基于調(diào)峰能力分析的電網(wǎng)風電接納能力研究

姚金雄，張世強

（1.陜西省電力設(shè)計院，西安 710054；2.陜西省電力公司，西安 710048）

0 引言

陜西電網(wǎng)是以火電為主的電網(wǎng)，2009年底，按照五級調(diào)度調(diào)管統(tǒng)計底總裝機容量20 013 MW，其中火電裝機容量17 759 MW，水電裝機2 169 MW，其他（余熱、燃氣、生物質(zhì)能、垃圾發(fā)電）裝機容量85 MW。陜西電網(wǎng)民用負荷比例高，峰谷差大且逐年增加，最大峰谷差從2007年的3 030 MW增加至2009年的4 030 MW[1]?；痣娙允顷兾麟娋W(wǎng)主要的調(diào)峰電源，目前陜西電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)火電機組平均調(diào)峰能力約47%，300 MW以上火電機組調(diào)峰能力基本達到50%，但電網(wǎng)調(diào)峰壓力仍面臨較大壓力。2009年9月陜西省發(fā)改委《陜西省新能源發(fā)展規(guī)劃》明確了建設(shè)百萬風電基地的規(guī)劃方案，風電大規(guī)模并網(wǎng)后，其隨機性、間歇性、反調(diào)峰特性將給電網(wǎng)運行方式安排、電網(wǎng)規(guī)劃帶來較大影響。在風電規(guī)劃階段，研究電網(wǎng)對風電的接納能力成為合理編制風電發(fā)展規(guī)劃、合理制定開發(fā)時序和電網(wǎng)規(guī)劃方案等方面的必要措施[2]。

本文主要研究陜西電網(wǎng)2010年夏小方式下，基于電網(wǎng)調(diào)峰裕度的電網(wǎng)接納風電能力研究，并以風資源較為豐富的陜北榆林靖邊地區(qū)電網(wǎng)為例，結(jié)合調(diào)峰裕度及相關(guān)電氣計算結(jié)果，得出有關(guān)結(jié)論。研究提出的分析方法可為有關(guān)部門在制定風力發(fā)電發(fā)展規(guī)模時提供科學分析的手段，也可應(yīng)用于電力系統(tǒng)規(guī)劃和運行調(diào)度。

1 陜西電網(wǎng)負荷特性分析

1.1 負荷特性分析

研究分析了陜西電網(wǎng)近10 a的年、日負荷特性，得出陜西電網(wǎng)年、日負荷特性見表1、表2。

表1 陜西電網(wǎng)年負荷特性

表2 陜西電網(wǎng)日負荷特性

根據(jù)年負荷特性，陜西電網(wǎng)年負荷特性表現(xiàn)為一年中有冬季和夏季2個高峰，2000年以前一般冬季高峰大于夏季高峰，年最大負荷一般出現(xiàn)在12月。進入2000年以來，雖然2個高峰仍然存在，但夏季高峰逐年提高，接近或大于冬季高峰，年最大負荷隨著高溫季節(jié)的影響出現(xiàn)在7、8月份。2000年、2001年、2003年最大負荷均出現(xiàn)在夏季，冬季與夏季最大負荷差額很小。這一個方面反映出陜西氣候變化的特點，另一個方面也反映出隨著生活水平的提高，保暖、降溫設(shè)備對負荷特性產(chǎn)生明顯的影響。負荷率呈上升之勢，峰谷差明顯加大。

未來一段時間陜西電網(wǎng)年最大負荷發(fā)生在12月的可能性仍然最高，根據(jù)發(fā)展趨勢，夏季的用電負荷會逐步上升，并與冬季的差值愈來愈小，未來個別年度仍有可能夏季負荷大于冬季負荷，但是長期來看，陜西電網(wǎng)的最大負荷仍將發(fā)生在12月。

根據(jù)日負荷特性，陜西電網(wǎng)日負荷變化規(guī)律通常有冬季、夏季2種典型情況。一天之中的負荷變化，典型日均有2個高峰，即早高峰和晚高峰，目前仍以晚高峰負荷最大。冬季日最高負荷出現(xiàn)在19點，最低負荷出現(xiàn)在4點；夏季日最高負荷出現(xiàn)在21點，最低負荷出現(xiàn)在5點。除了基本的工業(yè)用電外，早晚居民用電及三產(chǎn)等用電形成了陜西電網(wǎng)日峰谷特性。而且，冬夏季日負荷特性在基本形狀相近情況下，夏季平均負荷率高于冬季，最小負荷率小于冬季[3]。

1.2 2010年陜西統(tǒng)調(diào)負荷

根據(jù)陜西省調(diào)2010年運行方式研究成果，陜西電網(wǎng)2010年統(tǒng)調(diào)最大負荷12 500 MW，根據(jù)上節(jié)負荷特性分析結(jié)果，2010年陜西電網(wǎng)冬大、夏大、冬小、夏小4種方式下負荷分布見表3。

表3 2010年陜西電網(wǎng)負荷 MW

2 電網(wǎng)調(diào)峰裕度分析

2.1 運行方式選擇

對于含風電場的電力系統(tǒng)而言，在以下兩種運行方式下風電場的并網(wǎng)運行對系統(tǒng)運行的調(diào)峰能力沖擊最大，只要在這兩種運行方式下能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定，就可以保證系統(tǒng)在其他運行方式下也能穩(wěn)定運行[4]。

1）系統(tǒng)負荷最大。在這種情況下，系統(tǒng)熱備用較少。如果在很短的時間內(nèi)風速由額定值減小至零風速，則風電場的有功功率會在短時間內(nèi)由最大輸出功率降為零；如果此時熱備用發(fā)電容量較少，有功缺額將使電網(wǎng)調(diào)峰困難。

2）系統(tǒng)負荷最小。在這種情況下，風速如果在很短時間內(nèi)由零風速增至額定風速，風電場的有功功率將會在短時間內(nèi)由零增加到最大輸出功率，其反調(diào)峰特性將對系統(tǒng)的調(diào)峰產(chǎn)生較大影響。

3）風能最佳利用時段。根據(jù)相關(guān)風資源評估報告結(jié)論，70 m和60 m高度以晚23—09時是風能最佳利用時段。即風能70 m和60 m高度最佳利用時段和夏季最小負荷出現(xiàn)在早5點的時間相吻合。

綜上所述，考慮陜西電網(wǎng)是以火電為主、規(guī)劃期火電電源較為豐富，大負荷方式電網(wǎng)調(diào)峰壓力不大，但在豐水期電網(wǎng)調(diào)峰能力有限。隨著規(guī)劃年接受甘青電網(wǎng)水電能力進一步提高以及陜北地區(qū)風電裝機不斷開發(fā)，使得電網(wǎng)在低谷期時段調(diào)峰能力日益突出。由于風電發(fā)電的間歇性以及不確定性，風電機組不僅不能參與調(diào)峰，反而增大了電網(wǎng)調(diào)峰的難度。結(jié)合近年來陜西電網(wǎng)規(guī)劃最新研究成果，本次研究以陜西電網(wǎng)2010年調(diào)峰能力最為困難的夏小運行方式，即上述方式2作為研究對象，為陜西電網(wǎng)風電的合理開發(fā)提供借鑒。

2.2 調(diào)峰原則

1）陜西電網(wǎng)水電裝機占總裝機容量的11%左右，其中僅有石泉、安康、喜河等水電廠具有調(diào)峰能力，考慮其夏季豐水期水電大發(fā)，其他大多數(shù)為徑流式小水電機組，所以不考慮這些小水電機組的調(diào)峰作用。

2）暫不考慮各類機組調(diào)峰受網(wǎng)絡(luò)安全的約束，不計西北省間聯(lián)絡(luò)線的送電調(diào)峰容量。

3）備用選取。根據(jù)規(guī)程規(guī)定：規(guī)劃、設(shè)計和運行的電力系統(tǒng)，均應(yīng)備有有功功率備用容量，以保持系統(tǒng)經(jīng)常在額定頻率下運行。備用容量包括：負荷備用容量為最大發(fā)電負荷的2%~5%，低值適用于大系統(tǒng)，高值適用于小系統(tǒng)（根據(jù)陜西調(diào)度運行方式一般取經(jīng)驗值3%）。事故備用容量為最大發(fā)電負荷的10%左右，但不小于系統(tǒng)1臺最大機組的容量。

4）調(diào)峰機組選擇原則。陜西電網(wǎng)調(diào)度目前還不能完全實現(xiàn)經(jīng)濟、最優(yōu)化調(diào)度，受年初和各發(fā)電企業(yè)簽訂的電量協(xié)議限制。因此，在調(diào)峰機組選擇原則上主要以公平占有發(fā)電空間和保持電網(wǎng)穩(wěn)定為目標；火電按照機組檢修周期、單機容量和機組臺數(shù)從大到小先后順序依次安排檢修，達到公平占有發(fā)電空間的目標。

5）各類機組調(diào)節(jié)能力[5]。小水電機組不考慮調(diào)峰能力，根據(jù)目前不同容量機組的最小技術(shù)出力水平，本次研究采用的燃煤機組能力見表4。

表4 各類機組調(diào)峰能力

6）發(fā)電機組夏季日最小負荷率下的火電出力與火電最小技術(shù)出力之間的差值即為火電可為風電提供的調(diào)峰裕度[6]。

2.3 調(diào)峰能力分析

2010年夏季開機方式再綜合考慮系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用后，初步確定為13 885 MW，詳見表5，表6。

表5 2010年夏小開機方式開機規(guī)模 MW

表6 2010年夏小開機分類

由以上安排的開機總?cè)萘繛?3 885 MW能夠滿足系統(tǒng)總的13 800 MW需求，夏小方式下考慮水電大發(fā)，火電壓出力、進行深度調(diào)峰，按照確定的機組調(diào)節(jié)能力，夏小方式下13 885 MW機組的最小技術(shù)出力為6 783 MW，調(diào)峰裕度分析見表7。

表7 2010年調(diào)峰裕度分析表MW

根據(jù)以上調(diào)峰分析，調(diào)峰方式選擇最嚴重的情況，采用豐水期、小負荷方式進行，此時風機發(fā)電不僅不能參與調(diào)峰，反而增加了電網(wǎng)調(diào)峰難度，降低了系統(tǒng)的整體調(diào)峰能力，對火電機組的調(diào)峰能力要求進一步提高。根據(jù)調(diào)峰能力計算結(jié)果，2010年陜西電網(wǎng)理論上可接受的最大風電容量為850 MW。

3 算例

陜北長城沿線是陜西風速較大的區(qū)域，該區(qū)域地勢開闊平坦，交通便利，從地形地貌上講是建設(shè)風電場較理想的區(qū)域。對陜北長城沿線等地的實地考察和加密觀測結(jié)果表明，區(qū)域中存在風速明顯大于鄰近氣象臺站的區(qū)域。陜北的3個加密站點，燕敦山、橋 梁和張?zhí)烨?005年9月至2006年1月各月平均風速都在7 m/s以上，比鄰近氣象站平均風速要大1.5～2.8 m/s，其中靖邊燕敦山觀測點各月平均風速均比靖邊氣象站高出約2.8 m/s，2005年9月至2006年1月平均風速接近5.0 m/s。目前，榆林電網(wǎng)規(guī)劃的風電場主要在定邊、靖邊等地區(qū)，因此有必要對該地區(qū)風電接納能力進行研究。圖1所示為2010年榆林電網(wǎng)冬小方式潮流圖。

圖1 2010年榆林電網(wǎng)冬小方式潮流圖

2010年榆林電網(wǎng)定、靖地區(qū)有望投產(chǎn)的風電包括魯能風電48 MW、華能風電49.5 MW等。根據(jù)相關(guān)工程研究結(jié)果及榆林電網(wǎng)2010規(guī)劃年裝機情況，對榆林電網(wǎng)與關(guān)中電網(wǎng)電力流進行分析。2010年冬小方式北電南送，榆林與延安電力流約1 200 MW、接近330 kV線路熱溫極限，其熱溫水平受330 kV線路導線截面限制最大約1 400 MW，因此榆林—延安斷面穩(wěn)定水平主要取決于該斷面熱穩(wěn)極限。在此功率下、2010年前考慮榆林電網(wǎng)與陜西主網(wǎng)聯(lián)接的330 kV電網(wǎng)未斷開運行、榆林—延安斷面形成2回750 kV、2回330 kV線路，750 kV、330 kV電磁環(huán)網(wǎng)依然存在[7]。如此，當同桿雙回750 kV線路跨線故障時，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，在不發(fā)生切機的前提下，受熱穩(wěn)定限制，榆林電網(wǎng)最大接納風電容量為200 MW，小于陜西全網(wǎng)接納風電850 MW的極限值。

4 結(jié)論

1）對于整個電力系統(tǒng)中風電裝機規(guī)模問題，很難有通用的準則，風電場接入電網(wǎng)將改變系統(tǒng)的潮流，并有可能影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須針對具體接入電網(wǎng)的穩(wěn)定特性，進行系統(tǒng)的、全面的穩(wěn)定分析和計算，得出最終的結(jié)果。

2）研究提出的分析方法可為有關(guān)部門在制定風力發(fā)電發(fā)展規(guī)模時提供科學分析的手段，也可應(yīng)用于電力系統(tǒng)規(guī)劃和運行調(diào)度，研究所采取的思路可為陜西電網(wǎng)后續(xù)接納大規(guī)模風電研究提供參考。

3）電力系統(tǒng)電源、網(wǎng)架建設(shè)及負荷預測對分析結(jié)果起著決定性作用，計算水平年陜西電網(wǎng)網(wǎng)架建設(shè)和電源建設(shè)進度都將會對分析結(jié)果產(chǎn)生一定影響，但研究提出的方法卻具有適應(yīng)性。工程應(yīng)用中應(yīng)盡可能根據(jù)電源、網(wǎng)架實際投產(chǎn)進度并提高負荷預測準確度，以期提高電網(wǎng)接納風電規(guī)模的精確度。

4）風力發(fā)電是解決當代中國能源危機的一大重要途徑。而風能的清潔價廉、內(nèi)部損耗低的突出優(yōu)點更確立了風電在我國發(fā)電產(chǎn)業(yè)中的戰(zhàn)略地位。由于我國風電產(chǎn)業(yè)起步較晚、國內(nèi)風資源分布的不均勻、平均風速小，以及風電的一些弊端，導致我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較緩慢。在風電發(fā)展中，還有許多技術(shù)性的問題需要我們解決，其中不容忽視的就是電網(wǎng)對風電接納能力的研究[8]。

[1] 陜西電力調(diào)度中心.2010年度陜西電網(wǎng)運行方式[R].2010.

[2] 吳俊玲,周雙喜,孫建鋒，等.并網(wǎng)風力發(fā)電場的最大注入功率分析[J].電網(wǎng)技術(shù),2004,28(20):28-32.

[3] 西北電力設(shè)計院.陜西電網(wǎng)“十二五”電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計[R].2009.

[4] 申洪,梁軍,戴慧珠.基于電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析的風電場穿透功率極限計算[J].電網(wǎng)技術(shù),2006,26(8):8-11.

[5] 李冰寒,孫自安.陜西電網(wǎng)調(diào)峰能力分析[J].陜西電力,2008,36(5):30-32.

[6] 李付強,王彬,涂少良，等.京津唐電網(wǎng)風力發(fā)電并網(wǎng)調(diào)峰特性分析極限計算[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(18):128-132.

[7] 陜西省電力設(shè)計院.榆橫電廠750kV送出工程[R].2008.

[8] 廖萍,李興源.風電場穿透功率極限計算方法綜述[J].電網(wǎng)技術(shù),2008,32(10):50-53.