酒泉千萬千瓦風電基地集中并網面臨的挑戰及應對措施

甘肅省電力公司風電技術中心 ■ 汪寧渤

一 酒泉千萬千瓦風電基地概況

1 風能資源

甘肅省的風能資源豐富區主要位于河西走廊北部區域。酒泉市位于甘肅省河西走廊西端，東經92°00'～100°30'、北緯37°51'～42°50'之間，總面積19.2萬平方公里。酒泉市南部為祁連山脈，北部是以馬鬃山為代表的北山山系，中部為平坦的沙漠戈壁，“兩山夾一谷”的有利地形形成東西風的通道，風力資源較豐富。酒泉的風能資源總儲量為23700萬千瓦，技術可開發量為3998萬千瓦。酒泉風電基地的風能開發利用主要集中在玉門、瓜州、馬鬃山三個區域內。該區域風速頻率主要集中在4.0～12m/s，大部分區域年平均風速都在5.0～6.5m/s，且基本沒有破壞性風速，風能密度均超過150W/m2，是國內適宜建設大型風力發電場的區域之一[1]。

酒泉市人口約100萬，集中居住在個別綠洲區域，其余絕大部分土地處于原生態狀態，不占用耕地草場也不壓礦，地廣人稀土地資源豐富；酒泉風電基地位于河西走廊的西端，規劃區域為地勢平坦開闊的戈壁灘，具備建設大規模風電基地的理想條件；蘭新鐵路、在建的客運專線、國道及高速公路均從風電基地穿過，交通運輸條件得天獨厚。

圖1 酒泉風電基地地理位置

2 風電基地基本特點

圖2 酒泉風電基地風電場分布

截至目前，甘肅酒泉地區已經完成風電吊裝容量550萬千瓦，其中已并網投產發電的風電裝機容量354萬千瓦，今年上半年完成吊裝的風電機組將全部并網投產。去年8月，國家能源局組織完成了“甘肅酒泉風電基地二期800萬千瓦建設規劃預可行性研究報告”的評審；同年11月份，在甘肅河西750千伏輸變電工程竣工儀式上，國家能源局宣布啟動二期工程，預計到2015年酒泉風電基地的總規模將超過1400萬千瓦，2020年裝機容量增加到2000萬千瓦以上， 2020年以后裝機容量增加到3000萬千瓦以上[2，3]。酒泉風電基地作為世界上最大的風電基地之一，僅考慮已經列入規劃的2015年的風電建設規模，已超過2008年底全國的風電裝機總容量，因此總規模巨大是甘肅酒泉風電基地的基本特點。

甘肅省實際運行風電出力在40%以下裝機容量區出現的概率為86%，其中0～10%裝機容量區間出現時間頻率為32%；10%～20%、20%～30%和30%～40%裝機容量出現的概率分別為23%、16%和15%。

40%以上裝機容量區出現的概率為14%，其中40%～50%、50%～60%和60%以上裝機容量區間出現的概率分別為10%、3%和1%[4，5]。

從發電量統計情況看，甘肅風電反調峰特性較明顯，風電發電量在0:00～6:00所占比例為44%，6:00～12:00為20%，12:00～18:00和18:00～24:00分別為21%和15%[4，5]。

二 風電大規模集中并網面臨的挑戰

酒泉作為中國批準的第一個千萬千瓦級風電基地，采用超大規模集中開發、集中接入超高壓電網、超遠距離輸電的風電開發方式，突破了國際上小規模開發、分散式接入電網、就地平衡消納的風電發展模式，風電作為主力電源登上歷史舞臺，全面改變了風電發展理念，創新了風電發展理論。酒泉風電在創造風電歷史的同時，也面臨著巨大的挑戰。

1 輸送能力問題[6]

根據酒泉陸上“三峽”風電基地的建設需要，新建的河西750千伏電網的西電東送能力僅為180萬千瓦左右，根本無法滿足已經完成吊裝的550萬千瓦的風電的送出需要。為此，省公司與國內有關研究院所合作，研制世界首創的“750千伏可控高抗”等多項最先進的技術措施；同時通過750千伏電網與新疆聯網，以提高系統穩定水平和輸送能力，并采取安全穩定控制措施，將河西750千伏電網西電東送的能力提高到330萬千瓦左右[7]。考慮到風電機組發電的同時率和就地消納部分用電負荷，勉強能夠滿足94%以上概率條件下的550萬千瓦風電送出，仍然有6%左右的時間需要限發棄風。

2015年1400萬千瓦裝機容量的風電項目，在目前技術水平下依靠常規的交流電難以將電力電量輸送到甘肅主網，即使采用了全世界最先進的正負800千伏特高壓直流輸電技術，能否有效地解決2015年以后的風電送出問題仍然需要進一步研究。

2調頻調峰問題[6]

發電、供電和用電必須同時完成的特點，決定了整個電力系統的總發電負荷必須隨用電負荷的變化而變化，也就要求電力系統內必須有足夠的發電機組承擔這一調整能力，即發電機組的調峰能力；由于風電具有“風”的間歇性、波動性、隨機性的特點，決定了風電的發電負荷難以保持穩定，更不可能與用電負荷同步變化，必須有其他電源承擔起適應風電發電負荷變化的調整能力；因此具有風電的電力系統除了要滿足正常負荷變化的調峰能力以外，還必須滿足風電隨機性的調峰能力。

圖5 酒泉風電基地風電匯集及送出工程[1]

截至2010年年底，全省最大用電負荷僅有1045萬千瓦，甘肅電網統調裝機容量為2500萬千瓦，具備調峰能力的發電機組容量約為800萬千瓦，其中火電機組600萬千瓦、水電機組200萬千瓦；水電機組豐水期調峰能力弱、枯水期調峰能力較強，火電機組供熱期間調峰能力弱、非供熱期間調峰能力較強，受到水電、火電機組運行方式以及檢修等因素的影響，系統內最大可能的調峰容量約為600萬千瓦；考慮事故備用、負荷備用等因素需要占用一部分調峰能力，另外電網結構的原因可能限制部分機組的調峰能力，全省所有機組不同時期的總調峰能力約為400萬千瓦；考慮到其中約150萬千瓦的機組調峰能力需要用于用電負荷調峰，能夠承擔風電調峰的發電能力僅約250萬千瓦，根本無法滿足2010年550萬千瓦風電所需調峰能力的要求。

若考慮西北電網全部參與甘肅風電調峰，不僅需要研究技術可行性問題，還需要研究行政管理體制和完善經濟補償配套政策等方面的問題。即使不考慮經濟補償因素，并且所有相關配套政策能夠全部落實，西北電網其他省份除了滿足五省區自身的風電調峰以外，能夠為甘肅提供的調峰能力也十分有限。2015年以后酒泉風電基地千萬千瓦的風電項目，西北電網的調峰能力在現有技術水平下已經無法滿足要求，需要在更大范圍或新的調峰技術才能解決調峰問題。

3 電力、電量消納問題[6]

預計2011年甘肅全省總裝機容量約為2500萬千瓦，其中風電為550萬千瓦，占總裝機的22%；2015年甘肅總裝機容量約為3500萬千瓦，其中風電為1400萬千瓦，占總裝機的40%，遠遠超過了國際上公認的電網接入風電能力不超過系統總裝機容量10%～15%的標準，甘肅電網接入酒泉風電的能力存在問題。

2011年年底，風電裝機容量達到550萬千瓦、年上網電量約為121億千瓦時，2010年全省統調范圍內最大負荷1045萬千瓦、省公司售電量665億千瓦時，預計到2011年全省統調范圍內最大負荷1100萬千瓦、省公司售電量750億千瓦時。省公司售電量750億千瓦時中要消納121億千瓦時的風電上網電量，火電機組的利用小時數將下降到4000小時以下。

2015年1400萬千瓦裝機容量的風電項目，即使考慮用電量分別以年均8%的增長率增長，預計西北電網也難以消納。由于受到交流輸電技術和西北電力市場消納能力的限制，必須依靠正負800千伏及以上特高壓直流輸電輸送到華東或華中。750千伏超高壓交流與超遠距離特高壓直流的組合，不僅國內外缺乏建設與運行管理經驗，世界上也缺乏成熟的電網技術理論支撐，理論研究和實際應用的現狀決定了可能存在較大的系統穩定問題。

另外，由于準備新開工建設的蘭州至新疆的高速、重載電氣化鐵路將從酒泉風電基地穿過，電氣化鐵路將對風電場及電力系統產生重大不利影響。

4 系統穩定問題[6]

2011年年底投產的風電規模達到550萬千瓦，其風電送出主要依靠1000公里的750千伏雙回線路，線路的充電功率會隨系統潮流、電壓的變化而變化。風力發電的間斷性，將導致線路充電功率的大起大落，必然引起整個系統電壓、頻率波動，電力系統存在頻率和電壓穩定問題。

為了滿足送出能力的要求，河西750千伏電網必須采用可控高抗等多項最先進的柔性輸電技術，另外，為了適應風電功率間歇性的特點，風電場升壓站必須安裝15%～20%的動態無功補償設備(SVC或SVG)；750千伏可控高抗和動態無功補償設備等柔性輸電技術在河西電網同時應用，需要綜合研究柔性輸電的控制策略問題。因此酒泉風電基地可能存在較大的系統穩定問題。

三 酒泉風電外送的技術路線

1 資源導向型的風電發展模式

(1)風能資源與用電市場的逆向分布

中國陸上風能資源主要分布在內蒙古、新疆、甘肅和黑龍江等三北地區，這些地區大多遠離人口稠密的負荷中心，而國家規劃的七個千萬千瓦級風電基地除了江蘇以外全部集中在三北地區。中國的用電負荷中心主要集中在自然條件較好、人口稠密的東南沿海地區，即使在三北地區的風電基地也均遠離當地的用電負荷中心，自然形成了風電資源與用電負荷的逆向分布。

酒泉風電基地主要集中在玉門、瓜州、馬鬃山三個區域內，距離蘭州負荷中心的平均距離約為1000公里，如果在西北區域內消納風電，距離負荷中心的平均距離更遠。考慮2015年1400萬千瓦風電必須在全國電力市場消納，需要送出的距離將超過2000公里。面對遠離用電負荷中心與風電資源豐富的矛盾，如何開發利用豐富的風能資源成為全世界風電發展面臨的一道難題，能否破解該難題成為加快風電發展的關鍵。

(2)甘肅酒泉風電基地的開發模式

甘肅酒泉風電基地借鑒了大型煤電基地、水電基地建設的能源集中開發的理念，按照超大規模、高度集中開發建設風電基地的資源導向思路，采用750千伏超高壓間接接入系統的方案，綜合應用750千伏超高壓結合特高壓直流輸電技術，實現風電超遠距離輸送、電力電量完全外送。酒泉千萬千瓦級風電基地不僅與歐美靠近用電負荷中心、小規模、多業主、高度分散的風電發展模式不同，而且也完全不同于國內現有的風電發展模式，為全世界風電發展提供了一種全新的選擇模式。

中國乃至全世界風電資源足夠豐富，但受到傳統的開發理念和模式限制，通常認為可開發的風電資源占陸地總資源不到10%，如果超大規模集中開發、超遠距離輸電的開發模式能夠成功，將大幅度增加全世界可開發風電資源的總量，為未來經濟發展提供更多可開發的可再生能源資源儲備。

2 酒泉風電基地風電外送的條件分析

(1)酒泉大規模風電出力特性分析[8，9]

酒泉風電基地位于祁連山脈與北山山系之間“兩山夾一谷”的沙漠戈壁，風電場之間的地理位置比較集中、出力變化趨勢相近。在長時間尺度范圍內，風電基地的總出力波動性較大，風電場的風電出力表現出較大的相關性。

酒泉風電基地550萬千瓦風電機組主要分布在東西200公里、南北20公里的區域內，大風主要以東西主導風向為主，風峰風谷在經過200多公里的風電場過程中，各風電場出力呈現依次變化的分散效應，有效降低了風電基地總出力的變化速率。根據2009年的運行數據分析，酒泉風電場群出力變化率在每分鐘0～0.6%之內的概率約為90%，在每分鐘0～1.5%之內的概率約為99%，每分鐘大于1.5%的概率小于1%。短時間尺度風電場群風電出力存在明顯的互補性，并且隨著風電場群裝機規模的增加，其風電出力的互補性增強。

圖6

(2)目標市場的用電需求分析

酒泉2015年及以后的風電，必須依靠全國的市場消納，在此，酒泉風電的目標市場重點考慮華東或華中地區。

華東地區是國內用電需求最大的地區，也是用電需求增長較快的地區，該地區用電量大、負荷峰谷差較大，電源結構以火電為主，調節能力相對較差、調峰矛盾突出。華東是國內一次能源匱乏的地區，也是國內能源調入最多的地區，目前主要依靠山西、內蒙古等地調入煤炭發電，另外通過華中地區調入少量的水電。綜合考慮能源供應、用電需求和負荷特性等因素，華東地區能夠接納外部電力，但需要按照華東地區的用電負荷特性曲線輸電。

華中地區也是國內一次能源資源的調入地區，存在能源調入的需求，與華東地區不同的是該地區水電占的比重較大，系統內電源調節性能相對較好，對于外來電力是否按照用電負荷曲線輸電的要求不高，能夠接納按照固定負荷輸送的電力電量。

(3)風電功率調節方式分析[8]

根據目標市場的用電需求特性分析，無論按照用電負荷曲線或固定負荷曲線輸電，酒泉風電均需要按照用電市場需求在送電端完成輸電功率調節任務，實現外送電力負荷根據用電需求進行調整與控制，因此風電無法單獨遠距離輸送，必須與其他電源打捆實現聯合外送。

目前，國內上海汽輪機廠、哈爾濱汽輪機廠以及東方汽輪機廠生產的汽輪機出力調整速率均在每分鐘3%～5%MCR(火電機組的額定輸出功率），其中在50%～100%MCR出力范圍內調整速率可以達到5%。酒泉風電基地風電火電打捆聯合外送，根據酒泉風電基地出力特性分析，配套建設一定規模的常規火電機組，不僅能夠滿足風電送出調峰出力變化率的要求，而且能夠滿足受電端用電市場功率調節與控制的需求，因此風電火電打捆能夠滿足酒泉風電基地跨大區遠距離輸電的技術需求。

3 風電火電打捆聯合外送是合理選擇

(1)風電火電打捆聯合外送的合理性[10]

能否有效解決風電的市場消納問題是中國資源導向型發展模式成功與否的關鍵，風電隨機性、波動性的特點決定了它難以單獨遠距離輸送，需求合理的遠距離外送技術方案關系到未來大規模風電可持續發展的關鍵。

伴隨著中國經濟的高速發展，能源需求不斷增加，國內傳統能源基地增加供應能力減弱。今年年初在華中、華東地區遭遇的煤電油氣緊缺局面證明，單純依靠現有能源基地增加供給能力，已經無法滿足經濟社會發展的需求，開發新疆及內蒙古西部地區的煤炭資源成為國家能源戰略的合理選擇。

新疆和內蒙古是中國煤炭資源最豐富的地區，受到現有鐵路運輸能力的限制，能源資源優勢難以充分開發利用，大量新建運煤炭的專用鐵路不僅受到建設成本、土地資源和環保等因素的制約，還受到運力平衡、運輸距離、價格等經濟因素的制約，急需尋求新的替代能源輸送方式。

中國不僅風能資源與用電送出逆向分布，煤炭、石油、天然氣和水電資源也是逆向分布，能源資源主要分布在西部、北部，而能源需求主要集中在經濟發達的東南沿海地區；中國能源資源與市場的逆向分布，并且過分依賴鐵路運輸的發展模式，導致中國煤電油運問題長期是中國經濟發展的瓶頸，尋求新的能源輸送方式已經成為中國經濟發展的內在需求。

中國經濟發展需要把西部的能源資源遠距離輸送到經濟中心，酒泉風電基地配套建設一定規模的火電以特高壓直流外送，不僅能夠有效地解決風電的接入和消納問題，而且以輸電替代輸煤有利于緩解鐵路運力不足的矛盾，將新疆、內蒙古的煤炭資源優勢轉化為經濟優勢，有效增加國家能源供給能力、緩解能源運輸矛盾。在不增加全國火電建設總規模的情況下，通過在酒泉建設適當規模的火電項目，減少在華中或華東地區火電建設規模，為中國能源資源提供一種合理的輸送方式。

(2)特高壓直流是遠距離輸電的理想選擇

酒泉千萬千瓦級風電基地位于河西電網的末端，距離蘭州的直線距離約為1000公里，距離華中、華東的輸電距離將超過2000公里。±800千伏特高壓直流輸送距離可達到2500公里以上，完全能夠滿足酒泉風電基地跨大區輸電的需要；輸電能力約為640～900萬千瓦，遠超常規特高壓交流及高壓直流的輸電能力，完全能夠滿足酒泉風電二期送出容量的需求；線路走廊窄、損耗低，大幅度提高了電力輸送的經濟性。

云南至廣東、向家壩至上海兩個±800千伏特高壓直流輸電工程相繼建成投產，標志著±800千伏特高壓直流輸電技術已經取得重大突破，為解決中國能源資源與市場逆向分布問題提供了可能性。

從酒泉到湖南株洲的輸電距離約為2500公里，根據國網能源院的研究結果表明，特高壓輸電費用為0.12元/千瓦時[11]，按照國內火電機組發電的平均煤耗，核算成為標準煤的運費為360元/噸；原煤的鐵路綜合運費為0.135元/噸·公里，按照原煤發熱量5500大卡計算，換算成為標準煤的運費單價為0.172元/噸·公里，鐵路運輸距離為2500公里的運費為429元/噸。在輸送距離相同時，特高壓直流輸電的成本明顯低于鐵路運煤的費用，如果考慮煤炭運輸需要轉運等因素，特高壓輸電的優勢則更加明顯。因此，隨著特高壓直流技術的發展，傳統的“運距超過500公里，輸電不如輸煤”的理念已經完全過時了，2000公里以上輸電的經濟性要明顯優于輸煤。

風電火電打捆聯合外送是緩解大規模風電基地市場“瓶頸”的有效途徑，也是促進千萬千瓦風電基地建設的必要條件。

四 大規模風電集群控制應對措施[12]

受國家電網公司委托，由甘肅省電力公司牽頭，組織國網電科院、清華大學、華北電力大學、上海交通大學和許繼集團共同完成了國家高技術研究發展計劃(863計劃)“智能電網關鍵技術研發(一期)”重大項目：風電場、光伏電站集群控制系統研究與開發的申報工作。具體內容包括：

1 開展實時監測網絡與數據平臺研究，包括資源監測網絡與數據平臺、運行監測網絡與數據平臺和動態狀態估計。提出風電、光伏發電基地資源觀測點微觀選址方法，建設氣象觀測網絡和數據綜合平臺，開發風電場、光伏電站集群狀態估計軟件。

2 開展風電場、光伏電站集群多時空尺度建模與仿真分析研究。包括風光資源時空分布特性與數值模擬技術，風電、光伏發電多時空尺度出力特性分析及其集群控制策略的匹配性研究，多時空尺度風電場、光伏電站動態聚合模型及其在并網分析計算中的應用研究，并基于RTDS建立集群控制系統閉環實時仿真試驗系統，進行模型和策略的驗證。

3 開展風光聯合功率預測與應用決策支持系統研究，內容包括風光(聯合)預測系統、預測誤差統計特征指標篩選、評價體系和應用決策支持系統。建立適應酒泉千萬千瓦級風電基地、百萬千瓦級光電基地的風光(聯合)預測系統，預測精度滿足實用要求，并建立誤差評價體系，研發應用決策支持平臺，指導功率預測結果在集群控制平臺中的應用。

4 開展間歇式電源集群運行及優化策略研究，內容包括風電場/光伏電站集群年度電量規劃、日前出力計劃、集群與大電網安全穩定交互影響的機理。開發風電場、光伏電站集群的年度電量預估軟件、日前出力計劃軟件以及在線安全穩定預警與輔助決策軟件，并提出滿足網源互動要求的集群控制三道防線優化協調配置的原則與方法。

5 開展風電場、光伏電站集群控制策略關鍵技術研究，包括風電場、光伏電站集群控制系統的優化控制原則、控制模式，有功功率、無功電壓、安全穩定控制策略；風電機組、光伏組件并網控制策略。

6 開展風電場、光伏電站集群控制系統示范工程建設，包括風電場、光伏電站集群控制系統示范工程體系架構、軟硬件開發研制、開放式接口及無縫連接技術、海量數據處理技術和關鍵信息提取技術、可視化與可擴展技術、運行技術保障體系。

風電出力的波動性、隨機性導致了調頻調峰和系統穩定等一系列問題，該項目提高了大規模風電的可預測性、可控性和可調節性，有效緩解了風電出力不可控、不可知對于電網安全穩定的影響，為大規模風電集中并網、遠距離輸送提供關鍵技術支撐；該項目在改善大規模風電的并網特性的同時，為提高電網接納風電能力創造了條件。

五 結論與建議

1 大規模集中開發已成為中國風電發展的主要模式，伴隨著酒泉千萬千瓦風電基地的全面開工建設，大規模風電集中并網帶來的送出能力、消納能力、調頻調峰和系統穩定等一系列技術難題亟待解決。

2 風電與火電打捆聯合外送是應對大規模風電集中并網挑戰的合理選擇，也是促進大規模風電基地建設的必要條件。

3 風電集群控制為大規模風電集中并網、遠距離輸送提供關鍵技術支撐，改善了大規模風電并網的特性，為提高電網接納風電能力創造了條件。

[1]中國電力顧問集團西北電力設計院.甘肅酒泉風電基地輸電規劃—風資源特性與風電場規劃[R].2008,8.

[2]陸浩.一項關系全局的大戰略—關于建設河西風電走廊思考.甘肅日報,2008,7.28:1.

[3]國家發展與改革委員會.《關于甘肅酒泉千瓦千萬級風電基地“十一五”380萬千瓦風電場項目核準的批復》和《關于開展甘肅酒泉千瓦千萬級風電基地第二期項目規劃工作的通知》.2009,43-5.

[4]甘肅省電力公司. 2010年甘肅電網新能源運行分析報告[R].蘭州: 甘肅省電力公司調度通信中心,2010,1.

[5]甘肅省電力公司,甘肅電網2011年度運行方式報告[R].蘭州:甘肅省電力公司調度通信中心 2010,1.

[6]汪寧渤,馬彥宏,夏懿.甘肅酒泉10GW風電基地面臨的巨大挑戰[J].電力建設.2010,1:101-104.

[7]甘肅省電力公司,中國電力科學研究院.《甘肅電網接納風電能力研究報告》[R]:2009.9.

[8]肖創英,汪寧渤,丁坤,陟晶.甘肅酒泉風電功率調節方式研究 [J].中國電機工程學報，2010,10,1-6.

[9]肖創英,汪寧渤,陟晶,丁坤.甘肅酒泉風電出力特性分析[J].電力系統自動化，2010,34(17):64-67.

[10]汪寧渤.風電發展瓶頸原因分析及應對措施研究[J]. 中國能源.2010,32(3):17-20.

[11]國家電網公司能源研究院. 風電火電打捆外送經濟效益分析[R].2009.

[12]甘肅省電力公司.風電場、光伏電站集群控制系統研究與開發[R].2010,12.