基于一體化聯(lián)合發(fā)電的火電安全高效調(diào)峰技術(shù)

摘要：本文針對(duì)大規(guī)模風(fēng)電等新能源的安全高效并網(wǎng)利用現(xiàn)實(shí)需求及面臨技術(shù)難題，指出了基于傳統(tǒng)火電深度調(diào)峰對(duì)風(fēng)電功率波動(dòng)進(jìn)行平抑的方法存在的不足之處，提出了一些可供參考的解決方法：通過(guò)對(duì)規(guī)?；L(fēng)電功率波動(dòng)的物理機(jī)制及影響因素進(jìn)行綜合的分析研究，利用基于一體化聯(lián)合發(fā)電單元的火電調(diào)峰技術(shù)對(duì)風(fēng)電功率的波動(dòng)性進(jìn)行全方位的綜合平抑，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)能源的整體安全高效利用目的，是解決風(fēng)電并網(wǎng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；火電機(jī)組；調(diào)峰平抑；一體化；聯(lián)合發(fā)電

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）04（a）-0000-00

1 前言

面對(duì)化石能源日益枯竭和環(huán)境污染等人類共同的難題，大力開發(fā)利用風(fēng)能等新能源，提升傳統(tǒng)能源利用效率，發(fā)展智能電網(wǎng)，已成為世界各國(guó)的基本共識(shí)和應(yīng)對(duì)策略。我國(guó)政府制定了發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)、節(jié)能減排的國(guó)家戰(zhàn)略，作為約束性指標(biāo)納入國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃中。風(fēng)能等可再生能源是最具規(guī)?；_發(fā)前景的新能源。未來(lái)，規(guī)?；男履茉措娏Ρ貙⒂裳a(bǔ)充能源發(fā)展為替代能源，并最終成為主流能源。然而，規(guī)?；履茉措娏Φ睦眯枰陔S機(jī)波動(dòng)的負(fù)荷需求與隨機(jī)波動(dòng)的電源之間實(shí)現(xiàn)能量的供需平衡，也使電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行控制發(fā)生了根本性變革，使得規(guī)?；L(fēng)電消納已成為我國(guó)電力系統(tǒng)面臨的重大現(xiàn)實(shí)問(wèn)題[1，2]；并且，鑒于我國(guó)以火電為主導(dǎo)地位的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)矛盾，火電安全高效調(diào)峰是制約我過(guò)風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)的主要矛盾之一。

2 火電機(jī)組深度調(diào)峰的必要性

隨著風(fēng)電場(chǎng)容量的迅速增加，給傳統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻、運(yùn)行調(diào)度等的實(shí)施帶來(lái)問(wèn)題。如果能對(duì)風(fēng)速和風(fēng)力發(fā)電功率進(jìn)行比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，則有利于電力系統(tǒng)調(diào)度部門及時(shí)調(diào)整調(diào)度計(jì)劃，在保證電網(wǎng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上減少電力系統(tǒng)運(yùn)行成本和旋轉(zhuǎn)備用。國(guó)外從事風(fēng)電功率研究工作起步較早，早在1990年Landberg就采用類似歐洲風(fēng)圖集的推理方法開發(fā)了一套預(yù)測(cè)系統(tǒng)[3]。風(fēng)電功率預(yù)測(cè)工具WPPT由丹麥科技大學(xué)開發(fā)[4]，并從1999年開始在丹麥東部電力系統(tǒng)運(yùn)行，能夠給出0.5～36 h的預(yù)測(cè)結(jié)果。AWPT是德國(guó)太陽(yáng)能研究所開發(fā)的風(fēng)功率管理系統(tǒng)WPMS的一部分[5]。eWind是美國(guó)AWS Truewind公司開發(fā)的風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)[6-8]，入到電網(wǎng)主要包括一組高精度的三維大氣物理數(shù)學(xué)模型、適應(yīng)性統(tǒng)計(jì)模型、風(fēng)電場(chǎng)輸出模型和預(yù)測(cè)分發(fā)系統(tǒng)。其他風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)還包括在Madei島和Crete島運(yùn)行的More-Care系統(tǒng)[9]和愛(ài)爾蘭開發(fā)的Honeymoon系統(tǒng)等。國(guó)內(nèi)，對(duì)于風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)研究尚處于探索階段，研究對(duì)象主要是對(duì)于風(fēng)電機(jī)的控制、風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的規(guī)劃和選址、對(duì)國(guó)家電網(wǎng)和電力系統(tǒng)的影響等方面，對(duì)于風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)研究尚沒(méi)有一個(gè)成熟的研究成果和系統(tǒng)[10]。盡管隨著各種預(yù)測(cè)研究技術(shù)的發(fā)展，精度也在不斷提高；但目前的預(yù)測(cè)技術(shù)還是難以滿足電力系統(tǒng)安全高效運(yùn)行的需求。因此，為了應(yīng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)功率不穩(wěn)定的問(wèn)題，必須加大供電系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用容量和各種儲(chǔ)能設(shè)施，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)占主要地位的火電機(jī)組也不得不進(jìn)行進(jìn)一步的深度調(diào)峰運(yùn)行。

3 傳統(tǒng)火電機(jī)組調(diào)峰技術(shù)的弊端

當(dāng)前針對(duì)目前的風(fēng)電功率的波動(dòng)特性以及預(yù)測(cè)技術(shù)瓶頸等問(wèn)題，傳統(tǒng)有效解決的方法是對(duì)風(fēng)電功率進(jìn)行平抑，即“削峰補(bǔ)谷”的平抑方法。幅值預(yù)測(cè)誤差就是目前電網(wǎng)最為關(guān)心的誤差，電網(wǎng)通過(guò)旋轉(zhuǎn)備用或者儲(chǔ)能單元來(lái)填補(bǔ)這種由于風(fēng)功率預(yù)測(cè)不準(zhǔn)所帶來(lái)的這種誤差影響。然而，當(dāng)風(fēng)電容量占到電網(wǎng)總?cè)萘恳欢ū壤龝r(shí)，這種波動(dòng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)頻率與電壓穩(wěn)定性造成不良影響，為了確保電網(wǎng)的安全運(yùn)行，必須加大火電機(jī)組的備用容量，導(dǎo)致電網(wǎng)中存在大量的火電機(jī)組旋轉(zhuǎn)熱備用，電網(wǎng)整體運(yùn)行效率下降。采用火電機(jī)組參與調(diào)峰的辦法，即減少電廠火電機(jī)組的發(fā)電量，在目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較廣泛。當(dāng)風(fēng)資源比較豐富風(fēng)電機(jī)組處于高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，一般的火電機(jī)組都會(huì)處于調(diào)峰運(yùn)行狀態(tài)。但是，火電機(jī)組調(diào)峰能力有限，不能夠快速響應(yīng)風(fēng)電功率的變化，在實(shí)際操作過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題；以2008年年底統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)為例，內(nèi)蒙古電網(wǎng)調(diào)峰電力平均缺額達(dá)1GW，直接影響到日電力電量平衡和電網(wǎng)運(yùn)行方式的安排[11]；同時(shí)，由于火電機(jī)組調(diào)峰時(shí)，處于低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)濟(jì)效果較差。因此，這種方法不僅對(duì)資源造成浪費(fèi)，而且效果也不夠明顯，所以仍需要進(jìn)行深入的分析與研究。

4 互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電技術(shù)的平抑方法

為了能夠消除由于大規(guī)模開發(fā)風(fēng)能所帶來(lái)的對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的不良影響，國(guó)內(nèi)外許多研究者針對(duì)風(fēng)電的這種強(qiáng)隨機(jī)波動(dòng)特性提出了多種能源的互補(bǔ)系統(tǒng)，如“風(fēng)火打捆”模式、設(shè)置儲(chǔ)能單元等。其目的就是使整個(gè)系統(tǒng)的出力盡量的穩(wěn)定或者是便于調(diào)節(jié)，同時(shí)使系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)性。其中，風(fēng)能與其他發(fā)電單元的互補(bǔ)系統(tǒng)是一種新的研究趨勢(shì)。以風(fēng)電與太陽(yáng)能電池為例，風(fēng)力發(fā)電與太陽(yáng)能電池發(fā)電組成的聯(lián)合供電系統(tǒng)稱做風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)[12]。風(fēng)能和太陽(yáng)能在時(shí)間上、地域上和經(jīng)濟(jì)上都有一定的互補(bǔ)性。因此，風(fēng)光復(fù)合發(fā)電的主要優(yōu)點(diǎn)是具有互補(bǔ)性，可以向電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電源。

5 一體化聯(lián)合發(fā)電的火電調(diào)峰技術(shù)

5.1 聯(lián)合發(fā)電技術(shù)的實(shí)現(xiàn)瓶頸

目前，風(fēng)電功率波動(dòng)的機(jī)理還不是非常明確，并且，對(duì)風(fēng)電功率波動(dòng)影響因素的研究也不夠全面深入，因而，所預(yù)測(cè)出的風(fēng)功率曲線也就與實(shí)際相差比較大，這不僅加大了風(fēng)電功率波動(dòng)的平抑負(fù)擔(dān)，使風(fēng)電的可調(diào)和可控性降低；而且，不利于資源的優(yōu)化配置，造成風(fēng)電利用的經(jīng)濟(jì)性降低。因此，加強(qiáng)對(duì)規(guī)?；L(fēng)電功率波動(dòng)影響因素和機(jī)理的研究，提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，是風(fēng)電并網(wǎng)的迫切需求之一。此外，對(duì)于每一種的功率波動(dòng)平抑方法，在實(shí)際中并不是采用單一的方法就能實(shí)現(xiàn)對(duì)使風(fēng)電功率平滑的輸出。主要原因在于每一種平抑方法所能夠平抑的頻率范圍是一定的；并且，火電機(jī)組的平抑能力是非常強(qiáng)的，但是對(duì)于一些高頻段的功率波動(dòng)，即風(fēng)電功率波動(dòng)的頻率高于火電所能覆蓋的范圍，經(jīng)過(guò)火電機(jī)組的跟蹤平抑之后，輸出功率還是有高頻段的波動(dòng)成份，對(duì)電網(wǎng)還是會(huì)造成一定的影響。對(duì)于頻率變化特別快的范圍，一般可采用慣性單元對(duì)其進(jìn)行平抑；而對(duì)于介于飛輪高頻段和火電機(jī)組低頻段兩者之間的那部分頻率范圍，可以考慮用響應(yīng)相對(duì)于火電機(jī)組較快的發(fā)電單元對(duì)其進(jìn)行平抑。

5.2一體化聯(lián)合發(fā)電單元的設(shè)計(jì)思路

由于，風(fēng)電負(fù)荷的波動(dòng)可以分解為可預(yù)報(bào)分量和不確定分量（預(yù)報(bào)誤差）的疊加，并且可預(yù)報(bào)的波動(dòng)分量可以利用現(xiàn)有的電力系統(tǒng)調(diào)度模式由系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)峰能力予以平抑。所以，如果想要使風(fēng)電更好更穩(wěn)定地接入到大電網(wǎng)中，就需要將這些可以平抑不同頻率的發(fā)電單元聯(lián)合起來(lái)，組成一個(gè)新的一體化聯(lián)合發(fā)電單元，尤其針對(duì)風(fēng)電功率波動(dòng)的不確定分量（預(yù)報(bào)誤差），探討和研究采用傳統(tǒng)電源與新能源電源構(gòu)成的一體化發(fā)電單元予以平抑的新途徑。一體化聯(lián)合發(fā)電單元所能解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)中功率波動(dòng)平抑能力不足問(wèn)題。一體化聯(lián)合發(fā)電單元采用分級(jí)解決的思想，利用現(xiàn)有的電力系統(tǒng)調(diào)度模式由系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)峰能力平抑可預(yù)報(bào)的波動(dòng)分量，利用傳統(tǒng)電源與新能源電源構(gòu)成的一體化發(fā)電單元平抑不確定分量（預(yù)報(bào)誤差），由于不確定分量的幅度顯著小于總的功率波動(dòng)幅度，因而本方法可望為解決大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)中功率波動(dòng)平抑能力不足的問(wèn)題提供一種新的調(diào)峰思路。

5.3 基于火電機(jī)組的安全高效調(diào)峰技術(shù)研究

在一體化聯(lián)合發(fā)電單元的綜合分析設(shè)計(jì)中，除了研究預(yù)報(bào)精度減少旋轉(zhuǎn)備用容量，還需要針對(duì)火電機(jī)組的深度變負(fù)荷以及發(fā)電整體經(jīng)濟(jì)效益的評(píng)估分析進(jìn)行深入全面研究，這些也是我們目前急需應(yīng)當(dāng)考慮的問(wèn)題。在這一思路下，需要解決如下關(guān)鍵問(wèn)題。首先，需要弄清采用一體化發(fā)電單元平抑功率波動(dòng)不確定性分量解決大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)中功率波動(dòng)平抑能力不足的內(nèi)在機(jī)理，這是本方法的理論基礎(chǔ)；其次，需要基于功率波動(dòng)不確定性分量的界估計(jì)，研究一體化發(fā)電單元中傳統(tǒng)電源與風(fēng)電的最優(yōu)匹配問(wèn)題，在保證足夠控制能力的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)最小的傳統(tǒng)能源配置；再次，需要從風(fēng)電不確定分量頻譜分析的角度，提出對(duì)傳統(tǒng)能源動(dòng)態(tài)響應(yīng)帶寬等需求性能指標(biāo)要求，為各種可調(diào)能源如火電、水電、風(fēng)電場(chǎng)中可調(diào)風(fēng)電、儲(chǔ)能裝置等的搭配選擇提供參考；最后，需要研究利用一體化發(fā)電單元平抑功率波動(dòng)不確定性分量的控制及優(yōu)化方法。

6 結(jié)論及展望

本文首先指出了當(dāng)前基于火電機(jī)組深度調(diào)峰技術(shù)對(duì)風(fēng)電功率波動(dòng)進(jìn)行平抑方法存在的不足，提出了研究并設(shè)計(jì)一體化聯(lián)合發(fā)電單元。針對(duì)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)中功率波動(dòng)平抑能力不足問(wèn)題，利用現(xiàn)有的電力系統(tǒng)調(diào)度模式由系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)峰能力平抑可預(yù)報(bào)的波動(dòng)分量，利用傳統(tǒng)電源與新能源電源構(gòu)成的一體化發(fā)電單元平抑不確定分量（預(yù)報(bào)誤差），由于不確定分量的幅度顯著小于總的功率波動(dòng)幅度，因而本方法可望為解決大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)中功率波動(dòng)平抑能力不足的問(wèn)題提供一種新的火電機(jī)組安全高效調(diào)峰技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭鈺鋒， 孫頔， 于繼來(lái)等. 集對(duì)分析理論在風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速區(qū)間預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化， 2014， （2）：6-11.

[2] 柏春光， 萬(wàn)杰， 劉嬌等. 基于遺傳算法的抽汽供熱機(jī)組間的熱電負(fù)荷分配優(yōu)化研究[J]. 節(jié)能技術(shù)， 2014， （3）.

[3] Troen I， Petersen E L. European wind atlas[M]. Roskilde： Risoe National Laboratory， 1989.

[4] Nielsen T S，Madsen H.WPPT—a tool for wind power prediction[C].EWEA Special Topic Conference，Kassel，2000.

[5] Bernhard L， Kurt R，Bernhard E，etal.Wind power prediction in Germany—recent advances and future challenges[C].European Wind Energy Conference，Athens，2006.

[6] Bailey B，Brower M C，Zack J.Short-term wind forecasting[C].European Wind Energy Conference，Nice France，1999.

[7] Zack J W，Brower M C，Bailey B H.Validating of the forewind model in wind forecasting application[C].EUWEC special topic conference wind power for the 21st century，Kassel，Germany，2000.

[8] SanchezI O，Ravelo J， Usaola C，et al.Sipreolico—a wind power prediction system based on flexible combination of dynamic models. application to the spanish power system[C].First IEA Joint Action Symposium on Wind Forecasting Techniques，Norrkoping， Sweden，2002.

[9] Hatziargyriou N，Contaxis G，Matos M，et al.More care—advice for secure operation of isolated power systems with increased renewable energy penetration and storage[C].European Wind Energy Conference，Copenhagen，2001.

[10] 陳曉東， 牛文君. 風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J]. 城市建設(shè)理論研究：電子版， 2014， （22）.

[11] 白雪飛，王麗宏，杜榮華. 風(fēng)電大規(guī)模接入對(duì)蒙西電網(wǎng)調(diào)峰能力的影響[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù).2010，28（1）：1-3.

[12] 許文娟， 萬(wàn)杰， 劉金福等. 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[C]. 電站自動(dòng)化信息化學(xué)術(shù)和技術(shù)交流會(huì)議. 2012.