遼寧電網(wǎng)提高風能和太陽能發(fā)電消納能力研究

張 凱，孫紅梅

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修分公司，遼寧 沈陽 110003)

長期以來，化石能源支撐了工業(yè)文明發(fā)展，同時也帶來了環(huán)境污染、氣候變化等影響人類生存發(fā)展的現(xiàn)實難題，化石能源面臨枯竭，建立在化石能源基礎上的能源生產(chǎn)和消費方式亟待轉(zhuǎn)變，能源開發(fā)上的清潔替代和能源消費上的電能替代獲得廣泛共識[1]。在2014年中美兩國共同發(fā)布的《中美氣候變化聯(lián)合聲明中》，中國政府提出2030年左右碳排放達到峰值，將非化石能源在一次能源中的比重提升到20%左右。近年來，全球風電和太陽能發(fā)電規(guī)模增長迅猛，技術日益成熟，經(jīng)濟性不斷提高，得到了各國政府支持，但是風能資源具有高度的隨機波動性和間歇性，太陽能資源受天氣等因素影響較大，因此，大規(guī)模的新能源發(fā)電接入電網(wǎng)對電力平衡、電網(wǎng)調(diào)峰等帶來諸多嚴峻挑戰(zhàn)[2-5]。

本文結(jié)合遼寧電網(wǎng)風能和太陽能發(fā)電的發(fā)展狀況，分析總結(jié)影響風能和太陽能資源利用的因素，通過分析遼寧電網(wǎng)目前采取的措施及其效果，提出針對風能和太陽能發(fā)電發(fā)展的建議。

1 遼寧風能和太陽能發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，我國電網(wǎng)建設步伐不斷加快，資源優(yōu)化配置能力明顯提高[6]。隨著經(jīng)濟不斷增長，遼寧省用電量穩(wěn)步增加，風電和太陽能發(fā)電的裝機容量和發(fā)電量也隨之快速增長。2017年末，遼寧電網(wǎng)風電裝機容量7 100 MW，占總裝機容量的14.6%，全年發(fā)電149.63×108kWh；太陽能發(fā)電裝機容量2 220 MW，占4.57%，全年發(fā)電11.6×108kWh。

圖1 風電裝機容量

圖2 太陽能裝機容量

圖3 風電發(fā)電量

圖4 太陽能發(fā)電量

如圖1—圖4所示，通過2011—2017年風電和太陽能發(fā)電的裝機容量和發(fā)電量曲線可見，風電裝機容量在2011年末已有4 000 MW，之后穩(wěn)步發(fā)展，2014年后發(fā)展趨勢有所減緩。但是風電發(fā)電量始終穩(wěn)步增加。太陽能發(fā)電從2013年開始發(fā)展，2015年后裝機和電量均快速增加。

2 風能和太陽能發(fā)電的限制因素

2.1 風電的調(diào)峰特性

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，風電裝機容量提高，風電發(fā)電量逐年提高。但是大規(guī)模風電接入電網(wǎng)后，風電與負荷的不匹配也顯現(xiàn)出來。

如圖5、圖6所示，遼寧是典型的大陸性季風氣候，存在著明顯的季節(jié)交替規(guī)律，每年4、5月份是溫度迅速回升的過程，存在一段大風期，而同樣的10、11月份氣溫迅速降低伴隨著又一大風期的出現(xiàn)。從單日來看，風電出力的隨機性很大，總體上是夜間風資源比白天更好。由于風能資源的隨機性和季節(jié)性資源差距太大，決定了風電無法支撐電網(wǎng)的全部負荷，必須和大量火電等常規(guī)發(fā)電相配合才能滿足電力需求。

遼寧省處于北方，冬季需要供暖。因此，遼寧的電力負荷在春秋兩季略低，冬夏兩季較高。日負荷特性是白天大，夜間小。

圖5 遼寧電網(wǎng)2015—2017年各月負荷曲線

圖6 遼寧電網(wǎng)典型日負荷曲線

對比負荷與風電資源，春秋兩季正是風電資源好的時間，但是用電較少；夏季負荷大，但是無風；冬季負荷大，但由于供熱機組開機方式較大，消納風電的空間有限。從單日進行分析，風電出力隨機性很大，無特定規(guī)律，但是夜間風資源一般比白天稍好。

當風電裝機占比不大時，電網(wǎng)可以接納全部風電。但是當風電達到一定規(guī)模后，風電的逆調(diào)峰特性給風電接納帶來了巨大的困難。

2.2 太陽能發(fā)電的調(diào)峰特性

如圖7，與風電不同，太陽能發(fā)電雖然受天氣因素影響[7]，但可預測性和發(fā)電規(guī)律性都較好。目前遼寧電網(wǎng)還沒有發(fā)生過棄光現(xiàn)象，隨著太陽能發(fā)電裝機越來越大，太陽能發(fā)電的限制也凸顯出來。太陽能的調(diào)峰特性比風電稍好，但是同樣存在問題。

圖7 典型日太陽能發(fā)電電力曲線

從太陽能發(fā)電電力曲線可以看出，太陽能發(fā)電的最大出力在每天的中午11—13時，但是從典型日負荷曲線可以看出，中午是白天的低谷負荷時段，當太陽能發(fā)電裝機容量越來越大時，這一矛盾會越發(fā)凸顯出來。在我國西北地區(qū)已經(jīng)有棄光現(xiàn)象發(fā)生。

2.3 電網(wǎng)安全約束

隨著風電的快速發(fā)展，與原來電網(wǎng)結(jié)構的不適應會越來越多。遼寧電網(wǎng)內(nèi)同樣存在若干限制因素，例如彰武地區(qū)，由于220 kV某線路的限制，當區(qū)域內(nèi)風電較大時，由于線路過載，必須限制風電出力，導致棄風；朝陽地區(qū)同樣存在N-1情況下其他線路過載的現(xiàn)象。隨著風電的快速發(fā)展，此類現(xiàn)象會越來越多。

3 提高新能源發(fā)電接納能力的措施

風電裝機容量和發(fā)電量增長的不同步，一方面由于風資源的不確定性較大，不同年份的風資源有所差異；另一方面也是因為隨著風電大規(guī)模接入電網(wǎng)后，因調(diào)峰困難等原因開始產(chǎn)生棄風，限制了風電發(fā)電量的增長。

3.1 遼寧電網(wǎng)提高新能源發(fā)電接納能力的措施及效果

2017年，遼寧電網(wǎng)在接納風電方面取得了重大進步，在風電發(fā)電量提高的基礎上，棄風電量和棄風率均較2016年大幅降低。目前，遼寧電網(wǎng)在提高接納風電接納能力方面采取的措施主要實施在電源側(cè)，包括以下措施。

a.火電機組靈活性改造

遼寧電網(wǎng)積極參與東北調(diào)峰輔助服務機制，鼓勵直調(diào)電廠機組靈活性改造，平均出力可以降低到額定容量的40%以下，個別機組最低出力降低到額定容量的20%，提高電網(wǎng)的風電接納能力達到2 160 MW。

b.電蓄熱改造

2017年遼寧開展了一批電蓄熱改造工程。冬季供暖期，在調(diào)峰困難時將電能通過蓄熱式電鍋爐轉(zhuǎn)化成熱能儲存起來，用于供熱，滿足了調(diào)峰。同時在用電高峰時，不影響機組正常發(fā)電。此措施大幅提高電能的利用率，2017年通過電蓄熱改造減少棄風電量1.65×108kWh。

c.提高風電預測準確率，調(diào)整火電開機

通過預測未來一段時間內(nèi)風電功率，再結(jié)合負荷情況，使得調(diào)度人員根據(jù)預測的結(jié)果為風電預留接納空間，提前做好電力平衡，通過在風電高峰前使火電機組停機或者降低核電機組出力[8-9]，有效減少棄風，甚至零棄風。

d.開展現(xiàn)貨交易

以往國內(nèi)電力市場交易主要以中長期為主，不利于清潔電力入場，加劇了棄風、棄光情況發(fā)生。2017年遼寧積極參加國調(diào)中心開展電力現(xiàn)貨交易，通過跨省電力支援，將無法消納的風電送往華北、山東等地，棄風等現(xiàn)象得到有效緩解。2017年遼寧電網(wǎng)通過現(xiàn)貨交易減少棄風電量0.83×108kWh。

e.升級網(wǎng)架結(jié)構

針對電網(wǎng)安全約束產(chǎn)生的限風棄風現(xiàn)象，遼寧電網(wǎng)已做出了電網(wǎng)規(guī)劃，通過新建1座500 kV變電站(4條線路)和1座220 kV變電站(3條線路)轉(zhuǎn)移彰武地區(qū)1座風場出力，解決該地區(qū)風電網(wǎng)架約束問題。通過在朝陽地區(qū)220 kV變電站及相關風電場安裝安全自動裝置解決該地區(qū)風電網(wǎng)架約束問題，預計2018年底，將基本解決網(wǎng)架限制因素。

3.2 其他建議

為完成電力的清潔化轉(zhuǎn)型，促進風電和太陽能發(fā)電進一步發(fā)展，不僅需要在電源側(cè)擴大新能源電力的接納能力，還應在需求側(cè)提高電氣化水平，加大電能替代[10]，例如電動汽車，既增加了電力負荷，還可作為分布式電源，在夜間充電，白天放電，起到削峰填谷的作用；冬季采用電取暖，既減少了因煤炭產(chǎn)生的環(huán)境污染，還提高了用電電力，提高電網(wǎng)接納能力；大力發(fā)展儲能技術，可以在電力系統(tǒng)中增加電能儲存環(huán)節(jié)，使得電力實時平衡的“剛性”變得更加“柔性”，特別是能夠平抑大規(guī)模清潔能源發(fā)電接入電網(wǎng)帶來的波動性。

4 結(jié)束語

通過分析遼寧電網(wǎng)負荷、風電和太陽能發(fā)電的特性，總結(jié)了影響風電和太陽能發(fā)電消納能力的因素：電網(wǎng)調(diào)峰困難引起的限電；電源發(fā)展與電網(wǎng)結(jié)構不匹配，因網(wǎng)架結(jié)構引起的限電。同時，根據(jù)遼寧目前采取的措施，提出提高風能和太陽能發(fā)電消納能力的建議。在電源側(cè)，加大機組的調(diào)峰能力，通過新技術使火電機組在低負荷下穩(wěn)定運行，在電網(wǎng)方面要加大接納各種電源的能力，網(wǎng)源協(xié)調(diào)發(fā)展，跨區(qū)域配置電力，用電側(cè)開發(fā)各種負荷，加大電能替代，大力發(fā)展儲能技術等。

遼寧電網(wǎng)的風能和太陽能發(fā)電消納情況是全國的縮影，隨著電力行業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)有問題一定會得到解決，同時電網(wǎng)在新能源接納和送出方面還會出現(xiàn)新的問題，完成電力清潔化轉(zhuǎn)型任重道遠。