浅议风电消纳的基本思路

张忠翼刘明

(1.神华集团有限责任公司,北京 100011;2.神华国华定洲发电有限责任公司,河北定州 073000)

浅议风电消纳的基本思路

张忠翼1刘明2

(1.神华集团有限责任公司,北京 100011;2.神华国华定洲发电有限责任公司,河北定州 073000)

本文从风电的特点出发,分析了风电与调峰电源、负荷、电网、网对网外送的电网等相连接的方式和效果。指出发展风电需要依靠适于风电消纳的较为坚强的电网,在全国范围内,统筹考虑风火打捆、风电直接接入负荷、风电通过网对网外送消纳、小或大规模风电直接接入电网等各种风电消纳方式。风电的输电和用电环节讨论了风电消纳的基本思路,指出大规模风电开发的同时,要考虑大规模风电直接接入适于风电消纳的电网。

风电 消纳 电网 PSCAD/EMTDC

1 引言

风电是目前商业化开发条件最好的可再生能源，发展风电是我们的国策，我国在世界气候大会上承诺，到2020年非化石能源消费在一次能源消费中占比将达到15%。

但是，风电自身也存在着不足点：一是由于风资源的间歇性，风电不能独立支撑一个系统，需要调峰电源支持；二是风电利用小时数低；三是风电输出功率波动较大，电能质量一般；四是风电在分布上，往往是风资源良好的区域往往远离负荷中心。因此在发展风电时，需要在尽量少增加调峰电源的前提下增加风电容量和电量。风电分布与负荷分布的差异决定了大规模开发风电必须要在全国范围内考虑风电消纳；风电自身的不足使其需要与比自身容量更大的负荷、更大的调峰电源以及适于风电消纳的较坚强的电网相结合，从而构成适于风电消纳的电力系统。

2 风电消纳的三个要素

当一地具备可开发的风资源后，不但需要有一定量的负荷来消纳风电，还需要有调峰电源。负荷、调峰电源和风电场之间还要由电网构成一个互连区域。这样负荷、调峰、电网就构成了风电开发的三个要素。同时风电利用小时数低、出力波动大的特点，决定了风电外送线路的建设要充分考虑经济性，尽量避免长距离外送，接入点应能承受风电的波动，能以较短的电气距离与负荷、调峰电源相结合。

因此，风电需要以较短的电气距离与比其自身容量更大的负荷、更大的调峰电源和适于风电消纳的较坚强电网相结合，并与其他电气设备共同构成适于风电消纳的电力系统。

3 风电与风电消纳的三个要素的结合形式

3.1 风电就近接入调峰电源

如果是风电接入规划或建设好的调峰电源外送，不考虑当地负荷，假如火电调峰深度50%，则1份火电装机可以配0.5份风电，按风电发电小时2500小时考虑，在其原送出线路容量不变的条件下，线路折合送风电小时数为1250小时，占其传输电量的14.27%。这种情况下，火电厂外送的电量损失不到15%，风电可全额发出，线路利用率趋于100%。

但如果是专门为风电基地配火电调峰打捆外送，就须考虑如下问题：(1)资源消耗。风电集中的地域多为干旱地区，火电配套调峰会消耗大量水资源。(2)送出线路效率和调峰电源布置。送出线路规划1份风电送出容量时，需要至少规划2份的火电装机容量和1份火电送出容量，不但需要安排较大的火电布机空间还要求外送线路有2份风电装机容量的外送容量，需要很大的线路投资。(3)送出主体改变，占用受端很大的消纳空间。同样按风电发电小时2500小时考虑，则通道送出风电电量占其传输电量的14.27%，其主送的实际是火电，而且受端要多消纳85.73%的调峰电量。此外，按本文假设，风火打捆外送，风电电量消费会小于15%，这样，如果全国的风电基地都采用风火打捆外送的话，考虑非风电基地风电比例更少，那么，国家2020年非化石能源消费占一次能源消费15%的承诺是无法通过以风电为主的清洁能源发电方式实现的。

表1 风电接入电网网对网外送的各种方式

因此，风火打捆需根据资源禀赋首先考虑好火电的布置，再安排风电。

3.2 风电就近接入负荷

不计其他电源，当一个区域内只有风电接入负荷时，由于风电不能连续供电，一定要由区外向区内提供最大与负荷容量相同的调峰容量。假设风电发电小时为2500小时，则区外供电小时约为6260小时，区外供电线路的利用小时数较高。由于风电有功出力波动较大，为向风电提供调峰支持，区外供入有功的波动量也会很大。当风电电源和区外供电的电网电压稳定时，由于传输有功的波动，负荷区的电压波动会很大。

在与电网距离不远的条件下，风电电源也可先与电网连接，再向负荷区供电。这种方式下电网承担了风电的波动，向负荷输出的功率会很平稳，线路利用小时数也会很高。

综上，风电就近接入负荷，要求负荷区有较强的电压无功调节能力，也可以酌情选择先与电网连接，再由接网点向负荷区供电。

3.3 风电接入电网方式

3.3.1 中小规模风电场直接接入电网

如果直接接入电网的风电场容量较小，可就近接入电网中电压较低的层面的变电站。比如，50MW的风电场可就近接入一个35kV变电站。当风电场规模逐渐加大后，比如，风电场规模由50MW增加到300MW，就不适于再接入附近的那一座35kV变电站，这时风电场可分散接入附近其它35kV变电站。但是，当附近没有足够的低压变电站时，风电场就需要以较长距离接入远方的低压变电站，或集中接入附近的较高电压等级的变电站，比如220kV变电站，或一部分就近接入较低电压等级变电站，另一部分接入较高电压等级的变电站。风电场接入较高电压等级的变电站后，其功率会在此电压等级与调峰功率结合，形成平稳的有功功率，供给下层的负荷。

3.3.2 风电场接入电网的网对网外送

连片规模较大的风电场群往往不能在一个区域内消纳，这就需要风电在不同区域间消纳也就是网对网消纳。设火电调峰机组额定容量为g，调峰深度50%；风电容量为f，不能连续供电；送端负荷为l；不考虑其他电源；则保证风电充分发电条件下网对网消纳的外送可分6种情况描述，见下文和表1。

火电在出力g/2的基础上为风电调峰，风电所在电网的有功出力空间为f+g/2。当风电所在电网的发电出力的空间大于负荷，即f+g/2＞l时，风电侧电网需要将多余的有功外送；此时(1)如果火电机组容量大于负荷容量，而且可以为全部风电调峰，即g＞l g＞2f或g＞f+g/2，则风电侧电网有稳定的对外功率输出，送出空间为f+g/2-l；(2)如果火电机组容量大于负荷容量，但不能为全部风电调峰，即g＞l g＜2f或g＜f+g/2，送出空间仍为f+g/2-l，但是风电侧电网对外功率输出会有波动；(3)如果火电机组容量小于负荷容量，不能为全部风电调峰，此时，g＜l g＜2f或g＜f+g/2，则风电侧电网即有对外功率输出f+g/2-l，当风电出力减少时，又有最大为l-g的外部注入功率。送出空间量需按照输入输出容量的最大值考虑。在火电为风电调峰模式下，当风电所在电网的出力的空间小于负荷，即f+g/ 2＜l时，(4)如果火电机组容量大于负荷容量，可以为全部风电调峰，即g＞l g＞2f或g＞f+g/2，则风电侧电网可以自给自足，无需外送或受入功率；(5)如果火电机组容量小于负荷容量，且能为全部风电调峰，即g＜l g＞2f或g＞f+g/2，则风电侧电网受入功率空间为l-g；(6)如果火电机组容量小于负荷容量，但不能为全部风电调峰，即g＜l g ＜2f或g＜f+g/2，则风电侧电网的受入空间为l-g，但空间内，受入功率会有波动。

第一种情况是完全由风电侧电网调峰，类似于风火打捆外送的送端增加了负荷，具稳定的功率输出，但也同时具有风火打捆外送所需要注意的问题。

第二种情况为网对网外送但电网侧调峰机组无法为风电提供充足的调峰能力。这种情况下，整个风电侧电网和外送通道有功都会不停的波动，当风电装机较多，火电调峰能力较差时，波动规模较大，联络线功率难以控制，ACE指标难以完成，风电侧电网频率、电压等会难以控制，对相关电力系统运行会有不利的影响。

第三种情况下，无论风电侧电网是输出有功还是受入有功，都会造成电网和传输线路的功率波动，当功率波动较大时，对相关电力系统会有不利的影响。

第四种情况下，风电侧电网可以自行消纳。

第五种情况下，风电装机相对较小，调峰机组可以为风电调峰，风电侧电网可以从区外稳定的受入有功。

第六种情况下，调峰机组无力为风电全部出力调峰，风电侧电网需要从区外受入有功，由于风电的波动，受入有功也是波动的。这种情况类似风电从一侧单独向负荷供电，系统从另一侧为负荷补充风电不能满足的电力需求。当风电接入的系统较小而且电网较坚强时，这种方式可以运行，否则对相关电力系统会有不利的影响。

由分析可知，以上六种情况中前三种情况风电侧电网整体是以外送为主的；后三种情况风电侧电网整体是以受入为主的。实际适用于风电网对网外送的是第一种情况，但这种情况具有类似风火打捆外送的优点和缺点，可送出的容量是受到限制的。

3.3.3 大规模风电基地分散直接接入电网

虽然负荷中心往往能得到一定量的调峰电源，但风电基地与负荷及调峰电源中心往往不能重叠，这样需要将基地风电外送。由于外送风电的规模较大，不但要选择通道还要选择相对分散并有充裕的调峰和负荷的并网点。具体有以下4种方法。

(1)中近距离风电分散直接接网。中近距离是指风电基地到消纳区域的距离在500公里以内，此时，风电可以酌情考虑以500kV线路外送。

(2)中远距离风电分本、外网分散消纳。风电分本、外网消纳是把风电波动较小、发电小时较高的部分，比如出力的0-50%通过直流送出；将其波动较大的部分，比如出力的50-100%由本地电网调峰。

(3)中远距离风电分散直接外送到负荷中心消纳。这种方式是将中远距离风电场不分内外网直接外送。

(4)风电分散接入特高压电网。这种方式应注意以下两点：第一，风电不宜接入特高压电网北部起点站。因为特高压电网北部的起点在内蒙古南部区域附近，是电源充足负荷匮乏区域。如果风火打捆接入起点站则即要接入风电又要接入火电，风电接入量会比较小；如果风电直接接入起点站，由于当地负荷少，风电需要经电网远距离传输，会造成电网北部的较大波动，还会限制火电上网。第二，风电直接外送到调峰和负荷充足的特高压站点，会使消纳方式会更灵活、区域会更广阔。

4 结语

根据风电自身的特点，风电需要与比其自身容量更大的负荷、更大的调峰电源以及适于风电消纳的较坚强电网相结合。由于大多数风资源良好的区域远离负荷中心，大规模发展风电就需要在全国范围内统筹协调。由于发展风电是国策，目标是增加可再生能源电量占比，所以国家可以通过统筹协调，在尽量少增加调峰电源容量和电量的条件下增加风电容量和电量。

因此，本文风电接入电网基本思路是：依靠适于风电消纳的较为坚强的电网，以尽量短的电气距离，在全国范围内，统筹考虑风火打捆(主要是根据资源禀赋使风电与已投或确实应投的火电打捆)、风电直接接入负荷(类似分散接入)、风电接入电网后网对网外送、小规模风电直接接入电网、尤其是大规模风电直接接入电网等各种风电消纳方式，在尽量少增加调峰电源以及其他电源容量和电量的前提下，增加风电容量和电量的绝对值及占比，建设适于风电消纳的电力系统。

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张忠翼(1980-),男,满族,辽宁丹东人,毕业于东北电力大学,工学学士,工程师,负责风电运营调度;刘明(1981-),男,天津武清人,毕业于华北电力大学,工学学士,工程师,负责电气系统维护。