西北電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電功率補(bǔ)償問題探討

錢家驤，張惠勤，秦云全，王義法

(1.陜西省電力公司，西安 710048；2.西北電力設(shè)計(jì)院，西安 710075；3.西北電網(wǎng)有限公司，西安 710048)

0 引言

風(fēng)電作為技術(shù)最成熟、最具規(guī)?；_發(fā)和商業(yè)化發(fā)展的新能源發(fā)電方式之一，其發(fā)展速度居于各種可再生能源之首，我國(guó)風(fēng)資源豐富地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)也得到了快速發(fā)展。西北地區(qū)風(fēng)能資源十分豐富，約占全國(guó)陸上風(fēng)能資源的1/3，開發(fā)利用潛力十分巨大[1-6]。

風(fēng)力發(fā)電與水力發(fā)電、火力發(fā)電等常規(guī)發(fā)電方式相比，最根本的不同點(diǎn)在于其有功出力的隨機(jī)性、間歇性和不可控性。這一特點(diǎn)決定了風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，必須由常規(guī)電源為其有功出力提供補(bǔ)償，以保證對(duì)負(fù)荷安全可靠地供電[7-8]。

本文在西北地區(qū)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的背景下，結(jié)合西北水電資源豐富、調(diào)節(jié)性能好的特點(diǎn)，提出首先考慮利用水電啟停迅速的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)西北地區(qū)風(fēng)電進(jìn)行補(bǔ)償，保證電網(wǎng)最大程度吸收風(fēng)電，以節(jié)約一次性能源的消耗；水電為風(fēng)電補(bǔ)償不足部分，再考慮利用火電補(bǔ)償。

1 西北地區(qū)風(fēng)電資源介紹

西北區(qū)域內(nèi)資源分布特點(diǎn)為：水電資源主要集中在黃河上游，其水電開發(fā)成本低，調(diào)節(jié)特性好，是西北電網(wǎng)和西電東送的主要水電電源；煤炭資源主要分布在陜西、寧夏；陜北、寧東火電基地是西北電網(wǎng)西電東送的主要火電電源點(diǎn)；風(fēng)電資源主要分布在甘肅境內(nèi)，可開發(fā)利用的風(fēng)能資源總量為2000萬kW，風(fēng)能總儲(chǔ)量居全國(guó)第五。

截至2007年底，甘肅酒泉地區(qū)已投運(yùn)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量70.51萬kW。根據(jù)規(guī)劃，至2010年酒泉地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量將達(dá)到516萬kW，至2015年酒泉地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量將達(dá)到1271萬kW，甘肅酒泉建成千萬千瓦級(jí)風(fēng)電基地[9]。

西北地區(qū)風(fēng)能資源豐富地區(qū)一般處于電網(wǎng)末端，電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不夠堅(jiān)強(qiáng)，電源結(jié)構(gòu)較為單一，風(fēng)電大規(guī)模接入對(duì)這些地區(qū)的電網(wǎng)調(diào)峰和穩(wěn)定運(yùn)行帶來極大壓力；且風(fēng)的波動(dòng)性使風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率具有波動(dòng)性，難以像常規(guī)電源一樣對(duì)風(fēng)電場(chǎng)制定和實(shí)施準(zhǔn)確的發(fā)電計(jì)劃。隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，風(fēng)電裝機(jī)在電網(wǎng)中所占比例越來越高，其對(duì)電網(wǎng)的影響范圍也從局部逐漸擴(kuò)大。

風(fēng)電接入容量的增加與接入電壓等級(jí)的提高，使得電網(wǎng)受風(fēng)電的影響范圍更廣，影響程度更大。如此大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電集中接入電網(wǎng)，對(duì)于電網(wǎng)的規(guī)劃、發(fā)展與穩(wěn)定運(yùn)行都提出了新的挑戰(zhàn)。由于我國(guó)風(fēng)能資源豐富地區(qū)距離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電無法就地消納，需要通過輸電網(wǎng)遠(yuǎn)距離輸送到負(fù)荷中心，更加劇了風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行及穩(wěn)定的影響。

為了彌補(bǔ)風(fēng)電出力的隨機(jī)性缺點(diǎn)，需要尋找合適的電源對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，以解決其對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的危害。水電在調(diào)峰速度上具有很大優(yōu)勢(shì)，因此，可考慮利用水電啟停迅速的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行水電和風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)行，保證電網(wǎng)最大程度吸收風(fēng)電，以節(jié)約一次性能源的消耗。

2 西北電網(wǎng)水能資源分布

西北地區(qū)水電資源豐富，經(jīng)濟(jì)可開發(fā)容量約為5000萬kW，主要分布在黃河、長(zhǎng)江，以及其他內(nèi)陸河流域。

2.1 黃河上游水電

西北電網(wǎng)的主要水電集中在黃河干流青銅峽以上河段，截至2008年底，該河段已經(jīng)形成了龍羊峽、尼那、李家峽、直崗拉卡、公伯峽、蘇只、寺溝峽、劉家峽、鹽鍋峽、八盤峽、小峽、柴家峽、大峽、烏金峽、沙坡頭、青銅峽16座梯級(jí)電站聯(lián)合運(yùn)行的局面，在發(fā)電、防洪、防凌及灌溉供水等綜合利用方面發(fā)揮了巨大的作用。

“十一五”末，黃河干流還要建成羊曲、拉西瓦、積石峽、黃豐等水電站，水電裝機(jī)進(jìn)一步增大。

“十二五”期間，西北電網(wǎng)黃河梯級(jí)除繼續(xù)建設(shè)拉西瓦后續(xù)機(jī)組外，將重點(diǎn)推進(jìn)龍羊峽上游水電站的開發(fā)。至2015年，拉西瓦建成裝機(jī)350萬kW，龍羊峽上游梯級(jí)開發(fā)中建成羊曲、班多等水電站，其中，羊曲裝機(jī)容量120萬kW[9]。

此外，西北電網(wǎng)已建水電站還有部分具有擴(kuò)機(jī)可能性，如拉西瓦、龍羊峽、李家峽等水電站；同時(shí)考慮到龍羊峽上游水電站，如門堂、官倉(cāng)等水電站的持續(xù)開發(fā)，黃河上中游還可以擴(kuò)機(jī)或新建700萬kW的水電站。

從調(diào)節(jié)性能上來看，龍羊峽為多年調(diào)節(jié)電站，劉家峽為不完全年調(diào)節(jié)電站，其他電站基本都具有日調(diào)節(jié)能力。從運(yùn)行方式上來看，可以將黃河干流的水電站分為2個(gè)水電群，其中，龍羊峽—?jiǎng)⒓覎{河段之間的水電站為一個(gè)水電群，該水電群的每日電量受龍羊峽電站的控制，劉家峽以下河段的水電站為一個(gè)水電群，該水電群的每日電量受劉家峽電站的控制。

2.2 祁連山抽水蓄能電站

甘肅祁連山地區(qū)規(guī)劃建設(shè)3座抽水蓄能電站，大龍山、柳溝峽和長(zhǎng)石堤河抽水蓄能電站，裝機(jī)容量分別為120萬kW、80萬kW和120萬kW，總裝機(jī)容量為320萬kW。

2.3 太平裕抽水蓄能電站

根據(jù)規(guī)劃，陜西將建設(shè)太平裕抽水蓄能電站，總裝機(jī)容量120萬kW，分為2期建設(shè)，2015年一期建成，裝機(jī)容量60萬kW。

2.4 火力發(fā)電

根據(jù)西北電網(wǎng)電源建設(shè)安排，2015年西北（陜西、甘肅、青海、寧夏）4省區(qū)火電裝機(jī)達(dá)10216萬kW。在現(xiàn)有機(jī)組調(diào)峰深度統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)規(guī)劃裝機(jī)規(guī)模，參照現(xiàn)有同類型機(jī)組的調(diào)峰能力，對(duì)設(shè)計(jì)水平年2015年西北電網(wǎng)火電機(jī)組的調(diào)峰深度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)整理，得到2015年西北電網(wǎng)主要火電廠機(jī)組調(diào)峰深度達(dá)4111.5萬kW，占火電總裝機(jī)的41%。

3 西北電網(wǎng)調(diào)峰能力分析

本文以2015年為水平年，分析甘肅酒泉地區(qū)風(fēng)力發(fā)電功率補(bǔ)償問題。

3.1 以水電為主的補(bǔ)償方式

3.1.1 黃河上中游水電調(diào)峰能力

分析黃河上游水電為酒泉地區(qū)風(fēng)電調(diào)峰時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[10]，考慮劉家峽以下河段受防凌、供水等綜合利用任務(wù)的限制較多，認(rèn)為劉家峽及其下游梯級(jí)水電廠參與負(fù)荷調(diào)峰，而不參與風(fēng)電調(diào)峰。2015年，參與酒泉地區(qū)風(fēng)電調(diào)峰的黃河上中游水電站有：羊曲、龍羊峽、拉西瓦、李家峽、公伯峽、積石峽6個(gè)百萬千瓦級(jí)的水電站。

根據(jù)文獻(xiàn)[10]中的計(jì)算方法，西北電網(wǎng)黃河上游水電可為風(fēng)電提供320萬 ～490萬kW的調(diào)峰能力，平均400萬kW左右。

根據(jù)水電站的出力情況及文獻(xiàn)[10]中的計(jì)算方法，黃河上中游存在擴(kuò)機(jī)和新建可能性的水電站還可以為風(fēng)電提供110萬kW左右的調(diào)峰能力。

綜上，以規(guī)劃電源裝機(jī)進(jìn)度為依據(jù)時(shí)，2015年西北電網(wǎng)黃河上中游水電可為風(fēng)電提供400萬kW左右的調(diào)峰能力；以水電裝機(jī)潛力為依據(jù)時(shí)，2015年西北電網(wǎng)黃河上中游水電可為風(fēng)電提供510萬kW左右的調(diào)峰能力。

3.1.2 抽水蓄能電站調(diào)峰能力

抽水蓄能電站能夠利用系統(tǒng)低谷時(shí)段的富裕電量抽水，在系統(tǒng)高峰負(fù)荷時(shí)段發(fā)電，根據(jù)其運(yùn)行特點(diǎn)，理論上抽水蓄能電站的調(diào)峰能力是其裝機(jī)容量的2倍。因此，2015年祁連山地區(qū)裝機(jī)容量為320萬kW的抽水蓄能電站可為風(fēng)電提供640萬kW的調(diào)峰能力。由于陜西電網(wǎng)調(diào)峰壓力較大，太平峪抽水蓄能電站考慮用于陜西電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)峰，不參與風(fēng)電調(diào)峰。

根據(jù)前述，優(yōu)先考慮以水電為主的補(bǔ)償方式時(shí)，若以規(guī)劃電源裝機(jī)進(jìn)度為依據(jù)，西北水電可為風(fēng)電提供的調(diào)峰能力為1040萬kW；考慮水電電源裝機(jī)進(jìn)度提前，若以水電裝機(jī)潛力為依據(jù)，西北水電可為風(fēng)電提供的調(diào)峰能力1150萬kW。此外，根據(jù)文獻(xiàn)[10]中的計(jì)算方法，2015年西北電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的火電機(jī)組還可為酒泉地區(qū)風(fēng)電提供431萬kW的調(diào)峰能力。

綜合考慮，以規(guī)劃水電電源裝機(jī)進(jìn)度為依據(jù)時(shí)，2015年西北電網(wǎng)水電和火電的調(diào)峰能力可達(dá)1471萬kW；考慮水電電源裝機(jī)進(jìn)度提前，以水電裝機(jī)潛力為依據(jù)時(shí)，2015年西北電網(wǎng)水電和火電的調(diào)峰能力達(dá)到1581萬kW，均可滿足酒泉地區(qū)1271萬kW風(fēng)電的功率補(bǔ)償需求，不需要另外配套建設(shè)火電電源。

3.2 以當(dāng)?shù)鼗痣姙橹鞯难a(bǔ)償方式

如果以當(dāng)?shù)鼗痣婋娫礊橹鳛榫迫貐^(qū)風(fēng)電進(jìn)行調(diào)峰時(shí)，根據(jù)有關(guān)方面意見，需要按1：2配套建設(shè)火電電源，根據(jù)2015年酒泉地區(qū)風(fēng)電的裝機(jī)情況，需要配套建設(shè)的火電電源達(dá)2400萬kW。

3.3 2種補(bǔ)償方式分析比較

對(duì)于酒泉地區(qū)千萬千瓦級(jí)風(fēng)電基地的功率補(bǔ)償問題，2015年采用以水電為主的功率補(bǔ)償方法與采用以當(dāng)?shù)鼗痣姙橹鞯墓β恃a(bǔ)償方法相比較，可減少建設(shè)火電電源2400萬kW，可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約185.4萬t，折合原煤259.56萬t。以火車運(yùn)煤為例，煤價(jià)以325元/t計(jì)算，可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用84357萬元；同時(shí)，可以減少SO211.58萬t，年節(jié)約環(huán)保收費(fèi)6940萬元；可減少NOX68.33萬t，年節(jié)約環(huán)保收費(fèi)41000萬元。

此外，水能是一種廉價(jià)、清潔的一次能源，水電站的運(yùn)行成本低，環(huán)境污染少；有調(diào)節(jié)庫(kù)容的水電站在承擔(dān)變動(dòng)負(fù)荷時(shí)幾乎不會(huì)引起什么額外損耗，而且響應(yīng)速度快；火電機(jī)組受鍋爐、汽輪機(jī)最小技術(shù)出力等條件的制約，調(diào)整范圍較小，而且鍋爐、汽輪機(jī)等設(shè)備受交變應(yīng)力的限制，調(diào)整速度較慢。

4 結(jié)論及建議

通過探討西北風(fēng)力發(fā)電功率補(bǔ)償問題，得到如下結(jié)論。

1）西北地區(qū)風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模大，并且具有高集中、遠(yuǎn)距離的特點(diǎn)，需要其他常規(guī)電源對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，以解決其對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的危害。本文結(jié)合西北水電資源豐富、調(diào)節(jié)性能好的特點(diǎn)，提出將西北電網(wǎng)作為整體考慮，利用西北地區(qū)豐富的水能資源和補(bǔ)償調(diào)節(jié)能力，優(yōu)先考慮各種水電為風(fēng)電調(diào)峰、火電作為補(bǔ)充的調(diào)峰方法。

2）經(jīng)過計(jì)算，采用以水電為主的功率補(bǔ)償方式時(shí)，2015年西北地區(qū)水電和部分火電可以滿足酒泉地區(qū)風(fēng)電的調(diào)峰要求；采用以當(dāng)?shù)鼗痣姙橹鞯墓β恃a(bǔ)償方式時(shí)，需要配套建設(shè)2400萬kW的火電電源。

3）綜合分析，采用以水電為主的功率補(bǔ)償方式更具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)保優(yōu)勢(shì)。在研究西北地區(qū)風(fēng)電調(diào)峰問題時(shí)，應(yīng)充分考慮利用西北地區(qū)能源資源優(yōu)勢(shì)，優(yōu)先采用具有調(diào)峰能力的水電資源調(diào)峰。

本文在分析研究的基礎(chǔ)上，為更好解決西北電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電功率補(bǔ)償問題，提出如下建議。

1）加強(qiáng)發(fā)展水電，在充分考慮已有水電站擴(kuò)機(jī)可能性的基礎(chǔ)上，積極建設(shè)水電站，尤其是抽水蓄能電站。

2）加強(qiáng)電網(wǎng)與風(fēng)電電源統(tǒng)一規(guī)劃，合理安排建設(shè)時(shí)序。電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)，改善風(fēng)電并網(wǎng)條件；電源企業(yè)應(yīng)充分考慮電網(wǎng)接納能力對(duì)風(fēng)電運(yùn)行的限制，適時(shí)調(diào)整建設(shè)規(guī)模和建設(shè)進(jìn)度，避免影響其經(jīng)濟(jì)性。

3）制定鼓勵(lì)調(diào)峰電源的相關(guān)經(jīng)濟(jì)政策，刺激電源企業(yè)安排電源參與調(diào)峰。

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