酒泉风电基地大规模风电并网综合解决方案初探

路亮，汪宁渤，马彦宏，何世恩

(1.甘肃省电力公司风电技术中心，兰州市 730050;2.甘肃省风电并网工程技术中心，兰州市 730050)

0 引言

甘肃酒泉1000 kW风电基地是目前世界上集中并网规模最大的风电基地，目前已并网风电装机容量5802 MW，占甘肃省装机总容量的22.3%，并网风电场超过40座。根据发展规划，到2013年甘肃省风电装机容量将达到10880MW，其中酒泉地区将达到9580MW，其他地区合计1300MW;到2015年甘肃省风电装机容量将达到15980MW，其中酒泉地区风电装机将达到14480MW，其他地区风电合计1500MW［1］。

当风电在电力系统中所占比例较低时，风电并网问题并不明显;但当大规模风电集中并网时，尤其像甘肃酒泉在距离兰州负荷中心1000 km以外的电网末端建设全世界最大装机容量风电基地，将对整个电力系统带来巨大影响，甘肃电网面临前所未有的挑战［2-4］。

1 酒泉风电基地运行现状

选取2011年6月～2012年5月1年的风场运行数据作为研究对象来分析酒泉风电基地的运行现状。

本文采用风电出力标幺值进行评估，计算标幺值采用的公式为

式中:P(ti)为风电场在第i个时刻的实际出力;C为风电场的装机容量，MW，按4600MW计。酒泉风电年持续出力曲线Pdur(t)如图1所示，酒泉风电年出力概率分布如表1所示。

由于酒泉风电基地面积大、场站多，受风电场叠加效应影响，酒泉风电年出力没有大于50%装机容量的情况，其中出力在40%装机容量以下的概率为99.64%，出力在30%装机容量以下的概率为84.73%，出力在20%、10%装机容量以下的概率分别为65.19%、43.19%。

2 大规模风电并网对甘肃电网的影响

由于风电的间歇性、随机性、波动性及反调峰特性，酒泉大规模风电集中并网，将对甘肃电网的安全稳定运行、电网运行调度管理、系统经济运行以及电网规划带来一系列影响。

2.1 对甘肃电网安全稳定运行带来影响

风电作为一种不稳定出力的电源，其大规模并网将改变电力系统一直以来沿袭的“以电源的可调度性来满足负荷的随机性”的电力供应模式，尤其在实现秒级、分钟级的电力实时平衡问题上，给电力系统的安全稳定带来巨大挑战。

根据国际能源署的相关研究结果，风电并网对电力系统运行所产生的影响，在不同时间和空间尺度下会有不同的表现［5］。风电并网在不同时空尺度下对电力系统的影响如图2所示。

通过图2可以发现，在秒级和分钟级时间尺度上，规模风电并网对电力系统的影响主要表现为风电出力的间歇性、随机性、波动性及反调峰特性对本地电力系统的电压稳定性以及对区域电网的稳定性、传输效率和系统旋转备用容量需求等产生的影响;而在年、月以及天的时间尺度上，其影响主要表现为规模风电并网在区域电网和更广的系统范围内对系统的充裕性、运行效率及减排的影响。

由于酒泉风电基地位于电网末端，距离负荷中心平均距离为1000 km，是目前已知距离最远的风电基地。酒泉风电基地目前并网风电装机容量已达5802 MW，到2015年将达15980MW，由于风电的间歇性和波动性将导致线路输送功率大幅变化，继而导致线路充电功率的大幅变化，从而对电网电压控制带来一系列问题。同时由于酒泉风电基地风电的送出将采用750 kV超高压交流与±800kV特高压直流联合外送，缺乏建设与运行管理经验也将使酒泉规模风电并网对甘肃电网乃至西北电网带来较大的系统稳定问题。

2.2 对甘肃电网运行调度管理提出更高要求

酒泉大规模风电并网对甘肃电网的影响已接近秒级尺度，因此对电力系统调度及应对风电出力波动、调整系统运行方式的能力提出更高要求。建立高精度的风电功率预测系统有利于提高风电调度效率、减少系统备用容量。这要求甘肃电网必须通过技术提升和创新管理，不断提高对酒泉风电接入系统的实时调度和控制管理能力。

2.3 对甘肃电网经济高效运行带来影响

酒泉大规模风电基地并网运行将对甘肃电网的系统运行经济性带来巨大影响。首先，在同等系统条件下，风电出力的波动性和间歇性加大了系统经济调度的难度;其次，酒泉规模风电并网将导致系统发电出力的变动性大幅提高，降低电力设备的可用率，从而导致甘肃电网供电成本的增加;第三，为确保电能质量和供电可靠性，甘肃电网对无功补偿装置(SVC/SVG等)、串补及可控高抗等辅助服务设备的配置需求增加，进而导致电网建设成本的增加;第四，为适应实时运行过程中酒泉规模风电并网带来的功率缺失和过剩，甘肃电网的日前调度计划需要为风电预留更多旋转备用容量以维持系统实时平衡，从而导致甘肃电网系统备用成本的增加。

2.4 对甘肃电网发展规划提出更高要求

电力系统发展规划是基于对电力负荷需求增长及分布情况的综合分析和预测，同时结合可利用的一次能源资源、土地资源以及环保要求等因素，提前做出的电源、电网及相关设施的建设设计和实施预案［6］。

相对于火电及其他常规电源而言，风电最大的特点是其一次能源具有不可控性和不可存储性。因此，从电力规划角度，风电装机容量不能完全用以参与系统规划容量的平衡，需要引入“风电容量可信度”。根据国内外风电运行经验，风电容量可信度较低，在电力需求较高的季节，北欧各国风电容量可信度因子一般位于25%～30%之间，同时随着风电装机规模的增加，风电容量可信度会随之降低。

由于风电在系统平衡中仅能发挥一定的容量替代效应，因此甘肃电网发展规划对如何合理考虑风电与常规电源的配置关系以及对电网规划与电源规划的协调性提出了更高的要求。由于电网建设与电源建设的速度差异，电网应提前1～2年规划建设。结合甘肃自身工业发展现状及甘肃能源外送规划，电网的发展应适度超前，布局合理，层次清晰，以确保安全可靠地供电，确保电能质量，调度灵活，降低供电损耗，为甘肃电网远景发展留有充分的余地。甘肃电网规划要与西北电网总的发展规划相协调，与国民经济和城市规划相协调，符合国家环保与节能政策。将甘肃电网由“电力自我平衡、西北网架枢纽”向“电力盈余外送、坚强送端电网”转型，满足日益增长的国民用电负荷和能源送出需求。

3 酒泉大规模风电并网解决方案

除政策性激励措施以外，电源结构、电网基础以及电力系统运行及管理相关技术措施等都是影响酒泉风能资源开发、利用水平的重要因素，结合国内外风电发展及运行管理经验，给出关于酒泉大规模风电集中并网问题解决方案的几点意见:

(1)良好的电源结构是解决酒泉规模风电并网问题的基础。

根据国际经验，风电发展较快的国家一般伴随调峰电源的快速发展。如美国仅燃油、燃气和抽水蓄能发电机组比重就接近50%，西班牙和德国也分别达到35%和20%。2001—2010年10年间，西班牙风电装机增长了17750MW，燃油机组同期增长了18010MW［7］。

由于目前大规模储能技术尚未取得重大突破，甘肃地区具备灵活调节能力的电源相对匮乏，风电出力的波动性有可能显著影响电力系统实时功率平衡，进而影响系统频率稳定，因此客观上可以考虑配置与酒泉风电接入规模相适应的快速调节电源，充分发挥其快速启停特点，参与系统调峰、调频、调压，保障电网安全。

结合国际经验及甘肃地域特色，在发展风电的同时充分考虑甘肃本地、新疆及外蒙古的煤炭资源优势，配套建设合理的调峰电源，构建合理的电源结构，使风电、火电及甘南地区小水电达到合理的比例，这是酒泉风电外送消纳的必经之路。

(2)坚强可靠的电网结构是解决酒泉风电基地并网问题的关键支撑。

欧洲电网建设为全世界其他国家风电发展提供了很好的案例:丹麦电网与挪威、瑞典和德国通过14条联络线实现互联，丹麦西部地区通过高压直流输电向挪威和瑞典输送盈余风电，同时挪威等国丰富的水电资源又为丹麦的风电发挥了重要的调峰作用;德国和西班牙电网通过220 kV及以上跨国联络线与周边国家实现了较强互联，使得其风电消纳得到了欧洲大电网的有力支撑［8］。

因此，为满足酒泉风电大规模并网和送出，电网应具有坚强网架结构、强大输送能力和先进控制技术。甘肃风能资源与负荷中心的逆向分布趋势决定了甘肃建设大容量、远距离输电通道的必要性，同时需要考虑在整个西北地区、甚至“三华地区”消纳甘肃风电。我国“十二五”发展规划已明确提出加快建设现代电网体系的目标，未来甘肃电网也需要以特高压和智能化为目标建成超高压送端电网和特高压跨区直流输电工程，保持750、330 kV等各电压等级协调发展，为甘肃酒泉风电基地的大规模开发与更大范围内消纳提供强大支撑。

(3)建立严格的并网技术标准和完善的风电运行管理规范体系是解决酒泉风电并网问题的可靠保障。

酒泉风电大规模并网不仅关系到技术层面的问题，更多凸显了政策和管理层面的问题。在政策层面，应重点解决现行政策过多侧重于对风电开发的激励而忽略了配套电网建设及消纳市场建设的问题。解决酒泉风电并网问题应形成一套促进整个电力供应产业链发展和酒泉风电消纳的政策体系。在管理层面，应重点推动并形成保障风电健康发展的全过程规范管理体系，建立涵盖规划、建设、并网检测及运行标准的全过程管理机制。

国外主要风电国家均充分认识到提高风电并网技术标准以及对已并网风电规范管理的重要性，在出台政策性激励措施的同时，也十分重视风电并网技术标准的制定和实施。丹麦、德国、西班牙等国对风电并网都提出了严格的技术要求并建立了规范的风电并网检测制度。如丹麦的《可再生能源促进法案》对风电机组的并网检测认证进行了详细的规定，对于未达到标准的风电机组不予并网发电［9］。

通过对电源出力的有效控制实现对瞬间变化负荷的需求响应是电力系统安全稳定运行的基石，电源的可控、在控是保障电力系统安全稳定运行的基本要求。因此，在风电场并网前需要对风机的有功无功调节能力、低电压穿越能力以及风电场的风电功率预测系统等方面进行考核，当各指标满足电网要求时才给予风电场并网许可。采取严格的并网技术标准和管理规范，构建适应酒泉风电大规模并网的政策和管理体系，引导风电科学发展是实现酒泉风电规模化并网发电，融入电力系统运行的基本前提。

(4)建设“电网友好型风电厂”是解决酒泉风电基地并网问题的根本途径。

传统意义上认为风电是不同于常规电源的“垃圾电源”，现代研究及国外先进经验表明可以通过技术创新实现传统型“风电场”向现代“风电厂”的转变，使风电成为可预测、可控制、可调度及具有暂态支撑功能“三可一支撑”的电网友好型电源，融入电力系统的整体协调运行，提升风电在电力系统能源供应中的地位。

近年来国外风电技术发展经验表明，通过配置先进的风电机组并结合现代化的风电场设计能够使风电具备常规电源可测、可控和可调度及暂态支撑的功能［10］。现代风电机组可以通过变速运行、桨距角控制及变频器控制技术实现有功功率和无功功率的动态控制，参与电网调峰调频、支持电网电源、实现故障穿越、为电网提供合格的电能。通过建设电网友好型风电厂，使风电具备常规电源的特性，从而可以从根本上解决酒泉大规模风电并网的一系列问题。

(5)构建“风电友好型电网”是解决酒泉风电基地并网问题的有效出路。

建设风电友好型电网是从电力系统的角度提出的接纳酒泉大规模风电的有效解决方案，风电友好型电网能够有效平抑风电出力波动对系统实时平衡的影响，提高电网运行的灵活性，从而可以更有效地接纳酒泉风电。

建设风电友好型电网可以从以下几个方面入手:首先，要优化电源结构，配置一定规模的灵活调节电源，保持调峰电源与风电协调发展，同时通过技术创新提高常规电源的深度调峰能力。其次，加强电网建设，提高电网的智能化水平及资源优化配置能力。通过提升电网智能化水平可以提高电网运行的安全性、稳定性、灵活性、经济性和高效性，满足酒泉风电大规模接入和送出的需求。再次，通过超高压交流输变电工程加强互联电网建设，通过特高压直流输变电工程打通能源外送通道，在更大范围内消纳酒泉风电。在充分发挥西北电网资源优化配置能力的同时，进一步提高区域大电网错峰调峰、水火互补及事故支援等方面的能力，从而在更大范围内平抑风电波动、抵御系统扰动、保障甘肃电网的安全运行。

4 结语

政策层面，建立完善的风电上网电价机制、成本分摊机制及市场消纳机制，形成一套涵盖风电设备制造、风电规划及建设、电网规划及建设、配套调峰电源规划及建设、消纳市场及消纳机制等整个酒泉风电产业链发展的政策体系，建立健全适应大规模新能源基地的电力协调发展机制。

管理层面，风电项目应与调峰电源项目同步核准、建设和投运;配套电网项目应提前1～2年核准、建设和投运;检测认证技术及并网技术标准应适应电网运行需要;风电功率预测、风电场运行和控制技术应满足电网安全稳定运行的要求。实现酒泉风电规划与常规电源、调峰电源规划以及与电网规划的有机结合。

技术层面，加强风电技术创新力度、构建坚强智能电网、建设电网友好型风电厂、构建风电友好型电力系统，通过风电并网技术的全面提升结合先进智能化的电网技术，不断提高电网接纳酒泉大规模风电的能力。

基于上述分析，为有效解决酒泉大规模风电并网的问题，实现酒泉大规模风电与甘肃电网的协调发展，必须从政策、管理及技术等层面形成包括政府、电网企业、发电企业、风电设备生产商在内的综合解决方案。

［1］国家能源局.新能源产业振兴和发展规划(2009—2020)［R］.北京:国家能源局，2009.

［2］汪宁渤.甘肃酒泉千万千瓦风电基地面临的挑战及应对措施［J］.电网与清洁能源，2009，25(7):43-47.

［3］汪宁渤，马彦宏，王建东.大规模风电集中并网对电力系统安全稳定的影响［J］.电力建设，2011，32(11):77-80.

［4］汪宁渤，马彦宏，夏懿.甘肃酒泉10 GW级风电基地面临的巨大挑战［J］.电力建设，2010，31(1):101-104.

［5］IEA.Wind Report(2006—2008)［R］.IEA.

［6］国网能源研究院，维斯塔斯风力技术(中国)有限公司.风电和电网协调发展综合解决策略［M］.北京:中国电力出版社，2011.

［7］国网能源研究院.2011世界能源与电力发展情况分析报告［M］.北京:中国电力出版社，2011.

［8］肖创英.欧美风电发展的经验与启示［M］.北京:中国电力出版社，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］.