中國風(fēng)電消納能力不足的原因分析

中國風(fēng)電消納能力不足的原因分析

0風(fēng)電并網(wǎng)容量增長過快,棄風(fēng)電量較截至2013年年底，中國電網(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械。2013年累計發(fā)電量135TW·h,超過北京、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)容量增長了37倍,年均增長67%;年發(fā)電量增長48倍,年均增長74%。并網(wǎng)電壓等級從35kV發(fā)展到最高750kV。中國風(fēng)電裝機占系統(tǒng)總裝機的比例,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)展取得顯著成績的同時,中國風(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,2010—2013年的棄風(fēng)電量分別為1TW·h、10TW·h、20TW·h和16TW·h。本文對中國風(fēng)電運行特點和消納困難的原因進行了深入分析,并提出了相關(guān)措施。1中國風(fēng)力發(fā)展和運營特點1.1國外發(fā)展時間從2000—2012年,中國風(fēng)電裝機容量年均增長率為48.4%,是世界上風(fēng)電發(fā)展最快的國家(美國29.4%、德國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)營區(qū)域內(nèi)風(fēng)電總?cè)萘颗c德國、丹麥和西班牙等國的分散開發(fā)方式不同,中國風(fēng)電呈現(xiàn)大規(guī)模集中開發(fā)特點,主要集中在風(fēng)資源豐富的“三北”地區(qū),占全國風(fēng)電總?cè)萘康?3.4%,占國家電網(wǎng)公司經(jīng)營區(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)僅占國土總面積的3%,風(fēng)電卻占了全國的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)電場系統(tǒng)接入系統(tǒng)情況中國風(fēng)電資源和負(fù)荷逆向分布的特點以及大規(guī)模集中開發(fā)的方式,使中國成為風(fēng)電接入電壓等級最高和電力輸送距離最遠(yuǎn)的國家。根據(jù)國家電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)內(nèi)風(fēng)電場項目接入系統(tǒng)情況的統(tǒng)計,中國近70%的風(fēng)電容量接入220kV及以上電壓等級,最高接入電壓等級為750kV,而德國、丹麥和西班牙等國的風(fēng)電場大多接入110kV及以下的配電網(wǎng)。與德國、西班牙和丹麥風(fēng)電分散分布、就地消納的模式不同,中國風(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)電對電量平衡的貢獻(xiàn)電力系統(tǒng)運行是有一定規(guī)律的、時變的連續(xù)過程,風(fēng)電電力、電量的波動性是造成電力系統(tǒng)運行和消納困難的關(guān)鍵。為方便描述風(fēng)電波動,將一定時段內(nèi)風(fēng)電最大變幅定義為波動幅度,將波動幅度與最大電力的比值定義為波動率。從年度來看,國家電網(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,年度波動幅度為100%。因此,從年度來看,風(fēng)電對電量平衡有一定貢獻(xiàn),而對電力平衡貢獻(xiàn)很小。從月度來看,國家電網(wǎng)范圍內(nèi)風(fēng)電波動幅度最大為25.697GW,波動率為82.0%。華北、東北、西北及各風(fēng)電大省風(fēng)電月度波動率基本都在90%以上。因此,從月度來看,風(fēng)電在電力平衡方面的貢獻(xiàn)是非常有限的。從日出力來看,國家電網(wǎng)范圍內(nèi)風(fēng)電最大波動為18.856GW,波動率為60.1%。各地區(qū)風(fēng)電最大波動幅度都在70%以上,有的甚至達(dá)到99%。國家電網(wǎng)范圍內(nèi)風(fēng)電15min的最大波動為1.879GW,波動率19.2%;華北、東北及西北15min的波動率分別為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,將風(fēng)電納入日前計劃安排和日內(nèi)計劃滾動調(diào)整,是充分接納風(fēng)電的重要途徑。2中國能源生產(chǎn)中存在的問題和分析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,風(fēng)電并網(wǎng)容量快速增長,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,2013年全國有13個省市出現(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)電具有波動性和間歇性,而用電需求是連續(xù)變化過程,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)電運行客觀上需要有與之相匹配的快速調(diào)節(jié)電源?？v觀世界風(fēng)電發(fā)展較快的國家,無論是歐洲的西班牙和德國,還是大洋彼岸的美國,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、德國和西班牙,靈活調(diào)節(jié)電源占比分別達(dá)到57.2%、29.5%和53.3%。與國外相比,國內(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?！叭薄被痣娧b機比重均在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。加之供熱機組占火電的50%以上,供熱期供熱機組調(diào)峰能力降低25%~50%,致使系統(tǒng)調(diào)峰能力進一步下降。其次,隨著風(fēng)電的快速增長,其波動性對電網(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)波動幅度占當(dāng)日最大負(fù)荷的比例均超過系統(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)峰運行特性使部分省級電網(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)濟增速放緩影響,全社會用電量和電網(wǎng)負(fù)荷增長緩慢,尤其在風(fēng)電富集地區(qū),負(fù)荷增長速度明顯落后于風(fēng)電的增長速度,進一步減小了風(fēng)電接納空間。2013年,東北電網(wǎng)最高用電負(fù)荷和全社會用電量同比增長分別為4.8%和4.4%,遠(yuǎn)低于風(fēng)電裝機15%的增速,系統(tǒng)調(diào)峰難度進一步增加。2.3國內(nèi)風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀為發(fā)展和利用好風(fēng)電,國外除采用分散發(fā)展和接入方式外,也采取了多項措施保證電網(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)電特點加強電網(wǎng)規(guī)劃研究,如德國,針對2015年和2020年風(fēng)電等可再生能源的發(fā)展規(guī)劃,組織輸電運營商及有關(guān)專家分兩期對電網(wǎng)的適應(yīng)性和建設(shè)改造進行了系統(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)和運行方案;三是加強電網(wǎng)建設(shè),如西班牙,加強了國內(nèi)骨干網(wǎng)架和跨國聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。國內(nèi)在風(fēng)電發(fā)展過程中,風(fēng)電場規(guī)劃建設(shè)與配套電網(wǎng)工程銜接不夠。國內(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)實特點不足,致使配套的電網(wǎng)建設(shè)工程難以跟進,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,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題,風(fēng)電運行受到一定限制。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,蒙西和陜北大型火電基地也將逐步形成,在電力負(fù)荷增長相對緩慢和電網(wǎng)輸電通道建設(shè)相對滯后的制約下,風(fēng)電等新能源運行受限問題將更加嚴(yán)重。3關(guān)于風(fēng)能運營和消費的措施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,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)籌國家和地方風(fēng)電規(guī)劃,確保各級規(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)國家核準(zhǔn)的“十二五”前4批風(fēng)電項目,優(yōu)化建設(shè)時序,建立風(fēng)電項目與配套調(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,提高常規(guī)電源的調(diào)節(jié)能力,加強快速調(diào)節(jié)機組建設(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)丹麥的先進經(jīng)驗,鼓勵現(xiàn)有常規(guī)火電機組開展技術(shù)改造,實現(xiàn)火電機組在額定出力的20%~100%穩(wěn)定運行;研究壓縮空氣蓄能及電化學(xué)儲能等大規(guī)模蓄能技術(shù)的應(yīng)用。3.3調(diào)整驅(qū)動方案理順風(fēng)電優(yōu)先調(diào)度和火電電量計劃之間的關(guān)系,建立適應(yīng)風(fēng)電波動性的實時、快速的電網(wǎng)調(diào)度機制。借鑒西班牙經(jīng)驗,允許調(diào)度機構(gòu)在風(fēng)電預(yù)測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,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)的補償標(biāo)準(zhǔn)。完善抽水蓄能電站電價政策,建立抽水蓄能電站合理的成本回收機制。4加