基于影響風(fēng)電消納關(guān)鍵因素的分析與研究

大唐陜西發(fā)電有限公司新能源分公司 張 鵬

目前，影響大規(guī)模風(fēng)能消納的關(guān)鍵因素主要是風(fēng)能資源的不確定性以及區(qū)域分布的錯(cuò)位和不集中。由于儲(chǔ)能目前是一個(gè)難題，通常采用“發(fā)電—供電”模式來(lái)確定供需比[1]。如圖1某地區(qū)日總負(fù)荷和風(fēng)電功率曲線所示。

圖1 日用總負(fù)荷與風(fēng)電出力曲線圖

從圖中曲線上可以看出，電力負(fù)荷曲線不是平滑直線，在白天和晚上存在用電高低峰，特別風(fēng)電出力最低時(shí)占負(fù)荷僅有2.8%，因此調(diào)整峰是不可避免的。

基于上述這種情況，一方面需要通過(guò)建設(shè)富裕機(jī)組來(lái)滿足高峰時(shí)段電能的電消耗需求，可以從圖2中看出風(fēng)電出力與電網(wǎng)負(fù)荷存在較強(qiáng)的反調(diào)峰特性；另一方面，還需要采取整個(gè)電氣系統(tǒng)優(yōu)化進(jìn)行“削峰填谷”調(diào)整。由于目前風(fēng)電的大規(guī)模接入電網(wǎng)，對(duì)電力系統(tǒng)的監(jiān)管能力提出了更大的挑戰(zhàn)，這主要體現(xiàn)在發(fā)電側(cè)和用戶之間的時(shí)間位移和地域錯(cuò)位[2]。時(shí)間位移體現(xiàn)在兩方面：一方面反映在風(fēng)力發(fā)電和電力負(fù)荷之間的錯(cuò)位；另一方面反映在資源配置問(wèn)題上，在晴天和其他無(wú)風(fēng)條件下，風(fēng)力發(fā)電量將顯著減少，與可控火力發(fā)電廠不同，風(fēng)能的不確定性已成為電網(wǎng)面臨的主要挑戰(zhàn)之一。地域的錯(cuò)位：大規(guī)?；蛘叽笱b機(jī)容量的風(fēng)電主要分布在西北部和北部，而用電大戶需求主要集中在中東部，因此存在地域上存在錯(cuò)位[3]。針對(duì)上述風(fēng)電消納面臨問(wèn)題，本文提出了一些風(fēng)電消納的關(guān)鍵技術(shù)可以有效對(duì)風(fēng)電消納問(wèn)題得以解決。

圖2 風(fēng)電出力與電網(wǎng)負(fù)荷存的反調(diào)峰特性圖

1 風(fēng)電消納能力影響要素

根據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)，影響風(fēng)能消費(fèi)能力的主要因素可歸納為四個(gè)方面：發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶端和政策機(jī)制，其具體相關(guān)內(nèi)容如表1所示。文中以風(fēng)電消納為中心，從發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶端和政策機(jī)制等不同方面提出影響風(fēng)電消納的技術(shù)原因。發(fā)電側(cè)主要采取科學(xué)發(fā)展可再生能源，促進(jìn)煤電有序發(fā)展，合理組織各類供電項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)行進(jìn)度，加大對(duì)落后煤電產(chǎn)能的關(guān)閉和技術(shù)改造力度，加快蓄水儲(chǔ)能、天然氣發(fā)電等調(diào)峰項(xiàng)目建設(shè)，提高調(diào)峰能力，推進(jìn)可再生能源全面應(yīng)用；電網(wǎng)方面主要采取提高電網(wǎng)規(guī)劃和布局，以提高電網(wǎng)可再生能源消納能力，擴(kuò)大電能的輸送，提高可再生能源輸送量，優(yōu)化適應(yīng)可再生能源獲取特點(diǎn)的電力調(diào)度運(yùn)行模式，確保可再生能源優(yōu)先消納和交易合同的履行；用戶端主要支持消費(fèi)，靈活引導(dǎo)終端用戶優(yōu)先使用可再生能源，完善可再生能源使用的市場(chǎng)機(jī)制，鼓勵(lì)可再生能源參與電力市場(chǎng)交易。這些因素的綜合作用共同決定了風(fēng)能的消納能力。因此，在評(píng)估影響風(fēng)能消納的因素時(shí)，我們可以從兩個(gè)方面進(jìn)行研究和分析：一是技術(shù)原因；另一個(gè)是經(jīng)濟(jì)政策。

表1 影響風(fēng)電消納能力的主要因素

1.1 影響風(fēng)電消納的技術(shù)原因

1.1.1 風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電側(cè)的影響

由于風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)性和間歇性的原因與火電機(jī)相比，存在著電壓監(jiān)管和系統(tǒng)穩(wěn)定性等問(wèn)題。目前，由于受風(fēng)能檢測(cè)設(shè)備落后性、檢測(cè)能力局限性、風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)不完善等原因，導(dǎo)致大多數(shù)現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組仍然缺乏系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)、有功系統(tǒng)功率和無(wú)功功率以及低壓自切換輔助電源的技術(shù)。如果風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)生故障，可能會(huì)發(fā)生脫網(wǎng)運(yùn)行，這將直接危及整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

1.1.2 電網(wǎng)側(cè)影響

風(fēng)電并入電網(wǎng)系統(tǒng)能力主要取決于整個(gè)電網(wǎng)負(fù)荷消納能力和系統(tǒng)調(diào)峰能力。而電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)峰能力和常規(guī)備用機(jī)組的裝機(jī)容量又限制了并網(wǎng)風(fēng)電的規(guī)模性。此外，電力結(jié)構(gòu)與風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)規(guī)律又有著密切關(guān)系如下：

大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電或大容量風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的安全性存在潛在的安全隱患；用電端的需求量與風(fēng)電容量之間存在不匹配；電網(wǎng)不合理的調(diào)度方式限制了風(fēng)力發(fā)電的消納能力。

1.2 影響風(fēng)電消納的經(jīng)濟(jì)政策

1.2.1 經(jīng)濟(jì)原因

1.2.1.1 補(bǔ)償金額不足

目前，為了鼓勵(lì)風(fēng)電的發(fā)電，其上網(wǎng)電價(jià)應(yīng)該高于傳統(tǒng)不可再生資源發(fā)電的上網(wǎng)電價(jià)。此外，由于電網(wǎng)公司上網(wǎng)電價(jià)的上調(diào)就意味著新能源發(fā)電的利潤(rùn)就會(huì)有所減少。目前，雖然國(guó)家為電網(wǎng)公司接受的風(fēng)能發(fā)電提供了一些補(bǔ)償，但這種補(bǔ)償不足以鼓勵(lì)電網(wǎng)公司積極接納風(fēng)電的消納。

1.2.1.2 補(bǔ)償機(jī)制缺乏完善性

大型風(fēng)電的建設(shè)又存在很多基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，但按照國(guó)內(nèi)目前標(biāo)準(zhǔn)建立的風(fēng)能接入電力系統(tǒng)的補(bǔ)貼還是較低，并且沒(méi)有完善的激勵(lì)投資補(bǔ)償機(jī)制，這使得風(fēng)能項(xiàng)目難以及時(shí)收回投資款，這在客觀上限制了風(fēng)電的發(fā)展和消納能力。

1.2.2 政策原因

1.2.2.1 項(xiàng)目審批漏洞

當(dāng)?shù)卣畽C(jī)構(gòu)不同的審批標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致風(fēng)電建設(shè)缺乏完善的布局與規(guī)劃，并且電網(wǎng)建設(shè)相對(duì)于風(fēng)電建設(shè)、投用的速度存在滯后性，最終導(dǎo)致風(fēng)電消納能力和容量更加困難。

1.2.2.2 不合理的供應(yīng)政策

當(dāng)前不合理的供應(yīng)政策不能鼓勵(lì)用戶端積極消納風(fēng)電。

2 風(fēng)電消納控制策略

2.1 風(fēng)能配置或布局將消納視為硬約束

風(fēng)能配置或布局原則上應(yīng)遵循集中與分散并重的發(fā)展機(jī)制，即在“三北”等風(fēng)能資源豐富的地區(qū)大規(guī)模投資建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)，并跨地區(qū)接入電網(wǎng)與輸送同步實(shí)施；對(duì)于分散在中東和南部等風(fēng)資源稀缺地區(qū)的風(fēng)能項(xiàng)目的開發(fā)，采用了低壓接入電網(wǎng)和當(dāng)?shù)叵{的機(jī)制。

2.2 用一般思維解決局部問(wèn)題

目前，我國(guó)能源體系仍處于不完善階段，體現(xiàn)在能源效率低、能源體系不協(xié)調(diào)、新能源體系包容性差。在發(fā)展模式、體制機(jī)制等方面還存在一些問(wèn)題，為此提高電力系統(tǒng)調(diào)峰能力是供電側(cè)體制改革的重要內(nèi)容，也是優(yōu)化電力系統(tǒng)、提高運(yùn)行效率的重要保證。

2.3 從減少行政干預(yù)到建立市場(chǎng)機(jī)制

根據(jù)相關(guān)研究，風(fēng)電的開發(fā)通常要經(jīng)歷三個(gè)階段：

第一階段為風(fēng)能開發(fā)階段。此階段風(fēng)能開發(fā)投資資金大，價(jià)格沒(méi)有參考范圍；第二階段為風(fēng)能規(guī)模的擴(kuò)大或系統(tǒng)化。此階段經(jīng)過(guò)改進(jìn)和完善后可減少項(xiàng)目資金，相應(yīng)調(diào)整上網(wǎng)電價(jià)，適當(dāng)降低國(guó)家政策性補(bǔ)貼相關(guān)費(fèi)用；第三階段為規(guī)模化地風(fēng)電將參與市場(chǎng)招標(biāo)，并相應(yīng)地逐步取消對(duì)國(guó)家政策和其他扶持政策的貢獻(xiàn)。

在目前情況下，國(guó)內(nèi)的風(fēng)電仍處于第二階段。風(fēng)電作為一種新能源，在開發(fā)和使用也在很大程度上依賴于政治補(bǔ)貼，但是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的缺乏完善。

3 風(fēng)電消納關(guān)鍵技術(shù)

由于目前國(guó)內(nèi)大規(guī)模在風(fēng)能資源富余的地區(qū)投資建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)電棄風(fēng)問(wèn)題一直難以解決，但風(fēng)電是國(guó)家可再生能源發(fā)展的重要組成部分。隨后，國(guó)家還制定了一系列支持風(fēng)能發(fā)展的政策，其中一些省份還根據(jù)當(dāng)?shù)噩F(xiàn)狀發(fā)布了風(fēng)能規(guī)劃方案。在布局預(yù)案計(jì)劃中，大多數(shù)使用相同電壓等級(jí)來(lái)接入約60%的系統(tǒng)負(fù)載（最小或平均），這與負(fù)載消納的估計(jì)值處于同一水平。

3.1 儲(chǔ)能技術(shù)

由于風(fēng)能固有的隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性，也是棄風(fēng)限電的客觀原因。而儲(chǔ)能技術(shù)是有利于電力系統(tǒng)調(diào)峰、促進(jìn)可再生能源大規(guī)模發(fā)展的重要技術(shù)手段之一。同時(shí)，它還可以促進(jìn)電網(wǎng)規(guī)劃布局、調(diào)度管控、運(yùn)行調(diào)節(jié)和運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)變等優(yōu)勢(shì)，并成功應(yīng)用于發(fā)電、輸電、配電和用電等電力系統(tǒng)每個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如果應(yīng)用于分布式風(fēng)能，效果會(huì)更佳，它可以跟蹤調(diào)度規(guī)劃日期，進(jìn)行計(jì)劃輸出規(guī)劃和功率控制，從而提高風(fēng)力發(fā)電的可靠性和穩(wěn)定性。目前，可以基于大數(shù)據(jù)和智能電力監(jiān)管軟件，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電和儲(chǔ)能的全面協(xié)同與監(jiān)控控制。

3.2 調(diào)度優(yōu)化技術(shù)

優(yōu)化電力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度，其規(guī)范如圖3所示。過(guò)去，電力系統(tǒng)的快速調(diào)峰是在風(fēng)電發(fā)電出力的不穩(wěn)定階段進(jìn)行的。但是目前可以在儲(chǔ)能設(shè)備開發(fā)和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，在分布式風(fēng)能過(guò)剩的情況下儲(chǔ)存能量，并在用電峰期和發(fā)電側(cè)電力匱乏的情況下用作額外的備用電源。該種調(diào)度方式對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)帶來(lái)的不確定性具有良好的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避效果，但由于投資成本過(guò)高，在短時(shí)間內(nèi)難以應(yīng)用。

圖3 風(fēng)電優(yōu)化調(diào)度規(guī)范

目前，隨著間歇性分散風(fēng)能并網(wǎng)，為了保證電力系統(tǒng)的電力平衡，可以引入橫向水平響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)高效、完整地利用各種間歇性能源，可以實(shí)現(xiàn)資源整合，這對(duì)提高供電的整體適應(yīng)性和可靠性起到了重要作用[4]。風(fēng)能進(jìn)入電網(wǎng)后，對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量、頻率控制、電壓調(diào)節(jié)、安全穩(wěn)定等都有很大的影響。因此,要優(yōu)化整合電網(wǎng)調(diào)度方式,重復(fù)利用和重組現(xiàn)有資源結(jié)構(gòu)，充分利用火電機(jī)組深度調(diào)峰和水電站蓄水儲(chǔ)能嗎，采用合理的調(diào)度方式和手段，控制風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量，增加不同電網(wǎng)的相互調(diào)峰協(xié)助和區(qū)域性交叉電力交易模式，降低風(fēng)能并入電網(wǎng)的影響。

3.3 微電網(wǎng)技術(shù)

微電網(wǎng)技術(shù)是一種集發(fā)電、配電、輸電和用電于一體的小型電力系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)局部電力系統(tǒng)的平衡和優(yōu)化問(wèn)題，基于上述微電網(wǎng)技術(shù)也被認(rèn)為是配電系統(tǒng)中一種可靠電源。經(jīng)現(xiàn)有的研究和實(shí)踐表明，將分布式風(fēng)能以微電網(wǎng)的形式整合和分配到電力系統(tǒng)中，并與電網(wǎng)相互支持，是充分利用分布式風(fēng)能效益的有效途徑。在電網(wǎng)發(fā)生災(zāi)害時(shí)，有助于向重要負(fù)荷持續(xù)供電，避免間歇性供電對(duì)周邊用戶用電的直接影響，此外還有助于優(yōu)化可再生能源的利用，減少峰谷損失。

3.4 虛擬同步機(jī)技術(shù)

虛擬同步機(jī)技術(shù)是新一代智能電力控制技術(shù)。它整合并優(yōu)化“源網(wǎng)荷”方案的清潔發(fā)展。該技術(shù)模型是基于電網(wǎng)的傳統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)，依托互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)代信息通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電側(cè)的多源交互和各分布式發(fā)電機(jī)組負(fù)荷側(cè)的靈活交互，在電網(wǎng)中存儲(chǔ)電力和用戶負(fù)荷，優(yōu)化市場(chǎng)交易的協(xié)同控制和運(yùn)行，為電力系統(tǒng)提供調(diào)峰、調(diào)頻等功能。虛擬同步機(jī)技術(shù)也構(gòu)建了一種互聯(lián)、智能、互動(dòng)、靈活、安全、可控的電力系統(tǒng)，為清潔能源消納和低碳能源轉(zhuǎn)型提供前瞻性解決方案。此外，創(chuàng)新探索附近的風(fēng)能消納方式對(duì)促進(jìn)風(fēng)能消納也非常重要，如風(fēng)能供暖、風(fēng)能制氫和多種互補(bǔ)能源模式的發(fā)展。