湖北新能源出力特性分析及對電網(wǎng)的影響研究

趙 璐，程 杰，宋 周，鮮 杏

(湖北省電力勘測設(shè)計院，湖北武漢430040)

湖北新能源出力特性分析及對電網(wǎng)的影響研究

趙 璐，程 杰，宋 周，鮮 杏

(湖北省電力勘測設(shè)計院，湖北武漢430040)

新能源出力特性的研究對于低碳經(jīng)濟發(fā)展大背景下電力系統(tǒng)的規(guī)劃運行至關(guān)重要。由于新能源出力的不確定性和隨機性將對傳統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計和運行帶來一定的影響。湖北風能和太陽能資源較為豐富，發(fā)展較為迅速。根據(jù)湖北新能源發(fā)電和負荷的歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)，詳細分析了影響電網(wǎng)的相關(guān)因素，包括新能源出力特性、湖北電網(wǎng)負荷特性、湖北電網(wǎng)調(diào)峰能力等，并指出新能源會惡化負荷特性，減小火電利用小時數(shù)，惡化系統(tǒng)的調(diào)峰能力等。這些結(jié)果對電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計和調(diào)度運行提供一定的依據(jù)。

新能源；出力特性；調(diào)峰平衡；電網(wǎng)影響

0 引言

新能源是能源體系的重要組成部分，具有資源分布廣、開發(fā)潛力大、環(huán)境影響小、可持續(xù)利用的特點，是有利于人與自然和諧發(fā)展的能源資源[1，2]。湖北省能源資源匱乏，缺煤、少油、乏氣，水電資源開發(fā)將盡，能源自給率不足20%，人均用電量不及全國平均水平的三分之二，經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展長期受到能源特別是電力供應緊張制約。大力發(fā)展新能源已成為湖北省加強能源供應保障能力建設(shè)的迫切需要和必然選擇，同時也是保護環(huán)境、應對氣候變化，建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的重要途徑。

隨著國家關(guān)于新能源利好政策的不斷推出，新能源建設(shè)迎來了高峰。根據(jù)湖北省物價局和能源局文件《關(guān)于對新能源發(fā)電項目實行電價補貼有關(guān)問題的通知》(鄂價環(huán)資[2015]90號)，對新能源發(fā)電在標桿電價外給予額外的電價補貼。同時湖北省發(fā)改委和能源局下發(fā)《關(guān)于做好可再生能源電力配額考核準備工作的通知》(鄂發(fā)改能源[2015]115號)，要求各發(fā)電集團在湖北省新能源裝機占該集團在湖北省權(quán)益發(fā)電裝機(主要指火電裝機和新能源裝機)的比重達到10%。

由于新能源出力的隨機性和間歇性，將對電網(wǎng)的可靠性、電能質(zhì)量、調(diào)峰和調(diào)度運行帶來較大的影響[3-6]。本文通過分析湖北省新能源的儲量和“十三五”的發(fā)展規(guī)模，根據(jù)現(xiàn)有的新能源運行數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析湖北新能源的出力特性，并根據(jù)“十三五”末期的建設(shè)規(guī)模，分析對電網(wǎng)的影響。深入研究湖北新能源相關(guān)問題，對湖北省接納新能源能力、指導本省電網(wǎng)規(guī)劃具有重要意義。

1 湖北新能源開發(fā)現(xiàn)狀及規(guī)劃

湖北地處江漢平原地區(qū)，風能和太陽能資源儲量在中部地區(qū)中較為豐富，開發(fā)潛力巨大。據(jù)估計，湖北風能資源總儲量為1 320萬kW，技術(shù)可開發(fā)容量為685萬kW，主要分布在鄂東北崗地、鄂東南山區(qū)以及江漢平原地區(qū)；太陽能年輻射總量為3 963～4 455 MJ/m2，年日照時間為1 400～2 100 h，屬于我國太陽能輻射一般地區(qū)，少數(shù)地區(qū)太陽能資源較差。

截止到2014年底，湖北風電裝機容量為99.74萬kW，光伏總裝機容量約為25.5萬kW，新能源占全省統(tǒng)調(diào)裝機(不含三峽)的3.8%左右。

“十三五”期間，湖北新能源發(fā)展迅速。根據(jù)《湖北“十三五”清潔能源發(fā)展規(guī)劃》，預計2020年，湖北風電規(guī)模將達到522.7萬kW，光伏規(guī)模將達到380萬kW，新能源占全省統(tǒng)調(diào)裝機(不含三峽)的16.5%。

2 新能源出力特性分析

2.1 特性指標

風電的出力特性指標主要包括出力分布特性和出力時間特性兩方面。出力分布特性主要是指風電保證出力與有效容量。由于風電的隨機性和不確定性，沒有一個典型的日出力特性，但通過大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以得出每個月典型的日風電出力特性曲線[6]。光伏的出力指標與風電的出力指標基本一致。

2.2 風電出力特性

由于湖北省的風資源條件一般，年利用小時在1 800～2 200 h之間，其中S地區(qū)風電場為全省風資源最好的風電場，故以S地區(qū)風電場的出力特性進行分析。

對S地區(qū)風電場實際出力進行統(tǒng)計和分析，具體見圖1所示。S地區(qū)風電場全年41%的時間(3 592 h)，出力小于裝機容量的10%，超過80%的出力全年僅占5.6%(490 h)，其中高于90%出力的時間為1.33%(116 h)。

圖1 風電年出力分布曲線

S地區(qū)風電場各月日平均出力見圖2所示。從各月出力日變化曲線上看，S風電還是呈現(xiàn)了一定的規(guī)律，基本呈現(xiàn)“一峰一谷”的特性，一般20點至凌晨6點出力較大，11點至17點出力較小。

圖2 風電日平均出力分布曲線

2.3 光伏出力特性

由于湖北省目前投產(chǎn)的大型光伏電站數(shù)量有限，年利用小時在900～1 000 h之間。主要以S地區(qū)10萬kW地面集中式光伏電站為主，鑒于S地區(qū)光照資源較好，對規(guī)劃具有一定的代表性，故以S地區(qū)光伏為主進行分析。

對S地區(qū)光伏實際出力進行統(tǒng)計分析，具體見圖3所示。S地區(qū)光伏全年69%的時間(6 033 h時)，出力小于裝機容量的10%，超過裝機容量80%的出力全年僅占0.04%(3.5 h時)，其中高于90%出力的時間為零。

圖3 光伏年出力分布曲線

S地區(qū)光伏電站各月日平均出力見圖4所示。從各月出力日變化曲線上看，S地區(qū)光伏基本呈現(xiàn)“一峰”的特性，一般中午11點～14點出力較大。

圖4 光伏日平均出力分布曲線

3 新能源對負荷特性的影響

3.1 湖北負荷特性分析

湖北負荷特性良好，年負荷特性呈現(xiàn)夏冬雙高峰特點，最大負荷一般出線在夏季7～8月份。湖北電網(wǎng)典型日負荷特性見圖5所示。

圖5 湖北電網(wǎng)典型日負荷率

湖北電網(wǎng)日負荷變化率較為平穩(wěn)，一般凌晨負荷較小，其余時間負荷率均在80%以上；夏季最大負荷出現(xiàn)在晚上21～22時，最小負荷出現(xiàn)在凌晨4時，日最小負荷率為72%；冬季最大負荷出現(xiàn)在晚上19～20時，最小負荷也出現(xiàn)在凌晨4時，日最小負荷率為60%。

3.2 新能源對負荷特性的影響

以S電網(wǎng)為例，分析風電和光伏單獨接入對電網(wǎng)負荷特性的影響。2014年S地區(qū)最大負荷為65萬kW，風電裝機30萬kW，光伏裝機10萬kW。負荷特性取最大負荷日的典型負荷特性，風電和光伏的出力取典型出力特性。風電和光伏參與后的負荷曲線見圖6所示。

在新能源接入前，典型日的最大峰谷差率為28%，僅風電接入后，最大峰谷差率為50%，僅光伏接入后最大峰谷差率為29%。由此可見，風電具有明顯的反調(diào)峰特性，擴大峰谷差，而光伏在白天負荷較大的時候，具有一定削峰作用。

圖6 新能源參與后的負荷曲線

3.3 風光互補對負荷特性的影響

還以S地區(qū)為例，2020年S電網(wǎng)最大負荷93萬kW，風電裝機123萬kW，光伏104萬kW。選取夏季和秋季負荷較小日為典型日，新能源出力取最大典型出力，分析見圖7所示。

圖7 風光互補后負荷曲線

由上圖可知，S春季和秋季小負荷期，電力存在外送現(xiàn)象，春季和秋季上午10時至12時電網(wǎng)外送最大，其中秋季外送最大。由于光伏和風電的規(guī)?；緸?∶1，在考慮互補出力后，將校核電網(wǎng)最大外送時間為上午10時至12時。

4 新能源對電網(wǎng)運行的影響

4.1 新能源對火電運行效益的影響

4.1.1 湖北電力系統(tǒng)規(guī)劃

“十二五”期間，湖北省的經(jīng)濟處于工業(yè)化終期后半階段向工業(yè)化后期前半階段過渡時期，其主要發(fā)展方向從基礎(chǔ)設(shè)施、原材料工業(yè)、能源重化工等行業(yè)向加工裝配業(yè)過渡，預計“十三五”期間負荷和電量還將有明顯的持續(xù)增長。湖北省的電力需求預測見表1所示。

表1 湖北省電力需求預測

根據(jù)湖北省大型火電規(guī)劃和水電站建設(shè)規(guī)劃，結(jié)合目前項目的進度和核準進度，湖北省“十三五”期間將新建大型火電1 100萬kW，大中型水電站99萬kW。預計到2020年，湖北省統(tǒng)調(diào)電源總裝機為5 872萬kW，其中火電3 391萬kW、水電1 452萬kW、抽蓄127萬kW，新能源(僅風電和光伏)900萬kW。

根據(jù)現(xiàn)有的湖北電網(wǎng)規(guī)劃[7～9]，考慮到特高壓交直流建設(shè)的不確定性，本文僅考慮湖北維持現(xiàn)有省間電力交換能力，其中荊門特高壓交流枯期輸送電力300萬kW，川渝水電豐期輸送電力200萬kW。

4.1.2 火電運行效益分析

根據(jù)前文分析，湖北電網(wǎng)2020年用電量約為2 069億kW·h，接受外區(qū)電量100億kW·h，本區(qū)需要電量 1 969億kW·h，年最大負荷利用小時數(shù)約為4 965 h。湖北的風電年平均利用小時數(shù)約為1 800 h，光伏年平均利用小時數(shù)約為900 h。

由于新能源和水電電力為清潔能源，考慮優(yōu)先全額消納，分析得出新能源全額消納對湖北省火電利用小時數(shù)的影響。具體見表2所示。

表2 新能源對火電效益影響分析 h

通過分析，2020年，當湖北省900萬kW電力全額消納后，新能源生產(chǎn)的電量占全省用電量的7%左右，同時火電的年利用小時數(shù)降低約為400 h。新能源全額消納對湖北省火電的效益帶來不利影響。

4.2 新能源對調(diào)峰能力影響分析

4.2.1 湖北負荷峰谷差分析

由于負荷特性影響，湖北省近些年來負荷峰谷差持續(xù)增大，其增長率遠大于負荷增長率，峰谷差較大要求電網(wǎng)具備足夠的調(diào)峰電源。湖北省近幾年負荷峰谷差逐年增加，2010年，最大峰谷為727萬kW，2014年最大峰谷差達到了1 051萬kW，年均增長率為9.6%，遠高于負荷5.6%的增長率，峰谷差逐步拉大。

新能源出力的間歇性、隨機性和不可控性，需要配置大量的調(diào)峰備用容量才能保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

4.2.2 湖北電源調(diào)峰能力分析

目前，湖北可用于調(diào)峰的電源主要包括：有庫容的水電站、大型火電機組、抽水蓄能電站和燃機電站。根據(jù)對電廠和調(diào)度中心的調(diào)研，湖北機組(不含三峽)調(diào)峰能力見表3所示。

由于湖北電網(wǎng)水電比重較大，調(diào)峰能力較強的水電不多，且由于湖北水電開發(fā)程度已經(jīng)較高，后期開發(fā)潛力不大，今后大型火電將承擔主要的調(diào)峰能力。

表3 電源調(diào)峰能力分析

4.2.3 湖北電網(wǎng)調(diào)峰能力分析

根據(jù)統(tǒng)計，湖北電網(wǎng)最大峰谷差一般出現(xiàn)在冬季最大負荷期間或者夏季大負荷期間，故對這兩個時期進行分析計算，得出湖北電網(wǎng)夏季和冬季最大的調(diào)峰能力，具體見表4所示。

表4 湖北電網(wǎng)調(diào)峰能力分析 萬kW

通過上表分析，湖北2020年夏季調(diào)峰盈余約為779萬kW，冬季調(diào)峰盈余為897萬kW，在保持現(xiàn)有的調(diào)峰基礎(chǔ)上，考慮新能源出力的季節(jié)性差異，2020年，湖北電網(wǎng)基本可以滿足900萬kW新能源的調(diào)峰需求[10]。

4.2.4 新能源對其他電源調(diào)峰的影響

依據(jù)規(guī)劃，在“十三五”末期和“十四五”期間，湖北將建設(shè)咸寧大畈核電、陜北至武漢特高壓直流工程、白鶴灘至鄂東特高壓直流工程、渝鄂背靠背直流工程等。

根據(jù)經(jīng)驗，核電和特高壓直流均帶基礎(chǔ)負荷，且調(diào)峰能力有限，并需要電網(wǎng)提供大容量的調(diào)峰備用。由上節(jié)分析得出，湖北的調(diào)峰能力僅能維持規(guī)劃容量的新能源接入，如果核電和特高壓直流工程建設(shè)，勢必造成湖北省調(diào)峰能力不足，會對本省的新能源接入和消納帶來不利影響。故需特高壓直流和核電具有一定的調(diào)峰能力，同時在本省內(nèi)新建其他調(diào)峰電源(如抽水蓄能電站)。

5 結(jié)論

本文采用歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析湖北新能源的出力特性，具有一定的代表性，風電呈現(xiàn)一峰一谷的特性，夜晚出力較大，白天較小，風電全年出力在10%裝機以下的時間占到40%左右，大出力時間較短；光伏在中午輻射較大時出力較大，光伏全年出力在10%裝機以下的時間占60%，大出力時間也較短，新能源出力呈現(xiàn)間歇性和不可控性。

在新能源出力特性的基礎(chǔ)上分析對負荷特性的影響，得出新能源會惡化負荷特性峰谷差將會擴大。在現(xiàn)有規(guī)模新能源建設(shè)后，湖北火電的利用小時數(shù)將降低400 h，會影響火電企業(yè)發(fā)電的積極性。同時現(xiàn)有湖北電網(wǎng)的調(diào)峰能力可以滿足規(guī)劃的新能源規(guī)模，但是隨著特高壓直流工程和核電的建設(shè)，湖北的調(diào)峰能力將不足，會影響新能源的發(fā)展規(guī)模，需要進一步研究特高壓直流和核電的調(diào)峰性能。

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Analysis on the Characteristics of New Energy Output in Hubei and Impact on Power Grid

ZHAO Lu, CHENG Jie, SONG Zhou, XIAN Xing

(Hubei Electric Power Survey and Design Institute, Wuhan 430040,China)

with the development of low-carbon economy, it is essential to study the output characteristics of new energy for the power system planning and operation. Hubei province is rich in resources of wind and solar energy, so the new energy resources-based generation develops rapidly in Hubei. According to the historical statistical data of new energy resource-based generation and load in Hubei region as well as the prediction data of Hubei power grid planning, the related factors impacting Hubei ability of admitting new energy resources, including output characteristics of new energy, load characteristics in Hubei region, performance of generation units in Hubei power grid and the channel to transmit power outwards from Ningxia power grid, are analyzed in detail. The uncertainty and randomness of new energy output of will have a certain influence on traditional network planning and operation. The research results could be available for further study on Hubei power grid’s ability to admit new energy resource-based generation and the dispatching of Hubei power grid while new energy resource-based generation is connected to Hubei power grid.

new energy; output characteristic; peak shaving balance; grid impact

2016-01-08。

趙璐(1984-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃、新能源接入電網(wǎng)研究，E-mail:ceeeboy@qq.com。

TM71

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.03.010