场，或周边2～3个相距较近的风电场，总容量在20万千瓦以内的，可根据周边电网情况，考虑以110kV电压等级接入系统；对于个别分布较为分散、容量在4万千瓦以内的单个风电场，可考虑以35kV电压等级接入系统。

[1] 赵家敏.山东省风能资源综述[J].山东电力高等专科学校学报，1999，（2）：86-89.

[2] 山东省发展和改革委员会.山东省可再生能源中长期发展规划[R].2008.

[3] SMITH J，BROOKS D.Voltage Impacts of Distributed Wind Generation on Rural Distribution Feeders [C].Proceedings of IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exposition·Atlanta.USA:IEEE，2001：492-497.

[4] 迟永宁，刘燕华，王伟胜等.风电接入对电力系统的影响[J].电网技术，2007，31（2）：47-52.

[5] ZHOU F Q，JOOS G，ABBEY C.Voltage Stability in Weak Connection Wind Farms [C].Proceedings of 2005 IEEE Power Engineering Society General Meeting， Newyork：Francisco：1483-1488.