酒泉風電基地大規(guī)模風電并網(wǎng)綜合解決方案初探

路亮，汪寧渤，馬彥宏，何世恩

(1.甘肅省電力公司風電技術中心，蘭州市 730050;2.甘肅省風電并網(wǎng)工程技術中心，蘭州市 730050)

0 引言

甘肅酒泉1000 kW風電基地是目前世界上集中并網(wǎng)規(guī)模最大的風電基地，目前已并網(wǎng)風電裝機容量5802 MW，占甘肅省裝機總容量的22.3%，并網(wǎng)風電場超過40座。根據(jù)發(fā)展規(guī)劃，到2013年甘肅省風電裝機容量將達到10880MW，其中酒泉地區(qū)將達到9580MW，其他地區(qū)合計1300MW;到2015年甘肅省風電裝機容量將達到15980MW，其中酒泉地區(qū)風電裝機將達到14480MW，其他地區(qū)風電合計1500MW［1］。

當風電在電力系統(tǒng)中所占比例較低時，風電并網(wǎng)問題并不明顯;但當大規(guī)模風電集中并網(wǎng)時，尤其像甘肅酒泉在距離蘭州負荷中心1000 km以外的電網(wǎng)末端建設全世界最大裝機容量風電基地，將對整個電力系統(tǒng)帶來巨大影響，甘肅電網(wǎng)面臨前所未有的挑戰(zhàn)［2-4］。

1 酒泉風電基地運行現(xiàn)狀

選取2011年6月～2012年5月1年的風場運行數(shù)據(jù)作為研究對象來分析酒泉風電基地的運行現(xiàn)狀。

本文采用風電出力標幺值進行評估，計算標幺值采用的公式為

式中:P(ti)為風電場在第i個時刻的實際出力;C為風電場的裝機容量，MW，按4600MW計。酒泉風電年持續(xù)出力曲線Pdur(t)如圖1所示，酒泉風電年出力概率分布如表1所示。

由于酒泉風電基地面積大、場站多，受風電場疊加效應影響，酒泉風電年出力沒有大于50%裝機容量的情況，其中出力在40%裝機容量以下的概率為99.64%，出力在30%裝機容量以下的概率為84.73%，出力在20%、10%裝機容量以下的概率分別為65.19%、43.19%。

2 大規(guī)模風電并網(wǎng)對甘肅電網(wǎng)的影響

由于風電的間歇性、隨機性、波動性及反調峰特性，酒泉大規(guī)模風電集中并網(wǎng)，將對甘肅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行、電網(wǎng)運行調度管理、系統(tǒng)經濟運行以及電網(wǎng)規(guī)劃帶來一系列影響。

2.1 對甘肅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來影響

風電作為一種不穩(wěn)定出力的電源，其大規(guī)模并網(wǎng)將改變電力系統(tǒng)一直以來沿襲的“以電源的可調度性來滿足負荷的隨機性”的電力供應模式，尤其在實現(xiàn)秒級、分鐘級的電力實時平衡問題上，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定帶來巨大挑戰(zhàn)。

根據(jù)國際能源署的相關研究結果，風電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)運行所產生的影響，在不同時間和空間尺度下會有不同的表現(xiàn)［5］。風電并網(wǎng)在不同時空尺度下對電力系統(tǒng)的影響如圖2所示。

通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，在秒級和分鐘級時間尺度上，規(guī)模風電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為風電出力的間歇性、隨機性、波動性及反調峰特性對本地電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性以及對區(qū)域電網(wǎng)的穩(wěn)定性、傳輸效率和系統(tǒng)旋轉備用容量需求等產生的影響;而在年、月以及天的時間尺度上，其影響主要表現(xiàn)為規(guī)模風電并網(wǎng)在區(qū)域電網(wǎng)和更廣的系統(tǒng)范圍內對系統(tǒng)的充裕性、運行效率及減排的影響。

由于酒泉風電基地位于電網(wǎng)末端，距離負荷中心平均距離為1000 km，是目前已知距離最遠的風電基地。酒泉風電基地目前并網(wǎng)風電裝機容量已達5802 MW，到2015年將達15980MW，由于風電的間歇性和波動性將導致線路輸送功率大幅變化，繼而導致線路充電功率的大幅變化，從而對電網(wǎng)電壓控制帶來一系列問題。同時由于酒泉風電基地風電的送出將采用750 kV超高壓交流與±800kV特高壓直流聯(lián)合外送，缺乏建設與運行管理經驗也將使酒泉規(guī)模風電并網(wǎng)對甘肅電網(wǎng)乃至西北電網(wǎng)帶來較大的系統(tǒng)穩(wěn)定問題。

2.2 對甘肅電網(wǎng)運行調度管理提出更高要求

酒泉大規(guī)模風電并網(wǎng)對甘肅電網(wǎng)的影響已接近秒級尺度，因此對電力系統(tǒng)調度及應對風電出力波動、調整系統(tǒng)運行方式的能力提出更高要求。建立高精度的風電功率預測系統(tǒng)有利于提高風電調度效率、減少系統(tǒng)備用容量。這要求甘肅電網(wǎng)必須通過技術提升和創(chuàng)新管理，不斷提高對酒泉風電接入系統(tǒng)的實時調度和控制管理能力。

2.3 對甘肅電網(wǎng)經濟高效運行帶來影響

酒泉大規(guī)模風電基地并網(wǎng)運行將對甘肅電網(wǎng)的系統(tǒng)運行經濟性帶來巨大影響。首先，在同等系統(tǒng)條件下，風電出力的波動性和間歇性加大了系統(tǒng)經濟調度的難度;其次，酒泉規(guī)模風電并網(wǎng)將導致系統(tǒng)發(fā)電出力的變動性大幅提高，降低電力設備的可用率，從而導致甘肅電網(wǎng)供電成本的增加;第三，為確保電能質量和供電可靠性，甘肅電網(wǎng)對無功補償裝置(SVC/SVG等)、串補及可控高抗等輔助服務設備的配置需求增加，進而導致電網(wǎng)建設成本的增加;第四，為適應實時運行過程中酒泉規(guī)模風電并網(wǎng)帶來的功率缺失和過剩，甘肅電網(wǎng)的日前調度計劃需要為風電預留更多旋轉備用容量以維持系統(tǒng)實時平衡，從而導致甘肅電網(wǎng)系統(tǒng)備用成本的增加。

2.4 對甘肅電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃提出更高要求

電力系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃是基于對電力負荷需求增長及分布情況的綜合分析和預測，同時結合可利用的一次能源資源、土地資源以及環(huán)保要求等因素，提前做出的電源、電網(wǎng)及相關設施的建設設計和實施預案［6］。

相對于火電及其他常規(guī)電源而言，風電最大的特點是其一次能源具有不可控性和不可存儲性。因此，從電力規(guī)劃角度，風電裝機容量不能完全用以參與系統(tǒng)規(guī)劃容量的平衡，需要引入“風電容量可信度”。根據(jù)國內外風電運行經驗，風電容量可信度較低，在電力需求較高的季節(jié)，北歐各國風電容量可信度因子一般位于25%～30%之間，同時隨著風電裝機規(guī)模的增加，風電容量可信度會隨之降低。

由于風電在系統(tǒng)平衡中僅能發(fā)揮一定的容量替代效應，因此甘肅電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃對如何合理考慮風電與常規(guī)電源的配置關系以及對電網(wǎng)規(guī)劃與電源規(guī)劃的協(xié)調性提出了更高的要求。由于電網(wǎng)建設與電源建設的速度差異，電網(wǎng)應提前1～2年規(guī)劃建設。結合甘肅自身工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及甘肅能源外送規(guī)劃，電網(wǎng)的發(fā)展應適度超前，布局合理，層次清晰，以確保安全可靠地供電，確保電能質量，調度靈活，降低供電損耗，為甘肅電網(wǎng)遠景發(fā)展留有充分的余地。甘肅電網(wǎng)規(guī)劃要與西北電網(wǎng)總的發(fā)展規(guī)劃相協(xié)調，與國民經濟和城市規(guī)劃相協(xié)調，符合國家環(huán)保與節(jié)能政策。將甘肅電網(wǎng)由“電力自我平衡、西北網(wǎng)架樞紐”向“電力盈余外送、堅強送端電網(wǎng)”轉型，滿足日益增長的國民用電負荷和能源送出需求。

3 酒泉大規(guī)模風電并網(wǎng)解決方案

除政策性激勵措施以外，電源結構、電網(wǎng)基礎以及電力系統(tǒng)運行及管理相關技術措施等都是影響酒泉風能資源開發(fā)、利用水平的重要因素，結合國內外風電發(fā)展及運行管理經驗，給出關于酒泉大規(guī)模風電集中并網(wǎng)問題解決方案的幾點意見:

(1)良好的電源結構是解決酒泉規(guī)模風電并網(wǎng)問題的基礎。

根據(jù)國際經驗，風電發(fā)展較快的國家一般伴隨調峰電源的快速發(fā)展。如美國僅燃油、燃氣和抽水蓄能發(fā)電機組比重就接近50%，西班牙和德國也分別達到35%和20%。2001—2010年10年間，西班牙風電裝機增長了17750MW，燃油機組同期增長了18010MW［7］。

由于目前大規(guī)模儲能技術尚未取得重大突破，甘肅地區(qū)具備靈活調節(jié)能力的電源相對匱乏，風電出力的波動性有可能顯著影響電力系統(tǒng)實時功率平衡，進而影響系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，因此客觀上可以考慮配置與酒泉風電接入規(guī)模相適應的快速調節(jié)電源，充分發(fā)揮其快速啟停特點，參與系統(tǒng)調峰、調頻、調壓，保障電網(wǎng)安全。

結合國際經驗及甘肅地域特色，在發(fā)展風電的同時充分考慮甘肅本地、新疆及外蒙古的煤炭資源優(yōu)勢，配套建設合理的調峰電源，構建合理的電源結構，使風電、火電及甘南地區(qū)小水電達到合理的比例，這是酒泉風電外送消納的必經之路。

(2)堅強可靠的電網(wǎng)結構是解決酒泉風電基地并網(wǎng)問題的關鍵支撐。

歐洲電網(wǎng)建設為全世界其他國家風電發(fā)展提供了很好的案例:丹麥電網(wǎng)與挪威、瑞典和德國通過14條聯(lián)絡線實現(xiàn)互聯(lián)，丹麥西部地區(qū)通過高壓直流輸電向挪威和瑞典輸送盈余風電，同時挪威等國豐富的水電資源又為丹麥的風電發(fā)揮了重要的調峰作用;德國和西班牙電網(wǎng)通過220 kV及以上跨國聯(lián)絡線與周邊國家實現(xiàn)了較強互聯(lián)，使得其風電消納得到了歐洲大電網(wǎng)的有力支撐［8］。

因此，為滿足酒泉風電大規(guī)模并網(wǎng)和送出，電網(wǎng)應具有堅強網(wǎng)架結構、強大輸送能力和先進控制技術。甘肅風能資源與負荷中心的逆向分布趨勢決定了甘肅建設大容量、遠距離輸電通道的必要性，同時需要考慮在整個西北地區(qū)、甚至“三華地區(qū)”消納甘肅風電。我國“十二五”發(fā)展規(guī)劃已明確提出加快建設現(xiàn)代電網(wǎng)體系的目標，未來甘肅電網(wǎng)也需要以特高壓和智能化為目標建成超高壓送端電網(wǎng)和特高壓跨區(qū)直流輸電工程，保持750、330 kV等各電壓等級協(xié)調發(fā)展，為甘肅酒泉風電基地的大規(guī)模開發(fā)與更大范圍內消納提供強大支撐。

(3)建立嚴格的并網(wǎng)技術標準和完善的風電運行管理規(guī)范體系是解決酒泉風電并網(wǎng)問題的可靠保障。

酒泉風電大規(guī)模并網(wǎng)不僅關系到技術層面的問題，更多凸顯了政策和管理層面的問題。在政策層面，應重點解決現(xiàn)行政策過多側重于對風電開發(fā)的激勵而忽略了配套電網(wǎng)建設及消納市場建設的問題。解決酒泉風電并網(wǎng)問題應形成一套促進整個電力供應產業(yè)鏈發(fā)展和酒泉風電消納的政策體系。在管理層面，應重點推動并形成保障風電健康發(fā)展的全過程規(guī)范管理體系，建立涵蓋規(guī)劃、建設、并網(wǎng)檢測及運行標準的全過程管理機制。

國外主要風電國家均充分認識到提高風電并網(wǎng)技術標準以及對已并網(wǎng)風電規(guī)范管理的重要性，在出臺政策性激勵措施的同時，也十分重視風電并網(wǎng)技術標準的制定和實施。丹麥、德國、西班牙等國對風電并網(wǎng)都提出了嚴格的技術要求并建立了規(guī)范的風電并網(wǎng)檢測制度。如丹麥的《可再生能源促進法案》對風電機組的并網(wǎng)檢測認證進行了詳細的規(guī)定，對于未達到標準的風電機組不予并網(wǎng)發(fā)電［9］。

通過對電源出力的有效控制實現(xiàn)對瞬間變化負荷的需求響應是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的基石，電源的可控、在控是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的基本要求。因此，在風電場并網(wǎng)前需要對風機的有功無功調節(jié)能力、低電壓穿越能力以及風電場的風電功率預測系統(tǒng)等方面進行考核，當各指標滿足電網(wǎng)要求時才給予風電場并網(wǎng)許可。采取嚴格的并網(wǎng)技術標準和管理規(guī)范，構建適應酒泉風電大規(guī)模并網(wǎng)的政策和管理體系，引導風電科學發(fā)展是實現(xiàn)酒泉風電規(guī)?；⒕W(wǎng)發(fā)電，融入電力系統(tǒng)運行的基本前提。

(4)建設“電網(wǎng)友好型風電廠”是解決酒泉風電基地并網(wǎng)問題的根本途徑。

傳統(tǒng)意義上認為風電是不同于常規(guī)電源的“垃圾電源”，現(xiàn)代研究及國外先進經驗表明可以通過技術創(chuàng)新實現(xiàn)傳統(tǒng)型“風電場”向現(xiàn)代“風電廠”的轉變，使風電成為可預測、可控制、可調度及具有暫態(tài)支撐功能“三可一支撐”的電網(wǎng)友好型電源，融入電力系統(tǒng)的整體協(xié)調運行，提升風電在電力系統(tǒng)能源供應中的地位。

近年來國外風電技術發(fā)展經驗表明，通過配置先進的風電機組并結合現(xiàn)代化的風電場設計能夠使風電具備常規(guī)電源可測、可控和可調度及暫態(tài)支撐的功能［10］?，F(xiàn)代風電機組可以通過變速運行、槳距角控制及變頻器控制技術實現(xiàn)有功功率和無功功率的動態(tài)控制，參與電網(wǎng)調峰調頻、支持電網(wǎng)電源、實現(xiàn)故障穿越、為電網(wǎng)提供合格的電能。通過建設電網(wǎng)友好型風電廠，使風電具備常規(guī)電源的特性，從而可以從根本上解決酒泉大規(guī)模風電并網(wǎng)的一系列問題。

(5)構建“風電友好型電網(wǎng)”是解決酒泉風電基地并網(wǎng)問題的有效出路。

建設風電友好型電網(wǎng)是從電力系統(tǒng)的角度提出的接納酒泉大規(guī)模風電的有效解決方案，風電友好型電網(wǎng)能夠有效平抑風電出力波動對系統(tǒng)實時平衡的影響，提高電網(wǎng)運行的靈活性，從而可以更有效地接納酒泉風電。

建設風電友好型電網(wǎng)可以從以下幾個方面入手:首先，要優(yōu)化電源結構，配置一定規(guī)模的靈活調節(jié)電源，保持調峰電源與風電協(xié)調發(fā)展，同時通過技術創(chuàng)新提高常規(guī)電源的深度調峰能力。其次，加強電網(wǎng)建設，提高電網(wǎng)的智能化水平及資源優(yōu)化配置能力。通過提升電網(wǎng)智能化水平可以提高電網(wǎng)運行的安全性、穩(wěn)定性、靈活性、經濟性和高效性，滿足酒泉風電大規(guī)模接入和送出的需求。再次，通過超高壓交流輸變電工程加強互聯(lián)電網(wǎng)建設，通過特高壓直流輸變電工程打通能源外送通道，在更大范圍內消納酒泉風電。在充分發(fā)揮西北電網(wǎng)資源優(yōu)化配置能力的同時，進一步提高區(qū)域大電網(wǎng)錯峰調峰、水火互補及事故支援等方面的能力，從而在更大范圍內平抑風電波動、抵御系統(tǒng)擾動、保障甘肅電網(wǎng)的安全運行。

4 結語

政策層面，建立完善的風電上網(wǎng)電價機制、成本分攤機制及市場消納機制，形成一套涵蓋風電設備制造、風電規(guī)劃及建設、電網(wǎng)規(guī)劃及建設、配套調峰電源規(guī)劃及建設、消納市場及消納機制等整個酒泉風電產業(yè)鏈發(fā)展的政策體系，建立健全適應大規(guī)模新能源基地的電力協(xié)調發(fā)展機制。

管理層面，風電項目應與調峰電源項目同步核準、建設和投運;配套電網(wǎng)項目應提前1～2年核準、建設和投運;檢測認證技術及并網(wǎng)技術標準應適應電網(wǎng)運行需要;風電功率預測、風電場運行和控制技術應滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的要求。實現(xiàn)酒泉風電規(guī)劃與常規(guī)電源、調峰電源規(guī)劃以及與電網(wǎng)規(guī)劃的有機結合。

技術層面，加強風電技術創(chuàng)新力度、構建堅強智能電網(wǎng)、建設電網(wǎng)友好型風電廠、構建風電友好型電力系統(tǒng)，通過風電并網(wǎng)技術的全面提升結合先進智能化的電網(wǎng)技術，不斷提高電網(wǎng)接納酒泉大規(guī)模風電的能力。

基于上述分析，為有效解決酒泉大規(guī)模風電并網(wǎng)的問題，實現(xiàn)酒泉大規(guī)模風電與甘肅電網(wǎng)的協(xié)調發(fā)展，必須從政策、管理及技術等層面形成包括政府、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、風電設備生產商在內的綜合解決方案。

［1］國家能源局.新能源產業(yè)振興和發(fā)展規(guī)劃(2009—2020)［R］.北京:國家能源局，2009.

［2］汪寧渤.甘肅酒泉千萬千瓦風電基地面臨的挑戰(zhàn)及應對措施［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2009，25(7):43-47.

［3］汪寧渤，馬彥宏，王建東.大規(guī)模風電集中并網(wǎng)對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的影響［J］.電力建設，2011，32(11):77-80.

［4］汪寧渤，馬彥宏，夏懿.甘肅酒泉10 GW級風電基地面臨的巨大挑戰(zhàn)［J］.電力建設，2010，31(1):101-104.

［5］IEA.Wind Report(2006—2008)［R］.IEA.

［6］國網(wǎng)能源研究院，維斯塔斯風力技術(中國)有限公司.風電和電網(wǎng)協(xié)調發(fā)展綜合解決策略［M］.北京:中國電力出版社，2011.

［7］國網(wǎng)能源研究院.2011世界能源與電力發(fā)展情況分析報告［M］.北京:中國電力出版社，2011.

［8］肖創(chuàng)英.歐美風電發(fā)展的經驗與啟示［M］.北京:中國電力出版社，2010.

［9］Promotion of Renewable Energy Act［S］.December 2008，Denmark.

［10］European Wind Energy Association(EWEA).Wind in Power 2011 European Statistics［EB/OL］.［2012-02-10］.