李淑慧，李志國

（東北電力設計院，長春 130021）

吉林省作為我國風能資源大省，潛在開發(fā)量為93330MW，覆蓋面積29196km2，理論風能蘊藏量為6920×108（kW·h）／a。吉林省風能具有風速穩(wěn)定、極端最大風速小、海拔低、空氣密度大、可開發(fā)面積大的特點，在全國居中等偏上水平。吉林省西部風電基地已納入國家千萬千瓦級風電基地建設規(guī)劃。

由于吉林電網(wǎng)供熱機組比重大，冬季采暖期比較長，長期存在電網(wǎng)調(diào)峰容量不足的問題。隨著吉林省風電裝機容量的逐年增加，將進一步加重吉林電力電量消納和電網(wǎng)調(diào)峰的困難，成為影響吉林省風電進一步大規(guī)模開發(fā)的主要問題。為協(xié)調(diào)風電開發(fā)與輸電網(wǎng)建設，擴大風電資源在更大范圍內(nèi)的資源優(yōu)化配置，確保吉林省可再生能源發(fā)展目標的實現(xiàn)，亟需研究并提出吉林省風電省外消納的方式方法。

1 制約吉林省風電發(fā)展的主要因素

1.1 電源結(jié)構不合理

截至2012年底，吉林省水電、常規(guī)煤電、熱電、風電及其他機組分別占電源總裝機的18.4%、19.5%、48.3%、13.8%和0.01%。從吉林省電源結(jié)構來看，雖然吉林省省域的水電裝機容量較大，但大部分機組主要擔負著整個東北電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用的任務，而吉林省直調(diào)的水電機組容量約450 MW，且多為徑流式發(fā)電機組。隨著系統(tǒng)負荷峰谷差的不斷增大，系統(tǒng)水電裝機所占比例逐漸減少，并且具有反調(diào)峰性質(zhì)的風電機組和調(diào)峰能力很差的集中供熱機組比例逐年增大，系統(tǒng)調(diào)峰問題將是持續(xù)困擾吉林電網(wǎng)運行的主要矛盾之一。

1.2 大規(guī)模風電并網(wǎng)加劇系統(tǒng)調(diào)峰困難

風電和其他常規(guī)能源發(fā)電方式不同，主要表現(xiàn)為出力隨機性和不確定性。其出力特性與負荷曲線相關性較差的特點勢必會對系統(tǒng)的調(diào)峰運行產(chǎn)生不利的影響。為保證系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行，就要求網(wǎng)內(nèi)火電機組深度壓出力運行。而當風電投產(chǎn)容量達到一定規(guī)模，即便發(fā)揮最大的調(diào)峰能力也無法維持系統(tǒng)的正常運行時，電網(wǎng)就不能再接受更大容量的風電機組并網(wǎng)。尤其吉林省冬季寒冷，為滿足供熱需求熱電機組比重大并且采用“以熱定電”方式運行，參與調(diào)峰幅度較小，系統(tǒng)整體調(diào)峰容量不足，風電大規(guī)模發(fā)展將導致小負荷時系統(tǒng)運行困難。

1.3 無功電壓及安全穩(wěn)定問題

由于風電出力具有隨機性、間歇性，參與調(diào)頻的火電機組難以適應風電出力的快速變化，風電大規(guī)模接入帶來有功平衡困難，并且風電場多位于電網(wǎng)末端，距離負荷中心電氣距離較長，大規(guī)模風電的出力變化，會導致系統(tǒng)電壓大幅變化，造成電網(wǎng)無功電壓和安全穩(wěn)定問題。

1.4 風資源豐富地區(qū)地理位置較偏遠，風電需大規(guī)模外送

吉林省風電主要集中在西部地區(qū)，當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展水平相對落后，負荷水平低，市場空間十分有限，風電需送往其他地市甚至外省區(qū)電網(wǎng)消納。為風電大規(guī)模外送，需同步加強跨省跨區(qū)的電網(wǎng)互聯(lián)，擴大風電的消納范圍和規(guī)模。而大規(guī)模風電并網(wǎng)外送至其他地區(qū)，將造成電網(wǎng)穩(wěn)定水平降低。為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，需要進一步加強電網(wǎng)結(jié)構。由于長距離輸電損耗較大加之建設外送通道成本較高，因此風電到網(wǎng)電價有時不具備競爭優(yōu)勢。

2 系統(tǒng)調(diào)峰情況

參照東北設計院編寫的《東北電網(wǎng)消納風電能力研究報告》《關口調(diào)度模式下東北電網(wǎng)消納風電能力研究》，按東北電網(wǎng)現(xiàn)行的關口調(diào)度模式，2015年，吉林電網(wǎng)和遼寧電網(wǎng)已無法正常運行，黑龍江電網(wǎng)、網(wǎng)調(diào)及蒙東電網(wǎng)最大可消納風電的容量分別為2791MW和7330MW；2020年，吉林電網(wǎng)仍無法正常運行，遼寧電網(wǎng)、黑龍江電網(wǎng)、網(wǎng)調(diào)及蒙東電網(wǎng)最大可消納風電的容量分別為7229 MW、7201 MW和13587MW?？梢?，吉林省規(guī)劃的大規(guī)模風電裝機要想合理消納，必需尋求省外消納的方式。

即使東北電網(wǎng)實行統(tǒng)一調(diào)度模式，使得東北電網(wǎng)風電消納能力有一定提高，但東北電網(wǎng)能夠為吉林省提供的風電消納空間仍十分有限，吉林省風電要想獲得長足的發(fā)展，應積極探求其他消納方式方法。

3 吉林風電基地市場定位

吉林省風電基地是國家確定的千萬千瓦級風電基地之一，開發(fā)優(yōu)勢明顯，是東北新能源開發(fā)的首選基地，是我國快速大規(guī)模發(fā)展清潔能源的重要保證，加快推動其發(fā)展具有重大的戰(zhàn)略意義和可持續(xù)發(fā)展效益，但吉林省的調(diào)峰水平是影響吉林省內(nèi)風電消納的最主要因素。通過計算，吉林省風電消納空間有限，需要在整個東北電網(wǎng)進行消納，同時也需要積極探索東北區(qū)域外消納的方式方法。

華中、華東、華北（以下簡稱“三華”）電網(wǎng)是我國主要負荷中心區(qū)，系統(tǒng)負荷水平高、裝機規(guī)模大、調(diào)節(jié)能力相對較強，且區(qū)域內(nèi)風電開發(fā)規(guī)模占總裝機的比重相對較低，是消納我國西北、東北、華北（以下簡稱“三北”）地區(qū)風電的潛在市場?？紤]扣除在東北和吉林本地電網(wǎng)消納的風電后，吉林風電基地風電可納入“三華”特高壓同步電網(wǎng)后統(tǒng)籌消納。

4 吉林風電大規(guī)模外送區(qū)外方式研究

4.1 外送方式選擇

根據(jù)風電外送通道和外送方式的不同，目前風電輸送分為點對網(wǎng)單獨交流通道，風火混合點對網(wǎng)通道，風火混合網(wǎng)對網(wǎng)通道3種情況。

吉林省風電如果采用交流輸電線路送至區(qū)外最近的華北電網(wǎng)，華北電網(wǎng)距離吉林省西部地區(qū)最近的唐山地區(qū)距離約1000km，經(jīng)濟性較差，難以滿足要求。由于吉林西部風電、大型火電的開發(fā)和吉林省西部主網(wǎng)架已形成或即將形成較為緊密的聯(lián)系，如果采用點對網(wǎng)的方式，將對西部主網(wǎng)架規(guī)劃產(chǎn)生較大影響，因此該方式不適宜吉林的風電外送，可以考慮采用直流網(wǎng)對網(wǎng)送出方式（見圖1）。

圖1 混合網(wǎng)對網(wǎng)直流輸送方式

網(wǎng)對網(wǎng)直流輸送方式主要是指風電場和火電基地電力接入送端電網(wǎng)并以網(wǎng)對網(wǎng)的形式送至受端電網(wǎng)，外送通道可以通過直流連接。

4.2 網(wǎng)對網(wǎng)直流輸送方式研究

風火混合外送通過直流線路送出時，對于直流線路而言，由于兩端均為電力電子元件，輸電功率可以迅速調(diào)整，只要滿足輸送功率大于線路額定輸送功率的10%即可，缺點是輸電功率的頻繁變化會引起濾波器和無功補償裝置的頻繁動作。為解決風電出力波動的問題，而且考慮到目前調(diào)度管理考核聯(lián)絡線輸送功率的要求，為了避免輸電功率波動引起受端電網(wǎng)的頻繁調(diào)節(jié)，風火混合輸電需要可控的火電主動根據(jù)風電出力進行調(diào)節(jié)，保持輸電功率恒定。風火混合比例受風電裝機容量、風電有效容量系數(shù)、風電保證容量系數(shù)、輸電通道送電曲線的影響而變化。

4.2.1 調(diào)峰分析

風火混合外送，一般需要滿足負荷高峰和負荷低谷的送電曲線，有如下關系：

a.輸電通道負荷高峰容量為風電保證容量與火電機組裝機容量出力之和；

b.輸電通道負荷低谷容量為風電有效容量與火電機組最小技術出力之和；

c.輸電通道最小容量小于風電保證容量與火電機組最小技術出力之和。

輸電通道風火混合送電需要滿足上述3點要求，輸電通道輸送容量在負荷高峰時一般為通道能力的100%，在負荷低谷時需要根據(jù)是否為受端電網(wǎng)調(diào)峰而定，正常情況下，網(wǎng)對網(wǎng)通道負荷低谷時段送電功率一般為負荷高峰時段的50%，也可以根據(jù)送電需要調(diào)整，最低可以調(diào)節(jié)到0，網(wǎng)送通道的調(diào)峰全部由送端電網(wǎng)承擔，最高可以調(diào)節(jié)到100%，此時網(wǎng)送通道的調(diào)峰全部由受端電網(wǎng)承擔。

考慮系統(tǒng)調(diào)峰需求，按可輸送最大風電容量考慮，對不同直流輸電曲線下風火輸送比例進行計算，計算時主要滿足：

a.火電按負荷20%留備用；

b.吉林省風電保證容量系數(shù)按0.012，有效容量系數(shù)按0.646考慮；

c.配送火電按全部采用大機組常規(guī)煤電考慮。

直流網(wǎng)對網(wǎng)外送風電情況計算結(jié)果見表1，表中直流輸電線路實際輸送風電容量取1，配送火電按大機組常規(guī)煤電考慮。

由表1可知，直流輸電曲線的制定直接影響兩端系統(tǒng)的調(diào)峰能力，進而影響可最大外送風電容量。直流曲線大方式和小方式比例越小，可配送最大風電容量越大，需最小配送火電容量越小，為送端系統(tǒng)提供的調(diào)峰能力越大。

表1 直流網(wǎng)對網(wǎng)外送風電情況分析

從直流運行曲線來看，如果采用大方式和小方式均為通道容量的100%時，直流通道的容量能夠得到最大化利用，直流利用小時數(shù)最高，直流利用率最大，經(jīng)濟性最好，而且大方式和小方式采用1∶1的運行方式，可以避免輸電功率波動引起受端電網(wǎng)的頻繁調(diào)節(jié)，考慮到吉林省乃至東北電網(wǎng)的調(diào)峰狀況，吉林省風火混合直流網(wǎng)對網(wǎng)外送方案應以不增加吉林省電網(wǎng)調(diào)峰難度、系統(tǒng)調(diào)峰任務主要由對端電網(wǎng)承擔為出發(fā)點。

因此建議在取得受端系統(tǒng)認可的情況下，直流運行爭取采用1∶1的運行方式。

4.2.2 調(diào)頻分析

根據(jù)已有的統(tǒng)計資料，對于一個100 MW的風電場，每分鐘的出力變化率不超過3%裝機容量的概率為99%。統(tǒng)計整個地區(qū)的風電場出力變化率，隨著風電裝機容量的增加，風電出力變化率呈下降趨勢，可以認為整個地區(qū)風電場風電出力變化率不超過3%裝機容量的概率可達到99%。

煤電基地的600MW以上的火電機組可達到每分鐘2%額定容量的調(diào)節(jié)速度，根據(jù)研究資料預計與之混合外送風電的出力變化率不超過3%，按照只有煤電基地的火電機組為混合風電調(diào)頻的條件，要求風電裝機容量和火電容量的比例不高于2∶3，如果送出風電的調(diào)頻由全網(wǎng)機組承擔則風火比例的條件更加寬松。

各省的風電有效容量系數(shù)差別也存在明顯的差別，因此網(wǎng)對網(wǎng)通道的風火比例需要根據(jù)具體情況分別考慮。在網(wǎng)對網(wǎng)直流外送方式中，由全網(wǎng)的火電機組承擔調(diào)峰、調(diào)頻，裕度較大，而且外送風電的有效容量系數(shù)是全省的風電有效容量系數(shù)。

5 吉林省風電外送方案設想

吉林省西部距離華北電網(wǎng)約1000km，距離華東電網(wǎng)約1500km，從輸送距離和輸送容量考慮，±800kV可作為可選的輸電電壓等級。以直流額定電流5000A，輸電容量8000 MW進行方案設想，不同直流曲線下外送風電、火電能力見表2。從直流運行曲線來看，當大方式和小方式采用1∶1運行曲線時，能夠為受端電網(wǎng)提供最大的電力支撐同時為送端電網(wǎng)提供較大調(diào)峰支撐，而且有利于直流的經(jīng)濟運行。由表2可知，當大方式和小方式采用1∶1的運行曲線時，1條±800kV直流最大可外送風電電力7486MW。

表2 ±800直流外送風電能力分析 MW

5.1 送端電源組織方案

白城地區(qū)規(guī)劃有大型路口電廠，可作為送端火電電源之一，吉林省遠期規(guī)劃有熱電機組的建設，也可作為送端火電電源之一，此外，根據(jù)東北地區(qū)煤炭資源分布情況，吉林省是一次能源缺乏省份，今后主要靠外來煤，受資源及運力限制，境內(nèi)新增火電裝機有限，而蒙東地區(qū)煤炭資源豐富，興安盟地區(qū)規(guī)劃有大型路口電廠，也可作為送端火電電源之一，吉林風電與這些地區(qū)的火電機組組成送端電源。

5.2 送端落點分析

考慮到送端電源尚未落實，可供組織的大型電源分布在吉林西部地區(qū)和蒙東地區(qū)，因此送端落點暫定在吉林西部和蒙東交界處，具體落點可待下一步送端電源落實后根據(jù)電源具體分布情況進行綜合的技術經(jīng)濟比較后選定。

5.3 受端落點分析

華北和華東經(jīng)濟發(fā)達，但資源匱乏，是我國重要的電力受端。未來這些地區(qū)電力需求將繼續(xù)保持較快增長，仍將是我國主要的受電方向，具備消納大規(guī)模區(qū)外來電和本區(qū)新增電源裝機的電力市場空間。綜合考慮電力需求、地理位置等綜合因素，可在華北和華東負荷中心選擇適當?shù)攸c作為受端落點。

6 結(jié)論和建議

a.吉林省風電資源豐富，風電基地可開發(fā)風電資源總規(guī)模約20000MW，但是調(diào)峰能力和風電消納能力不足，需要尋找合適的省外和區(qū)域外消納方式。

b.東北電網(wǎng)能夠為吉林省提供的風電消納空間有限，吉林省風電要想獲得長足的發(fā)展，應積極探求其他消納方式方法?！叭A”電網(wǎng)是我國主要負荷中心地區(qū)，系統(tǒng)負荷水平高、裝機規(guī)模大、調(diào)節(jié)能力相對較強，且區(qū)域內(nèi)風電開發(fā)規(guī)模占總裝機的比重相對較低，是消納我國“三北”地區(qū)風電的潛在市場。考慮扣除在東北和吉林本地電網(wǎng)消納的風電后，吉林風電基地風電可納入“三華”特高壓同步電網(wǎng)后統(tǒng)籌消納。

c.目前，東北地區(qū)風電電量均在本省消納，建議東北實行統(tǒng)一調(diào)度的模式，吉林省風電電量應在整個東北電網(wǎng)消納，從而調(diào)高吉林省風電機組的利用時間，提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。

d.東北區(qū)域外消納吉林省風電，涉及到受端系統(tǒng)的接納能力和受電方式（直流曲線的制定），應盡快開展與受端系統(tǒng)的商談工作，便于后續(xù)工作的開展。