福建省海上風(fēng)電消納能力分析及促進(jìn)消納措施研究

陳明福 劉仁和 王小燕

（1 中國電建集團(tuán)福建省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司 福建福州 350001 2 福建省人力資源服務(wù)有限公司 福建福州 350001）

0 引言

福建省地處歐亞大陸的東南邊緣，瀕臨東海和臺灣海峽，受季風(fēng)和臺灣海峽“狹管效應(yīng)”的共同影響，沿海風(fēng)能資源十分豐富。根據(jù)福建省風(fēng)能資源分析，全省海域風(fēng)能理論蘊(yùn)藏總儲量超過1.23 億kW，特點(diǎn)是年平均風(fēng)速較大，盛風(fēng)期為秋冬季，以東北風(fēng)為主，風(fēng)向穩(wěn)定，風(fēng)能資源比較豐富。

隨著福建海上風(fēng)電規(guī)模的增大，帶來一系列消納問題［1-3］，包括：調(diào)峰問題、加重福建電網(wǎng)“北電南送”輸送壓力等。因此，需要在對福建全省和各地市進(jìn)行電力平衡、調(diào)峰平衡的基礎(chǔ)上，分析電網(wǎng)的消納能力，并研究促進(jìn)海上風(fēng)電消納的對策等。

1 福建海上風(fēng)電現(xiàn)狀及發(fā)展規(guī)劃

1.1 現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃

福建省2019 年已建海上風(fēng)電總裝機(jī)46 萬kW。國家能源局2017 年3 月批復(fù)的 《福建省海上風(fēng)電場工程規(guī)劃報(bào)告》：“同意福建省海上風(fēng)電規(guī)劃總規(guī)模1330 萬kW”［4］根據(jù)近期開展的福建省深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電規(guī)劃［5］，提出近中期福建規(guī)劃在深遠(yuǎn)海地區(qū)新增裝機(jī)達(dá)1 324 萬kW，遠(yuǎn)景另外預(yù)留6 780 萬kW的儲備場址。

綜合比較規(guī)劃風(fēng)電場的裝機(jī)規(guī)模、離岸距離、水深、建設(shè)條件、經(jīng)濟(jì)技術(shù)情況等因素，預(yù)計(jì)福建省2025 年、2030 年、2035 年底全省風(fēng)電總裝機(jī)容量分別為1 613 萬kW、2 332 萬kW、3 026 萬kW，其中海上風(fēng)電規(guī)模分別為1 241 萬kW、1 960 萬kW、2 654 萬kW，占比約77%～88%。

1.2 海上風(fēng)電出力特性

福建省海上風(fēng)電平均風(fēng)速較大，秋冬季以東北風(fēng)為主，風(fēng)向穩(wěn)定，風(fēng)速及風(fēng)功率基本以9 月～翌年3 月較大，4 月～8 月較小。日變化較為平緩，一般午后3、4 點(diǎn)時(shí)風(fēng)速達(dá)到全天最大。福建省海上風(fēng)電典型日出力特性曲線如圖1 所示。

圖1 福建省海上風(fēng)電典型日出力特性曲線

2 福建省負(fù)荷預(yù)測和電源規(guī)劃

（1）負(fù)荷預(yù)測：根據(jù)預(yù)測，福建省2025—2035 年全省最大負(fù)荷分別約5 760 萬kW～8 130 萬kW。

（2）負(fù)荷特性：福建省電網(wǎng)夏季典型日負(fù)荷系數(shù)曲線如圖2 所示，呈雙峰形態(tài)，早高峰一般出現(xiàn)在8 點(diǎn)～12 點(diǎn)，午峰一般出現(xiàn)在13 點(diǎn)～18 點(diǎn)，低谷時(shí)段一般出現(xiàn)在0 點(diǎn)～7 點(diǎn)；平均日負(fù)荷率和平均日最小負(fù)荷率總體呈現(xiàn)上升態(tài)勢。夏季典型日比冬季典型日峰谷差低。

圖2 福建省電網(wǎng)典型日整點(diǎn)負(fù)荷系數(shù)曲線

（3）電源規(guī)劃：根據(jù)福建省已開展的電源規(guī)劃，在不修改火電、核電、水電等電源規(guī)劃方案的情況下，將近期規(guī)劃增加的近海和深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模進(jìn)行疊加統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì)福建電網(wǎng)2025 年和2035 年電源裝機(jī)總量分別達(dá)到8 996 萬kW和13 006 萬kW，其中風(fēng)電裝機(jī)占比分別為17.9%和23.3%。

3 電力電量平衡、調(diào)峰平衡及問題分析

3.1 電力平衡

根據(jù)福建省電力負(fù)荷預(yù)測方案及電源建設(shè)規(guī)劃，分別進(jìn)行2025—2035 年電力、電量平衡分析，結(jié)果如表1 所示。

表1 福建省2025—2035 年電力平衡分析 單位：萬kW

（1）在負(fù)荷預(yù)測推薦方案基礎(chǔ)上：①枯大方式：在煤電、燃?xì)怆姀S、核電全開，抽蓄電站全部處于發(fā)電工況下，全省基本實(shí)現(xiàn)電力平衡；②盛風(fēng)期大方式：在核電機(jī)組部分檢修、燃?xì)怆姀S全停、煤電機(jī)組平均出力率處于較低水平（約68%～46%）的情況下，全省基本實(shí)現(xiàn)電力平衡；③盛風(fēng)期小方式：在抽蓄機(jī)組全部處于抽水工況、核電機(jī)組部分檢修、燃?xì)怆姀S全停、煤電機(jī)組平均出力率處于最低水平（約44%）的情況下，全省電力仍盈余約56 萬kW～801 萬kW。在不限制風(fēng)電出力的條件下，需考慮通過省間聯(lián)網(wǎng)通道向區(qū)外送電。

（2）考慮到受世界貿(mào)易形勢、全球疫情影響，如果負(fù)荷預(yù)測按低方案，則各類工況均存在電力盈余，其中2035 年三種方式最大盈余分別約1 057 萬kW～1 534 萬kW，盈余進(jìn)一步擴(kuò)大。

可見，隨著風(fēng)電等各類電源的增長，福建全省電力平衡存在的問題為：在風(fēng)電大發(fā)的情況下，電源出力無法全部在福建省內(nèi)消納，福建電網(wǎng)將出現(xiàn)電力盈余，并且盈余規(guī)模逐漸增大。

產(chǎn)生該盈余的主要原因是本文所依據(jù)的近海和深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電開發(fā)規(guī)模和時(shí)序階段性成果，優(yōu)先考慮的是風(fēng)電場的裝機(jī)規(guī)模、離岸距離、水深、建設(shè)條件、經(jīng)濟(jì)技術(shù)情況等因素，尚未和福建省火電、核電、水電、儲能等電源規(guī)劃進(jìn)一步統(tǒng)籌考慮。

對盈余情況最嚴(yán)重的盛風(fēng)期小方式，進(jìn)行福建南北分區(qū)電力平衡，結(jié)果詳見表2，可見：南部最大電力缺額約1 365 萬kW，未超過北電南送斷面輸送能力（約1 500 萬kW）。但北部最大電力盈余達(dá)2 172 萬kW，大于南部電力缺額，與全省電力平衡結(jié)論相同，在不限制風(fēng)電出力的條件下，同樣需考慮向福建省外送電。

表2 福建省2025—2035 年南北分區(qū)盛風(fēng)期小方式電力平衡單位：萬kW

根據(jù)電量平衡計(jì)算，隨著海上風(fēng)電的大規(guī)模增長，其提供的電量擠占了煤電的發(fā)電量和利用小時(shí)。煤電發(fā)電利用小時(shí)數(shù)不斷下降，在不考慮往區(qū)外送電的情況下，2035 年不足3 000 h。

海上風(fēng)電規(guī)劃項(xiàng)目集中的福州東南部、莆田南部、漳州、寧德等的盛風(fēng)期電力平衡表明，當(dāng)?shù)鼐嬖谳^大的電力盈余，盈余電力需通過500 kV 及以上電壓等級送至主網(wǎng)在更大范圍內(nèi)消納。

3.2 調(diào)峰平衡

對福建省進(jìn)行調(diào)峰平衡計(jì)算，結(jié)果詳見表3，由結(jié)果可知：

表3 福建省2025—2035 年枯水年調(diào)峰平衡表

（1）枯水年：在不考慮風(fēng)電逆調(diào)峰的情況下，全省均存在調(diào)峰盈余?；痣娬{(diào)峰深度逐漸增大。

存在問題：根據(jù)風(fēng)電出力特性統(tǒng)計(jì)，由于其具有一定比例的逆調(diào)峰特性（福建省出現(xiàn)22%、43%風(fēng)電裝機(jī)參與逆調(diào)峰概率分別約42%、10%），在沒有相應(yīng)地增加各類調(diào)峰電源的情況下，2030 年福建省開始出現(xiàn)調(diào)峰缺額，并且缺額逐漸增大；隨著風(fēng)電逆調(diào)峰比例的提高，調(diào)峰缺額進(jìn)一步增大，需要的煤電調(diào)峰深度增大，甚至超出設(shè)備最大調(diào)峰能力（全省平均約56%）。

（2）平水年調(diào)峰盈虧情況與枯水年類似，調(diào)峰盈余減小、調(diào)峰缺額增大，火電調(diào)峰深度變大。

（3）在同時(shí)滿足全省電力平衡的條件下，考慮22%、45%風(fēng)電裝機(jī)參與逆調(diào)峰兩種情況，福建電網(wǎng)可消納的海上風(fēng)電總裝機(jī)規(guī)模僅約1 227 萬kW～451 萬kW，小于海上風(fēng)電規(guī)劃裝機(jī)總規(guī)模，并且逆調(diào)峰比例越高，可消納的海上風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模越小。

3.3 周邊省份電力盈缺情況

福建電網(wǎng)屬于華東電網(wǎng)的一部分，北側(cè)為浙江省、西側(cè)為江西省，南部為屬于南方電網(wǎng)的廣東電網(wǎng)。目前福建電網(wǎng)通過北部的1 000 kV 榕城特～蓮都特、500 kV 寧德～金華各雙回線路與華東主網(wǎng)聯(lián)系。為加強(qiáng)國家電網(wǎng)與南方電網(wǎng)之間的電氣聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)互補(bǔ)余缺、互為備用和緊急事故支援，目前已啟動閩粵聯(lián)網(wǎng)工程前期工作，建設(shè)方案為建設(shè)直流背靠背及相關(guān)配套工程，工程輸電能力為200 萬kW，規(guī)劃在福建南部建成閩粵聯(lián)網(wǎng)背靠背換流站、福建和廣東之間的輸電通道。

以下分析福建周邊3 個(gè)陸上緊鄰省份的電力盈缺情況，從而分析福建電網(wǎng)風(fēng)電大發(fā)情況下的外送空間。

（1）浙江電網(wǎng)：“十四五”前期整體備用率偏低，后期電力平衡缺口逐步擴(kuò)大，高峰存在明顯缺口。其中：預(yù)計(jì)浙江電網(wǎng)2025 年夏季和冬季高峰電力缺口約1 200 萬kW；考慮嚴(yán)控煤電和電煤消耗力度、抽蓄和核電不能如期投運(yùn)、外來電減量供應(yīng)等不確定性因素，電力電量缺口將進(jìn)一步擴(kuò)大；電力缺口主要集中在東南部的臺溫電網(wǎng)和中部的蕭紹電網(wǎng)。

（2）廣東電網(wǎng)：考慮增加已核準(zhǔn)和規(guī)劃電源，預(yù)計(jì)2025—2030 年電力缺額490 萬kW～3 340 萬kW，主要集中在珠三角負(fù)荷中心地區(qū)。

（3）江西電網(wǎng)：考慮增加已核準(zhǔn)和規(guī)劃電源，預(yù)計(jì)2025—2035 年電力缺額1 200 萬kW～3 500 萬kW，主要集中在以南昌為中心的中北部地區(qū)。

以上地區(qū)均具備消納福建省盈余電力的潛力，可考慮利用現(xiàn)有或者新增省間聯(lián)網(wǎng)通道，實(shí)現(xiàn)福建盈余電力在全國更大范圍的消納。

此外，隨著海上風(fēng)電相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，開發(fā)條件和時(shí)機(jī)的進(jìn)一步成熟，未來也可考慮將福建省東南部海上風(fēng)電場風(fēng)電出力直接向東送至臺灣，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電資源在更大范圍內(nèi)的優(yōu)化配置，可考慮分期分片建設(shè)多座海上升壓匯流站和大容量直流換流站，通過多回直流通道外送，并在陸上建設(shè)相應(yīng)的換流站和配套交流網(wǎng)架加強(qiáng)項(xiàng)目。

4 促進(jìn)福建省風(fēng)電消納的措施分析

（1）統(tǒng)籌考慮海上風(fēng)電開發(fā)時(shí)序和規(guī)模。建議結(jié)合福建全省和分區(qū)負(fù)荷發(fā)展預(yù)測，火電、核電、水電、儲能等電源規(guī)劃，以及電網(wǎng)接入和消納條件，按照“有序、適度配置資源”的原則統(tǒng)，籌考慮海上風(fēng)電開發(fā)規(guī)模和時(shí)序，并規(guī)范風(fēng)電場前期工作程序。

（2）海上風(fēng)電接網(wǎng)部分配建電化學(xué)儲能。電化學(xué)儲能建設(shè)較靈活、周期較短，憑借自身優(yōu)秀的技術(shù)特性，在配套調(diào)節(jié)海上風(fēng)電方面有明顯優(yōu)勢。建議點(diǎn)面結(jié)合發(fā)展“海上風(fēng)電+儲能”［6-10］項(xiàng)目。結(jié)合國內(nèi)其他省市出臺新能源儲能配建措施和國內(nèi)已投在建的儲能電站倍率情況，從技術(shù)方面推薦海上風(fēng)電配建“裝機(jī)容量10%、滿功率持續(xù)運(yùn)行2 h”的儲能容量。采取“分散布局、多期規(guī)劃”策略實(shí)施海上風(fēng)電配套儲能電站建設(shè)，優(yōu)先布置“重要電力輸送通道”位置，支撐電網(wǎng)可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

（3）加強(qiáng)調(diào)峰電源建設(shè)力度，挖掘現(xiàn)有電源的調(diào)節(jié)能力，提高調(diào)峰電源的調(diào)峰能力。福建省貧油少氣，建設(shè)抽蓄電站、調(diào)峰性能較好的大型火電機(jī)組是發(fā)展調(diào)峰電源的現(xiàn)實(shí)選擇，爭取核電部分容量參與調(diào)峰也可提供一定的調(diào)峰能力。建議在規(guī)劃的新增電源中，提高調(diào)峰電源或者調(diào)峰性能較好電源的占比，例如選用大中型煤電機(jī)組、增加儲能電站（包括加快抽水蓄能電站）等調(diào)峰電源的建設(shè)，并專題研究福建省“風(fēng)光水火核蓄儲一體化”發(fā)展模式和價(jià)格機(jī)制。

（4）增強(qiáng)福建電網(wǎng)北電南送通道輸電能力。目前福建省500 kV 及以上電網(wǎng)北電南送斷面輸送能力約900 萬kW，而福建南部負(fù)荷約占全省的55%，而受港口等資源影響，北部電源占比則超過60%。為滿足福建南部用電需求（2035 年缺口約1 365 萬kW）和北部大規(guī)模電源（尤其是海上風(fēng)電）投產(chǎn)的送出需求，解決日益突出的福建電網(wǎng)北電南送問題，建議增強(qiáng)北電南送通道輸電能力。

（5）加強(qiáng)與區(qū)外的電力互濟(jì)，促進(jìn)清潔能源消納。隨著海上風(fēng)電規(guī)模的增大，今后福建盈余電力不斷增大，與區(qū)外電力互濟(jì)可考慮的通道包括：①北部通過現(xiàn)有福建至浙江南部的4回線路，實(shí)現(xiàn)北部盈余電力在浙江、上海等華東電網(wǎng)的消納，并適時(shí)增加福建至浙江東部負(fù)荷中心的輸電通道。②西部通過新建福建與江西的聯(lián)網(wǎng)，將福建盈余電力送至江西電網(wǎng)、尤其是江西中北部主要負(fù)荷區(qū)。③南部通過正在開展前期工作的閩粵聯(lián)網(wǎng)，將南部盈余電力送至廣東電網(wǎng)；遠(yuǎn)景可增加福建至廣東珠三角負(fù)荷中心區(qū)的輸電通道。④未來福建東部沿海風(fēng)電可考慮直接外送至臺灣電網(wǎng)。

各省份可消納福建盈余電力規(guī)模，待各地負(fù)荷和電源發(fā)展、西部水電送入和省間聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃等進(jìn)一步明確后，建議適時(shí)開展進(jìn)一步研究。

（6）利用海上風(fēng)電就地制氫。參考?xì)W洲等地區(qū)開展海上制氫的研究情況，未來福建東南外海豐富的海上風(fēng)電資源可就地用于制氫［8］，將氫輸送回陸地使用。如果能夠結(jié)合油氣公司的輸氣管路系統(tǒng)進(jìn)行輸送和存儲，可減少風(fēng)電送出所需的配套輸變電項(xiàng)目，節(jié)省投資和損耗，并提升社會和環(huán)境接受度，促進(jìn)節(jié)能減排。

（7）大力突破風(fēng)電并網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)。風(fēng)電并網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)度技術(shù)水平是影響風(fēng)電有效消納的關(guān)鍵因素，需滿足能源監(jiān)管部門、電網(wǎng)公司對于調(diào)度控制、風(fēng)功率預(yù)測考核細(xì)則、電力輔助服務(wù)等方面的要求。為保證福建風(fēng)電大規(guī)模接入電網(wǎng)后電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高風(fēng)電利用水平，應(yīng)加強(qiáng)風(fēng)電場功率預(yù)測、風(fēng)電場監(jiān)控、風(fēng)電機(jī)組/風(fēng)電場有功和無功控制、風(fēng)電機(jī)組故障穿越等關(guān)鍵技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用。

（8）完善風(fēng)電發(fā)展的政策措施。風(fēng)電發(fā)展的政策措施，包括技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及補(bǔ)償機(jī)制。①建設(shè)并完善風(fēng)電設(shè)備、并網(wǎng)、檢測、調(diào)度管理等方面的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，嚴(yán)格控制風(fēng)電設(shè)備制造、并網(wǎng)接入以及調(diào)度運(yùn)行等環(huán)節(jié)質(zhì)量，引導(dǎo)風(fēng)電技術(shù)和管理水平的提升。②建立風(fēng)電配套輸變電工程、跨區(qū)交易和調(diào)節(jié)的補(bǔ)償機(jī)制，提高電網(wǎng)企業(yè)建設(shè)配套接入工程的積極性。③制定合理的電價(jià)政策，建立分時(shí)電價(jià)，加強(qiáng)需求側(cè)管理，一方面鼓勵常規(guī)火電廠在低谷時(shí)刻主動為風(fēng)電騰出空間，另一方面，調(diào)節(jié)用戶的用電習(xí)慣，鼓勵使用低谷電力，從而促進(jìn)風(fēng)電的消納［11-12］。

5 結(jié)論及建議

（1）海上風(fēng)電開發(fā)規(guī)模：根據(jù)福建省近海和深遠(yuǎn)海海上規(guī)劃，預(yù)計(jì)2025 年、2030 年和2035 年底全省風(fēng)電總裝機(jī)容量分別為1 613 萬kW、2 332 萬kW 和3 026 萬kW，其中海上風(fēng)電規(guī)模分別為1 241 萬kW、1 960 萬kW、2 654 萬kW，占比約77%～88%。

（2）電力平衡存在的問題：按照負(fù)荷預(yù)測基本方案，不考慮與區(qū)外電力交換時(shí)，福建省枯大方式、盛風(fēng)期大方式基本實(shí)現(xiàn)電力平衡，但盛風(fēng)期煤電機(jī)組平均出力率處于較低水平（約68%～46%）；盛風(fēng)期小方式全省存在電力盈余，且規(guī)模逐漸增大，2035 年最多盈余約800 萬kW。若按照負(fù)荷預(yù)測低方案，則福建電網(wǎng)2035 年最大盈余可能進(jìn)一步擴(kuò)大至1 534 萬kW。產(chǎn)生該盈余的主要原因是本文所依據(jù)的近海和深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電開發(fā)規(guī)模和時(shí)序階段性成果，優(yōu)先考慮的是風(fēng)電場的裝機(jī)規(guī)模、離岸距離、水深、建設(shè)條件、經(jīng)濟(jì)技術(shù)情況等因素，尚未和福建省火電、核電、水電、儲能等電源規(guī)劃進(jìn)一步統(tǒng)籌考慮。

（3）調(diào)峰平衡存在的問題：在不考慮風(fēng)電逆調(diào)峰的情況下，福建全省均存在調(diào)峰盈余?；痣娬{(diào)峰深度逐漸增大。考慮一定比例的風(fēng)電逆調(diào)峰，2030 年基本上均開始出現(xiàn)調(diào)峰缺額，并且缺額逐漸增大；隨著風(fēng)電逆調(diào)峰比例的提高，調(diào)峰缺額增大，煤電調(diào)峰深度隨之增大，甚至超出設(shè)備最大調(diào)峰能力（全省平均約56%）。造成調(diào)峰缺額的原因是風(fēng)電具有一定比例的逆調(diào)峰特性，風(fēng)電規(guī)模越大、調(diào)峰缺額越大，并且沒有相應(yīng)地增加各類調(diào)峰電源。

（4）建議按照“有序、適度配置資源”的原則，統(tǒng)籌考慮海上風(fēng)電開發(fā)時(shí)序和規(guī)模；進(jìn)一步挖掘現(xiàn)有電源的調(diào)節(jié)能力，提高電網(wǎng)的調(diào)峰能力，促進(jìn)福建電網(wǎng)風(fēng)電的消納；并進(jìn)一步加快抽水蓄能電站等調(diào)峰電源的建設(shè)，點(diǎn)面結(jié)合發(fā)展“海上風(fēng)電+儲能”項(xiàng)目，提高福建電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力，并提高風(fēng)電外送規(guī)模，加強(qiáng)與區(qū)外電網(wǎng)（包括浙江電網(wǎng)、上海電網(wǎng)、廣東珠三角負(fù)荷中心區(qū)、江西中北部地區(qū)、臺灣電網(wǎng)）的電力和調(diào)峰互濟(jì)，適時(shí)新增區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道，促進(jìn)福建省海上風(fēng)電資源在全國更大范圍內(nèi)的消納。

（5）隨著大規(guī)模海上風(fēng)電的接入，電網(wǎng)面臨的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化、短路電流控制、安全穩(wěn)定等方面問題日益突出；上網(wǎng)電價(jià)等將影響風(fēng)電與其他類型電源在外送方面的競爭力。建議后續(xù)結(jié)合電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃、風(fēng)電開發(fā)和送出方案、國家相關(guān)政策等方面，作進(jìn)一步專題研究。