基于影响风电消纳关键因素的分析与研究

大唐陕西发电有限公司新能源分公司 张 鹏

目前，影响大规模风能消纳的关键因素主要是风能资源的不确定性以及区域分布的错位和不集中。由于储能目前是一个难题，通常采用“发电—供电”模式来确定供需比[1]。如图1某地区日总负荷和风电功率曲线所示。

图1 日用总负荷与风电出力曲线图

从图中曲线上可以看出，电力负荷曲线不是平滑直线，在白天和晚上存在用电高低峰，特别风电出力最低时占负荷仅有2.8%，因此调整峰是不可避免的。

基于上述这种情况，一方面需要通过建设富裕机组来满足高峰时段电能的电消耗需求，可以从图2中看出风电出力与电网负荷存在较强的反调峰特性；另一方面，还需要采取整个电气系统优化进行“削峰填谷”调整。由于目前风电的大规模接入电网，对电力系统的监管能力提出了更大的挑战，这主要体现在发电侧和用户之间的时间位移和地域错位[2]。时间位移体现在两方面：一方面反映在风力发电和电力负荷之间的错位；另一方面反映在资源配置问题上，在晴天和其他无风条件下，风力发电量将显著减少，与可控火力发电厂不同，风能的不确定性已成为电网面临的主要挑战之一。地域的错位：大规模或者大装机容量的风电主要分布在西北部和北部，而用电大户需求主要集中在中东部，因此存在地域上存在错位[3]。针对上述风电消纳面临问题，本文提出了一些风电消纳的关键技术可以有效对风电消纳问题得以解决。

图2 风电出力与电网负荷存的反调峰特性图

1 风电消纳能力影响要素

根据相关研究统计和数据，影响风能消费能力的主要因素可归纳为四个方面：发电侧、电网侧、用户端和政策机制，其具体相关内容如表1所示。文中以风电消纳为中心，从发电侧、电网侧、用户端和政策机制等不同方面提出影响风电消纳的技术原因。发电侧主要采取科学发展可再生能源，促进煤电有序发展，合理组织各类供电项目建设和运行进度，加大对落后煤电产能的关闭和技术改造力度，加快蓄水储能、天然气发电等调峰项目建设，提高调峰能力，推进可再生能源全面应用；电网方面主要采取提高电网规划和布局，以提高电网可再生能源消纳能力，扩大电能的输送，提高可再生能源输送量，优化适应可再生能源获取特点的电力调度运行模式，确保可再生能源优先消纳和交易合同的履行；用户端主要支持消费，灵活引导终端用户优先使用可再生能源，完善可再生能源使用的市场机制，鼓励可再生能源参与电力市场交易。这些因素的综合作用共同决定了风能的消纳能力。因此，在评估影响风能消纳的因素时，我们可以从两个方面进行研究和分析：一是技术原因；另一个是经济政策。

表1 影响风电消纳能力的主要因素

1.1 影响风电消纳的技术原因

1.1.1 风电场发电侧的影响

由于风力发电的随机性和间歇性的原因与火电机相比，存在着电压监管和系统稳定性等问题。目前，由于受风能检测设备落后性、检测能力局限性、风电并网技术不完善等原因，导致大多数现有风力发电机机组仍然缺乏系统电压调节、有功系统功率和无功功率以及低压自切换辅助电源的技术。如果风电系统发生故障，可能会发生脱网运行，这将直接危及整个电网的稳定性。

1.1.2 电网侧影响

风电并入电网系统能力主要取决于整个电网负荷消纳能力和系统调峰能力。而电网系统的调峰能力和常规备用机组的装机容量又限制了并网风电的规模性。此外，电力结构与风力发电的并网规律又有着密切关系如下：

大规模的风力发电或大容量风电机组接入电网对电网的安全性存在潜在的安全隐患；用电端的需求量与风电容量之间存在不匹配；电网不合理的调度方式限制了风力发电的消纳能力。

1.2 影响风电消纳的经济政策

1.2.1 经济原因

1.2.1.1 补偿金额不足

目前，为了鼓励风电的发电，其上网电价应该高于传统不可再生资源发电的上网电价。此外，由于电网公司上网电价的上调就意味着新能源发电的利润就会有所减少。目前，虽然国家为电网公司接受的风能发电提供了一些补偿，但这种补偿不足以鼓励电网公司积极接纳风电的消纳。

1.2.1.2 补偿机制缺乏完善性

大型风电的建设又存在很多基础设施项目，但按照国内目前标准建立的风能接入电力系统的补贴还是较低，并且没有完善的激励投资补偿机制，这使得风能项目难以及时收回投资款，这在客观上限制了风电的发展和消纳能力。

1.2.2 政策原因

1.2.2.1 项目审批漏洞

当地政府机构不同的审批标准导致风电建设缺乏完善的布局与规划，并且电网建设相对于风电建设、投用的速度存在滞后性，最终导致风电消纳能力和容量更加困难。

1.2.2.2 不合理的供应政策

当前不合理的供应政策不能鼓励用户端积极消纳风电。

2 风电消纳控制策略

2.1 风能配置或布局将消纳视为硬约束

风能配置或布局原则上应遵循集中与分散并重的发展机制，即在“三北”等风能资源丰富的地区大规模投资建设风电场，并跨地区接入电网与输送同步实施；对于分散在中东和南部等风资源稀缺地区的风能项目的开发，采用了低压接入电网和当地消纳的机制。

2.2 用一般思维解决局部问题

目前，我国能源体系仍处于不完善阶段，体现在能源效率低、能源体系不协调、新能源体系包容性差。在发展模式、体制机制等方面还存在一些问题，为此提高电力系统调峰能力是供电侧体制改革的重要内容，也是优化电力系统、提高运行效率的重要保证。

2.3 从减少行政干预到建立市场机制

根据相关研究，风电的开发通常要经历三个阶段：

第一阶段为风能开发阶段。此阶段风能开发投资资金大，价格没有参考范围；第二阶段为风能规模的扩大或系统化。此阶段经过改进和完善后可减少项目资金，相应调整上网电价，适当降低国家政策性补贴相关费用；第三阶段为规模化地风电将参与市场招标，并相应地逐步取消对国家政策和其他扶持政策的贡献。

在目前情况下，国内的风电仍处于第二阶段。风电作为一种新能源，在开发和使用也在很大程度上依赖于政治补贴，但是市场竞争机制的缺乏完善。

3 风电消纳关键技术

由于目前国内大规模在风能资源富余的地区投资建设风电场，风电弃风问题一直难以解决，但风电是国家可再生能源发展的重要组成部分。随后，国家还制定了一系列支持风能发展的政策，其中一些省份还根据当地现状发布了风能规划方案。在布局预案计划中，大多数使用相同电压等级来接入约60%的系统负载（最小或平均），这与负载消纳的估计值处于同一水平。

3.1 储能技术

由于风能固有的随机性、间歇性和波动性，也是弃风限电的客观原因。而储能技术是有利于电力系统调峰、促进可再生能源大规模发展的重要技术手段之一。同时，它还可以促进电网规划布局、调度管控、运行调节和运行方式的转变等优势，并成功应用于发电、输电、配电和用电等电力系统每个关键环节。如果应用于分布式风能，效果会更佳，它可以跟踪调度规划日期，进行计划输出规划和功率控制，从而提高风力发电的可靠性和稳定性。目前，可以基于大数据和智能电力监管软件，实现风力发电和储能的全面协同与监控控制。

3.2 调度优化技术

优化电力系统运行调度，其规范如图3所示。过去，电力系统的快速调峰是在风电发电出力的不稳定阶段进行的。但是目前可以在储能设备开发和应用的基础上，在分布式风能过剩的情况下储存能量，并在用电峰期和发电侧电力匮乏的情况下用作额外的备用电源。该种调度方式对风电并网带来的不确定性具有良好的风险规避效果，但由于投资成本过高，在短时间内难以应用。

图3 风电优化调度规范

目前，随着间歇性分散风能并网，为了保证电力系统的电力平衡，可以引入横向水平响应机制进行调节，通过高效、完整地利用各种间歇性能源，可以实现资源整合，这对提高供电的整体适应性和可靠性起到了重要作用[4]。风能进入电网后，对电网的电能质量、频率控制、电压调节、安全稳定等都有很大的影响。因此,要优化整合电网调度方式,重复利用和重组现有资源结构，充分利用火电机组深度调峰和水电站蓄水储能吗，采用合理的调度方式和手段，控制风电场的发电量，增加不同电网的相互调峰协助和区域性交叉电力交易模式，降低风能并入电网的影响。

3.3 微电网技术

微电网技术是一种集发电、配电、输电和用电于一体的小型电力系统，可以实现局部电力系统的平衡和优化问题，基于上述微电网技术也被认为是配电系统中一种可靠电源。经现有的研究和实践表明，将分布式风能以微电网的形式整合和分配到电力系统中，并与电网相互支持，是充分利用分布式风能效益的有效途径。在电网发生灾害时，有助于向重要负荷持续供电，避免间歇性供电对周边用户用电的直接影响，此外还有助于优化可再生能源的利用，减少峰谷损失。

3.4 虚拟同步机技术

虚拟同步机技术是新一代智能电力控制技术。它整合并优化“源网荷”方案的清洁发展。该技术模型是基于电网的传统物理结构，依托互联网和现代信息通信技术，实现发电侧的多源交互和各分布式发电机组负荷侧的灵活交互，在电网中存储电力和用户负荷，优化市场交易的协同控制和运行，为电力系统提供调峰、调频等功能。虚拟同步机技术也构建了一种互联、智能、互动、灵活、安全、可控的电力系统，为清洁能源消纳和低碳能源转型提供前瞻性解决方案。此外，创新探索附近的风能消纳方式对促进风能消纳也非常重要，如风能供暖、风能制氢和多种互补能源模式的发展。