[科普中国]-甘肃酒泉风电基地

甘肃酒泉风电基地是指位于甘肃省酒泉市的千万千瓦风电基地1。甘肃酒泉风电发展模式既不同于国内现有的风电发展模式，也不同于国外现有的风电发展模式。改革开放30年来，随着中国经济的高速发展，能源需求也在快速增加。世界新增能源需求的40%以上来自中国，中国已经成为仅次于美国的全世界第二大能源消费国。到2007年，国内石油需求的一半依靠进口，煤炭也由传统出口产品转变为净进口。

关键词：风电；能源结构；装机容量

简介中国能源消费结构中，煤炭、石油和天然气等化石能源占主导地位。尽管近年来中国化石能源消费所占的比重呈现下降趋势，但2007年煤炭在能源消费总量的比重仍然高达69.4%，是世界主要经济体中煤炭消费比重最高的国家。能源需求的快速增长和以煤炭为主的能源结构，决定了中国污染物排放等主要环保指标居高不下。

2007年化石能源消费占能源总量的92.8%，包括水电、核电和风电在内的其他能源消费所占比重仅为7.2%，其中除了水电以外的其他可再生能源所占比重非常低2。

在所有可再生能源中，水电开发技术最成熟，目前具备开发条件的水电项目基本已经开发、正在开发或准备开发。风电是除了水电以外开发技术最成熟、开发成本最低的可再生能源，是未来最具有大规模开发价值的可再生能源。随着全世界化石能源价格的上涨，风力发电成本已经与核电相当，与传统火电发电成本接近，远低于生物质、太阳能等其他可再生能源的发电成本。近年来随着风电设备制造水平的提高，风电建设成本大幅度降低，大规模开发的规模效益也进一步降低了风力发电成本。正因为以上原因，风电发展是国家可再生能源替代战略的必然选择。甘肃酒泉以其丰富的风力资源和大规模开发风电的优势，成为中国千万千瓦风电基地的历史性选择。

国内外风电发展的特点欧美风电发展的特点欧洲、美国风电的发展较早，占系统总装机的比例较大，但其陆上风电多为小型风电场，靠近负荷中心，主要采取风电小规模开发，分散接入低压配电网，这种就地消纳接入模式对电网的影响较小。近年来开始发展的海上风电规模较大，大多采用高电压等级集中接入的送出模式，但其建设规模是以电网的接受能力为控制条件，单个海上风电规模不太大，接入并网点相对分散，这种分散接入、就地平衡后送出的接入模式对电网的影响也不大。

欧美国家电网结构较坚强，吸纳风电的能力强，风电发展较快的地区大多位于电网的中部，因此风电集中接入对电网的总体影响相对较小。另外欧洲、美国在风电的发展过程中已经建立了较完整的管理体系，风电场规划、建设、运行管理制度较健全，风电设备制造技术水平较高，风电场运行管理经验丰富，风电场并网规程规范管理办法较齐全，因此欧美地区风电对电网的影响较小。

欧美通过政府制定法律、法规和相关政策，引导企业按照市场需求为导向的发展模式发展风电，风电发展以靠近用电负荷中心、小规模、多业主、高度分散为其主要发展形式3。

中国风电发展的特点中国风电资源丰富的地区大多远离负荷中心，当地电网结构薄弱，吸纳风电的能力弱，并且大多采用大规模集中开发的建设模式，单个风电场或需要集中送出的风电总装机容量规模越来越大，接入电网系统的电压等级越来越高，电力电量送出的距离越来越远，因此虽然风电占系统总装机容量的比重较小，但由于风电场规模较大，远离负荷中心，尤其是千万千瓦、百万千瓦级巨型风电基地大多位于电网末端，风电场并网及电力送出矛盾极其突出。

另外风电设备制造技术水平较低，风电技术规程规范欠缺，管理制度不完善，因此中国风电快速发展已经对电网运行造成了巨大的影响。

中国政府制定扶持风电发展的法律法规、相关政策、规定和管理办法，通过特许权招标、核准等形式实现风电发展的宏观调控；政府主导风电以资源开发为主导的发展模式，远距离、大规模、少业主、高度集中成为中国风电发展的主要形式。

甘肃酒泉千万千瓦风电基地的主要特点甘肃省是全国风能资源较丰富的省区之一，风能资源理论储量为237GW，风能总储量居全国第五位。甘肃省的风能资源主要集中在酒泉地区，酒泉风电基地的风能开发利用主要集中在玉门、瓜州、马鬃山3个区域内。这3个区域的风速主要集中在4.0～12.0 m/s，年平均风速5.0～6.5m/s，风能密度均超过150 W/m22。

截至2008年年底，甘肃酒泉地区已投产发电的风电装机容量已达到508.6MW，其中瓜州地区装机容量300MW，玉门地区装机容量208.6 MW。甘肃酒泉风电基地2010年年底计划建成装机容量为5 160 MW的风电项目，2015年前投产12710MW的风电项目，2020年增加到20000MW以上，2020年以后为30000MW：因此装机规模巨大是甘肃酒泉风电基地基本特点。

玉门风电群距离兰州负荷中心的平均距离约为900 km，瓜州风电群距离兰州负荷中心的平均距离约为1 000 km，马鬃山风电群距离兰州负荷中心的平均距离约为1 100 km，整个酒泉风电群距离兰州负荷中心的平均距离约为1 000 km。如果考虑在西北区域内消纳风电，距离负荷中心的平均距离更远，距离负荷中心1 000 km以上是目前已知的距离最远的风电场。考虑2015年12 710 MW风电必须在全国电力市场消纳，其距离负荷中心的距离更远，因此距离负荷中心最远、输电线路最长是甘肃酒泉风电基地的基本特点。

为了满足风电的送出需要，甘肃酒泉风电基地所有风电项目要直接或间接通过750 kV电压等级接入系统，考虑2015年12 710 MW风电必须在全国电力市场消纳，需要建设电压等级更高的特高压直流输电工程。甘肃酒泉风电基地风电接入系统的电压等级世界最高，送出工程建设规模和投资世界最大。

酒泉千万千瓦级风电基地超大规模集中开发、超远距离输电的开发模式，突破了国内外现有的风电发展理论，创新了风电发展理念，为世界风电发展提供了一种全新的选择机遇。

甘肃酒泉千万千瓦风电基地面临的挑战由于风电难以起到常规电源在电力系统中调峰、调频、调压和备用等方面的作用，而且存在一些影响电力系统安全稳定经济运行的因素，因此风力发电与常规电源相比，差异巨大。酒泉大规模风电，除了具有常规风力发电的共性问题以外，还存在许多特殊的个性问题2。

输送能力甘肃河西电网输电线路全长约为1000km，是目前国内输电距离最长、串联变电所最多的330kV线路，受到电网结构的限制，输电能力较弱。正常电网运行方式下，河西电网西电东送的能力仅为700MW左右，不仅无法满足酒泉陆上“三峡”风电基地的送出需要，考虑到张掖黑河等水电占用一部分电网送出能力以后，无法满足现有的500MW左右的风电的送出需要。

甘肃省电力公司根据酒泉陆上“三峡”风电基地的建设需要，快速启动了电网规划与年度建设计划的调整工作。为了满足2010年年底计划建成投产的5160MW风电项目的需要，计划投资120亿元左右建设河西750 kV电网。但经过分析计算常规河西750kV电网西电东送的能力仅为1800MW左右，不仅无法满足酒泉陆上“三峡”风电基地的送出需要，不考虑张掖黑河等水电占用一部分电网送出能力的问题，也无法满足已经核准的5160MW的风电的送出需要。为此甘肃省电力公司与国内有关研究院所合作，开展了深入的研究，采取国内外最先进的750kV串补和世界没有的750kV可控高抗等多项最先进的技术措施，同时通过750kV电网与新疆联网，以提高系统稳定水平和输送能力，但也无法满足5160MW风电送出。

2015年12710MW以及2020年增加到20000MW以上装机容量的风电项目，即使不考虑电力电量能否在甘肃电网消纳的问题，依靠常规的交流电，在目前技术水平下难以将电力电量送到甘肃主网，风电送出问题的矛盾极其突出，必须依靠采取全世界最先进的特高压直流输电技术，才有可能解决2015年以后的风电送出问题。

调频调峰发电、供电和用电必须同时完成的特点，决定了整个电力系统的总发电负荷必须随用电负荷的变化而变化，总发电负荷适应总用电负荷变化同步调整，要求电力系统内必须有部分发电机组承担随着用电负荷变化而变化的调整能力，即发电机组的调峰能力；由于风电具有“风”的间歇性、波动性、随机性的特点，决定了风电的发电负荷难以保持稳定，更不可能与用电负荷同步变化，为了满足发供用同时完成的电力系统基本要求，必须有其他电源承担起适应风力发电负荷变化要求而相应反向变化的发电负荷调整能力：因此具有风电的电力系统除了要求满足正常负荷变化的调峰能力以外，还必须满足适应风电随机性的调峰能力2。

小规模风电占整个电力系统容量比例较小，对于系统调峰能力的需要相对较小，但为了满足2010年年底计划建成投产的5 160 MW风电项目的调峰需要，对于全省最大用电负荷仅有8030MW的甘肃电力系统的调峰能力是一项严峻的考验；截至2008年年底甘肃电网统调装机容量为14960MW，其中水电5294MW、火电9069MW、风电597MW，分别占系统总容量的35.38% 、60.62% 、3.99% ；在14960MW的装机容量中具备调峰能力的发电机组容量约为6500MW，其中火电机组4500MW、水电机组2000MW，水电机组峰水期调峰能力弱、枯水期调峰能力较强，火电机组供热期间调峰能力弱、非供热期间调峰能力较强，受到水电、火电机组运行方式以及检修等因素的影响，系统内最大可能的调峰容量约为4000MW；考虑事故备用、负荷备用等因素需要占用一部分调峰能力，另外由于省内电网结构的原因可能限制部分机组的调峰能力，全省所有机组的不同时期的总调峰能力约为2500MW；考虑到其中有约1000MW的机组调峰能力需要用于用电负荷调峰，能够承担风电调峰的发电能力仅约1500MW，根本无法满足2010年5160MW风电所需调峰能力的要求。

依靠甘肃自有的水火电机组调峰是远远不够的，必须考虑西北五省区尤其用黄河中上游水电参与调峰，但其中涉及到黄河水资源的综合利用，大规模跨省调峰的调度管理模式和电费交易管理办法等一系列管理问题，另外还存在水火电机组能否适应频繁调峰、电网能否适应系统潮流频繁大范围波动等方面技术问题。2015年12710MW以及2020年增加到20000MW以上装机容量的风电项目，即使不考虑电力电量能否在甘肃电网消纳的问题，在现有技术水平下西北电网的总体调峰能力已经无法满足要求，需要在更大范围或新的调峰技术才能解决调峰问题。

电力电量消纳已经核准的风电项目全部投产后，到2010年年底风电装机容量达到5160MW，年发电量约为10300GW·h ，2008 年全省统调范围内最大负荷8030MW、省公司售电量52922GW·h，受到金融危机的影响全省用电需求增长趋缓，预计到2010年全省统调范围内最大负荷9500MW、省公司售电量56000GW·h。全省用电最大负荷仅为9500MW，要消纳5160MW风电，从电力平衡的角度考虑几乎是不可能的；省公司售电量56000GW·h中要消纳10300GW·h的风电发电量，从电量平衡看似乎可能，但考虑到面临着水电、火电建设项目大批投产，全省用电需求增长减缓的实际，如果5160MW的风电发电量全部在甘肃省内消纳，火电机组的利用小时数将下降到3500h以下。因此无论从电力平衡、电量平衡方面考虑，2010年5160 MW风电在省内难以消纳，必须依靠西北电网以及全国电网进行消纳。

2015年12710MW以及2020年增加到20000MW以上装机容量的风电项目，即使考虑全省用电负荷以年均10%的增长率增长，从电力平衡的角度考虑，不仅甘肃电网无法消纳，西北电网也难以消纳。2015年及2020年装机容量所对应的风电发电量分别约为25000 GW·h、42000GW·h，即使考虑全省用电量需求以年均8%的增长率增长，不仅甘肃电网也无法消纳，预计西北电网也难以消纳。2015年及以后的风电发电量必须依靠全国电力市场消纳，因此风电消纳存在较大的不确定性2。

系统稳定问题2010年年底投产的5 160 MW风电主要依靠750 kV交流线路送出，1 000 km 750 kV双回线路，大概有1 600 MV·A的线路充电功率，线路的充电功率会随线路潮流、电压的变化而变化，由于风电的随机性特点，充电功率的快速变化将对电网的系统稳定产生巨大影响。风电规模越来越大，接入电压等级越来越高，由于风力发电的间断性，将导致输出线路的输送功率大幅度变化，进而引起线路充电功率的大起大落，电网必须具备足够的、动态的感性和容性无功调节能力，同时要求各类发电机组与电网协同调压，才可能实现电网电压的有效控制。交流联网的整个电网的电压和频率之间相互影响，酒泉地区风电出力大幅度变化必然引起整个系统电压、频率波动，电力系统存在频率和电压稳定问题。

为了满足送出能力的要求，河西750 kV电网必须同时采取750 kV串补和可控高抗等多项最先进的柔性输电技术，另外为了适应风电机组间歇性风电的需要，风电场升压站必须安装15%～20%的动态无功补偿设备（SVC或SVG），串补、可控高抗和动态无功补偿设备等柔性输电技术在河西电网同时应用，不仅可能产生次同步谐振等问题，还需要综合研究柔性输电的控制策略问题。由于超大规模风电场数学模型不完善，面对超大规模风电的远距离输电问题，不仅缺乏实际运行管理经验，理论分析计算的结论仍然存在不确定性，因此酒泉风电基地可能存在较大的系统稳定问题。

能否满足风电送出的需求是酒泉千万千瓦级风电基地成功与否的关键。面对前所未有的输送能力、调峰能力、电力消纳和系统稳定等方面的一系列难题，电网企业面临着前所未有的挑战2。

应对措施1）超前规划、加快建设，以风电促进电网发展。科学合理的规划电网是满足风电送出需求的前提条件。为了适应酒泉千万千瓦级风电基地建设的要求，国网公司牵头组织完成了河西750/330 kV电网最大接纳风电能力、接入规划方案、输电规划、大规模风电适应性四大课题的研究，根据上述四大课题的研究成果，快速启动了电网规划的修订与调整工作。千方百计加快电网建设是解决风电送出矛盾的关键。必须全力以赴加快风电送出工程的前期工作和电网建设。

2）统筹规划、协调发展，以风电促进电源发展。国际上公认的火电与风电的结构比例为1:5以上。考虑到酒泉千万千瓦风电基地的特殊情况，为了满足风电调峰和远距离送电的经济性要求，经过初步研究，在酒泉地区满足火电与风电的结构比例应该按照2∶1考虑。在河西建设相应规模的非风电电源，既可以提高电网的调峰能力，也有利于促进全省经济的发展。在加快酒泉风电基地建设的同时，充分发挥省内和周边省份煤炭资源丰富的优势，努力克服水资源短缺的劣势，加快河西地区电源规划的调整，争取与风电规模同步建设一批新的火电项目，努力建设以风电、火电为主的河西电源基地。同时利用河西地区丰富的太阳能资源，研究风电、太阳能发电互补的可能性，以满足酒泉风电调峰需求为契机，努力建设包括风电、火电、水电、光电等电源在内的河西电源基地，实现建设酒泉能源基地的发展目标。

3）超前谋划、争取政策，以风电促进电力外送。在甘肃河西地区风电、火电以及抽水蓄能电站协调发展，并且实现与新疆哈密联网运行的基础上，实际形成了哈密—酒泉风电、火电能源基地的特征。有了稳定的大规模电源，西北区域电网是难以满足电力消纳的需求，必须在全国范围内统一资源，优化配置。2015年及以后风电及其他电源装机容量大幅度增加，仅靠西北区域电网是难以满足调峰能力、电力消纳等方面的需求，必须争取实行跨地区在全国范围内的资源优化配置，提出切实可行的电力外送输电规划。

4）建立标准、规范管理，促进风电有序发展。为了适应风电快速发展的要求，必须建立适合大规模风电发展需要的技术标准和管理规范；加强风电场接入系统管理，统一风电机组技术标准和风电机组性能试验标准，全面提高风电运行管理水平。

5）加强研究、攻坚克难，促进风电科学发展。利用酒泉风电场规模大、风电机组种类齐全的特点，建立科学准确的甘肃风电场数学模型，与国内外高水平研究机构、大学广泛合作，加快酒泉风电有关的关键技术问题的研究，促进风电健康、科学发展。