中國(guó)風(fēng)電消納能力不足的原因分析

中國(guó)風(fēng)電消納能力不足的原因分析

0風(fēng)電并網(wǎng)容量增長(zhǎng)過(guò)快,棄風(fēng)電量較截至2013年年底，中國(guó)電網(wǎng)生產(chǎn)能力達(dá)到76.3gw，安裝能力達(dá)到90gw。這是世界上最多的一家電氣表機(jī)械。2013年累計(jì)發(fā)電量135TW·h,超過(guò)北京、天津等16省(市)的全年用電量,規(guī)模效應(yīng)顯著。與2006年相比,7年間風(fēng)電并網(wǎng)容量增長(zhǎng)了37倍,年均增長(zhǎng)67%;年發(fā)電量增長(zhǎng)48倍,年均增長(zhǎng)74%。并網(wǎng)電壓等級(jí)從35kV發(fā)展到最高750kV。中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)占系統(tǒng)總裝機(jī)的比例,從2006年的0.4%提高到2013年的6.6%;風(fēng)電發(fā)電量占系統(tǒng)總發(fā)電量的比例從0.1%提高到2.8%。風(fēng)能已成為中國(guó)第三大發(fā)電能源,僅次于煤炭和水能。在風(fēng)電發(fā)展取得顯著成績(jī)的同時(shí),中國(guó)風(fēng)電發(fā)展也面臨著一些困難,主要表現(xiàn)在送出難和消納難。由此導(dǎo)致每年風(fēng)電都有很大的棄風(fēng)電量,且主要分布在冀北、內(nèi)蒙古的赤峰與通遼、吉林的松原和白城及甘肅的酒泉等地區(qū)。根據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì),2010—2013年的棄風(fēng)電量分別為1TW·h、10TW·h、20TW·h和16TW·h。本文對(duì)中國(guó)風(fēng)電運(yùn)行特點(diǎn)和消納困難的原因進(jìn)行了深入分析,并提出了相關(guān)措施。1中國(guó)風(fēng)力發(fā)展和運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)1.1國(guó)外發(fā)展時(shí)間從2000—2012年,中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量年均增長(zhǎng)率為48.4%,是世界上風(fēng)電發(fā)展最快的國(guó)家(美國(guó)29.4%、德國(guó)19.4%、西班牙23.2%、丹麥6.6%)。特別是“十一五”期間,連續(xù)5年實(shí)現(xiàn)翻番。2012年新增容量13.0GW,占世界新增容量的28.9%,2013年新增容量14.9GW。1.2電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)區(qū)域內(nèi)風(fēng)電總?cè)萘颗c德國(guó)、丹麥和西班牙等國(guó)的分散開發(fā)方式不同,中國(guó)風(fēng)電呈現(xiàn)大規(guī)模集中開發(fā)特點(diǎn),主要集中在風(fēng)資源豐富的“三北”地區(qū),占全國(guó)風(fēng)電總?cè)萘康?3.4%,占國(guó)家電網(wǎng)公司經(jīng)營(yíng)區(qū)域內(nèi)風(fēng)電總?cè)萘康?0.4%。其中,華北、東北和西北分別達(dá)到27.1GW、20.8GW和15.7GW。甘肅瓜州和玉門、內(nèi)蒙古的赤峰與通遼、吉林的松原和白城及河北的張家口等地區(qū)的風(fēng)電密度更高,這些地區(qū)僅占國(guó)土總面積的3%,風(fēng)電卻占了全國(guó)的32%,其中瓜州和玉門地區(qū)及張家口地區(qū)風(fēng)電密度達(dá)到167kW/km2和133kW/km2,居世界前列。1.3內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)接入系統(tǒng)情況中國(guó)風(fēng)電資源和負(fù)荷逆向分布的特點(diǎn)以及大規(guī)模集中開發(fā)的方式,使中國(guó)成為風(fēng)電接入電壓等級(jí)最高和電力輸送距離最遠(yuǎn)的國(guó)家。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)區(qū)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目接入系統(tǒng)情況的統(tǒng)計(jì),中國(guó)近70%的風(fēng)電容量接入220kV及以上電壓等級(jí),最高接入電壓等級(jí)為750kV,而德國(guó)、丹麥和西班牙等國(guó)的風(fēng)電場(chǎng)大多接入110kV及以下的配電網(wǎng)。與德國(guó)、西班牙和丹麥風(fēng)電分散分布、就地消納的模式不同,中國(guó)風(fēng)電大多經(jīng)高壓通道遠(yuǎn)距離輸電。甘肅酒泉風(fēng)電基地盈余電力需通過(guò)1000km的輸電通道送往負(fù)荷中心,蒙東風(fēng)電基地電力送出距離也在250km以上。1.4風(fēng)電對(duì)電量平衡的貢獻(xiàn)電力系統(tǒng)運(yùn)行是有一定規(guī)律的、時(shí)變的連續(xù)過(guò)程,風(fēng)電電力、電量的波動(dòng)性是造成電力系統(tǒng)運(yùn)行和消納困難的關(guān)鍵。為方便描述風(fēng)電波動(dòng),將一定時(shí)段內(nèi)風(fēng)電最大變幅定義為波動(dòng)幅度,將波動(dòng)幅度與最大電力的比值定義為波動(dòng)率。從年度來(lái)看,國(guó)家電網(wǎng)范圍內(nèi)風(fēng)電最大電力達(dá)到31.354GW,而最小電力只有3.433GW,波動(dòng)幅度為89.1%。華北、東北及西北風(fēng)電最大電力分別為14.067GW、11.302GW和7.476GW,最小電力只有144MW、84MW和150MW;波動(dòng)率分別為99.0%、99.3%和98.0%。北京、冀北、遼寧、吉林、陜西、甘肅、青海、寧夏及新疆等風(fēng)電大省區(qū)風(fēng)電最大電力都達(dá)到了較高水平,而風(fēng)電最小電力均為零,年度波動(dòng)幅度為100%。因此,從年度來(lái)看,風(fēng)電對(duì)電量平衡有一定貢獻(xiàn),而對(duì)電力平衡貢獻(xiàn)很小。從月度來(lái)看,國(guó)家電網(wǎng)范圍內(nèi)風(fēng)電波動(dòng)幅度最大為25.697GW,波動(dòng)率為82.0%。華北、東北、西北及各風(fēng)電大省風(fēng)電月度波動(dòng)率基本都在90%以上。因此,從月度來(lái)看,風(fēng)電在電力平衡方面的貢獻(xiàn)是非常有限的。從日出力來(lái)看,國(guó)家電網(wǎng)范圍內(nèi)風(fēng)電最大波動(dòng)為18.856GW,波動(dòng)率為60.1%。各地區(qū)風(fēng)電最大波動(dòng)幅度都在70%以上,有的甚至達(dá)到99%。國(guó)家電網(wǎng)范圍內(nèi)風(fēng)電15min的最大波動(dòng)為1.879GW,波動(dòng)率19.2%;華北、東北及西北15min的波動(dòng)率分別為46.9%、74.2%和28.8%。因此,開展日前和日內(nèi)超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè),將風(fēng)電納入日前計(jì)劃安排和日內(nèi)計(jì)劃滾動(dòng)調(diào)整,是充分接納風(fēng)電的重要途徑。2中國(guó)能源生產(chǎn)中存在的問(wèn)題和分析2.1“三北”風(fēng)電集中地區(qū)開始出現(xiàn)棄風(fēng)現(xiàn)象2010年以來(lái),風(fēng)電并網(wǎng)容量快速增長(zhǎng),受調(diào)峰能力和網(wǎng)架約束的影響,“三北”風(fēng)電集中地區(qū)開始出現(xiàn)棄風(fēng)現(xiàn)象。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì),2013年全國(guó)有13個(gè)省市出現(xiàn)棄風(fēng)現(xiàn)象,其中,蒙西、冀北、蒙東、甘肅、吉林、黑龍江和遼寧較為嚴(yán)重,棄風(fēng)電量占全國(guó)總棄風(fēng)電量的94%(見表1)。2.2調(diào)峰能力下降風(fēng)電具有波動(dòng)性和間歇性,而用電需求是連續(xù)變化過(guò)程,風(fēng)電間歇性造成的發(fā)電缺口需常規(guī)電源填充。因此,大規(guī)模風(fēng)電運(yùn)行客觀上需要有與之相匹配的快速調(diào)節(jié)電源。縱觀世界風(fēng)電發(fā)展較快的國(guó)家,無(wú)論是歐洲的西班牙和德國(guó),還是大洋彼岸的美國(guó),其電源結(jié)構(gòu)為風(fēng)電發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。如美國(guó)、德國(guó)和西班牙,靈活調(diào)節(jié)電源占比分別達(dá)到57.2%、29.5%和53.3%。與國(guó)外相比,國(guó)內(nèi)電源結(jié)構(gòu)與風(fēng)電發(fā)展不相匹配。電源結(jié)構(gòu)性矛盾突出,系統(tǒng)調(diào)峰能力不足是風(fēng)電受限的主要因素。“三北”火電裝機(jī)比重均在70%以上,水電等快速調(diào)峰電源比重不足2%,系統(tǒng)本身的調(diào)峰能力較弱。加之供熱機(jī)組占火電的50%以上,供熱期供熱機(jī)組調(diào)峰能力降低25%~50%,致使系統(tǒng)調(diào)峰能力進(jìn)一步下降。其次,隨著風(fēng)電的快速增長(zhǎng),其波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰能力的要求日益增加。2013年,“三北”地區(qū)風(fēng)電最大日內(nèi)波動(dòng)幅度占當(dāng)日最大負(fù)荷的比例均超過(guò)系統(tǒng)可用的備用容量。如果把風(fēng)電看作負(fù)的負(fù)荷,與負(fù)荷曲線疊加,得到等效負(fù)荷曲線峰谷差的變化,表示大量風(fēng)電接入后常規(guī)電源承擔(dān)的調(diào)峰任務(wù)的變化。風(fēng)電的反調(diào)峰運(yùn)行特性使部分省級(jí)電網(wǎng)等效負(fù)荷峰谷差率大幅提高,引起的調(diào)峰矛盾日益突出(見表2)。再次,受經(jīng)濟(jì)增速放緩影響,全社會(huì)用電量和電網(wǎng)負(fù)荷增長(zhǎng)緩慢,尤其在風(fēng)電富集地區(qū),負(fù)荷增長(zhǎng)速度明顯落后于風(fēng)電的增長(zhǎng)速度,進(jìn)一步減小了風(fēng)電接納空間。2013年,東北電網(wǎng)最高用電負(fù)荷和全社會(huì)用電量同比增長(zhǎng)分別為4.8%和4.4%,遠(yuǎn)低于風(fēng)電裝機(jī)15%的增速,系統(tǒng)調(diào)峰難度進(jìn)一步增加。2.3國(guó)內(nèi)風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀為發(fā)展和利用好風(fēng)電,國(guó)外除采用分散發(fā)展和接入方式外,也采取了多項(xiàng)措施保證電網(wǎng)與風(fēng)電同步發(fā)展。一是制定明確的風(fēng)電發(fā)展目標(biāo),并嚴(yán)格執(zhí)行;二是根據(jù)風(fēng)電特點(diǎn)加強(qiáng)電網(wǎng)規(guī)劃研究,如德國(guó),針對(duì)2015年和2020年風(fēng)電等可再生能源的發(fā)展規(guī)劃,組織輸電運(yùn)營(yíng)商及有關(guān)專家分兩期對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)性和建設(shè)改造進(jìn)行了系統(tǒng)研究,提出了接納北部地區(qū)大規(guī)模新能源的電網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)行方案;三是加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè),如西班牙,加強(qiáng)了國(guó)內(nèi)骨干網(wǎng)架和跨國(guó)聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。國(guó)內(nèi)在風(fēng)電發(fā)展過(guò)程中,風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃建設(shè)與配套電網(wǎng)工程銜接不夠。國(guó)內(nèi)風(fēng)能資源主要分布在偏遠(yuǎn)地區(qū),當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱。風(fēng)電規(guī)劃考慮電網(wǎng)的現(xiàn)實(shí)特點(diǎn)不足,致使配套的電網(wǎng)建設(shè)工程難以跟進(jìn),造成一些地區(qū)存在風(fēng)電送出卡脖子現(xiàn)象。例如,2013年年底甘肅酒泉地區(qū)風(fēng)電并網(wǎng)容量5.5GW,均處在較為薄弱的電網(wǎng)末端,缺乏大型常規(guī)電源的有效支撐,安全穩(wěn)定裕度較低。同時(shí),酒泉當(dāng)?shù)刈畲筘?fù)荷需求約1.3GW,而2條750kV通道外送風(fēng)電能力約為4.2GW,存在斷面輸送能力不足的問(wèn)題,風(fēng)電運(yùn)行受到一定限制。此外,冀北、吉林及蒙東等地區(qū)跨省區(qū)電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線薄弱,風(fēng)電基地窩電現(xiàn)象嚴(yán)重,制約了風(fēng)電在更大范圍內(nèi)的消納。例如,2013年年底,河北張家口地區(qū)風(fēng)電并網(wǎng)容量超過(guò)4.9GW,占河北風(fēng)電總并網(wǎng)容量的72%。而張家口當(dāng)?shù)叵{能力只有1.7GW,外送能力受沽源主變上送限值和沽太及萬(wàn)順等線路約束,棄風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重。根據(jù)規(guī)劃,到2015年,內(nèi)蒙古、甘肅、吉林、河北和黑龍江風(fēng)電并網(wǎng)容量將分別達(dá)到21GW(蒙西13GW、蒙東8GW)、11GW、6GW和11GW;同時(shí),蒙西和陜北大型火電基地也將逐步形成,在電力負(fù)荷增長(zhǎng)相對(duì)緩慢和電網(wǎng)輸電通道建設(shè)相對(duì)滯后的制約下,風(fēng)電等新能源運(yùn)行受限問(wèn)題將更加嚴(yán)重。3關(guān)于風(fēng)能運(yùn)營(yíng)和消費(fèi)的措施3.1配套用電不足風(fēng)資源富集的內(nèi)蒙古、河北、甘肅及新疆等地區(qū)負(fù)荷較小,風(fēng)電消納能力有限。目前,省級(jí)電網(wǎng)和區(qū)域電網(wǎng)消納能力已基本用盡,如果不建設(shè)新的外送通道,風(fēng)電并網(wǎng)容量增加將造成棄風(fēng)電量不斷增加。哈密—鄭州±800kV直流輸電工程已經(jīng)投運(yùn),但配套的火電還沒有建設(shè),送端支撐能力不足,哈—鄭直流送電能力難以有效發(fā)揮。因此,建議盡快加強(qiáng)新疆電源和電網(wǎng)建設(shè),建設(shè)酒泉—湖南±800kV直流輸電工程、錫盟—南京、蒙西—長(zhǎng)沙等特高壓交流工程,將“三北”風(fēng)電在“三華”電網(wǎng)消納。3.2提高常規(guī)電源調(diào)節(jié)能力統(tǒng)籌國(guó)家和地方風(fēng)電規(guī)劃,確保各級(jí)規(guī)劃的協(xié)調(diào)一致,發(fā)展目標(biāo)、發(fā)展任務(wù)和保障措施相互配套。根據(jù)中國(guó)各地區(qū)的負(fù)荷需求及風(fēng)能資源分布,統(tǒng)籌制定常規(guī)電源和電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃;根據(jù)國(guó)家核準(zhǔn)的“十二五”前4批風(fēng)電項(xiàng)目,優(yōu)化建設(shè)時(shí)序,建立風(fēng)電項(xiàng)目與配套調(diào)峰電源及電網(wǎng)工程同步規(guī)劃和同步投產(chǎn)的機(jī)制,確保2015年年底前完成1億kW,2020年年底前完成2億kW建設(shè)目標(biāo)。同時(shí),提高常規(guī)電源的調(diào)節(jié)能力,加強(qiáng)快速調(diào)節(jié)機(jī)組建設(shè),投產(chǎn)一定容量的水電及燃?xì)獾瓤焖僬{(diào)節(jié)電源;加快抽水蓄能電源建設(shè),盡快完成內(nèi)蒙古、河北及黑龍江等風(fēng)電較為集中地區(qū)的抽水蓄能電站建設(shè);學(xué)習(xí)丹麥的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),鼓勵(lì)現(xiàn)有常規(guī)火電機(jī)組開展技術(shù)改造,實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組在額定出力的20%~100%穩(wěn)定運(yùn)行;研究壓縮空氣蓄能及電化學(xué)儲(chǔ)能等大規(guī)模蓄能技術(shù)的應(yīng)用。3.3調(diào)整驅(qū)動(dòng)方案理順風(fēng)電優(yōu)先調(diào)度和火電電量計(jì)劃之間的關(guān)系,建立適應(yīng)風(fēng)電波動(dòng)性的實(shí)時(shí)、快速的電網(wǎng)調(diào)度機(jī)制。借鑒西班牙經(jīng)驗(yàn),允許調(diào)度機(jī)構(gòu)在風(fēng)電預(yù)測(cè)偏差較大的情況下切除部分用電負(fù)荷。建立健全發(fā)電側(cè)和用電側(cè)雙邊峰谷電價(jià),完善輔助服務(wù)管理辦法,明確常規(guī)電源為風(fēng)電提供輔助服務(wù)的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。完善抽水蓄能電站電價(jià)政策,建立抽水蓄能電站合理的成本回收機(jī)制。4加