孫 雷，肖景良，楊明煜

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130021)

0 引言

我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，也是少數(shù)幾個(gè)以煤炭為主要能源的國(guó)家。2019年，我國(guó)煤炭消費(fèi)約占能源消費(fèi)總量的57.7%，盡管比上一年降低1.5個(gè)百分點(diǎn)，但節(jié)能減排壓力依然較大。到2030年，我國(guó)單位GDP二氧化碳排放量將比2015年降低65%以上，非化石能源消費(fèi)比重計(jì)劃將提高到25%左右[1]。大力發(fā)展以風(fēng)能為代表的新能源是我國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，是改進(jìn)資源利用方式、調(diào)整資源結(jié)構(gòu)配置、提高資源利用率的重要舉措，也是改善生態(tài)、保護(hù)環(huán)境的有效途徑。內(nèi)蒙古地區(qū)風(fēng)電資源豐富，技術(shù)可開發(fā)量達(dá)到1.5億kW[2]，位居全國(guó)首位，開發(fā)優(yōu)勢(shì)明顯。而錫林郭勒盟風(fēng)電開發(fā)條件尤為優(yōu)越，2017年國(guó)家能源局批準(zhǔn)錫盟風(fēng)電基地本期開發(fā)規(guī)模為7 000 MW，而當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱，不具備匯集和送出大規(guī)模風(fēng)電的能力。因此，統(tǒng)籌規(guī)劃合理的風(fēng)電基地輸電方案對(duì)于保障錫盟風(fēng)電安全可靠送出、減少棄風(fēng)、大范圍優(yōu)化資源配置具有重要作用和意義。

1 風(fēng)電基地概況

錫林郭勒盟位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，屬中溫帶半干旱大陸性氣候，風(fēng)能資源豐富。全盟大部分地區(qū)70 m高平均風(fēng)速為8.5 m/s，平均風(fēng)功率密度為600 W/m2以上，風(fēng)能資源等級(jí)在5～7級(jí)之間，年等效發(fā)電小時(shí)數(shù)約2 500～3 000 h，全盟風(fēng)電技術(shù)可開發(fā)量49 830 MW，分布在錫盟12個(gè)旗縣和烏拉蓋管理區(qū)。

錫盟風(fēng)電基地本期規(guī)劃規(guī)模為7 000 MW，合計(jì)涉及鑲黃旗、正鑲白旗、太仆寺旗、正藍(lán)旗、多倫縣、蘇尼特左旗、阿巴嘎旗、錫林浩特市8個(gè)旗縣共37家投資主體。錫盟各旗縣風(fēng)電開發(fā)規(guī)模見表1所列、如圖1所示。

表1 錫盟各旗縣風(fēng)電基地開發(fā)情況MW

圖1 錫盟風(fēng)電基地開發(fā)區(qū)域示意圖

2 風(fēng)電基地送出外部條件

2.1 錫盟特高壓輸電通道

《國(guó)家能源局關(guān)于加快推進(jìn)大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃12條重點(diǎn)輸電通道建設(shè)的通知》(國(guó)能電力〔2014〕212號(hào))中明確12條重點(diǎn)輸電通道的建設(shè)，其中有2條落點(diǎn)在錫林郭勒，分別為錫盟—泰州特高壓直流工程、錫盟—山東特高壓交流工程。特高壓直流工程的設(shè)計(jì)輸電能力為10 000 MW，特高壓交流工程輸電能力與直流工程實(shí)際輸電規(guī)模相關(guān)。

2.2 特高壓配套火電

國(guó)家能源局批準(zhǔn)錫盟至山東輸電通道配套火電項(xiàng)目共7個(gè)、裝機(jī)總?cè)萘? 620 MW，包括：大唐錫林浩特電廠(2×660 MW)、神華勝利電廠(2×660 MW)、神華國(guó)能查干淖爾電廠(2×660 MW)、北方勝利電廠 (2×660 MW)、蒙能錫林浩特?zé)犭姀S(2×350 MW)、華潤(rùn)五間房電廠(2×660 MW)、京能五間房電廠(2×660 MW)。上述火電機(jī)組接網(wǎng)方案已經(jīng)確定，其中大唐錫林浩特電廠、神華勝利電廠和北方勝利電廠以1 000 kV電壓等級(jí)并網(wǎng)，其他電廠均以500 kV電壓等級(jí)并網(wǎng)。上述項(xiàng)目計(jì)劃在近期與錫盟風(fēng)電基地同步投產(chǎn)。

3 風(fēng)電基地市場(chǎng)定位及消納方案

3.1 受端市場(chǎng)分析

錫林郭勒盟屬于工商業(yè)不發(fā)達(dá)地區(qū)，用電水平相對(duì)較低，預(yù)計(jì)到“十三五”期末全社會(huì)用電量不足150億kWh，全社會(huì)最大負(fù)荷不足2 000 MW，錫盟風(fēng)電難以實(shí)現(xiàn)本地消納。

京津冀魯?shù)貐^(qū)和長(zhǎng)三角地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最具活力的區(qū)域之一，也是華北和華東電網(wǎng)的負(fù)荷中心，電力需求持續(xù)快速增長(zhǎng)。由于一次能源資源匱乏，環(huán)?？臻g有限，京津冀魯和長(zhǎng)三角等地區(qū)需要受進(jìn)區(qū)外電力。為確定錫盟風(fēng)電的外送目標(biāo)，對(duì)上述地區(qū)電力市場(chǎng)情況進(jìn)行測(cè)算，測(cè)算原則包括：1)負(fù)荷預(yù)測(cè)：華北、華東地區(qū)“十四五”期間年均負(fù)荷增速分別按照3.5%和4%；2)裝機(jī)規(guī)劃：僅考慮在建和核準(zhǔn)裝機(jī)；3)平衡參數(shù)：各省備用率按照國(guó)家能源局推薦值；非供熱煤電、核電、抽蓄電站按裝機(jī)容量的100%參與平衡；供熱煤電和燃?xì)怆娬景囱b機(jī)容量的80%參與平衡；常規(guī)水電按照各省實(shí)際出力情況參與平衡；風(fēng)電按裝機(jī)容量的10%參與平衡；光伏不參與平衡。根據(jù)上述原則對(duì)華北、華東電力市場(chǎng)空間進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果分別見表2和表3所列。按照計(jì)算結(jié)果，2021～2023年，京津冀魯?shù)貐^(qū)電力市場(chǎng)空間主要集中在河北南部和山東，河北南部地區(qū)電力市場(chǎng)空間達(dá)到3 830～6 600 MW、山東地區(qū)電力市場(chǎng)空間達(dá)到5 910～10 560 MW。2021～2023年，華東電力市場(chǎng)空間快速擴(kuò)大，其中江蘇電網(wǎng)電力市場(chǎng)空間2 600～13 070 MW；浙江電網(wǎng)電力市場(chǎng)空間為8 630～16 090 MW、安徽電網(wǎng)電力市場(chǎng)空間為8 870～16 170 MW。

表2 2021年～2023年華北地區(qū)電力市場(chǎng)空間MW

表3 2021年～2023年華東地區(qū)電力市場(chǎng)空間MW

因此，根據(jù)電力供需形勢(shì)，錫盟地區(qū)建設(shè)風(fēng)電基地宜通過特高壓交直流通道向京津冀魯和長(zhǎng)三角等地區(qū)送電，符合我國(guó)總體能源流向和戰(zhàn)略部署。

3.2 風(fēng)電消納分析

影響風(fēng)電消納的主要因素包括電源調(diào)峰能力和通道輸電能力。分別以錫盟風(fēng)電基地棄風(fēng)率5%及10%作為消納約束條件，采用HUST_ProS電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬軟件對(duì)本期錫盟風(fēng)電基地可外送容量進(jìn)行計(jì)算分析。其中，錫盟“一交一直”通道利用小時(shí)數(shù)均按5 500 h考慮，輸電曲線按照受端電網(wǎng)負(fù)荷特性擬定，錫盟—泰州特高壓直流通道輸電規(guī)模按6 000 MW考慮。

為提高錫盟風(fēng)電消納能力，在無措施方式的基礎(chǔ)上考慮采取兩種措施：措施一為增加錫盟火電調(diào)峰能力。對(duì)錫盟特高壓配套火電機(jī)組進(jìn)行靈活性改造，最小技術(shù)出力率由40%下降至30%；措施二為增加交流受端旋轉(zhuǎn)備用容量(相當(dāng)于交流受端為錫盟風(fēng)電調(diào)峰)，取值為滿足風(fēng)電在特定棄風(fēng)率下全部消納對(duì)應(yīng)的備用容量最小值。

表4 風(fēng)電消納計(jì)算結(jié)果(目標(biāo)棄風(fēng)率5%)

表5 風(fēng)電消納計(jì)算結(jié)果(目標(biāo)棄風(fēng)率10%)

見表4、表5所列，當(dāng)棄風(fēng)率設(shè)置為5%時(shí)，無措施方式最大消納風(fēng)電容量4 200 MW，采取措施一能夠消納風(fēng)電容量增至6 200 MW，采取措施二滿足風(fēng)電在特定棄風(fēng)率下全部消納需在受端增加2 300 MW備用容量；當(dāng)棄風(fēng)率設(shè)置為10%時(shí)，可消納的風(fēng)電容量大幅提升，無措施方式下最大消納風(fēng)電容量5 200 MW，與棄風(fēng)率5%場(chǎng)景相比能夠多消納1 000 MW風(fēng)電，采取措施一或措施二均能滿足風(fēng)電在特定棄風(fēng)率下全部消納，當(dāng)采取措施二時(shí)需在受端增加1 300 MW備用容量，與棄風(fēng)率5%場(chǎng)景相比降低1 000 MW。

綜上，在現(xiàn)有的調(diào)峰條件下，無論是要求棄風(fēng)率5%或10%均無法實(shí)現(xiàn)錫盟特高壓配套風(fēng)電全部外送消納，建議根據(jù)實(shí)際情況，采取適當(dāng)措施，提高錫盟風(fēng)電消納能力，提升風(fēng)電基地運(yùn)行效率與經(jīng)濟(jì)性。

4 風(fēng)電基地輸電方案研究

4.1 輸電方案研究原則

結(jié)合輸電規(guī)劃通用原則與錫盟電網(wǎng)自身特點(diǎn)，本次錫盟風(fēng)電基地輸電規(guī)劃遵循以下原則：

1)堅(jiān)持安全可靠原則。輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，滿足GB 38755—2019《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》等規(guī)程導(dǎo)則要求。

2)堅(jiān)持經(jīng)濟(jì)合理原則。堅(jiān)持市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的普遍規(guī)律與電網(wǎng)自身的客觀規(guī)律相結(jié)合，確保輸電到網(wǎng)電價(jià)具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

3)優(yōu)化能源資源配置。輸電方式以能源資源優(yōu)化配置為目標(biāo)，統(tǒng)籌考慮送電方向及規(guī)模，提高送電能力，節(jié)約輸電通道。

4)與特高壓友好銜接。新能源的匯集外送方式應(yīng)充分考慮電源的地理位置和特點(diǎn)，便于匯集電源，避免交叉送電，并與特高壓主網(wǎng)架相銜接；避免風(fēng)電送電回路落點(diǎn)過于集中，統(tǒng)籌考慮交直流接入容量。

5)獨(dú)立送出遠(yuǎn)近結(jié)合。按照分片匯集、獨(dú)立送出的原則，統(tǒng)籌安排風(fēng)電基地外送輸電方案。

6)統(tǒng)籌規(guī)劃分步實(shí)施。協(xié)調(diào)安排風(fēng)電基地開發(fā)進(jìn)度和電網(wǎng)建設(shè)，注重輸電方案的遠(yuǎn)近結(jié)合和過渡銜接，適度加快電網(wǎng)建設(shè)，促進(jìn)風(fēng)電的合理開發(fā)及外送。

7)兼顧地方政府意見。在經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)上，重視保護(hù)優(yōu)勢(shì)草原資源，兼顧區(qū)域經(jīng)濟(jì)及資源統(tǒng)籌開發(fā)。

4.2 匯集站布點(diǎn)方案

綜合考慮錫盟風(fēng)電基地規(guī)劃裝機(jī)規(guī)模和風(fēng)電場(chǎng)分布情況，宜建設(shè)若干500 kV/220 kV風(fēng)電匯集站，匯集站周邊風(fēng)電場(chǎng)通過220 kV線路匯集后升壓至500 kV送出[3]。結(jié)合220 kV風(fēng)電場(chǎng)合理送出半徑，規(guī)劃建設(shè)5座500 kV/220 kV風(fēng)電匯集站，具體布點(diǎn)方案如下：

1) 500 kV錫林浩特市西北部匯集站：配置2×750 MVA主變，擬匯集錫林浩特市風(fēng)電外送，匯集風(fēng)電規(guī)模1 300 MW。

2) 500 kV阿巴嘎旗東南部匯集站：配置2×750 MVA主變，擬匯集阿巴嘎旗風(fēng)電外送，匯集風(fēng)電規(guī)模1 300 MW。

3) 500 kV蘇尼特左旗東部匯集站：配置2×750 MVA主變，擬匯集蘇尼特左旗東部風(fēng)電外送，匯集風(fēng)電規(guī)模1 375 MW。

4) 500 kV正藍(lán)旗南部匯集站：配置2×750 MVA主變，擬匯集太仆寺旗、正藍(lán)旗和多倫縣風(fēng)電統(tǒng)籌外送，匯集風(fēng)電規(guī)模1 225 MW。

5) 500 kV正鑲白旗西北部匯集站：配置2×1 000 MVA主變，擬匯集正鑲白旗和鑲黃旗風(fēng)電統(tǒng)籌外送，匯集風(fēng)電規(guī)模1 800 MW。

4.3 匯集站接網(wǎng)方案

4.3.1 送出方式

大規(guī)模風(fēng)電外送通常采用獨(dú)立外送和風(fēng)火打捆外送兩種輸電方式。

獨(dú)立外送輸電方式即風(fēng)電場(chǎng)匯集站通過獨(dú)立的輸電通道并網(wǎng)，屬于“點(diǎn)對(duì)網(wǎng)”的簡(jiǎn)單模式。其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)度關(guān)系明確，有利于提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，并且產(chǎn)權(quán)關(guān)系明晰，容易被發(fā)電商接受；缺點(diǎn)是通道利用率較低。

風(fēng)火打捆外送輸電方式即風(fēng)電場(chǎng)與附近火電使用同一通道外送，例如風(fēng)電場(chǎng)接入火電廠開關(guān)場(chǎng)后利用火電廠送出線路外送。其優(yōu)點(diǎn)是可以提高線路利用率，降低電網(wǎng)投資。缺點(diǎn)是由于風(fēng)電出力的隨機(jī)性和波動(dòng)性，送電線路潮流會(huì)隨著風(fēng)電出力的波動(dòng)而變化，潮流的波動(dòng)會(huì)引起線路無功的變化，進(jìn)而引起電壓頻繁波動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)以及火電機(jī)組可靠運(yùn)行存在不利影響。此外，風(fēng)火打捆送出涉及資產(chǎn)分割、電量分項(xiàng)計(jì)量、網(wǎng)損分?jǐn)偟葐栴}，若風(fēng)電投資主體與火電主體不同，實(shí)施較為困難。

考慮錫盟風(fēng)電基地和火電基地投資主體眾多，且錫盟作為特高壓交直流送端，電網(wǎng)相對(duì)薄弱，存在一定的穩(wěn)定運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行要求較高，因此建議采用風(fēng)電獨(dú)立外送方式。

4.3.2 接入點(diǎn)

根據(jù)錫盟風(fēng)電市場(chǎng)定位和消納方向，風(fēng)電基地將通過特高壓交直流外送至華北和華東地區(qū)。目前，錫盟地區(qū)擁有錫盟±800 kV換流站和錫盟、勝利2座1 000 kV特高壓站，作為特高壓交直流外送通道起點(diǎn)，且與風(fēng)電匯集站的距離處于合理的送電距離范圍之內(nèi)，是風(fēng)電大規(guī)模外送的理想接入點(diǎn)。

4.3.3 送出方案

根據(jù)匯集站布點(diǎn)方案，擬定匯集站送出方案，原則包括：1)獨(dú)立送出原則，考慮每個(gè)500 kV風(fēng)電匯集站各出1回500 kV線路并網(wǎng)；2)就近接入特高壓交直流送端接入點(diǎn)；3)為減少特高壓交直流之間電力交換，接入交直流風(fēng)電容量相對(duì)均衡；4)匯集站送出互不影響，避免交叉跨越；5)考慮接入點(diǎn)的最大接入能力，包括升壓變?nèi)萘亢?00 kV線路間隔數(shù)量?；谏鲜鲈瓌t，提出各個(gè)匯集站送出方案如下：

錫林浩特市西北部匯集站以1回500 kV線路接入錫盟換流站；阿巴嘎旗東南部匯集站以1回500 kV線路接入勝利特高壓站；蘇尼特左旗東部匯集站以1回500 kV線路接入錫盟換流站；正藍(lán)旗南部匯集站以1回500 kV線路接入錫盟特高壓站；正鑲白旗西北部匯集站以1回500 kV線路接入錫盟特高壓站。詳細(xì)參數(shù)見表6所列，方案示意圖如圖2所示。

表6 風(fēng)電匯集站并網(wǎng)方案詳表

圖2 錫盟風(fēng)電基地送出方案示意圖

采用中國(guó)電力科學(xué)研究院“PSD-BPA電力系統(tǒng)分析軟件(5.0版)”對(duì)上述方案進(jìn)行潮流仿真計(jì)算，在系統(tǒng)正常方式和單一原件故障方式下，無線路或變壓器過載現(xiàn)象，通過合理的無功配置，能夠使各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓保持在規(guī)程允許的范圍之內(nèi)，由此初步驗(yàn)證了規(guī)劃方案的可行性。建議在工程設(shè)計(jì)過程中對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定等方面進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算分析，并對(duì)電網(wǎng)和電廠提出具體要求。

5 結(jié)語

錫林郭勒盟7 000 MW風(fēng)電基地同時(shí)作為特高壓交流通道和特高壓直流通道的配套電源，其建設(shè)和并網(wǎng)具有典型示范意義。從消納能力和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)兩個(gè)角度對(duì)錫盟風(fēng)電基地的送出進(jìn)行輸電規(guī)劃，提出風(fēng)電基地全額消納所需措施以及風(fēng)電基地外送需要構(gòu)建的電網(wǎng)建設(shè)方案，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)源協(xié)調(diào)發(fā)展。