Abstract: Wind power wind problem is the world's wind power common problems. With China's wind power installed capacity increased year by year, large-scale wind power grid to the grid security, stable operation to bring greater impact. To 2012 has brought serious abandonment of the wind problem, which northeast power grid for the abandoned wind power "hardest hit." Combined with the situation of wind power growth in northeast power grid, the most practical way to solve the problem is to wind power heating by analyzing and analyzing the wind load characteristics and system peaking capacity in Liaoning Province.

Key words: Wind power generation; Abandoned wind; Grid consumption; Wind power heating

【中图分类号】TM315【文献标识码】B 文章编号1606-5123（2017）09-0000-00

1 引言

“中国风电，像风一样快”。早在2012年我国便摘得风电装机容量世界第一的桂冠，2011-2016年，新增风电装机均领跑全球。同期，我国太阳能发电装机量也迅猛增长。但我国风电、光电消纳难题却越来越严重，“边建边弃”的怪圈连续多年始终存在。尤其是严重超出消纳能力的风电、光电“挤着”上网，给电网安全稳定运行带来重重压力^[1]。

大规模风电消纳一直都是世界性难题，全球风电发展水平较高的国家均存在不同程度的“弃风”。我国由于风能资源分布与负荷中心不匹配，特别是在“三北”风能资源丰富区，风电出力受电力市场、输电通道及系统调度运行等条件制约，“弃风”限电问题日益突出，影响了风电产业的持续健康快速发展。根据国家能源局最新统计数据，2016年全年弃风电量达497亿千瓦时，是2014年的4倍，其中弃风率最高的是甘肃，达43%。同时，光伏电站的日子也不好过，数据显示，2016年，仅西北五省（区）弃光电量就达70.42亿千瓦时，弃光率19.81%。

据了解，为解决弃风弃光问题，《电力发展“十三五”规划》和《风电发展“十三五”规划》都在解决弃风问题上布局落子，除了优化可再生能源布局、弃风弃光地区要适当放缓规模和节奏、坚持集中建设与分散建设并举的原则外，还要求全面提升系统的灵活性，提高电力系统的调峰能力^[2-3]。

据《中国能源报》报道，仅在2016年，国家电网调度范围内弃风电量约396亿千瓦时，主要集中在我国东北和西北地区；弃光电量69亿千瓦时，以西北为主。在新能源集中开发地区，本地消纳不足，区域内电源结构性矛盾日益突出。

数据显示，2016年，国家电网经营区63%的弃风电量发生在供暖期，低谷弃风电量又占总弃风量的80%^[4-5]。这主要是由于“三北”地区大风期与供暖期重叠，而“三北”地区电源结构单一，抽水蓄能等灵活调节电源比重低，供热机组不能深度调峰，保供热和新能源消纳矛盾突出。如东北地区就出现了供热期火电最小技术出力超过最小用电负荷的情况，完全没有消纳风电的空间。

“冬季大夏季小、夜间大白天小”是我国北方地区风资源的特点，也就是说，我国北方风能资源相对在冬季夜间时段比较集中，由于风电供暖没有得到合理实施，而此时恰是供热取暖的高峰和用电负荷的低谷时段。对于我国北方地区来说，在冬季供暖期间，风电机组运转与热电联产机组运转矛盾较大，且热电价格低于风电，导致风电机组不得不大量弃风。随着风电装机规模的扩大，风电弃风问题特别是冬季的弃风限电问题将愈加严峻。解决弃风问题无论对风电未来的发展还是对保护环境、节约地球化石能源来说都具有非常重要的意义。针对我国东北地区的弃风特点，“风电供暖”可能成为解决我国东北地区冬季弃风严重的有效方式。

2 风电储能一体化微网系统

本文结合全国第二的风电企业金凤科技现状，并结合力德风电企业的调研，通过与该企业在风电领域的应用案例，综合东北地区前期调研结果，总结并提出了采用风电储热一体化微网系统应用于风电供暖体系的电源管理方案。该微网系统是一个能够独立的微网，尤其适应于风电供暖体系的试点工程，该微网具备自我控制、保护和管理的功能。东北地区风能和太阳能的可再生资源互补作用，并结合储能技术它是具有极高性价比的新型，微网系统是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统。它利用风能和太阳能等可再生资源的互补性，是具有较高性价比的一种新型能源发电系统，可以适用于并网运行，同时也适用于微网独立运行。如能源实现方式图1所示。

3 风电供暖体系供热系统架构图

    风机发电电能和太阳能能源，通过控制器对热源进行设定的电能稳定输出，然后通过电网输入终端用户。白天多余的能源进入蓄电池，并在夜间用电高峰期一并用于电能供应，从而实现了电力供给和电力需求的平衡。

    本文中，风电供暖的核心系统主要包括风力发电系统、太阳能发电系统、储能系统、DC/DC变换器、电加热式锅炉系统四部分。以一个1000户的小区来为例，每户面积按100平方米计算，采用电锅炉供暖，冬季一个采暖期需要消耗6×106kW·h电能，对于现在的管道保温技术来讲，一个中小型集中供暖系统如果采用直埋敷设管道方式，热网热效率一般能达到90%以上，这样，在一个采暖期，锅炉耗电约6.7×106kWh，折算成功率为约2MW。采用风能，太阳能发电比例为5:1的风光互补混合储能发电系统，需要风力发电机提供平均1.7MW功率电能，太阳能发电系统提供平均0.3MW功率电能。目前单机容量1.5MW级风力发电机系统技术上已经很成熟，被广泛使用，本文采取单机容量1.5MW风力发电机作为发电机组，结合东北地区年平均风能利用小时数1800h的风况，经计算，需要该容量的风电机组5台。对于太阳能发电系统来说，东北地区冬季采暖期日照平均小时数为5小时，每平方米面积上一年接受太阳辐射约5000MJ，以目前太阳能发电技术考虑，通常太阳能板转换率为15%，因此，要由太阳能发电系统向外输出0.3MW平均功率的电能，需要该太阳能板83m²。为了更进一步保证日电能输出平稳，需要配备蓄电池储能系统。根据蓄电池与风力发电机通常的配比值，1000kW风电机组配360Ah蓄电池组，这里为了满足系统能量输出稳定性，需要配2.7×106Ah（单块120Ah容量23块）容量的蓄电池。另外，风力发电机组需要配备1.5MW的AC/DC变换器，用于将风力发电机组输出的电压转换成与天阳能系统及蓄电池储能系统具有相同的电压等级图2为该案例采取的系统结构图。在小区附近设立5台SKYF-1500/4型1.5MW风力发电机组，分别经过WG1500FP型AC/DC变换器将风力机发出的交流电变换成12V直流电，经母线输出。在小区附近设置太阳能发电厂，采用237块700*540*30mm³太阳能电池板，构成总面积83m²太阳能板，经过一台容量为1.3MW的CS5211ED14型DC/DC变换器将电能输出。储能系统采用2312V 120AH（LC-P12120）型蓄电池组成12V蓄电池组，用来稳定输出电能。将电能最终输出到CWDZ2.10型电锅炉，通过供暖管道给用户供暖，使用户室温达到约20℃。

4 中国风电供热推广前景分析

    目前，以体制机制创新和以价格市场化为核心的电力体制改革仍然滞后，并网难是当前风力发电快速发展的最大瓶颈。风电并网、传输和消纳工作尚未统筹协调，限电情况在“三北”尤其是东北地区较为突出。通过加强省内、省网以及区域电网之间的联络线建设，同步建设风电场接入及汇集站工程，建设特高压直流外送通道等可以提高当地风电消纳能力；通过加大抽水蓄能、燃气电站等调峰电源的建设，可以提高电网接纳风电的能力；通过提高风电场的运行管理水平，可以提升发电效率，增加投资收益，降低“弃风”限电损失电量。上述措施虽然在短期内能解决“弃风”现象，但不是根本手段，考虑到国家2030年和2050年的风电发展战略，通过加大跨省份、远距离电力输送通道建设以扩大东北等风能资源丰富区的电力消纳范围、加快配套电网建设进度才是长期大规模发展风电的必然选择。当然，除了采取各项措施尽量增大风电消纳比例外，还应允许系统在极端情况下适当弃风，以保障电力系统的正常运行，降低总体成本。

    中国风能资源主要集中在“三北”地区。2011年风电发电量最多的5个省（区）依次为内蒙古、河北、甘肃、辽宁、黑龙江，风电发电量占全社会用电量比例最高的5个电网依次为蒙东、甘肃、蒙西、吉林、黑龙江^[4-5]。内蒙古、吉林、辽宁、黑龙江等地，风能资源丰富，冬季风电出力较大，冬季供暖期，在优先保证热电联产机组运行的情况下，部分风电场在冬季供暖期需参与调峰，对风电运行小时数影响较大。因此，在这些地区开展风电供热的潜力较大。根据前面的分析，风电供热电量占低谷时段风电发电量的比例随着低谷时段风电出力的概率分布特性（包括集群效应、风电出力容量系数等）而变化，风电出力5%分位点下对应的风电出力水平越高、风电出力容量系数越大，风电供热电量占低谷时段风电发电量的比例越大，反之越小。按照低谷时段风电出力5%分位点下为风电装机容量的10%测算，风电供热电量占低谷时段风电发电量的比例在35%~45%之间。因此，风电供热有利于提高低谷风电的消纳能力，但要完全解决低谷时段的风电消纳问题还需要考虑其它措施。

5 结论

    用风电电力替代燃煤锅炉为城镇供热，可以增加地区用电负荷，提高风电本地消纳能力，尤其是在夜间电力负荷低谷时段，使用风电电力给城市供热，是近期解决低谷风电消纳难题的有效途径。本文研究了中国风电供热的特点和风电供热技术方案，并对风电供热提高低谷风电消纳能力的潜力进行了评估，主要结论如下：

（1）中国目前风电供热实现形式与丹麦等已有风电供热运行经验的国家有所不同，实施效果没有直接可比性。丹麦主要通过电力市场的价格响应传递风电过剩信息，并通过风电与燃煤热电联产机组（CHP）联合优化运行，促进风电消纳。这与中国通过负荷低谷时段范围和历史弃风电量大小限定供热时段和供热电量，以及仅通过电热锅炉增加用电负荷未增加低谷风电消纳能力有所不同。

（2）采用风电供暖技术可提高低谷风电消纳能力，一定程度上减少弃风。根据典型案例初步测算，电锅炉负荷达到系统低谷时段风电最小出力时，风电供暖可提高低谷风电消纳能力的比例为26%。

（3）由于风电出力具有随机性、间歇性和波动性的特点，而电热锅炉用电负荷相对稳定，风电的低谷出力特性与电热锅炉的负荷特性难以完全匹配，客观上很难通过风电供暖完全解决低谷风电消纳问题。按照完全由风电电量供热设计电锅炉容量时，由于低谷时段最低风电出力较低，对于提高低谷风电消纳能力的作用较为有限；按照供热负荷需求绑定风电场供热时，在风电出力小于供热负荷需求时段，风电只能提供部分供热电量，其余供热电量为非风电电量，不符合风电供热初衷，影响项目运营。

（4）风电供热在中国内蒙古、辽宁、吉林黑龙江等地有一定的发展前景，可提高低谷时段风电的消纳能力，但要完全解决低谷时段的风电消纳问题还需要考虑其他措施。

参考文献

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[5] 郭雁珩,冯泽深,杨博麟,等.2013上半年中国风电建设统计评价报告[Z].北京:水电水利规划设计总院,2013.

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作者简介

赵本水 （1990-） 男 硕士 研究方向为智能电网工程和继电保护