西北電網(wǎng)負(fù)調(diào)峰能力及受此約束的風(fēng)電接納大小分析

任 杰，田建設(shè)

(華北電力大學(xué)電力工程系，河北 保定 071003)

風(fēng)電是潔凈的可再生能源，大力發(fā)展風(fēng)電已成為當(dāng)前能源工作的重要任務(wù)，加快風(fēng)電發(fā)展既是我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)方向，又是對(duì)常規(guī)能源的重要補(bǔ)充，對(duì)于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、保護(hù)環(huán)境、應(yīng)對(duì)氣候變化和促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展都具有重要的作用［1－3］。然而，由于風(fēng)電出力隨機(jī)性、間歇性的特點(diǎn)，給系統(tǒng)調(diào)峰帶來(lái)了較大壓力。隨著并網(wǎng)風(fēng)電容量進(jìn)一步加大，調(diào)峰也將成為限制風(fēng)電接納的一個(gè)關(guān)鍵因素。因此滾動(dòng)跟蹤系統(tǒng)實(shí)際情況、計(jì)算并掌握系統(tǒng)調(diào)峰能力、進(jìn)而了解受此約束的風(fēng)電接納能力，對(duì)于指導(dǎo)風(fēng)電有序、合理的開發(fā)利用具有重要的意義。本文在定義系統(tǒng)“負(fù)調(diào)峰能力”基礎(chǔ)上，給出了含風(fēng)電接入的系統(tǒng)負(fù)調(diào)峰能力計(jì)算公式，計(jì)算了西北地區(qū)的負(fù)調(diào)峰能力，分析了影響調(diào)峰能力的主要因素和受此約束的風(fēng)電接納大小。

1 影響西北電網(wǎng)調(diào)峰的若干因素

近年來(lái)，西北電網(wǎng)受國(guó)家能源政策的驅(qū)動(dòng)，發(fā)展較快，風(fēng)電出力所占比重呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)。預(yù)計(jì)到2013年底，西北電網(wǎng)將新增風(fēng)電場(chǎng)104座，發(fā)電容量增加8414 MW，屆時(shí)風(fēng)電總裝機(jī)容量將達(dá)到19 424 MW，占總裝機(jī)容量的14.7%。

風(fēng)電的快速發(fā)展加重了調(diào)峰壓力，有必要總結(jié)西北電網(wǎng)新形勢(shì)下影響調(diào)峰的若干因素，并預(yù)測(cè)目標(biāo)年影響因素的量化大小，進(jìn)而較為準(zhǔn)確、全面地計(jì)算此電網(wǎng)調(diào)峰能力。

1)隨著高耗能等工、礦企業(yè)落地西北地區(qū)和西北地區(qū)工業(yè)的快速發(fā)展，西北電網(wǎng)負(fù)荷近年來(lái)逐步增長(zhǎng)，但由于企業(yè)建設(shè)進(jìn)度等的不確定性，負(fù)荷增長(zhǎng)的大小也具有不確定性，這將直接影響到調(diào)峰分析中用到的最大負(fù)荷增長(zhǎng)率。

2)低谷負(fù)荷大小對(duì)于風(fēng)電接入地區(qū)的調(diào)峰能力非常重要，由于西北電網(wǎng)負(fù)荷增長(zhǎng)的不確定性，相應(yīng)的低谷負(fù)荷大小也有一個(gè)波動(dòng)變化范圍。

3)西北地區(qū)具有水、火等多種常規(guī)類型電源，電源的最小技術(shù)出力是決定系統(tǒng)調(diào)峰能力大小的重要因素。黃河中下游水域的灌溉、防汛、防凌等都會(huì)影響水電的最小技術(shù)出力，這使得水電出力具有很強(qiáng)的不確定性;受能源基地高參數(shù)、大容量火電的建設(shè)投運(yùn)以及常規(guī)火電的改造、退役等影響，火電最小技術(shù)出力也具有不確定性。

4)西北電網(wǎng)沒有建立對(duì)外聯(lián)系的交流通道，主要是通過(guò)高壓直流進(jìn)行電力的外送，如已建成的寧東直流、德寶直流、靈寶直流等外送直流;另外，隨著2014年大容量哈鄭直流的雙極投運(yùn)，外送電力規(guī)模將進(jìn)一步增大，哈鄭直流為西北電網(wǎng)電力消納提供了新的渠道，其電力外送的調(diào)峰模式對(duì)西北地區(qū)的調(diào)峰能力會(huì)產(chǎn)生一定影響。

2 系統(tǒng)負(fù)調(diào)峰能力的計(jì)算及影響因素

常規(guī)發(fā)電機(jī)組的負(fù)調(diào)峰能力［4－6］是指在運(yùn)的機(jī)組當(dāng)前出力距離機(jī)組最小技術(shù)出力的裕度空間，系統(tǒng)負(fù)調(diào)峰能力是系統(tǒng)內(nèi)所有在運(yùn)發(fā)電機(jī)組負(fù)調(diào)峰能力之和。風(fēng)電大多具有反調(diào)峰特性，即風(fēng)電出力的峰谷與電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷不匹配，風(fēng)電出力最大值往往出現(xiàn)在用電低谷期，此時(shí)系統(tǒng)的負(fù)調(diào)峰能力最弱;當(dāng)風(fēng)電出力增加時(shí)，常規(guī)機(jī)組要減小出力以保證功率平衡，但往往都由于系統(tǒng)負(fù)調(diào)峰能力的不足，進(jìn)而制約風(fēng)電的接納。因此，在典型日低谷負(fù)荷時(shí)，隨著風(fēng)電的接入，各常規(guī)電源在滿足電源最小技術(shù)出力的前提下，能夠降低的容量便決定了風(fēng)電的最大接納能力［7－8］。也就是說(shuō)，受調(diào)峰約束的風(fēng)電接納能力一般是指系統(tǒng)的負(fù)調(diào)峰能力。

定義典型日高峰負(fù)荷為PLmax，為了滿足高峰負(fù)荷的供電，電網(wǎng)峰荷實(shí)際的發(fā)電出力PG，Lmax為

式中:PLoss為電網(wǎng)損耗;Pplant為電廠的廠用電。

若電網(wǎng)損耗和廠用電可忽略不計(jì)，則式(1)可以簡(jiǎn)化為

當(dāng)計(jì)及電網(wǎng)通過(guò)交流聯(lián)網(wǎng)以及直流系統(tǒng)外送容量，式(2)可寫為

其中，PDCmax為電網(wǎng)高峰時(shí)期直流的外送容量，交流聯(lián)網(wǎng)外送電力已在公式中等效為負(fù)荷或者等效為發(fā)電。

典型日的實(shí)際電源開機(jī)容量在滿足高峰負(fù)荷供電時(shí)，要給系統(tǒng)留有足夠的備用容量，則典型日電源開機(jī)容量為

式中:α為電網(wǎng)備用率。

由上述分析可知，系統(tǒng)的負(fù)調(diào)峰能力決定了受調(diào)峰約束的風(fēng)電接納能力?？紤]最小負(fù)荷率λ，典型日低谷負(fù)荷PLmin應(yīng)為

同樣忽略電網(wǎng)損耗和廠用電，并計(jì)及電網(wǎng)通過(guò)交流聯(lián)網(wǎng)以及直流系統(tǒng)外送容量，低谷負(fù)荷時(shí)電網(wǎng)實(shí)際發(fā)電出力PG，Lmin為

假定系統(tǒng)的負(fù)調(diào)峰能力在風(fēng)電沒有接入之前是滿足低谷負(fù)荷的供電的。風(fēng)電接入一定容量Pwind后，為了滿足電網(wǎng)低谷負(fù)荷時(shí)的電力實(shí)時(shí)平衡，則需要進(jìn)一步下壓常規(guī)機(jī)組的出力，直至達(dá)到常規(guī)機(jī)組的最小技術(shù)出力PGmin，此時(shí)的Pwind就是電網(wǎng)受電源負(fù)調(diào)峰能力所限能接納的最大容量，有:

定義常規(guī)機(jī)組的最小技術(shù)出力率β，式(7)可寫為

考慮不同類型常規(guī)機(jī)組調(diào)峰能力不同，區(qū)分火電機(jī)組和水電機(jī)組，則有:

式中PGmaxt、βt和PGmaxw、βw分別對(duì)應(yīng)火電機(jī)組和水電機(jī)組的最大出力、最小出力率。

將式(5)、式(6)代入式(9)，有:

根據(jù)上述分析可以看出，電網(wǎng)通過(guò)直流外送容量大小PDCmin、負(fù)荷率λ、不同類型的常規(guī)機(jī)組出力率β、系統(tǒng)最大負(fù)荷PLmax將影響風(fēng)電接納能力。

2.1 基礎(chǔ)方式計(jì)算分析

基于式(10)，根據(jù)影響系統(tǒng)調(diào)峰的各方面的因素，結(jié)合西北電網(wǎng)以及風(fēng)電實(shí)際情況，歸納總結(jié)出西北電網(wǎng)風(fēng)電接納能力的參數(shù)為:

(3)從節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)來(lái)看，2010-2016年河南省各節(jié)點(diǎn)城市的程度中心度普遍提高，旅游經(jīng)濟(jì)聯(lián)系不斷增強(qiáng)，但是城市間的旅游交往能力差異性較大，其中鄭州、洛陽(yáng)、開封與其他城市旅游經(jīng)濟(jì)聯(lián)系最為頻繁，是河南省旅游經(jīng)濟(jì)聯(lián)系交往的關(guān)鍵樞紐。此外，隨著各個(gè)節(jié)點(diǎn)城市旅游經(jīng)濟(jì)聯(lián)系的可進(jìn)入性普遍提高，城市間旅游經(jīng)濟(jì)距離捷徑化，邊緣城市的作用得到發(fā)揮。近7年間鄭州的中介中心度一直居于首位，表明鄭州市的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)開放程度較高，對(duì)其他城市的控制力最強(qiáng)，但是如果過(guò)度依賴鄭州的中介作用，又會(huì)使整個(gè)旅游經(jīng)濟(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有脆弱性。

1)系統(tǒng)高峰負(fù)荷時(shí)，低谷負(fù)荷可用最小負(fù)荷率表示，基礎(chǔ)方式下系統(tǒng)最小負(fù)荷率λ為0.79。

2)高峰負(fù)荷時(shí)，火電機(jī)組出力所占比例為0.85，水電機(jī)組出力所占比例為0.15。

3)火電最小技術(shù)出力率βt和水電最小技術(shù)出力率βw，基礎(chǔ)方式下分別為0.7和0.4。

4)西北電網(wǎng)備用率α為0.06。

5)此區(qū)域電網(wǎng)的外聯(lián)直流包括寧東直流、德寶直流、靈寶直流和哈鄭直流，其高峰負(fù)荷和低谷負(fù)荷時(shí)期直流外送電力分別為PDCmax和PDCmin。

高峰、低谷負(fù)荷下直流外送電力如表1所示。

表1 高峰、低谷負(fù)荷下直流外送電力大小Tab.1 DC power transmission size under peak-valley load MW

基礎(chǔ)方式下西北電網(wǎng)調(diào)峰能力如表2所示。

表2 基礎(chǔ)方式下區(qū)域電網(wǎng)調(diào)峰能力Tab.2 Regional power grid peak shaving capability under fundamental mode a高峰負(fù)荷時(shí)期 MW

由表2可以看出，在基礎(chǔ)方式下，若按照一定比例安排水電、火電的開機(jī)計(jì)劃，留有一定向上的備用，滿足全網(wǎng)高峰負(fù)荷74 000 MW和外送直流電力14 510 MW、低谷負(fù)荷58 460 MW，此時(shí)的直流送出容量為13 310 MW。在保持常規(guī)水電、火電機(jī)組高峰負(fù)荷時(shí)的開機(jī)計(jì)劃不變的前提下，需降低機(jī)組出力來(lái)滿足低谷負(fù)荷與直流外送電力大小。而低谷負(fù)荷時(shí)常規(guī)機(jī)組出力與常規(guī)機(jī)組的最小技術(shù)出力60 960 MW的差值，即為負(fù)調(diào)峰能力10 810 MW，也就是系統(tǒng)受調(diào)峰約束的可接納風(fēng)電出力大小。

2.2 靈敏度分析

表3 調(diào)整后直流外送容量Tab.3 DC transmission capacity after adjustment MW

計(jì)及基礎(chǔ)方式下哈鄭直流100%額定容量外送電力的調(diào)峰能力，由式(10)可知，當(dāng)其它調(diào)峰參數(shù)不變，若哈鄭直流低谷送出容量按照100%、70%、50%依次遞減，系統(tǒng)負(fù)調(diào)峰能力以及風(fēng)電接納能力隨之呈現(xiàn)線性遞減變化。將哈鄭直流部分送出容量用來(lái)調(diào)峰，相當(dāng)于系統(tǒng)負(fù)荷減少，因此需降低風(fēng)電出力來(lái)滿足功率平衡。經(jīng)過(guò)計(jì)算，風(fēng)電接納能力依次為10 810 MW、8590 MW、7110 MW。低谷時(shí)期哈鄭直流外送容量變化對(duì)風(fēng)電接納能力的影響如圖1所示。

2.2.2 火電最小技術(shù)出力率對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰能力的影響

由式(10)可知，當(dāng)其它調(diào)峰參數(shù)不變時(shí)，若火電最小出力率βt按照0.65、0.7、0.75依次遞增，系統(tǒng)負(fù)調(diào)峰能力以及風(fēng)電接納能力呈現(xiàn)線性遞減變化。增強(qiáng)火電機(jī)組的最小出力率，在低谷負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)能夠下壓出力的最大值隨之下降，接納風(fēng)電的能力會(huì)相應(yīng)降低。經(jīng)過(guò)計(jì)算，風(fēng)電接納能力依次為14 760 MW、10 810 MW、6860 MW。火電最小出力率對(duì)風(fēng)電接納能力的影響如圖2所示。

圖2 火電最小技術(shù)出力率對(duì)風(fēng)電接納能力的影響Fig.2 Impact of thermal power minimum output ratio on wind power receptiveness

2.2.3 水電最小技術(shù)出力對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰能力的影響

由式(10)可知，當(dāng)其它調(diào)峰參數(shù)不變時(shí)，若水電最小出力率βw按照0.35、0.4、0.45依次遞增，系統(tǒng)負(fù)調(diào)峰能力以及風(fēng)電接納能力隨之呈現(xiàn)線性遞減變化。經(jīng)過(guò)計(jì)算，風(fēng)電接納能力依次為11 510 MW、10 810 MW、10 110 MW。但由于水電機(jī)組基數(shù)小，在同等程度地降低出力率情況下，風(fēng)電接納能力的改變量不大。水電最小出力率變化對(duì)風(fēng)電接納能力的影響如圖3所示。

圖3 水電最小技術(shù)出力率對(duì)風(fēng)電接納能力的影響Fig.3 Impact of Hydropower minimum output ratio on wind power receptiveness

2.2.4 最小負(fù)荷率對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰能力的影響

基礎(chǔ)方式下最小負(fù)荷率為0.79。由式(10)可知，當(dāng)其它調(diào)峰參數(shù)不變時(shí)，若最小負(fù)荷率λ按照0.74、0.79、0.84依次遞增，系統(tǒng)負(fù)調(diào)峰能力以及風(fēng)電接納能力隨之呈現(xiàn)線性遞增變化。經(jīng)過(guò)計(jì)算，風(fēng)電接納能力依次為 7110MW、10 810MW、14 510 MW。最小負(fù)荷率對(duì)風(fēng)電接納能力的影響如圖4所示。

圖4 最小負(fù)荷率對(duì)電網(wǎng)可接納風(fēng)電容量的影響Fig.4 Impact of minimum load ratio on wind power receptiveness for power grid

2.2.5 最大負(fù)荷增長(zhǎng)率對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰能力的影響

2010年西北電網(wǎng)最大用電負(fù)荷為40 510 MW;2011年最大負(fù)荷為49 090 MW，同比增長(zhǎng)21.18%;2012年最大負(fù)荷為56 270 MW，同比增長(zhǎng)14.63%。當(dāng)其他調(diào)峰參數(shù)不變時(shí)，若最大負(fù)荷增長(zhǎng)率按照7%、14.63%、20%依次遞增，系統(tǒng)負(fù)調(diào)峰能力及風(fēng)電接納能力會(huì)隨之呈現(xiàn)遞增變化。在保證電網(wǎng)備用率和最小負(fù)荷率一定的情況下，系統(tǒng)高峰負(fù)荷增大，低谷負(fù)荷會(huì)相應(yīng)增大，系統(tǒng)接納風(fēng)電的能力也會(huì)隨之增強(qiáng)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，風(fēng)電接納能力依次為10 340 MW、10 810 MW、11 130 MW。如圖5所示。

圖5 最大負(fù)荷增長(zhǎng)率對(duì)電網(wǎng)可接納風(fēng)電容量的影響Fig.5 Impact of maximum load ratio on wind power receptiveness for power grid

3 結(jié)論

1)結(jié)合某區(qū)域電網(wǎng)、風(fēng)電建設(shè)的實(shí)際情況，基于負(fù)調(diào)峰能力計(jì)算公式，得到了某區(qū)域電網(wǎng)負(fù)調(diào)峰能力和接納風(fēng)電的大小，并指出了影響風(fēng)電接納能力的幾個(gè)主要因素，如外送直流參與調(diào)峰的程度;常規(guī)水電、火電機(jī)組最小技術(shù)出力;目標(biāo)年最大負(fù)荷以及負(fù)荷峰谷差等。

2)隨著西北電網(wǎng)外送直流的建設(shè)，若能充分利用直流來(lái)參與系統(tǒng)的調(diào)峰，系統(tǒng)調(diào)峰能力會(huì)增強(qiáng)，同時(shí)也會(huì)增大系統(tǒng)接納風(fēng)電的能力。

3)當(dāng)火電和水電最小出力率降低時(shí)，系統(tǒng)調(diào)峰以及接納風(fēng)電的能力會(huì)相應(yīng)增強(qiáng)，因此對(duì)于西北電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，為了更大限度地接納大規(guī)模風(fēng)電，可引入調(diào)節(jié)性能較好的燃油/汽機(jī)組及火電機(jī)組;另外，可充分發(fā)揮水電機(jī)組、抽水蓄能機(jī)組的優(yōu)勢(shì)，讓更多的水電機(jī)組參與調(diào)峰。

4)在負(fù)荷側(cè)實(shí)行有效管理，提高用電負(fù)荷率，盡量減少用電峰谷差，可以有效降低西北電網(wǎng)的調(diào)峰難度，增強(qiáng)風(fēng)電接納的能力。

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