辽宁电网提高风能和太阳能发电消纳能力研究

张 凯，孙红梅

(1.国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006；2.国网辽宁省电力有限公司检修分公司，辽宁 沈阳 110003)

长期以来，化石能源支撑了工业文明发展，同时也带来了环境污染、气候变化等影响人类生存发展的现实难题，化石能源面临枯竭，建立在化石能源基础上的能源生产和消费方式亟待转变，能源开发上的清洁替代和能源消费上的电能替代获得广泛共识[1]。在2014年中美两国共同发布的《中美气候变化联合声明中》，中国政府提出2030年左右碳排放达到峰值，将非化石能源在一次能源中的比重提升到20%左右。近年来，全球风电和太阳能发电规模增长迅猛，技术日益成熟，经济性不断提高，得到了各国政府支持，但是风能资源具有高度的随机波动性和间歇性，太阳能资源受天气等因素影响较大，因此，大规模的新能源发电接入电网对电力平衡、电网调峰等带来诸多严峻挑战[2-5]。

本文结合辽宁电网风能和太阳能发电的发展状况，分析总结影响风能和太阳能资源利用的因素，通过分析辽宁电网目前采取的措施及其效果，提出针对风能和太阳能发电发展的建议。

1 辽宁风能和太阳能发电发展现状

近年来，我国电网建设步伐不断加快，资源优化配置能力明显提高[6]。随着经济不断增长，辽宁省用电量稳步增加，风电和太阳能发电的装机容量和发电量也随之快速增长。2017年末，辽宁电网风电装机容量7 100 MW，占总装机容量的14.6%，全年发电149.63×108kWh；太阳能发电装机容量2 220 MW，占4.57%，全年发电11.6×108kWh。

图1 风电装机容量

图2 太阳能装机容量

图3 风电发电量

图4 太阳能发电量

如图1—图4所示，通过2011—2017年风电和太阳能发电的装机容量和发电量曲线可见，风电装机容量在2011年末已有4 000 MW，之后稳步发展，2014年后发展趋势有所减缓。但是风电发电量始终稳步增加。太阳能发电从2013年开始发展，2015年后装机和电量均快速增加。

2 风能和太阳能发电的限制因素

2.1 风电的调峰特性

随着经济的发展，风电装机容量提高，风电发电量逐年提高。但是大规模风电接入电网后，风电与负荷的不匹配也显现出来。

如图5、图6所示，辽宁是典型的大陆性季风气候，存在着明显的季节交替规律，每年4、5月份是温度迅速回升的过程，存在一段大风期，而同样的10、11月份气温迅速降低伴随着又一大风期的出现。从单日来看，风电出力的随机性很大，总体上是夜间风资源比白天更好。由于风能资源的随机性和季节性资源差距太大，决定了风电无法支撑电网的全部负荷，必须和大量火电等常规发电相配合才能满足电力需求。

辽宁省处于北方，冬季需要供暖。因此，辽宁的电力负荷在春秋两季略低，冬夏两季较高。日负荷特性是白天大，夜间小。

图5 辽宁电网2015—2017年各月负荷曲线

图6 辽宁电网典型日负荷曲线

对比负荷与风电资源，春秋两季正是风电资源好的时间，但是用电较少；夏季负荷大，但是无风；冬季负荷大，但由于供热机组开机方式较大，消纳风电的空间有限。从单日进行分析，风电出力随机性很大，无特定规律，但是夜间风资源一般比白天稍好。

当风电装机占比不大时，电网可以接纳全部风电。但是当风电达到一定规模后，风电的逆调峰特性给风电接纳带来了巨大的困难。

2.2 太阳能发电的调峰特性

如图7，与风电不同，太阳能发电虽然受天气因素影响[7]，但可预测性和发电规律性都较好。目前辽宁电网还没有发生过弃光现象，随着太阳能发电装机越来越大，太阳能发电的限制也凸显出来。太阳能的调峰特性比风电稍好，但是同样存在问题。

图7 典型日太阳能发电电力曲线

从太阳能发电电力曲线可以看出，太阳能发电的最大出力在每天的中午11—13时，但是从典型日负荷曲线可以看出，中午是白天的低谷负荷时段，当太阳能发电装机容量越来越大时，这一矛盾会越发凸显出来。在我国西北地区已经有弃光现象发生。

2.3 电网安全约束

随着风电的快速发展，与原来电网结构的不适应会越来越多。辽宁电网内同样存在若干限制因素，例如彰武地区，由于220 kV某线路的限制，当区域内风电较大时，由于线路过载，必须限制风电出力，导致弃风；朝阳地区同样存在N-1情况下其他线路过载的现象。随着风电的快速发展，此类现象会越来越多。

3 提高新能源发电接纳能力的措施

风电装机容量和发电量增长的不同步，一方面由于风资源的不确定性较大，不同年份的风资源有所差异；另一方面也是因为随着风电大规模接入电网后，因调峰困难等原因开始产生弃风，限制了风电发电量的增长。

3.1 辽宁电网提高新能源发电接纳能力的措施及效果

2017年，辽宁电网在接纳风电方面取得了重大进步，在风电发电量提高的基础上，弃风电量和弃风率均较2016年大幅降低。目前，辽宁电网在提高接纳风电接纳能力方面采取的措施主要实施在电源侧，包括以下措施。

a.火电机组灵活性改造

辽宁电网积极参与东北调峰辅助服务机制，鼓励直调电厂机组灵活性改造，平均出力可以降低到额定容量的40%以下，个别机组最低出力降低到额定容量的20%，提高电网的风电接纳能力达到2 160 MW。

b.电蓄热改造

2017年辽宁开展了一批电蓄热改造工程。冬季供暖期，在调峰困难时将电能通过蓄热式电锅炉转化成热能储存起来，用于供热，满足了调峰。同时在用电高峰时，不影响机组正常发电。此措施大幅提高电能的利用率，2017年通过电蓄热改造减少弃风电量1.65×108kWh。

c.提高风电预测准确率，调整火电开机

通过预测未来一段时间内风电功率，再结合负荷情况，使得调度人员根据预测的结果为风电预留接纳空间，提前做好电力平衡，通过在风电高峰前使火电机组停机或者降低核电机组出力[8-9]，有效减少弃风，甚至零弃风。

d.开展现货交易

以往国内电力市场交易主要以中长期为主，不利于清洁电力入场，加剧了弃风、弃光情况发生。2017年辽宁积极参加国调中心开展电力现货交易，通过跨省电力支援，将无法消纳的风电送往华北、山东等地，弃风等现象得到有效缓解。2017年辽宁电网通过现货交易减少弃风电量0.83×108kWh。

e.升级网架结构

针对电网安全约束产生的限风弃风现象，辽宁电网已做出了电网规划，通过新建1座500 kV变电站(4条线路)和1座220 kV变电站(3条线路)转移彰武地区1座风场出力，解决该地区风电网架约束问题。通过在朝阳地区220 kV变电站及相关风电场安装安全自动装置解决该地区风电网架约束问题，预计2018年底，将基本解决网架限制因素。

3.2 其他建议

为完成电力的清洁化转型，促进风电和太阳能发电进一步发展，不仅需要在电源侧扩大新能源电力的接纳能力，还应在需求侧提高电气化水平，加大电能替代[10]，例如电动汽车，既增加了电力负荷，还可作为分布式电源，在夜间充电，白天放电，起到削峰填谷的作用；冬季采用电取暖，既减少了因煤炭产生的环境污染，还提高了用电电力，提高电网接纳能力；大力发展储能技术，可以在电力系统中增加电能储存环节，使得电力实时平衡的“刚性”变得更加“柔性”，特别是能够平抑大规模清洁能源发电接入电网带来的波动性。

4 结束语

通过分析辽宁电网负荷、风电和太阳能发电的特性，总结了影响风电和太阳能发电消纳能力的因素：电网调峰困难引起的限电；电源发展与电网结构不匹配，因网架结构引起的限电。同时，根据辽宁目前采取的措施，提出提高风能和太阳能发电消纳能力的建议。在电源侧，加大机组的调峰能力，通过新技术使火电机组在低负荷下稳定运行，在电网方面要加大接纳各种电源的能力，网源协调发展，跨区域配置电力，用电侧开发各种负荷，加大电能替代，大力发展储能技术等。

辽宁电网的风能和太阳能发电消纳情况是全国的缩影，随着电力行业的发展，现有问题一定会得到解决，同时电网在新能源接纳和送出方面还会出现新的问题，完成电力清洁化转型任重道远。