摘要：实现电网与风电基地的协调发展，符合我国能源流基本格局。内蒙古东部地区风能资源丰富、土地开阔、人口稀少、地价低廉，适合集约开发建设大型风电基地，可为大规模送电提供电源保障。在分析内蒙古东部地区风能资源状况的基础上，介绍了内蒙古东部风电基地电力外送的输电规划方案，经过技术经济分析，选择最优的风电基地电力外送方案。
0 引言
我国能源分布和经济发展极不均衡的基本国情，决定了能源资源必须在全国范围内优化配置[1- 7]。内蒙古东部地区(简称蒙东地区)风能资源丰富，是国家确定的千万千瓦级风电基地之一。蒙东地区地形开阔平坦，成片开发风电优势明显。蒙东风电基地的电力通过特高压电网外送，能够更加经济、有效地促进风电基地开发。加快蒙东风电基地建设，对于促进清洁能源规模化开发，优化电力发展格局，支撑我国经济快速发展并向低碳经济转型具有重要意义[8- 10]。蒙东电网是典型的“小负荷大装机”的外送型电网，如何选择蒙东地区风电外送方案是个值得探讨的问题。
1 蒙东电力外送的原因
我国中东部地区经济发达，电力消费潜力极大，但能源资源相对匮乏，而水能、煤炭等常规能源主要分布在西部地区。近年来，煤炭运输越来越紧张，环境保护问题越发突出，调整能源结构、提高能源利用效率和发展新能源已成为必然趋势。风能是清洁的可再生能源，加快风能资源集约开发，与我国节能减排、提高能源效率、发展新能源的战略相适应，同时有利于促进电力与经济、社会、生态环境的可持续发展[11- 12]。
1.1 蒙东的风能资源十分丰富
蒙东地区地处北半球中纬度盛行西风带，受西伯利亚及蒙古冷高气压、蒙古高原气旋，以及东亚海陆季风和蒙古高原季风影响，风能资源丰富。其中，赤峰市的翁牛特旗、克什克腾旗和松山区的交界地带，地势平坦、高程较高、风能资源较好，70 m离地高度平均风速达到了8.0～9.3 m/s，功率密度达到了700～1 200 W/m2;呼伦贝尔岭西地区的新巴尔虎右旗、满洲里等地区均属低山丘陵区，风能资源丰富;通辽、兴安盟地区风能资源处于平均水平。
1.2 中东部地区受电需求大
我国中东部地区由于环保压力大、能源运输成本高、土地资源紧张，已不适宜再大规模建设燃煤电厂，同时风能、太阳能等新能源大规模开发能力有限。华北的京津冀鲁、华东、华中等负荷中心地区经济发达，但能源资源匮乏，电力消费市场空间较大，需大规模接受区外来电，以满足地区经济、社会发展需要。
我国华北、东北、西北“三北”地区风能资源丰富，具备大规模开发利用的资源条件。为满足中东部地区不断增长的用电需求，结合“三北”地区风能、煤炭资源丰富等条件集约开发大型风电、煤电基地，宜采用“风火打捆”的送电方式。按照国家风电发展战略，依托风能资源丰富区，以“建设大基地、融入大电网”方式进行规划和建设的思路，将电能从“三北”地区大规模输送到中东部地区，是解决中东部地区电力供应的有效措施。
1.3 蒙东风电具备外送条件
风能资源丰富，适合长期开发。内蒙古自治区离地10 m 高度风能资源总储量为8.98 亿kW，技术可开发量为1.5 亿kW，其中蒙东地区面积约占内蒙古自治区的40%，风能资源储量约占整个自治区风能资源储量的32%，风能资源的技术可开发量约为4 300 万kW。
建场条件好，基建成本低。内蒙古自治区土地广阔，人口较少，土地资源丰富且价格低廉、特别是蒙东地区有大量荒漠或半荒漠土地，地价低廉，建风电场的条件较好。蒙东风电基地内无名胜古迹、自然保护区等敏感环境保护目标，风电基地的基建成本相对较低，新建变电站、输电线路走廊的选址也较为容易。
对草原生态环境影响小。风电的生产过程是将当地的风能转变为机械能再转变为电能的过程。在整个能量转换过程中，不产生大气、水体、固体废弃物等方面的污染物，也不会产生大的噪声污染。在采取适当的环保、水保、消噪措施后，对当地较为脆弱的草原生态环境造成的不良影响很小。
具有良好的规模效应。根据规划，到2020 年，蒙东风电基地规划建设的风电装机容量将达到1 222.5 万kW，但由于蒙东电网负荷水平较低，调峰困难，只能消纳风电的极小部分电量。蒙东地区丰富的风能采取大规模开发、大规模送出的方式，符合国家电网公司对风电开发“建设大基地，融入大电网”的原则，具有良好的规模效应。
1.4 符合我国能源战略和电力规划思路
中国作为能源消费大国，能源产业的发展支撑着经济的高速发展。2010 年，我国能源消费总量达32.5 亿tce，由此带来一系列的环境问题，制约着我国经济与社会的可持续发展。调整能源结构，提高能源效率，是解决我国能源问题的重要措施。风能资源是清洁的可再生能源，风力发电是目前可再生能源中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式。我国面临巨大的环境和碳减排的压力，风电基地建设坚持可持续发展，需与我国的电力、能源规划相统一，还要与我国的生态环境、经济和社会发展相协调，最终形成能源利用率高，能源安全有保障的局面。
2 蒙东风电基地的电力流向
2.1 蒙东地区电网外联情况
蒙东电网位于内蒙古自治区的东部，与东北三省相邻，分为赤峰电网、通辽电网、兴安电网和呼伦贝尔电网。虽然目前蒙东电网尚未形成统一的电网，但大都有多回高电压等级的联络线与东北电网相连。比如，赤峰电网和通辽电网联入辽宁和吉林电网，呼伦贝尔电网通过伊敏电厂线路实现与东北主网联网运行，兴安盟部分电力以1 回220 kV 线路并入锡盟电网，部分电网由呼伦贝尔电网和通辽电网供电。蒙东电网经2 回500 kV 线路与黑龙江省电网相连，经1 回220 kV 线路与锡盟电网相连，经3回220 kV 线路与吉林省电网相接，经4 回500 kV 和1 回220 kV 线路与辽宁电网相连。
2.2 东北电网的风电消纳能力
近年来，由于东北地区高耗能企业大量停产，电网低谷时段供电电量大幅度下降，新建火电机组中供热机组所占比例较大，水电(包括抽水蓄能)机组装机比例逐年下降等原因，东北电网用电峰谷差逐年持续增大，东北电网调峰困难的情况已经日益突出，而风电机组运行的不确定性是加重东北电网调峰困难的主要原因之一，因此东北电网消纳蒙东风电的能力有限。到2020 年，东北电网规划建设的风电基地装机容量较大，其中主要包括蒙东和吉林2个千万千瓦级风电基地，东北电网仅能消纳东北地区部分风电电力。根据东北地区风电消纳能力分析结果，2020 年时东北电网消纳风电的容量也仅为1 143 万kW[13- 14]。
2.3 蒙东风电基地市场定位
统筹考虑蒙东、吉林千万千瓦级风电基地能源资源情况、地理位置条件，并结合东北电网“十二五”发展规划，吉林千万千瓦级风电基地立足于吉林省内乃至东北全网进行消纳。根据国家特高压电网规划，到2020 年，蒙东地区规划建成2 个至“三华”电网的特高压直流输电通道。蒙东风电基地的风电除在东北电网消纳外，还有一部分需要通过特高压直流采用“风火打捆”的方式送电“三华”电网消纳。其中东北地区消纳656 万kW，“三华”电网消纳566 万kW。
3 蒙东风电基地输电方案
3.1 输电方案规划原则
蒙东地区作为我国千万千瓦级风电基地之一，也是国家电网公司特高压电网规划的重要送端电源基地之一。除满足自身经济社会发展对电力的需求外，还主要通过特高压电网送电“三华”电网[15- 16]。
根据特高压电网规划，结合蒙东风电基地项目前期工作进展情况，在输电规划论证中，考虑了以下主要原则：
① 风电接入应遵行“建设大基地、融入大电网”的规划思路，满足分片、分区接入原则;
② 风电的送出需进行统一规划，在充分利用当地风电消纳能力的基础上，剩余风电容量应通过超高压及特高压通道由东北及“三华”电网消纳;
③ 风电场应适当联合与分组，形成相对独立的多个送电通道，考虑到风电运行特点，避免风电送电回路落点过于集中，风电容量应分散接入电网;
④ 位于蒙东的大规模风电场主要应接入500 kV 电网运行;风电场容量大且集中的区域，宜选择合适位置建设220kV 或500 kV 汇集站，将风电场电力汇集后直接送往500 kV 电网;
⑤ 对于地理位置较孤立的风电场，建议就近接入当地220 kV 及以下电网运行，或对容量较小的风电场进行汇集后送入地区220 kV 电网[17- 20]。
3.2 特高压外送网架方案研究
到2020 年，蒙东风电基地规划建设的风电装机容量将达到1 222.5 万kW。其中，风电开发较为集中的地区为呼伦贝尔市新巴尔虎右旗、通辽市开鲁地区、珠日河地区以及赤峰市松山区、克什克腾旗、翁牛特旗。呼伦贝尔市新巴尔虎右旗风电开发容量约200 万kW，通辽市开鲁地区、珠日河地区风电开发容量约270 万kW，赤峰市松山区、克什克腾旗、翁牛特旗风电开发容量约390 万kW。剩余约362 万kW 风电装机地理位置分散且单个风电场容量较小。
3.2.1 呼伦贝尔市风电外送方案
呼伦贝尔市新巴尔虎右旗风电集中开发容量约200 万kW，建设1 座500 kV 汇集站，通过1 回500kV 线路接入±800 kV 扎赉诺尔换流站，2016 年建成“呼伦贝尔—华中”±800 kV 直流送电线路，采用“风火打捆”方式通过特高压直流送“三华”电网。
3.2.2 通辽市风电外送方案
方案1：通辽市开鲁地区、珠日河地区风电集中开发容量约270 万kW，建设2 座500 kV 汇集站，各以1 回500 kV 线路在500 kV 科尔沁变及开鲁变汇集，通过500 kV 电网送至东北主网。
方案2：通辽市开鲁地区、珠日河地区风电集中开发容量约270 万kW，建设2 座500 kV 汇集站，分别通过1 回500 kV 线路接入1 000 kV 扎鲁特变，通过特高压交流电网送至东北主网。
3.2.3 赤峰市风电外送方案方案
1：赤峰市松山区、克什克腾旗、翁牛特旗风电集中开发容量约390 万kW，建设2 座500 kV汇集站，各通过1 回500 kV 线路接入±800 kV 赤峰换流站，2020 年建成“赤峰—华东”±800 kV 直流送电线路，采用“风火打捆”方式通过特高压直流外送“三华”电网。
方案2：赤峰市松山区、克什克腾旗、翁牛特旗风电开发容量约390 万kW，建设2 座500 kV 汇集站，各以1 回500 kV 线路在500 kV 青山变汇集，通过500 kV 电网送至东北主网。
3.2.4 兴安盟风电外送方案兴安盟风电开发容量约85 万kW，各风场单个容量较小，为10 万～20 万kW，且较为分散，分别通过1 回220 kV 线路分散接入地区220 kV 电网。
4 技术经济分析
4.1 技术分析
蒙东风电基地规划装机容量较大，当地盈余电力较多，需要大规模外送，因此设计主要考虑将风电向东北乃至“三华”负荷中心送出，其他离当地220 kV 变电站较近的风电场就近接入当地电网。
在通辽风电外送方案中， 送出电压考虑了1 000 kV 和500 kV 2 个等级，其中经500 kV 科尔沁变、开鲁变外送的方案具有灵活性更高、适应性更广、工期进度更为合理、火电调峰更为简便等优点，因此方案1 较方案2 更为合理。
在赤峰风电外送方案中，直接通过±800 kV 直流系统将电力送入华东地区消纳，既满足了华东地区的受电需求也满足了东北地区的送电需求;同时，该外送方案具有调峰简便、电压稳定等优点，也不会占用赤峰地区500 kV 外送通道容量;从潮流流向来看也最为直接合理。因此，方案1 较方案2 更为合理。
4.2 经济分析
对通辽、赤峰风电外送方案进行经济比较，就电网整体投资而言，方案1 和方案2 变电部分建设规模相同，投资相同，2 个方案投资差别只取决于新建500 kV 送电线路长度的不同，通辽风电外送方案1 由于新建500 kV 线路比方案2 少10 km，因此工程总投资较方案2 少;赤峰风电外送方案1 由于新建500 kV 线路比方案2 少30 km，因此工程总投资较方案2 少。经济比较的结果表明，通辽及赤峰风电外送方案1 经济性优于方案2。
由于风电高出煤电的上网电价差价由国家统一补贴，当不考虑风电高于煤电上网电价部分时，蒙东风电基地的电力通过特高压直流送到华中的到网电价比当地平均上网电价高约0.005 元/(kW·h)时，不具有市场竞争力，但送到华东的到网电价比当地平均上网电价低约0.045 9 元/(kW·h)时，具有较好的市场竞争力。
4.3 综合分析
呼伦贝尔市新巴尔虎右旗及赤峰市松山区、克什克腾旗、翁牛特旗采用±800 kV 特高压直流“风火打捆”送出，可保证大规模风电电力集中送至“三华”电网负荷中心，从电力流向上更为合理和优化。通辽市开鲁地区、珠日河地区采用500 kV 电网送出的方案具有经济性优、易于实现、建设周期短等优点，可保证大规模风电电力集中送至东北地区负荷中心，从电力流向上也更为合理和优化。通辽市和赤峰市各自的2 个可选方案中最优方案皆推荐方案1。其他地理位置分散且单个容量较小的风电场采用220 kV 电压等级分散接入当地220 kV 电网，大部分风电机组出力可在当地电网直接消纳，电力流向合理，通过潮流、稳定、短路计算和系统安全稳定校核。因此，上述输电方案能够满足蒙东千万千瓦风电基地电力外送的需要，在技术上是可行经济上是合理的。
5 结语
蒙东风电基地规划装机容量较大，但蒙东地区负荷水平较低，所发电力需要大规模外送。加快蒙东风电基地建设，对于促进清洁能源规模化开发，优化煤炭发展格局，支撑我国经济快速发展，促进低碳经济发展具有重要意义。根据能源资源流向的合理安排，蒙东风电开发外送应考虑首先通过500 kV电网送至东北主网消纳，其余风电采用“风火打捆”方式通过特高压直流外送“三华”电网。
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