新疆阿勒泰地區(qū)可再生能源發(fā)電的出力特性分析

周 專，常喜強(qiáng)，呂 盼，王 琳，肖桂蓮

（1.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，烏魯木齊 830013；2.國(guó)網(wǎng)新疆電力調(diào)度控制中心，烏魯木齊 830002）

新疆能源分布不均，阿勒泰地區(qū)風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能資源豐富，塔城地區(qū)風(fēng)能資源豐富，兩地區(qū)的可再生能源呈現(xiàn)“小集中、大分散”形式。此外兩地區(qū)與新疆主網(wǎng)聯(lián)系相對(duì)較薄弱，僅由2回220 k V通道送出，存在電力外送受限情況。兩地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)集中了風(fēng)電、水電、光伏、火電4種電源種類，其中風(fēng)電和水電比例較大。由于風(fēng)電和光伏出力具有規(guī)律性、間歇性和波動(dòng)性特點(diǎn)，在一定程度上影響了電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線控制和對(duì)可再生能源的消納。如何最大限度地消納和利用可再生能源，成為電網(wǎng)調(diào)度部門(mén)所面臨的重要問(wèn)題之一［1－3］。

風(fēng)電和光伏出力受自然條件因素的影響，具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性。而阿勒泰地區(qū)的水電是徑流式的，沒(méi)有庫(kù)容，不存在調(diào)節(jié)能力。當(dāng)阿勒泰地區(qū)風(fēng)電、光伏、水電大發(fā)時(shí)，受聯(lián)絡(luò)通道傳輸極限的限制，導(dǎo)致可再生能源不能完全被接納。如何最大限度地接納和利用好可再生能源，對(duì)風(fēng)電、火電、水電、光伏4種電源出力優(yōu)化調(diào)度，成為調(diào)度運(yùn)行所考慮的一個(gè)重要問(wèn)題。本文針對(duì)阿勒泰地區(qū)可再生能源出力規(guī)律，提出了可再生能源利用原則以及對(duì)可再生能源的接納能力。

1 阿勒泰和塔城地區(qū)電源情況

塔城地區(qū)火電和風(fēng)電總裝機(jī)容量為996.5 MW（風(fēng)電為346.5 MW，火電為650 MW），水電為15.5 MW；阿勒泰地區(qū)水電、風(fēng)電和光伏總裝機(jī)容量為567 MW，其中風(fēng)電為297 MW，水電為250 MW，光伏發(fā)電為20 MW（峰值容量）。兩地區(qū)的風(fēng)電、水電、光伏發(fā)電呈現(xiàn)較強(qiáng)的季節(jié)性，水電夏季發(fā)電性能較好，且無(wú)調(diào)節(jié)庫(kù)容，多為徑流式水電站。由于水電站單機(jī)容量較小以及網(wǎng)架的原因，水電機(jī)組以110 k V接入電網(wǎng)；各風(fēng)電場(chǎng)以110 k V集中接入220 k V升壓站。

塔城地區(qū)主要是農(nóng)業(yè)和照明負(fù)荷，負(fù)荷季節(jié)特性較強(qiáng)，最大負(fù)荷為430 MW，最小負(fù)荷為80 MW。阿勒泰地區(qū)主要是農(nóng)業(yè)和照明負(fù)荷，也呈現(xiàn)出較強(qiáng)的季節(jié)性。最大負(fù)荷為370 MW，最小負(fù)荷為200 MW。

2 電網(wǎng)運(yùn)行受制因素

2.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

阿勒泰地區(qū)電網(wǎng)通過(guò)220 k V豐龍線和220 k V豐齊線與塔城電網(wǎng)相聯(lián)。塔城地區(qū)電網(wǎng)則通過(guò)220 k V豐泉一、二線和220 k V泉鐵線以及220 k V克鐵線與新疆主網(wǎng)相聯(lián)。兩地區(qū)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 阿勒泰和塔城地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 網(wǎng)絡(luò)約束

由于阿勒泰和塔城地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)聯(lián)系薄弱，受網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及電力系統(tǒng)運(yùn)行自身特性約束，聯(lián)絡(luò)斷面的傳輸功率有一定的限制。各斷面的穩(wěn)定極限如表1所示。

表1 各斷面的穩(wěn)定極限 MW

2.3 受制因素

由于阿勒泰和塔城地區(qū)的電源共用一個(gè)通道送出，相互之間存在一定制約性和依賴性。

1）火電屬于穩(wěn)定電源，隨季節(jié)、氣候變化不大，運(yùn)行相對(duì)可控，但受發(fā)電量計(jì)劃因素、機(jī)組檢修時(shí)間、機(jī)組正常運(yùn)行穩(wěn)定性影響。

2）風(fēng)電屬于不穩(wěn)定電源，隨季節(jié)、氣候變化大，運(yùn)行不可控，受自身風(fēng)資源因素、機(jī)組檢修時(shí)間、機(jī)組正常運(yùn)行穩(wěn)定性影響。

3）水電屬于半穩(wěn)定電源，多為小機(jī)組、徑流式水電站，無(wú)調(diào)節(jié)庫(kù)容，受來(lái)水量控制，隨季節(jié)、氣候變化相對(duì)大，受機(jī)組檢修時(shí)間、機(jī)組正常運(yùn)行穩(wěn)定性影響。夏季發(fā)電出力較大，冬季發(fā)電出力較小，春秋季發(fā)電出力不穩(wěn)定。

4）光伏發(fā)電屬于不穩(wěn)定電源，隨季節(jié)、氣候變化相對(duì)大，運(yùn)行不可控，受自身光資源因素、天氣晴朗程度、機(jī)組檢修時(shí)間、機(jī)組正常運(yùn)行穩(wěn)定性影響。

5）兩地區(qū)負(fù)荷特性變化較大，多為農(nóng)業(yè)和照明負(fù)荷，夏季農(nóng)業(yè)機(jī)井灌溉負(fù)荷較大，冬季負(fù)荷較小，夏冬季負(fù)荷最大相差200 MW以上。夏季受下雨、降溫氣候影響較大，波動(dòng)負(fù)荷在100 MW以上。

3 各清潔能源出力特性分析

3.1 塔城地區(qū)

塔城地區(qū)的火電出力要根據(jù)風(fēng)電出力、地區(qū)負(fù)荷變化以及斷面功率變化隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，需留有一定的旋轉(zhuǎn)備用容量，以保證對(duì)電壓調(diào)整和控制，以及電網(wǎng)安全。塔城地區(qū)風(fēng)電在冬季和夏季的出力曲線見(jiàn)圖2。

由圖2可以看出，塔城地區(qū)風(fēng)電出力波動(dòng)較大且呈現(xiàn)出反調(diào)峰特性，在負(fù)荷高峰時(shí)段，風(fēng)電出力下降，增大塔城地區(qū)負(fù)荷的峰谷差。塔城地區(qū)風(fēng)電出力冬季波動(dòng)比夏季大，因此冬季需留有充足的旋轉(zhuǎn)備用容量。

3.2 阿勒泰地區(qū)

阿勒泰地區(qū)風(fēng)電和光伏出力也具有間歇性和隨機(jī)性。某一天可再生能源與地區(qū)負(fù)荷的出力曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，在風(fēng)電高峰時(shí)段，僅風(fēng)電出力就能滿足阿勒泰地區(qū)的負(fù)荷，而在風(fēng)電低谷時(shí)段，負(fù)荷又需要水電和主網(wǎng)來(lái)提供，這就使得該地區(qū)發(fā)電計(jì)劃的出力安排需考慮多種因素。由于光伏發(fā)電出力在白天，而主網(wǎng)用電負(fù)荷分早高峰、晚高峰2個(gè)階段，光伏發(fā)電出力最大時(shí)約在14：00，負(fù)荷早高峰在10：00～13：00，因此光伏發(fā)電出力僅對(duì)早高峰時(shí)段有一定的貢獻(xiàn)，但存在一定的時(shí)差性。阿勒泰地區(qū)的水電站都是徑流式的，其出力受上游來(lái)水量影響，水電出力不隨著負(fù)荷以及風(fēng)電、光伏電站出力變化而變化。因此，風(fēng)電、水電和光伏3種可再生能源發(fā)電共存，增大了阿勒泰地區(qū)運(yùn)行電網(wǎng)調(diào)整的難度。

圖2 塔城地區(qū)風(fēng)電出力曲線

圖3 阿勒泰地區(qū)某一天可再生能源出力曲線

3.3 兩地區(qū)風(fēng)電出力比較

由于阿勒泰和塔城地區(qū)均存在大量風(fēng)電，通過(guò)分析這兩地區(qū)風(fēng)電出力特性，找出風(fēng)電的互補(bǔ)性，可指導(dǎo)該地區(qū)風(fēng)電的運(yùn)行與控制，以及聯(lián)絡(luò)線的運(yùn)行控制。兩地區(qū)某個(gè)風(fēng)電出力曲線見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出，兩個(gè)地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)出力存在一定的相關(guān)性，在時(shí)間上風(fēng)電場(chǎng)的出力不是同時(shí)增加或降低，而是存在一定的時(shí)差性。兩地區(qū)雖然都位于新疆北部地區(qū)，但阿勒泰地區(qū)主要受西伯利亞高壓氣候和本地區(qū)多山氣候的影響產(chǎn)生大風(fēng)，塔城地區(qū)相對(duì)于阿勒泰地區(qū)偏西部，受該地區(qū)高山盆地地形以及蒙古高壓氣候影響產(chǎn)生大風(fēng)，兩者風(fēng)資源有一定的時(shí)間重合性，在冬季和春季風(fēng)大，夏季和秋季風(fēng)相對(duì)較小，但也存在著一定的差異性。

圖4 兩地區(qū)某風(fēng)電出力曲線

4 風(fēng)電出力大時(shí)的網(wǎng)損分析

4.1 置信度分析

發(fā)電容量置信度指在保持系統(tǒng)可靠性水平不變的前提下，并網(wǎng)電站能夠替代的常規(guī)機(jī)組發(fā)電容量占電站裝機(jī)容量的百分比，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：CC為發(fā)電容量置信度；CSN為電站總裝機(jī)容量；ΔC為電站能夠替代的常規(guī)發(fā)電機(jī)組容量［5－6］。

通過(guò)對(duì)阿勒泰和塔城地區(qū)風(fēng)電和光伏發(fā)電的出力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到：塔城地區(qū)風(fēng)電置信度為40%，即風(fēng)電發(fā)電出力為150 MW；阿勒泰地區(qū)風(fēng)電置信度為35%，即風(fēng)電發(fā)電出力為90 MW；阿勒泰地區(qū)光伏發(fā)電置信度為28%，即光伏發(fā)電出力為6 MW。

4.2 阿勒泰地區(qū)風(fēng)電出力大時(shí)對(duì)網(wǎng)損的影響

通過(guò)分析阿勒泰地區(qū)風(fēng)電在置信度功率90 MW以上和以下情況，比較系統(tǒng)網(wǎng)損變化。風(fēng)電出力大時(shí)，為維持系統(tǒng)電壓，各傳輸線路上的無(wú)功增大，地區(qū)電網(wǎng)總損耗為7.3 MW；風(fēng)電出力小時(shí)，地區(qū)電網(wǎng)總損耗為4.12 MW。風(fēng)電出力大時(shí)，無(wú)功損耗和有功損耗均有一定程度增加，雖然通過(guò)調(diào)整風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償容量，損耗可以有所降低，但由于風(fēng)電場(chǎng)均位于電網(wǎng)的末端，系統(tǒng)短路容量小，電壓隨著無(wú)功和有功功率的變化較大，隨著風(fēng)電出力的增大，依然有一定的損耗增加。

4.3 阿勒泰和塔城地區(qū)風(fēng)電出力大時(shí)對(duì)網(wǎng)損的影響

通過(guò)分析兩地區(qū)風(fēng)電分別在置信度功率90、150 MW以上和以下情況，比較系統(tǒng)網(wǎng)損變化。風(fēng)電出力大時(shí)兩地區(qū)總損耗為13.92 MW，而在風(fēng)電出力小時(shí)兩地區(qū)總損耗為9.47 MW。

4.4 風(fēng)電出力波動(dòng)對(duì)網(wǎng)損的影響

風(fēng)電出力超過(guò)一定容量變化時(shí)，導(dǎo)致各傳輸線路上功率波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)的電壓不穩(wěn)定，從而使系統(tǒng)網(wǎng)損增大并影響其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。通過(guò)仿真模擬分析可知：阿勒泰和塔城地區(qū)風(fēng)電出力波動(dòng)在置信度為20%以上時(shí)，系統(tǒng)系統(tǒng)網(wǎng)損會(huì)增加。可通過(guò)提高SVC利用率，動(dòng)態(tài)調(diào)整滿足電壓要求，進(jìn)而降低網(wǎng)損，使系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

5 各電源出力控制原則

由于兩地區(qū)多余的電力都必須通過(guò)一個(gè)通道送出，兩地區(qū)電源出力特性共同作用影響這個(gè)通道。在兩地區(qū)風(fēng)電出力大時(shí)，風(fēng)電基本滿足兩地區(qū)負(fù)荷需求，但考慮到電網(wǎng)安全，火電要留有適當(dāng)?shù)膫溆萌萘浚詰?yīng)對(duì)風(fēng)電、光伏發(fā)電出力變化，還但要兼顧水電發(fā)電出力的影響。

1）夏季水電一般帶基荷且不能調(diào)整，白天要考慮風(fēng)電、光伏發(fā)電出力的變化，火電廠作為調(diào)整。夜晚要考慮風(fēng)電出力的變化，火電廠作為調(diào)整。在日前計(jì)劃安排火電出力時(shí)，考慮風(fēng)電、光伏發(fā)電的置信度容量。實(shí)時(shí)控制時(shí)并與風(fēng)電、光伏發(fā)電的功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2）冬季白天要考慮風(fēng)電、光伏發(fā)電出力的變化，火電廠作為調(diào)整。夜晚要考慮風(fēng)電出力的變化，火電廠作為調(diào)整。在日前計(jì)劃安排火電出力時(shí)，考慮風(fēng)電、光伏發(fā)電的置信度容量。實(shí)時(shí)控制時(shí)并與風(fēng)電、光伏發(fā)電的功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，動(dòng)態(tài)調(diào)整，

3）春秋兩季，水電為不穩(wěn)定電源，白天要考慮風(fēng)電、光伏發(fā)電、水電出力的變化，火電廠作為調(diào)整。夜晚要考慮風(fēng)電、水電出力的變化，火電廠作為調(diào)整。在日前計(jì)劃安排火電出力時(shí)，考慮風(fēng)電、光伏發(fā)電的置信度容量。實(shí)時(shí)控制時(shí)并與風(fēng)電、光伏發(fā)電的功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，動(dòng)態(tài)調(diào)整。

4）火電廠宜在夏季安排機(jī)組檢修。風(fēng)電、水電、光伏發(fā)電需統(tǒng)籌考慮。

5）阿勒泰和塔城地區(qū)的風(fēng)電出力要綜合考慮，不能按同一性考慮，而要考慮兩者的差異性。

6 結(jié)論

1）阿勒泰和塔城地區(qū)的出力配合，冬季：白天風(fēng)電、光伏發(fā)電和火電出力互相配合；晚上風(fēng)電、火電互相配合。夏季：白天風(fēng)電、光伏發(fā)電和水電出力互相配合；晚上風(fēng)電和水電出力互相配合。同時(shí)，火電要留有適當(dāng)?shù)膫溆萌萘浚员阌诠β士刂坪拖到y(tǒng)調(diào)壓要求。

2）阿勒泰和塔城地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)出力存在一定的相關(guān)性，但在時(shí)間上風(fēng)電場(chǎng)出力不是同時(shí)增加或降低，而是存在一定的時(shí)差性。

3）風(fēng)電出力大時(shí)，系統(tǒng)的網(wǎng)損大，并且風(fēng)電出力波動(dòng)會(huì)影響系統(tǒng)電壓。因此，各風(fēng)電場(chǎng)要提高SVC利用率，以滿足電壓調(diào)整要求，進(jìn)而降低網(wǎng)損，使系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4）加強(qiáng)對(duì)兩地區(qū)風(fēng)電功率、水電功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的研究和開(kāi)發(fā)，在提高預(yù)測(cè)精度的同時(shí)，積極研究?jī)傻貐^(qū)的風(fēng)電、光伏的關(guān)聯(lián)性。

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