湖南電網(wǎng)風(fēng)電接入對(duì)調(diào)峰影響的量化研究

張奇林，李衛(wèi)國(guó)，廖國(guó)棟

(1.華北電力大學(xué)，北京 102206;2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

湖南電網(wǎng)風(fēng)電接入對(duì)調(diào)峰影響的量化研究

張奇林1，李衛(wèi)國(guó)1，廖國(guó)棟2

(1.華北電力大學(xué)，北京 102206;2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

本文以湖南電網(wǎng)2020年預(yù)測(cè)負(fù)荷、電源為背景，利用電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬軟件量化計(jì)算并對(duì)比分析2種風(fēng)電與水電聯(lián)合運(yùn)行的方法的優(yōu)劣。供湖南電網(wǎng)乃至水電資源豐富的地區(qū)大規(guī)模風(fēng)電接入后的電網(wǎng)調(diào)峰能力的研究借鑒。

湖南電網(wǎng);風(fēng)電;調(diào)峰能力;風(fēng)電水電聯(lián)合運(yùn)行

風(fēng)電有風(fēng)則發(fā)，無(wú)風(fēng)則停，與常規(guī)的火電和水電相比，其發(fā)電能量來(lái)源不穩(wěn)定。其處理隨機(jī)和不可控的缺點(diǎn)已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注〔1-2〕。風(fēng)電的大規(guī)模接入會(huì)使電網(wǎng)調(diào)峰難度大大增加，而電網(wǎng)調(diào)峰對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行是不容忽視的。因此，電網(wǎng)接納大規(guī)模風(fēng)電就必須要有足夠的可調(diào)節(jié)容量作為支撐〔3-5〕。

近年來(lái)，風(fēng)電場(chǎng)和水電站的聯(lián)合運(yùn)行被作為解決風(fēng)電接入的良好方法，并且國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有不少學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究和探索〔6-13〕。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，風(fēng)電和水電聯(lián)合運(yùn)行可以提高兩者的價(jià)值，形成一個(gè)穩(wěn)定的電力供應(yīng)〔6〕，并提出具體方案〔7-10〕。文獻(xiàn)〔7〕提出了風(fēng)電與抽水蓄能電站聯(lián)合運(yùn)行的日內(nèi)優(yōu)化運(yùn)行策略，利用抽水蓄能電站的儲(chǔ)能能力，平抑風(fēng)電的日內(nèi)峰谷波動(dòng)性，從而使風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行效益最大化。而文獻(xiàn)〔9〕則提出通過(guò)風(fēng)電與普通水電的聯(lián)合運(yùn)行，來(lái)完全平滑風(fēng)電的出力。研究風(fēng)電與水電聯(lián)合運(yùn)行的目標(biāo)就是，最大限度利用風(fēng)能，最大限度地減少由于風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)帶來(lái)的不良影響，維持能量平衡和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定〔11-13〕。

文中以湖南電網(wǎng)大規(guī)模風(fēng)電接入為背景，結(jié)合湖南地區(qū)水利資源豐富的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用現(xiàn)階段主流的風(fēng)電與水電聯(lián)合運(yùn)行的思路，以及電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬軟件仿真計(jì)算，針對(duì)大規(guī)模風(fēng)電接入湖南電網(wǎng)的調(diào)峰影響進(jìn)行了量化分析。

1 電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬軟件

1.1 軟件原理簡(jiǎn)介

電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬是對(duì)電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中常用的電力電量平衡分析的發(fā)展，其基本任務(wù)是從電力系統(tǒng)整體和實(shí)際出發(fā)，充分考慮電力系統(tǒng)中各類電站 (包括水電、火電、核電、抽水蓄能以及調(diào)

2)從 {Rik∣i=1，2，…，n(i∈可調(diào)節(jié)水電站)}中選出最小值，記作Rs1;

3)從剩余的 {Rik∣i=1，2，…，n(i∈可調(diào)節(jié)水電站，i≠s1)}中選出最小值，記作Rs2;

4)重復(fù)3)，依次可得序列Rs1，Rs2，…，Rsn，在日負(fù)荷曲線上按s1，s2，…，sn次序從上到下依次搜索各電站的工作位置。

上述算法中:Eik為k月限能電站i的日可調(diào)電量;對(duì)于水電站，Eik=24×Ki× (Pik.av-Pik.ob)，Ki為水電站i的水庫(kù)調(diào)節(jié)系數(shù)，Pik.av為k月水電站i的平均出力，Pik.ob為k月水電站i的強(qiáng)迫出力 (除棄水調(diào)峰外，水電站的強(qiáng)迫出力部分承擔(dān)系統(tǒng)的基本負(fù)荷);對(duì)于抽水蓄能電站，Eik為日發(fā)電量，即日抽水電量與抽水發(fā)電轉(zhuǎn)換效率的乘積。Pik為k月限能電站i的日可調(diào)容量，即能達(dá)到的日最大可調(diào)出力;對(duì)于水電站，Pik=Pik.ex-Pik.ob，其中 Pik.ex為 k月水電站i的預(yù)想出力。

1.2 軟件計(jì)算流程

研究大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)湖南電網(wǎng)調(diào)峰影響時(shí)，使用的電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬軟件為WDPH2.0，其總體流程如下:

1)首先，準(zhǔn)備系統(tǒng)運(yùn)行模擬原始數(shù)據(jù)。包括:系統(tǒng)負(fù)荷數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中各電站特征參數(shù)、約束參數(shù)、代表年出力過(guò)程，以及運(yùn)行模擬計(jì)算的一般數(shù)據(jù)和控制參數(shù)。

2)根據(jù)水、火電站的工作特征以及系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求，系統(tǒng)應(yīng)首先充分利用常規(guī)水電的容量和電量，故常規(guī)水電站先參與系統(tǒng)運(yùn)行模擬。

3)抽水蓄能電站作為電力系統(tǒng)專用的調(diào)峰電峰電站等)的特點(diǎn)，充分利用水電等“限能電站”(限能電站是指那些發(fā)電用能有一定限制的電站)的容量和電量，模擬系統(tǒng)全年逐月的運(yùn)行方式，以校驗(yàn)系統(tǒng)的裝機(jī)容量是否滿足系統(tǒng)負(fù)荷的需求，并確定各電站在系統(tǒng)逐月典型日24 h負(fù)荷曲線上的工作位置和工作容量。

對(duì)于那些可調(diào)容量大、可調(diào)電量小的電站，應(yīng)該工作于系統(tǒng)日負(fù)荷曲線上較高的位置;而對(duì)那些可調(diào)容量小、可調(diào)電量較大的電站則應(yīng)工作于系統(tǒng)日負(fù)荷曲線上較低的工作位置〔14〕。具體算法原理如下:

1)對(duì)于i=1，2，…，n(i∈可調(diào)節(jié)水電站)，據(jù)式 (1)計(jì)算出Rik值:源，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)需要，以系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為目標(biāo)，合理確定其工作位置和抽發(fā)電量。

4)火電部分包括燃煤、燃油、燃?xì)饣痣娂昂穗?，暫將核電作為不能調(diào)峰的火電處理?；痣娺\(yùn)行模擬時(shí)，根據(jù)機(jī)組的燃料費(fèi)用和調(diào)峰能力，合理確定各機(jī)組的工作容量和備用容量。

5)根據(jù)模擬運(yùn)行的成果，繪制系統(tǒng)年運(yùn)行方式圖和指定月份的典型日運(yùn)行方式圖，并可顯示、打印輸出圖形和模擬運(yùn)行成果。

2 風(fēng)電并網(wǎng)后的調(diào)峰方法概述

2.1 傳統(tǒng)工程分析方法

根據(jù)風(fēng)資源特性以及已投產(chǎn)風(fēng)電的出力特性分析，風(fēng)電在電網(wǎng)高峰時(shí)段風(fēng)電大發(fā)幾率不高，對(duì)電網(wǎng)的有效支撐有限，反而電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)段風(fēng)電往往大發(fā)。因此，傳統(tǒng)規(guī)劃研究中往往采用如下簡(jiǎn)化假設(shè):1)電網(wǎng)高峰負(fù)荷時(shí)風(fēng)電出力為0，即風(fēng)電不參與電力平衡。2)電網(wǎng)低谷負(fù)荷時(shí)風(fēng)電出力系數(shù)為100%，即認(rèn)為風(fēng)電接入后系統(tǒng)需要增加與風(fēng)電等容量的調(diào)峰容量。

2.2 等效負(fù)荷曲線法

傳統(tǒng)工程方法考慮了理論上最壞的風(fēng)電接入情況，但實(shí)際上這樣的情況出現(xiàn)的概率幾乎為0。因此，傳統(tǒng)的工程分析方法沒(méi)有利用風(fēng)電調(diào)峰能力。

風(fēng)電具有間歇性和不確定性，不能像水庫(kù)蓄水一樣儲(chǔ)存風(fēng)能。因此，風(fēng)電可以提供一定的電量支持，但無(wú)法提供容量。把風(fēng)電和水電聯(lián)合起來(lái)，采用風(fēng)電-水電聯(lián)合運(yùn)行方式，風(fēng)電給予水電電量支持，水電為風(fēng)電提供容量保障?；陲L(fēng)電日出力曲線、系統(tǒng)負(fù)荷曲線確定火電以及水電-風(fēng)電的工作容量和有效調(diào)峰容量，運(yùn)行時(shí)若實(shí)時(shí)等效負(fù)荷超出系統(tǒng)需火電承擔(dān)的最大負(fù)荷，則超出的等效負(fù)荷部分由水電承擔(dān)〔10〕。

該方法是充分利用風(fēng)電正調(diào)峰時(shí)的出力，當(dāng)風(fēng)電反調(diào)峰時(shí)通過(guò)犧牲水電的調(diào)峰能力使得風(fēng)電能順利接入電網(wǎng)〔8〕，充分利用風(fēng)電。將風(fēng)電看成是負(fù)的負(fù)荷，折入負(fù)荷曲線中得到等效負(fù)荷曲線，如圖1，再根據(jù)得到的等效負(fù)荷曲線進(jìn)行調(diào)峰分析與計(jì)算。這個(gè)方法適用于負(fù)荷曲線以及風(fēng)電出力曲線預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確的情況。若是預(yù)測(cè)誤差較大，則事先的安排得不到實(shí)施，達(dá)不到預(yù)期的效果，存在較大的棄風(fēng)情況。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是高峰負(fù)荷時(shí)段部分風(fēng)電電力能被用于削峰，其缺點(diǎn)是若低谷負(fù)荷時(shí)段風(fēng)電大發(fā)，系統(tǒng)負(fù)荷的峰谷差會(huì)被拉大。

圖1 預(yù)測(cè)2020年7月典型日負(fù)荷曲線

2.3 水電平滑風(fēng)電調(diào)峰法

將原本隨機(jī)的風(fēng)電出力通過(guò)具有調(diào)節(jié)能力的水電平滑后，形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的出力，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電與水電協(xié)調(diào)運(yùn)行。該運(yùn)行策略實(shí)際上就是利用有調(diào)節(jié)能力的水電跟蹤風(fēng)電，使水電與風(fēng)電的總出力等于預(yù)計(jì)的風(fēng)電最大出力，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電日內(nèi)峰谷波動(dòng)性的平抑。用上述方法進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)峰平衡時(shí)，如何合理地根據(jù)風(fēng)電特性曲線計(jì)算出水電-風(fēng)電聯(lián)合條件下具有調(diào)節(jié)能力大型水電廠日平均出力、強(qiáng)迫出力是調(diào)峰分析的關(guān)鍵。

水電平滑風(fēng)電調(diào)峰最大的約束就是水電所能提供的容量支持和電量保障。假設(shè)某日風(fēng)電電量為:

理想情況下，應(yīng)滿足:

文獻(xiàn)〔9〕中提到的水電火電為風(fēng)電調(diào)峰的方法，具體步驟如下:1)確定可參與平滑風(fēng)電出力的水電站;2)根據(jù)風(fēng)電出力曲線計(jì)算電網(wǎng)需要補(bǔ)充給風(fēng)電的電量和電力容量;3)根據(jù)實(shí)際情況確定各個(gè)水電站能為平滑風(fēng)電提供的電量和電力容量;4)若水電站能完全平滑風(fēng)電，則水電的補(bǔ)充將風(fēng)電變成恒定出力的穩(wěn)定電源，若不能完全平滑風(fēng)電，將不能平滑部分風(fēng)電依然看作負(fù)的負(fù)荷折算到負(fù)荷曲線中進(jìn)行模擬。

3 不同調(diào)峰方式的計(jì)算與對(duì)比

3.1 計(jì)算條件

利用風(fēng)電—水電聯(lián)合運(yùn)行的方法對(duì)風(fēng)電接入湖南電網(wǎng)的調(diào)峰情況進(jìn)行計(jì)算和量化分析。預(yù)計(jì)，2020年統(tǒng)調(diào)發(fā)購(gòu)電量為1 590億kWh，統(tǒng)調(diào)最高負(fù)荷為3 430萬(wàn)kW。2012年為豐水年，且峰谷差較大，并與湖南電網(wǎng)2000—2011年負(fù)荷曲線相似。故采用2012年負(fù)荷特性曲線作為2020年負(fù)荷曲線，如圖2所示。

圖2 預(yù)測(cè)2020年負(fù)荷曲線

根據(jù)湖南省風(fēng)資源規(guī)劃和《湖南電網(wǎng)“十二五”發(fā)展?jié)L動(dòng)規(guī)劃報(bào)告》，納入國(guó)家“十二五”擬核準(zhǔn)計(jì)劃的第一批 (45萬(wàn)kW)、第二批 (79.5萬(wàn)kW)規(guī)模，2015年風(fēng)電裝機(jī)容量192.98萬(wàn) kW(注:除國(guó)家“十二五”擬核準(zhǔn)計(jì)劃第一、二批項(xiàng)目外，考慮2014—2015年還將有60萬(wàn)kW風(fēng)電投產(chǎn));考慮“十三五”期間開(kāi)發(fā)難度加大，每年投產(chǎn)規(guī)模按30萬(wàn)kW考慮，合計(jì)新增裝機(jī)150萬(wàn)kW，預(yù)計(jì)2020年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)343萬(wàn)kW。

2020年湘南、湘西南、湘東以及洞庭湖區(qū)風(fēng)電裝機(jī)容量分別按142萬(wàn)kW，115萬(wàn)kW，25萬(wàn)kW和61萬(wàn)kW考慮，共343萬(wàn)kW。根據(jù)郴州仰天湖、魯荷金 (又稱后龍)、邵陽(yáng)南山風(fēng)電場(chǎng)2012年1月1日至2012年12月23日的出力數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)2020年風(fēng)電出力特性曲線，如圖3所示:

圖3 預(yù)測(cè)2020年風(fēng)電典型日出力曲線

1)風(fēng)電場(chǎng)景A(風(fēng)電出力平穩(wěn)、日出力曲線波動(dòng)很小，風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰的影響最小);

2)風(fēng)電場(chǎng)景B(負(fù)荷低谷時(shí)段風(fēng)電大發(fā)、其他時(shí)段風(fēng)電出力很小，風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰的影響最大)。

到2020年，湖南區(qū)外來(lái)電主要有四川水電、三峽、北方火電以及酒泉直流;除四川水電外其余區(qū)外來(lái)電都參與調(diào)峰 (四川水電僅6—10月送電至湖南，且受當(dāng)?shù)貧夂虻葋?lái)水條件等因素制約，在以往也未曾參與過(guò)調(diào)峰，因此不考慮四川水電參與調(diào)峰)。區(qū)內(nèi)水電將新增白市、托口、桃源、涔天河擴(kuò)機(jī)、金塘沖、東江擴(kuò)機(jī);其中桃源、金塘沖為徑流式電站，若停機(jī)則需棄水調(diào)峰。

3.2 結(jié)合湖南電網(wǎng)實(shí)際的調(diào)峰容量分析

1)不計(jì)入風(fēng)電湖南電網(wǎng)調(diào)峰容量

首先，根據(jù)3.1中的邊界條件。在不計(jì)風(fēng)電接入的情況，2020年湖南電網(wǎng)調(diào)峰平衡情況見(jiàn)圖4。從調(diào)峰平衡分析結(jié)果可以看出2020年11月、12月電網(wǎng)調(diào)峰盈余容量相對(duì)較小，在負(fù)荷最大的12月份，調(diào)峰容量只有21萬(wàn)kW的盈余。在本身調(diào)峰容量就不是特別理想的情況下，采取文中2.2和2.3中提到的2種風(fēng)電—水電聯(lián)合運(yùn)行方式，進(jìn)行調(diào)峰容量的計(jì)算和分析。

圖4 2020年湖南電網(wǎng)不計(jì)風(fēng)電調(diào)峰容量盈余

2)等負(fù)荷曲線法

本方法主要是進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)峰平衡時(shí)需根據(jù)風(fēng)電出力預(yù)測(cè)曲線，修正典型日負(fù)荷曲線、年負(fù)荷曲線、年最大負(fù)荷以及統(tǒng)調(diào)發(fā)購(gòu)電量，然后再利用電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬分析軟件對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)峰平衡分析。實(shí)質(zhì)上是將風(fēng)電出力看作是負(fù)的負(fù)荷，折算到負(fù)荷曲線中去。由于風(fēng)電通常具有反調(diào)峰特性〔8〕，往往折算過(guò)后的等效負(fù)荷曲線的峰谷差會(huì)加大。該運(yùn)行方法在不同風(fēng)電出力場(chǎng)景下用電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬分析軟件對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)峰平衡分析的結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 等效負(fù)荷曲線法調(diào)峰容量盈余

從圖5可以看出，風(fēng)電的接入需要犧牲不小的調(diào)峰容量，在負(fù)荷低谷期大發(fā)的風(fēng)電場(chǎng)景B下，在2，11，12月份都存在棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)。

3)水電平滑風(fēng)電調(diào)峰法

水電平滑風(fēng)電調(diào)峰法是近年提出的一種新的基于“水電以其容量支持風(fēng)電、風(fēng)電以其電量支持水電”運(yùn)行策略。文中基于以下3個(gè)約束條件確定平滑風(fēng)電的可調(diào)水電的出力:①各水電廠平滑風(fēng)電時(shí)補(bǔ)充的水電不大于水電廠日可調(diào)水電電量;②水電—風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)行的日平均出力不大于水電廠預(yù)想出力;③各水電廠 (抽水蓄能除外)不具備存儲(chǔ)風(fēng)電電能的能力。

利用2.3中的方法結(jié)合2020年湖南電網(wǎng)的負(fù)荷和發(fā)電情況，以及到2020年規(guī)劃投產(chǎn)的有調(diào)節(jié)能力的水電站，通過(guò)電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬分析軟件的模擬計(jì)算，得到了不同風(fēng)電出力情況下的湖南電網(wǎng)的調(diào)峰盈余，見(jiàn)圖6。

由圖5(a)和圖6(a)可以看出，經(jīng)過(guò)水電平滑風(fēng)電的處理后，幾乎所都月份的調(diào)峰盈余容量都有所增加。特別是盈余最低的12月，從幾乎為0增加到了69萬(wàn)kW。從圖5(b)和圖6(b)的平行對(duì)比也能看到相似的趨勢(shì)，充分表明了水電平滑風(fēng)電的實(shí)用性。但是在負(fù)荷低谷期大發(fā)的風(fēng)電場(chǎng)景下，2種運(yùn)行方式都在2，3月出現(xiàn)調(diào)峰容量不足的情況，特別是負(fù)荷高峰的11，12月調(diào)峰容量缺口達(dá)到100萬(wàn)kW以上。

圖6 水電平滑風(fēng)電調(diào)峰法調(diào)峰容量盈余

4 結(jié)論與建議

1)水電平滑風(fēng)電比直接將風(fēng)電出力折算成負(fù)的負(fù)荷有著更好的調(diào)峰裕度，達(dá)到了更佳的調(diào)峰效果。因此，水電平滑風(fēng)電的這種風(fēng)電—水電聯(lián)合運(yùn)行方式在實(shí)際操作中是值得考慮和采納的。

2)湖南電網(wǎng)在2020年接入343萬(wàn)kW的風(fēng)電后，在冬季負(fù)荷高峰期，調(diào)峰容量可能出現(xiàn)不足，會(huì)有較大的棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)風(fēng)電—水電聯(lián)合運(yùn)行方法在湖南電網(wǎng)具體實(shí)施的意見(jiàn)與建議如下:

1)按風(fēng)資源季特性分區(qū)，建立并進(jìn)一步積累風(fēng)電場(chǎng)出力歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，為將來(lái)對(duì)風(fēng)電出力的預(yù)測(cè)提供歷史數(shù)據(jù)，以提高估計(jì)的準(zhǔn)確性。

2)就近將風(fēng)電場(chǎng)與附近有調(diào)節(jié)能力的水電站捆綁送出，形成穩(wěn)定出力電源，并加強(qiáng)抽水蓄能電站對(duì)接納風(fēng)電的貢獻(xiàn)。

3)建立起強(qiáng)大的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)跟蹤控制水電出力及時(shí)糾正風(fēng)電出力實(shí)際與預(yù)測(cè)的差值，保障風(fēng)電—水電聯(lián)合系統(tǒng)的出力穩(wěn)定。

4)建議下一步對(duì)在風(fēng)電場(chǎng)安裝分布式儲(chǔ)能裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究，可以在很大程度減輕電網(wǎng)接納風(fēng)電的壓力。

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Quantitative research for peak load regulation effect of Hunan province power grid connected with wind farms

ZHANG Qi-Lin1，LI Wei-Guo1，LIAO Guo-Dong2
(1.North China Electricity Power University，Beijing 102206，China;2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Economic ＆ Technology Institute，Changsha 410004，China)

In this paper，based on the forecasting of load and power in 2020 of Hunan Province，advantages and disadvantages of two kinds of wind and hydro power coordination methods have been calculated and compared by power system simulation software.The analysis result provides reference for study on the peak load regulation ability of Hunan Province Grid and other power grids connected with large-scale wind farms，which locate in rich hydro power resource regions.

Hunan Province Grid;wind farms;peak load regulation ability;wind and hydro power coordination

TM614

B

1008-0198(2014)02-0011-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.02.004

2013-05-21 改回日期:2013-06-19