大規(guī)模新能源接入后系統(tǒng)調(diào)峰能力與常規(guī)電源開機(jī)方式關(guān)系研究

張順，郭濤，葛智平，張世才，錢康

(國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州730050)

大規(guī)模新能源接入后系統(tǒng)調(diào)峰能力與常規(guī)電源開機(jī)方式關(guān)系研究

張順，郭濤，葛智平，張世才，錢康

(國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州730050)

近年來，風(fēng)、光電等新能源發(fā)展迅速，而相配套的水、火電等常規(guī)能源發(fā)展速度放緩，且在電網(wǎng)并網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)中，所占比例呈逐年下降趨勢。以某電網(wǎng)為例，從風(fēng)電反調(diào)峰出現(xiàn)概率以及風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的實(shí)時(shí)貢獻(xiàn)兩方面分析大規(guī)模新能源系統(tǒng)接入電網(wǎng)后對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰產(chǎn)生的影響;并對(duì)該電網(wǎng)水、火電等常規(guī)電源的現(xiàn)有開機(jī)方式與系統(tǒng)調(diào)峰之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上核算出該電網(wǎng)的調(diào)峰能力以及能夠接納風(fēng)電的規(guī)模。

風(fēng)電反調(diào)峰;貢獻(xiàn)率;系統(tǒng)調(diào)峰;開機(jī)方式

0 引言

目前，我國的電源結(jié)構(gòu)中，由于風(fēng)、光電等新能源的超常規(guī)發(fā)展，水電、抽水蓄能、氣電等快速調(diào)節(jié)電源所占比例逐步減小，使電網(wǎng)通過常規(guī)手段進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)峰的壓力不斷增大。隨著電網(wǎng)中大規(guī)模風(fēng)電基地的建成，滲透率的逐漸提高，其具有的隨機(jī)性、間歇性、反調(diào)節(jié)性及出力波動(dòng)大等特點(diǎn)，以及預(yù)測的不準(zhǔn)確性對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行產(chǎn)生了威脅。在風(fēng)電接入電網(wǎng)負(fù)荷較低的時(shí)候，其發(fā)電負(fù)荷的波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰的影響較低，但當(dāng)風(fēng)電接入電網(wǎng)負(fù)荷提升到一定比例時(shí)，電網(wǎng)需要針對(duì)風(fēng)電出力波動(dòng)采取預(yù)控措施［1－4］。尤其在某些特殊運(yùn)行日中，當(dāng)負(fù)荷實(shí)際曲線明顯高于預(yù)測曲線、伴隨風(fēng)電功率實(shí)際曲線明顯低于預(yù)測曲線時(shí)，凈負(fù)荷將出現(xiàn)持續(xù)性大幅值的預(yù)測偏差，電網(wǎng)必須進(jìn)行更快、更深的頻率調(diào)節(jié)。

近年來，與大規(guī)模新能源相配套的水、火電等常規(guī)能源發(fā)展速度放慢，在電網(wǎng)并網(wǎng)電源比例中，水、火電機(jī)組所占比例呈逐年下降趨勢。以某省級(jí)電網(wǎng)為例，2012年底，水、火電等常規(guī)電源裝機(jī)容量為22864.1MW，占總裝機(jī)容量的75.89%，而風(fēng)、光電等新能源裝機(jī)容量為7256.6MW，占24.1%。經(jīng)過兩年的發(fā)展，截止2014年底，水、火電等常規(guī)能源裝機(jī)容量26666MW，占總裝機(jī)容量的63%，較2012年增加3802MW，與此同時(shí)風(fēng)、光電等新能源裝機(jī)容量15244MW，占總裝機(jī)容量的36.37%，較2012年增加7987.4MW。隨著新能源機(jī)組容量比例的不斷提高，尤其在水電進(jìn)入滿發(fā)、防凌期后，基本喪失調(diào)峰能力，電網(wǎng)僅僅依靠火電機(jī)組旋轉(zhuǎn)備用容量無法克服風(fēng)電最大出力所帶來的頻率波動(dòng)，電網(wǎng)調(diào)峰將面臨很大的困難［5－8，10］。

1 風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰的影響分析

1.1 某省級(jí)電網(wǎng)風(fēng)電發(fā)展趨勢

作為可再生能源的風(fēng)能有著巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳?，世界上許多主要的發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的氣候變化和能源危機(jī)雙重挑戰(zhàn)，正在大力發(fā)展風(fēng)、光電等新能源。雖然中國風(fēng)電起步晚，但裝機(jī)容量增長迅速。

作為中國風(fēng)能儲(chǔ)存最豐富的地區(qū)之一，甘肅電網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量不斷增加，截至2014年底，全省已并網(wǎng)的新能源裝機(jī)占總裝機(jī)容量的36.37%，其中風(fēng)電裝機(jī)10076MW，占總裝機(jī)容量的24.9%。另外，酒嘉風(fēng)電基地50m高度風(fēng)能資源3級(jí)以上的面積為4.7萬m2，潛在開發(fā)量約為210GW，可開發(fā)裝機(jī)容量為82GW，位居全國前列。同時(shí)，新能源發(fā)電量也在不斷增加，1～11月，新能源發(fā)電總量達(dá)48.9億(kW·h)［10］。根據(jù)甘肅電網(wǎng)擬定的截至2020年的風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃，風(fēng)電在電網(wǎng)中所占的比重將會(huì)進(jìn)一步增加。

1.2 風(fēng)電系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性分析

由于風(fēng)力資源的多變性導(dǎo)致了風(fēng)電出力的不確定性，電網(wǎng)用電負(fù)荷的峰谷值和風(fēng)電出力的峰谷值之間相關(guān)性很小，且用電負(fù)荷的峰谷值變化通常小于風(fēng)電出力的峰谷值變化。因此風(fēng)電大規(guī)模并入電網(wǎng)情況下，風(fēng)電出力的變化速率將是影響系統(tǒng)調(diào)頻考量的重要因素［11］。統(tǒng)計(jì)甘肅酒嘉風(fēng)電基地出力每月最大負(fù)荷變化速率數(shù)據(jù)表明，全網(wǎng)風(fēng)電1min、5min、15min最大負(fù)荷變化速率年平均值則分別達(dá)到264MW、354MW及521MW。

風(fēng)電反調(diào)峰特性也對(duì)電網(wǎng)的調(diào)峰能力產(chǎn)生較大影響。風(fēng)電反調(diào)峰特性是指風(fēng)電日內(nèi)出力增減變化曲線與系統(tǒng)用電負(fù)荷曲線相反［12］。在衡量風(fēng)電在調(diào)峰方面的作用時(shí)，最常見的方法是從負(fù)荷峰谷差角度、風(fēng)電出力與負(fù)荷變化趨勢角度這兩方面進(jìn)行研究。

風(fēng)電反調(diào)峰出現(xiàn)概率是從負(fù)荷峰谷差角度進(jìn)行研究分析。該方法用原始負(fù)荷減去風(fēng)電負(fù)荷得到凈負(fù)荷，然后再對(duì)原始負(fù)荷峰谷差與凈負(fù)荷峰谷差進(jìn)行對(duì)比分析。假設(shè)用△Pvi代表風(fēng)電接入前后系統(tǒng)峰谷差的變化值量:

式中:Pvi為原始負(fù)荷峰谷差，Pvi為凈負(fù)荷峰谷差，如果△Pvi為負(fù)則表明該電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電起到反調(diào)峰作用，△Pvi為正則表示該電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電起到正調(diào)峰作用。

依據(jù)式(1)對(duì)某電網(wǎng)2013年3月份的負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如圖1所示，△Pvi基本為負(fù)值，即該電網(wǎng)風(fēng)電基本全部表現(xiàn)為反調(diào)峰特性，反調(diào)峰率出現(xiàn)概率為90%。

圖1 某電網(wǎng)風(fēng)電反調(diào)峰概率分析

依據(jù)式(2)對(duì)某電網(wǎng)2013年3月份的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖2為每天(綜合每小時(shí)變化情況)風(fēng)電負(fù)貢獻(xiàn)率出現(xiàn)概率情況，結(jié)果表明，該電網(wǎng)風(fēng)電月均負(fù)貢獻(xiàn)出現(xiàn)概率為49.4%。

從風(fēng)電出力與電網(wǎng)負(fù)荷變化趨勢角度衡量是通過對(duì)風(fēng)電出力對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的實(shí)時(shí)貢獻(xiàn)情況進(jìn)行研究分析。風(fēng)電的隨機(jī)波動(dòng)性導(dǎo)致各個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)負(fù)荷的貢獻(xiàn)有“正、負(fù)”之分，當(dāng)風(fēng)電變化趨勢與負(fù)荷變化趨勢相同時(shí)，風(fēng)電該時(shí)段的出力對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的貢獻(xiàn)作用為正，如果風(fēng)電變化趨勢與負(fù)荷變化趨勢相反時(shí)，風(fēng)電該時(shí)段的出力對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的貢獻(xiàn)作用為負(fù)。據(jù)此定義風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)貢獻(xiàn)率指標(biāo)。由于短時(shí)間尺度下負(fù)荷波動(dòng)不大，同時(shí)風(fēng)電波動(dòng)的隨機(jī)性過強(qiáng)，調(diào)頻機(jī)組來不及動(dòng)作;而長時(shí)間尺度下，負(fù)荷的波動(dòng)性特點(diǎn)又無法體現(xiàn)出來，所以，選擇時(shí)間尺度為1h，然后綜合全月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

假設(shè)風(fēng)電對(duì)負(fù)荷波動(dòng)貢獻(xiàn)率為Cr，即相鄰時(shí)間點(diǎn)風(fēng)電出力變化值與負(fù)荷變化值之比:

圖2 某電網(wǎng)風(fēng)電對(duì)實(shí)時(shí)負(fù)荷貢獻(xiàn)率分析

2 常規(guī)電源開機(jī)方式與調(diào)峰能力關(guān)系研究

2.1 水電機(jī)組開機(jī)方式與調(diào)峰能力分析

某電網(wǎng)水電裝機(jī)容量7360MW，除黃河、白龍江梯級(jí)水電具備調(diào)峰能力外，其余約2280MW小水電均為徑流式水電站，基本不具備調(diào)峰能力。但水電受來水、防凌、下游灌溉用水等因素的影響，全年調(diào)峰能力差異較大。如表1所示，該電網(wǎng)除10、11月份外，其余時(shí)刻由于受到黃河進(jìn)入防凌期后，梯級(jí)水電站出力向上調(diào)整能力受限;水電大發(fā)期間，機(jī)組負(fù)荷向下調(diào)節(jié)能力受到限制，總體對(duì)電網(wǎng)的調(diào)峰能力減弱，尤其在上游來洪水期間，水電機(jī)組基本滿發(fā)，基本喪失調(diào)峰能力。

2.2 火電機(jī)組開機(jī)方式與調(diào)峰能力分析

某電網(wǎng)火電裝機(jī)容量18700MW，其中供熱電廠裝機(jī)容量接近6800MW，在供熱期，供熱機(jī)組需維持基本出力，供熱機(jī)組基本只有上備用容量，而無下備用容量，調(diào)峰能力很小。調(diào)峰機(jī)組在1至3月份，全網(wǎng)開啟火電機(jī)組比例較大，調(diào)峰能力最強(qiáng)，而在水電大發(fā)期間，全網(wǎng)火電開機(jī)容量較小，供熱機(jī)組又占據(jù)一定容量，純凝機(jī)組發(fā)電負(fù)荷較低，調(diào)峰能力最小(見表2)。

表1 某電網(wǎng)水電開機(jī)方式及系統(tǒng)調(diào)峰能力關(guān)系

表2 某電網(wǎng)火電開機(jī)方式及調(diào)峰能力統(tǒng)計(jì)

2.3 電網(wǎng)調(diào)峰能力分析

從上文所述可知，電網(wǎng)調(diào)峰能力受水電、火電等常規(guī)能源開機(jī)方式影響較大。在風(fēng)電等可再生能源大規(guī)模接入電網(wǎng)后，火電機(jī)組開機(jī)容量進(jìn)一步壓縮，導(dǎo)致電網(wǎng)調(diào)峰壓力明顯增大。分析該電網(wǎng)調(diào)峰能力時(shí)，設(shè)定全網(wǎng)發(fā)電、用電基本等值情況下，火電機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)能力按照45%至50%考慮，全網(wǎng)峰谷差按照最大及平均分別考慮，風(fēng)電按照高峰、低谷時(shí)段平均發(fā)電出力(低谷時(shí)段電量占45%左右，高峰時(shí)段電量占16%左右)方式考慮，高峰期間火電機(jī)組旋轉(zhuǎn)備用容量按60萬KW考慮。在不考慮風(fēng)電的影響下，該電網(wǎng)調(diào)峰能力如表3所示。

依據(jù)表3分析，全網(wǎng)允許接納風(fēng)電發(fā)調(diào)峰容量為2320～3510MW，而風(fēng)電實(shí)際出力已達(dá)2420～4140MW。該電網(wǎng)在風(fēng)電大量并網(wǎng)后，僅在1、2月份能夠滿足調(diào)峰要求，其他時(shí)段系統(tǒng)調(diào)峰困難，其風(fēng)電反調(diào)峰/風(fēng)電出力曲線見圖3。從圖3可以看出，除1、2月份外，水電無法滿足調(diào)峰要求。

圖3 某電網(wǎng)允許風(fēng)電反調(diào)峰/風(fēng)電出力曲線關(guān)系

尤其在在黃河進(jìn)入防凌期和滿發(fā)期后，水電將基本喪失調(diào)峰能力，此時(shí)，系統(tǒng)調(diào)峰將主要依靠火電機(jī)組完成。但在用電負(fù)荷處于谷值期間，如果風(fēng)電大發(fā)，火電機(jī)組負(fù)荷比例將偏低，電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)節(jié)困難;在用電負(fù)荷處于峰值期間且由于無風(fēng)導(dǎo)致風(fēng)電出力為零情況下，全網(wǎng)必須留取600MW及以上火電旋轉(zhuǎn)備用容量，這將造成火電機(jī)組開機(jī)方式偏大。

表3 某電網(wǎng)調(diào)峰能力分析萬kW

2.4 提高系統(tǒng)調(diào)峰方法及建議

針對(duì)該電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)峰方面存在的問題及困難，需要在充分發(fā)掘水電機(jī)組調(diào)峰能力，提高風(fēng)電功率預(yù)測準(zhǔn)確率，盡可能制訂合理的水火電開機(jī)方式和火電旋轉(zhuǎn)備用容量的同時(shí)，深入研究火電機(jī)組深度調(diào)峰和功率快速調(diào)節(jié)技術(shù)，并在火電旋轉(zhuǎn)備用容量無法克服風(fēng)電波動(dòng)的時(shí)候，考慮臨時(shí)開啟火電機(jī)組來進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)峰的方法，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)語

通過對(duì)某電網(wǎng)一段時(shí)間內(nèi)風(fēng)電的調(diào)峰特性進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，確定大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)后造成的系統(tǒng)調(diào)峰困難。并在此基礎(chǔ)上對(duì)該電網(wǎng)水、火電等常規(guī)電源的開機(jī)方式與系統(tǒng)調(diào)峰之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，提出相關(guān)建議，為電網(wǎng)部門的政策制訂提供了技術(shù)支持。

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The research on relationship between the capacity of systematic peak regulation and conventional power startup mode after access to large－scale new energy

New energy including wind and photovoltaicis developing rapidly in recent years，while the corresponding normal energy is slowing down，such as water，thermal power and so on.Simultaneously，the ratio of normal energy goes down in the structure of network grid power with each passing year.We conduct research intothe effect of the large－scale new energy access to power grid on system peak regulation，which is based on the probability of wind power peak shaving and the real－time contribution made by wind power to the burden of grid.In addition，the relationship between the available power－on mode of conventional power source and the systematic peak regulation was also studied.Consequently，we can obtain the ability of peak regulation and the scale to taking in wind sources.

wind power peak shaving;ratio of contribution;systematic peak regulation;power startup mode

TM73

B

1674－8069(2016)02－048－04

2015-10-12;

2016-01-23

張順(1984-)，男，漢族，甘肅人，高級(jí)工程師，從事智能電網(wǎng)、熱工保護(hù)與自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研究及應(yīng)用。E－mail: zhshnet@163.com