[科普中國]-風(fēng)-光-火電協(xié)調(diào)外送技術(shù)

背景

風(fēng)電行業(yè)興起于20世紀(jì)70年代的石油危機(jī)。在過去30多年里，風(fēng)電在全球范圍內(nèi)經(jīng)歷了快速的發(fā)展。近年來，光伏發(fā)電也進(jìn)入大規(guī)模發(fā)展階段，我國已成為世界上風(fēng)電裝機(jī)容量最大和光伏發(fā)電增長最快的國家。目前，風(fēng)力和太陽能發(fā)電憑借其技術(shù)相對(duì)成熟、資源異常豐富等優(yōu)勢(shì)，在世界各國新能源發(fā)展戰(zhàn)略中均居于重要地位。各國政府已出臺(tái)各種鼓勵(lì)措施和優(yōu)惠政策，促進(jìn)風(fēng)、光發(fā)電技術(shù)的發(fā)展以及電量的消納降。

目前，我國正處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的重要時(shí)期，能源需求具有剛性的增長特征。預(yù)計(jì)，2020年我國能源需求將達(dá)到4549億噸標(biāo)煤，而受資源儲(chǔ)量、生態(tài)環(huán)境、開發(fā)條件等諸多因素的制約，我國國內(nèi)常規(guī)化石能源可持續(xù)供應(yīng)能力僅約36億噸標(biāo)煤，遠(yuǎn)低于未來國內(nèi)能源潛在需求，特別是我國碳排放居高不下，節(jié)能減排壓力巨大。因此，大力開發(fā)風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生能源，是保障我國能源電力可持續(xù)發(fā)展的重要選擇之一。

然而，我國風(fēng)能、太陽能等可再生能源具有分布集中度高、與負(fù)荷中心呈逆向分布的特點(diǎn)。根據(jù)“十二五”規(guī)劃，我國將建設(shè)河北、蒙東、蒙西、吉林、甘肅、山東、江蘇、新疆和黑龍江九大風(fēng)電基地。上述風(fēng)電基地中除山東和江蘇外，其余七大風(fēng)電基地所屬地區(qū)電網(wǎng)規(guī)模有限，必需通過遠(yuǎn)距離輸電，擴(kuò)大風(fēng)電消納范圍，才能進(jìn)一步增加開發(fā)規(guī)模。通過特高壓輸電系統(tǒng)將位于“三北”地區(qū)大型能源基地的風(fēng)電以及光伏電力輸送到東中部負(fù)荷中心是全面落實(shí)國家新能源發(fā)展規(guī)劃的主要方式。根據(jù)國家電網(wǎng)發(fā)展研究，位于華北地區(qū)(含蒙西)能源基地的風(fēng)電等清潔能源可通過特高壓交流系統(tǒng)輸送；位于東北和西北(含新疆)地區(qū)能源基地的風(fēng)電等清潔能源只能通過特高壓直流系統(tǒng)輸送1。

中國風(fēng)力和太陽能發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀資源分布及開發(fā)潛力我國風(fēng)能資源豐富，據(jù)氣象部門最新風(fēng)能資源普查成果初步統(tǒng)計(jì)，我國lOm高度可開發(fā)和利用的風(fēng)能資源總儲(chǔ)量超過10億kW。我國陸地風(fēng)能資源豐富區(qū)主要分布在3個(gè)地帶：一是北部地區(qū)（包括西北地區(qū)大部、華北北部、東北大部）風(fēng)能資源豐富帶，這些地區(qū)年平均風(fēng)功率密度在150W/m2以上的區(qū)域面積大，有效小時(shí)數(shù)達(dá)5000到6000h，是我國最大的成片風(fēng)能資源豐富帶；二是沿海風(fēng)能資源豐富地帶，這一風(fēng)能資源豐富帶在陸上僅限于離海岸線2到3km范圍內(nèi)，可供風(fēng)能資源開發(fā)利用的面積有限；三是青藏高原腹地2。

我國太陽能資源豐富地區(qū)主要分布在青藏高原、甘肅、寧夏北部、新疆南部、蒙西等地區(qū)，年日照時(shí)數(shù)大于3000h，具有利用太陽能發(fā)電的良好條件?？紤]到我國部分風(fēng)能資源豐富和較豐富的區(qū)域存在場(chǎng)址建設(shè)條件相對(duì)較差(如青藏高原腹地)，當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)接納風(fēng)電能力弱等不利條件，我國具備建設(shè)大型風(fēng)電基地場(chǎng)址條件的區(qū)域主要集中在內(nèi)蒙古、吉林西部、甘肅酒泉地區(qū)、新疆哈密地區(qū)、河北張家口地區(qū)以及江蘇和山東沿海區(qū)域。這些區(qū)域場(chǎng)址建設(shè)條件均相對(duì)較優(yōu)，適合進(jìn)行大規(guī)模風(fēng)電開發(fā)。而全國其他地區(qū)則由于受不同的建設(shè)條件制約基本上只能以相對(duì)較為分散的風(fēng)電場(chǎng)形式進(jìn)行風(fēng)電開發(fā)。

風(fēng)力和太陽能發(fā)電并網(wǎng)及規(guī)劃在1995, 2000,2007,2008以及2012年，我國政府部門對(duì)風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃做了多次調(diào)整。先后出臺(tái)了多個(gè)可再生能源發(fā)展綱要及中長期發(fā)展規(guī)劃，風(fēng)電發(fā)展的力度在逐步加大。中國風(fēng)能協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)顯示，截至2012年底，全國并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)達(dá)到1445座，風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘?5324.2MW。我國已連續(xù)2年風(fēng)電新增及裝機(jī)總?cè)萘烤佑谑澜绲?位。

根據(jù)2012年最新頒布的“十二五”發(fā)展規(guī)劃，我國風(fēng)電裝機(jī)容量在2015,2020年將分別達(dá)到150,200GW，預(yù)計(jì)到2030年和2050年，風(fēng)電將達(dá)到400,1000GW，這意味著未來近40年內(nèi)我國風(fēng)電還將保持平均每年20 GW左右裝機(jī)的增長速度，擴(kuò)大風(fēng)電等可再生能源消納范圍是保障我國風(fēng)電高效發(fā)展的前提。

國家可再生能源“十二五”規(guī)劃提出，按照集中開發(fā)與分布式利用相結(jié)合的原則，積極推進(jìn)太陽能的多元化利用。太陽能資源豐富地區(qū)將以集中開發(fā)為主，東中部地區(qū)將主要發(fā)展分布式光伏。預(yù)計(jì)2015年和2020年太陽能發(fā)電裝機(jī)容量將分別達(dá)到21GW和5OGW。

中國風(fēng)電發(fā)展面臨的主要問題電源結(jié)構(gòu)與風(fēng)電發(fā)展矛盾我國電源結(jié)構(gòu)以欠靈活調(diào)節(jié)的燃煤火電為主，且在相當(dāng)長一段時(shí)期內(nèi)難以改變。華北、東北地區(qū)風(fēng)電與靈活調(diào)節(jié)電源之比超過2，新能源消納難度要遠(yuǎn)大于西班牙、德國和美國。

同時(shí)，在風(fēng)電比重大的“三北”地區(qū)，冬季為保證供熱，火電機(jī)組調(diào)峰能力隨著供氣量的增加而大幅下降。目前，在吉林、蒙東等地區(qū)，由于供熱期系統(tǒng)調(diào)峰能力不足，已出現(xiàn)限制風(fēng)電出力的情況，調(diào)峰問題成為制約“三北”電網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展風(fēng)電的主要瓶頸。

需強(qiáng)調(diào)的是，目前風(fēng)電主要在區(qū)域內(nèi)消納，不能滿足發(fā)展需求，迫切需要建設(shè)跨區(qū)輸電通道，擴(kuò)大風(fēng)電消納范圍，緩解地區(qū)電源結(jié)構(gòu)與風(fēng)電消納突出矛盾，有效提高風(fēng)電消納能力1。

風(fēng)電基地集中開發(fā)與外送之間的矛盾我國風(fēng)電開發(fā)規(guī)劃中的7大風(fēng)電基地均處于遠(yuǎn)離東中部負(fù)荷中心的“三北”地區(qū)。到2015年和2020年，扣除當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)消納的風(fēng)電功率外，跨區(qū)輸送的風(fēng)電裝機(jī)容量將分別達(dá)到36GW和100GW。由此可見，必須通過電網(wǎng)和跨區(qū)輸電通道大規(guī)模外送才能確保這些風(fēng)能資源的高效開發(fā)和充分利用。

然而，由于風(fēng)電場(chǎng)的分散性和風(fēng)電功率的隨機(jī)波動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)電網(wǎng)有功和無功控制提出新的挑戰(zhàn)。特別是處于“三北”地區(qū)的電網(wǎng)薄弱、短路容量小，很難滿足特高壓(包括超高壓)直流輸電系統(tǒng)對(duì)無功電壓和有功控制的技術(shù)要求，必須配套建設(shè)足夠的其他電源和電網(wǎng)項(xiàng)目，滿足直流輸電系統(tǒng)安全運(yùn)行要求。另外，特高壓直流輸電系統(tǒng)額定功率一般都在8000MW以上，受端電網(wǎng)也應(yīng)同步規(guī)劃建設(shè)滿足安全運(yùn)行要求的配套項(xiàng)目。但現(xiàn)狀是既缺少送、受端配套電網(wǎng)項(xiàng)目的統(tǒng)籌規(guī)劃，也缺少風(fēng)電與火電以及其他電源項(xiàng)目的統(tǒng)籌規(guī)劃，導(dǎo)致風(fēng)電外送受阻問題日益突出。

風(fēng)、光、火電力大規(guī)模安全外送交流母線短路容量對(duì)送受端交流電網(wǎng)的要求當(dāng)代的直流輸電工程對(duì)其所接入的送、受端交流電網(wǎng)短路容量都有具體要求。例如，哈密至鄭州特高壓直流工程對(duì)兩端換流站500kV交流母線最小短路電流要求是16.7kA和24.5kA,額定功率(8000MW)下的短路電流水平要在25kA以上才能確保直流工程投切交流濾波器時(shí)，電壓波動(dòng)在技術(shù)規(guī)范以內(nèi)匡。然而，位于“三北”風(fēng)能資源富集區(qū)域電網(wǎng)都很薄弱，必須配套建設(shè)足夠的火電項(xiàng)目和必要的電網(wǎng)項(xiàng)目才能滿足直流工程技術(shù)規(guī)范要求。位于東中部負(fù)荷中心地區(qū)的受端電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)都比較強(qiáng)，饋入的換流站交流母線短路容量一般都能滿足直流工程技術(shù)規(guī)范要求3。

電壓、功角等對(duì)送受端交流電網(wǎng)的要求直流工程接入的送、受端電網(wǎng)除了滿足直流工程技術(shù)規(guī)范外，還應(yīng)進(jìn)一步校核計(jì)算交、直流系統(tǒng)在各種可能發(fā)生的故障情況下，送、受端電網(wǎng)的暫態(tài)、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)穩(wěn)定性。特別是多回直流工程接入的電網(wǎng)不僅要計(jì)算分析交、直流系統(tǒng)之問的相互作用，還要計(jì)及各直流系統(tǒng)之問的相互影響，應(yīng)滿足《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》的要求。在這方面，國內(nèi)外專家學(xué)者已開展了大量仿真計(jì)算研究，并取得令人滿意的成果4。

計(jì)算外送風(fēng)、光、火電裝機(jī)容量的實(shí)用方法根據(jù)國家電網(wǎng)中長期發(fā)展研究結(jié)果，位于西北和東北能源基地的電力均應(yīng)通過直流工程向東中部地區(qū)輸送，而直流工程的電壓和容量根據(jù)輸電距離、工程造價(jià)以及占用輸電走廊等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)確定。一般輸電距離大于1100km，直流工程電壓選擇士800kV，輸電容量選擇8000MW。直流輸電容量確定后，在送受端電網(wǎng)滿足直流工程技術(shù)規(guī)范和《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》基礎(chǔ)上，還需要優(yōu)化計(jì)算位于送端電網(wǎng)能源基地外送的風(fēng)電、光伏和火電裝機(jī)容量。

結(jié)語對(duì)我國問歇性清潔能源發(fā)展及存在的問題進(jìn)行了系統(tǒng)地分析，結(jié)合我國風(fēng)電發(fā)展中存在的問題和當(dāng)代直流輸電技術(shù)特點(diǎn)對(duì)位于東北、西北等邊遠(yuǎn)地區(qū)的大型能源基地風(fēng)、光、火電力大規(guī)模高效率安全外送的可行性做了系統(tǒng)的分析和研究。

結(jié)合正在建設(shè)的新疆哈密至河南鄭州特高壓直流輸電工程，在已確定的風(fēng)電和光伏發(fā)電裝機(jī)容量條件下，優(yōu)化計(jì)算出配套的火電裝機(jī)容量；從而優(yōu)化了輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

隨著我國風(fēng)電的大規(guī)模、高集中開發(fā)，大容量風(fēng)電遠(yuǎn)距離外送成為解決風(fēng)電消納問題的一個(gè)有效手段。由于風(fēng)電資源木身的年利用小時(shí)數(shù)較低，為其建設(shè)一定容量的配套電源聯(lián)合送出才能保證風(fēng)電外送的綜合效益。