尹 明，王成山，葛旭波

(1.国网能源研究院，北京 100052;2.天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072)

进入21世纪，我国风电迅猛发展。从2005年到2008年，我国风电装机连续3年实现翻番式增长，2009年底全国并网风机容量达到约1613万千瓦。未来，内蒙古、甘肃、河北、吉林、新疆等省区将建成若干个大型风电基地。到2020年，我国风电装机将超过1亿千瓦。风能除具有清洁、零排放的优点，同时还具有间歇性和不确定性。风能的这些特性将会从技术、经济方面给电力系统带来巨大挑战。如何科学评价风电并网对电力系统和社会的影响，就成为一个急需回答的问题。我国应在现有研究成果基础上，密切结合国情，充分借鉴国外风电发展经验和研究成果，将有助于该问题的解决。

本文首先介绍国外风电并网经济技术评价的研究成果，通过梳理我国对此问题开展的相关研究，最后提出我国风电并网经济技术评价应注意的三个问题，即风电外送及消纳、调峰问题和风电大规模发展社会效益量化分析。

1 国外对风电并网经济技术评价研究

近些年，风能开发较早的美国、欧洲很多国家越来越重视风电并网研究[1～21]，并重视将研究成果用于指导后续风电项目开发。

1.1 美国

美国风电近年来发展迅速。截至2009年底，美国风电装机为3 516 kW，约占世界风电装机总量的22.1%[1]。从2001年到 2009年，美国风电装机容量以年均33.7%的速度增长。美国风电快速发展的原因，除得益于联邦政府和各州政府的政策支持外，如生产税减免政策PTC(production tax credit)和可再生能源发电配额制RPS(renewable portfolio standards)，还受益于各个电网公司、独立运营商超前开展了大量风电并网中远期输电规划和经济技术评价研究[2～9]。2001至2008年期间，包括加州系统独立运营商 California ISO(california independent system operator)、中西部系统独立运营商Mideest ISO(midwest independent system operator)、Xcel能源公司Xcel Energy)、德州电力可靠性委员会ERCOT(electric reliability council of texas)等数十家公司、机构开展了40余项风电并网相关研究工作[2～6，9]。2009 年美洲电力公司 AEP(America Electric Power)与中部美洲能源控股公司(Mid American Energy Holdings)联合开展了“中西部地区输电能略研究”(strategic midwest area transmission Study)，主要针对将当地的风资源开发并输送到东部电力市场的综合研究。其具体内容包括采用超高压技术输送风电的方案，提出新建线路规划，定量分析各种方案的经济效益和影响。另外2008年进行的“联合协调系统规划”JCSP(joint coordinated system plan)的研究结果表明，通过完成120亿美元的电网建设，美国东部20%的电能可由风电提供，同时每年还会给消费者节省120亿美元。2010年1月，美国国家可再生能源实验室NREL(national renewable energy laboratory)发布的“东部风电并网与输送研究报告 ”EWITS(eastern wind integration and transmission study)[8]提出，通过加强高压输电网架建设、增加系统备用容量、改进电网调度运行方式等措施，美国东部互联电网可以实现2024年风电电量穿透率达到20%的目标。

美国开展的风电并网研究的主要目的包括:一是建立风电并网成本估算评价模型;二是分析电力系统为更多接纳风电所付出的成本(一般包含输送通道建设成本、电网改造成本和调峰调频辅助服务成本等);三是通过分析各种输电规划方法的不同之处，选定适用于估算风电并网造成的输电成本增加的方法。

1.2 欧洲

在欧洲，很多国家开展了风电并网对于常规电源、输电系统影响的定性、定量分析研究[9～21]。

文献[11～17]分别分析了德国、丹麦、爱尔兰、西班牙、荷兰等国家风电并网后对其电力系统的影响。文献[18]分析了近年来多个国家开展的风电并网对系统运行和规划影响的研究，介绍了采用的方法和取得的成果。研究问题包括风电并网对各类短时间尺度系统平衡的影响、网络阻塞、系统加强、稳定性和发电容量充裕性等。

爱尔兰国家电网公司 ESBNG(electricity supply board national grid)在2004年从技术和经济角度分析了大规模风电并网对于常规电源运行的影响[19]，同时还分析了对CO2排放的影响。研究采用基于确切概率的发电容量需求评估软件CREEP(capacity requirement evaluation by exact probability)确定系统发电容量充裕性;采用电力市场仿真软件PROMOD进行电力系统生产模拟。

文献[20]是第一个针对欧盟范围内风电大规模并网效益的研究报告。研究结果表明，通过加强系统互联，改善电力市场运行机制等措施，欧洲是可以实现2020年20%可再生能源发展目标的。

文献[21]以西班牙、爱尔兰和丹麦为例，分析和评价了为适应风电并网，电力系统调峰和频率控制应采取的措施。研究指出，经济上，风电并网会影响资源优化和成本的公平分摊;技术上，会影响系统的安全可靠供电。对于所采取的措施，经济上可采用基于电力市场条件下的方法，即考虑如何组织电力平衡市场;技术上通过执行科学的风电并网技术要求和严格的并网检测认证等手段，提高风电场提供平衡服务和参与调频的能力。

文献[22]从风电成本基本构成、风能价格、接入系统、能源政策和经济影响以及与常规能源比较等方面，系统分析了风电经济性指标，并将燃料价格变动直接用于发电能源优化分析中。

德国能源署DENA(german energy agency)分别针对2015和2020年风电等可再生能源的发展规划，开展了名为“电网研究 Ⅰ”(dena grid study Ⅰ)和“电网研究 Ⅱ”(dena grid study II)的研究[23]，分两期对电网的适应性和建设改造进行了系统研究。同时dena组织输电运营商及专家对输电资产的优化利用和电网长期规划进行专题研究。

1.3 研究方法

欧美对于风电并网研究主要采用两种方法。

(1)“自上而下”(top down)方法。模型中不含有电力系统各元件的详细物理模型，主要适用于宏观、顶层研究，如大型风电规划，长距离风电输电可行性分析。研究结果主要应用于风电并网的初步输电成本估算。采用的工具包括能源情报署EIA(energy information administration)的国家能源建模系统 NEMS(national energy modeling system)和NREL建立的“20%能源消费来自风能:风能部署系统”模型 WinDS(20%wind energy:wind deployment system ，WinDS)。美国能源部提出的2030年实现“20%能源消费来自风能研究”(20%wind energy)相关子课题研究[1]多采用该方法，如美洲电力公司AEP开展的“20%能源消费来自风能:美洲电力公司765 kV骨干网架研究”(20%wind energy:AEP 765kV overlay)。

(2)“自下而上”(bottom up)方法:模型中包括详细的电网物理模型，如负荷、发电调度、平行输电通道的功率以及可靠性之间的复杂关系，为于更准确地分析在风电快速发展情况下电力系统新建、扩建成本。最近采用该方法的输电研究，无论是针对详细方案，还是中远期研究，都已包括了风电模型。与"自上而下"方法相比，该方法多用于研究特定输电路径和设备的输电能力。目前，采用该方法的项目较多，主要是各电力公司或独力运营商开展的区域风电并网规划和评价研究。

2 我国对风电并网经济技术评价研究

我国在风电并网方面的研究开展较晚，但发展较快，目前研究主要集中在风电场本身，或针对风电个别方面[22～44]。

2.1 技术性研究

文献[22，23]讨论了风电并网遇到的各种问题，包括电力系统的有功/无功潮流、电压、系统稳定性、电能质量、短路容量、系统备用、频率和保护等，并提出了相应解决措施。文献[24]针对风电场的实际情况，运用分辨系数改进灰色关联投影法对风电场电能质量开展评价。文献[25，26]提出了基于模糊理论的电能质量综合量化指标评价方法和基于可变权重的电能质量模糊综合评价方法。文献[27]比较了德国、丹麦、英国和澳大利亚等国的风电场并网技术规定，并提出了风电并网综合控制的概念。文献[28]分析了长线路向弱电力系统输送风电时，采用先进的有功功率和无功功率分层控制，确保风电场运行更接近于常规电源。文献[29]针对变速恒频风力发电系统的特点，综述了捕获最大风能的方法，并提出了一种避免直接检测风速的最大风能追踪方法。文献[30]采用潮流算法、基于风电场出力与母线电压的P-V曲线，研究大容量风电场接入电网后电力系统的静态安全分析方法。文献[31]论述了求取风电场穿透功率极限的传统数字仿真法、带约束的优化算法以及频率约束法，并讨论分析了上述方法的优缺点。文献[32]研究了衡量风电场的发电容量可信度对于电力系统规划和风电场评估的重要性，并建立了基于蒙特卡罗仿真的风电发电容量可信度评估框架。文献[33]分析了风电并网对电力系统，特别是对电源规划的影响，总结了国内外含有风电场的电源规划及电力系统可靠性评估的研究现状。

2.2 经济性研究

文献[34，35]分析评价了风电成本。文献[34]通过建立相关成本分析模型说明，风电项目的经济性主要体现在风电对火电的替代作用上。文献[35]通过风速频率分布和风机参数定义了年度单位功率能产率参数，得到年上网等效满发负荷小时数，进而得到风电成本的简单计算方法。

文献[36～40]评价了风电运行相关的经济性。文献[36]从风资源条件、地理环境因素、技术实力、预期经济效益等方面考虑，建立了风力发电可行性研究评价指标体系，并采用层次分析法确定指标权重。文献[37，38]采用层次分析法提出了风电场运行经济性综合评价方法，从风电场出力、无功损耗、运行费用和人员效率等方面对风电场运行经济性进行了评价。文献[39]结合我国风电政策环境与上网电价，预测年度装机新增容量与远景规划，总结了我国风电发展的主要技术现状，分析了各项技术的发展方向。文献[40]建立了风电-抽水蓄能联合系统的优化运行模型，计算得出了常规发电厂稳定运行的最小容量以及含一定容量风电的电网所需的抽水蓄能电站装机容量，建立了经济评价模型，根据综合经济评价结果，优选出了风电-抽水蓄能联合系统的最佳运行方案。文献[41，42]从规划角度评价了风电并网的经济性。文献[41]利用风速频率瑞利分布对平均风速进行均一化，提出“相当风速”和“有功风功率密度”的概念，为准确评价风电场潜在风能资源状况提供了两个指示性很强的指标。文献[42]通过定义和计算电压改善、线损降低和环境影响减小指标和一个综合指标来对比不同接入方案的效益量化指标，得出分布式风电场的最佳规划设计选择方案。

文献[43]介绍了清洁发展机制 CDM(clean development mechanism)的概念，分析了我国风电CDM项目开发现状，提出了促进风电CDM项目开发的建议。

文献[44]提出了风电社会效益包括电能服务效益、容量服务效益和环境效益，并建立了风电社会效益的概率型数学模型。

3 国外研究的启示

目前，欧美对于距离负荷近、可就地平衡的风能资源开发得较充分，今后的开发重点将转移到距离负荷较远、需远距离输送的风能资源。例如，美国提出将大力开发中西部风电，并通过远距离、大容量输送到东部负荷集中区;德国风电开发重点由小规模陆地开发转向北海和波罗的海海上大规模开发。因此，欧美风电并网研究越来越注重从加强电网基础设施建设，加快实施大电网互联，搭建能源电力资源配置和市场交易平台等角度，研究大规模风电并网的经济技术评价。这对于我国的大规模风电并网经济技术评价具有很大的启示作用。

我国风能资源丰富的西部和北部地区，距离负荷集中的中东部负荷中心有800～3 000 km的距离，所以我国大部分风能开发需要采用远距离、大容量、高电压传输和全国范围内资源优化配置。我国风电大规模发展面临的主要问题是以煤电为主的电源结构造成的调峰问题和风电远距离、大容量方式输送带来的经济性问题。结合国外的研究成果，我国的风电并网经济技术研究应更加重视以下问题。

3.1 大规模风电外送及消纳问题

该问题内容主要涉及风电输送通道容量、电压等级、输电方式，以及消纳市场的确定。

风电输送通道的确定除与风电场的容量相关外，主要与风电的同时率(即风电场实际最大出力与装机容量的比值)相关。相关研究结果表明，对于分布区域广、机组分散布置的风电场，达到满发的几率是较小的。例如就全年来看，甘肃和新疆风电出力低于5%装机容量的概率接近20%，高于95%装机容量的概率不到1%。可见，若以风电场装机作为外送通道确定依据将严重降低其经济性。故在确定风电外送通道时应统筹考虑风电外送的经济性和利用率。

风电的消纳市场与风电场所处电力系统大小、电源组成、负荷特性、电网互联情况等因素密切相关。一般可分为集中大规模开发和分散开发两种方式。前者是指风电集中接入高等级输电网输送到负荷中心进行再分配;后者是在负荷中心附近就地直接开发，分散接入配电网或直接供给用户。我国风电开发多属于前者，需要考虑加强跨省跨区的电网互联，扩大风电的消纳范围和规模。在风电经济技术评价中，应充分考虑由此带来的影响。

3.2 考虑技术和经济约束下风电并网调峰问题

我国煤电装机占全国发电总装机的四分之三，其中供热机组又占了20%以上。受电源结构制约，系统调峰问题将是影响制约我国能源结构调整和风电发展的长期性问题。所以非常有必要深入分析风电并网面临的调峰问题及相应的代价。风电调峰问题主要受限于技术和经济两方面的制约。技术上，调峰受到煤电机组调峰深度(1减去机组最小出力与额定出力百分比之值)和出力变化率的限制;经济上，频繁升降、启停机组将降低机组寿命，恶化系统可靠性，造成煤耗升高。同时，调峰电源(如抽水蓄能电站、燃气机组、大型储能装置等)的建设、运行成本也应考虑进去。

可采用成本分析方法，通过比较有、无风电并网两种情况下的调峰成本，定量分析风电并网调峰经济性问题。该问题既与参与调峰机组所发电量、未使用备用容量(指按照计划预留，实际未参与调峰的部分)相关，又与机组的建设成本相关。

3.3 风电大规模发展社会效益量化分析问题

风电社会效益计算可通过比较给定区域内有、无风电两种情况下发电的社会总成本得到的。这个总成本包括电量成本(包括燃料成本和可变运行维护成本)、容量成本(即为保证系统充裕性所需发电容量而投入的成本，包括安装成本和固定运行维护成本)和环境成本(包括 CO2和 SO2等的破坏成本)。

可采用基于概率的联合分析方法进行经济性量化研究。主要借助筛选曲线(screening curves)和概率负荷持续曲线 PLDC(probabilistic load duration curve)的联合分析功能。筛选曲线是用来比较不同类型电源相对经济性的分析工具，表示了发电机组运行维护的平均成本与其容量系数之间的函数关系，用来确定使各类电源平均成本最小的容量系数范围。将筛选曲线与PLDC联合使用，可以确定各类电源的大致安装容量，进而作为效益分析基础。

4 结语

面对未来风电的大规模发展，我国应在充分借鉴国外先进经验和研究成果的基础上，结合我国实际，加大对大规模风电并网经济技术评价、政策法规、运行机制、市场体系等问题的研究。这对于正确认识我国风电开发的特点，建立风电与电网之间，风电与其他形式电源之间长期和谐的发展关系，对于实现我国风电的科学、有序、持续、健康发展，是十分有益的。

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