湖北新能源出力特性分析及對(duì)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(jì)院，湖北武漢430040)

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湖北新能源出力特性分析及對(duì)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(jì)院，湖北武漢430040)

摘要：新能源出力特性的研究對(duì)于低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展大背景下電力系統(tǒng)的規(guī)劃運(yùn)行至關(guān)重要。由于新能源出力的不確定性和隨機(jī)性將對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行帶來一定的影響。湖北風(fēng)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(fù)荷的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，詳細(xì)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(fù)荷特性、湖北電網(wǎng)調(diào)峰能力等，并指出新能源會(huì)惡化負(fù)荷特性，減小火電利用小時(shí)數(shù)，惡化系統(tǒng)的調(diào)峰能力等。這些結(jié)果對(duì)電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和調(diào)度運(yùn)行提供一定的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：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(diǎn)，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(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展長期受到能源特別是電力供應(yīng)緊張制約。大力發(fā)展新能源已成為湖北省加強(qiáng)能源供應(yīng)保障能力建設(shè)的迫切需要和必然選擇，同時(shí)也是保護(hù)環(huán)境、應(yīng)對(duì)氣候變化，建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)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(jià)局和能源局文件《關(guān)于對(duì)新能源發(fā)電項(xiàng)目實(shí)行電價(jià)補(bǔ)貼有關(guān)問題的通知》(鄂價(jià)環(huán)資[2015]90號(hào))，對(duì)新能源發(fā)電在標(biāo)桿電價(jià)外給予額外的電價(jià)補(bǔ)貼。同時(shí)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(zhǔn)備工作的通知》(鄂發(fā)改能源[2015]115號(hào))，要求各發(fā)電集團(tuán)在湖北省新能源裝機(jī)占該集團(tuán)在湖北省權(quán)益發(fā)電裝機(jī)(主要指火電裝機(jī)和新能源裝機(jī))的比重達(dá)到10%。

由于新能源出力的隨機(jī)性和間歇性，將對(duì)電網(wǎng)的可靠性、電能質(zhì)量、調(diào)峰和調(diào)度運(yùn)行帶來較大的影響[3-6]。本文通過分析湖北省新能源的儲(chǔ)量和“十三五”的發(fā)展規(guī)模，根據(jù)現(xiàn)有的新能源運(yùn)行數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)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(duì)電網(wǎng)的影響。深入研究湖北新能源相關(guān)問題，對(duì)湖北省接納新能源能力、指導(dǎo)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(fēng)能和太陽能資源儲(chǔ)量在中部地區(qū)中較為豐富，開發(fā)潛力巨大。據(jù)估計(jì)，湖北風(fēng)能資源總儲(chǔ)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(shí)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(fēng)電裝機(jī)容量為99.74萬kW，光伏總裝機(jī)容量約為25.5萬kW，新能源占全省統(tǒng)調(diào)裝機(jī)(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(yù)計(jì)2020年，湖北風(fēng)電規(guī)模將達(dá)到522.7萬kW，光伏規(guī)模將達(dá)到380萬kW，新能源占全省統(tǒng)調(diào)裝機(jī)(不含三峽)的16.5%。

2新能源出力特性分析

2.1特性指標(biāo)

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

2.2風(fēng)電出力特性

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

對(duì)S地區(qū)風(fēng)電場實(shí)際出力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，具體見圖1所示。S地區(qū)風(fēng)電場全年41%的時(shí)間(3 592 h)，出力小于裝機(jī)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(shí)間為1.33%(116 h)。

圖1　風(fēng)電年出力分布曲線

S地區(qū)風(fēng)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(fēng)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(diǎn)至凌晨6點(diǎn)出力較大，11點(diǎn)至17點(diǎn)出力較小。

圖2　風(fēng)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(shí)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(duì)規(guī)劃具有一定的代表性，故以S地區(qū)光伏為主進(jìn)行分析。

對(duì)S地區(qū)光伏實(shí)際出力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，具體見圖3所示。S地區(qū)光伏全年69%的時(shí)間(6 033 h時(shí))，出力小于裝機(jī)容量的10%，超過裝機(jī)容量80%的出力全年僅占0.04%(3.5 h時(shí))，其中高于90%出力的時(shí)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(diǎn)～14點(diǎn)出力較大。

圖4　光伏日平均出力分布曲線

3新能源對(duì)負(fù)荷特性的影響

3.1湖北負(fù)荷特性分析

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

圖5　湖北電網(wǎng)典型日負(fù)荷率

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

3.2新能源對(duì)負(fù)荷特性的影響

以S電網(wǎng)為例，分析風(fēng)電和光伏單獨(dú)接入對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷特性的影響。2014年S地區(qū)最大負(fù)荷為65萬kW，風(fēng)電裝機(jī)30萬kW，光伏裝機(jī)10萬kW。負(fù)荷特性取最大負(fù)荷日的典型負(fù)荷特性，風(fēng)電和光伏的出力取典型出力特性。風(fēng)電和光伏參與后的負(fù)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(fēng)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(fēng)電具有明顯的反調(diào)峰特性，擴(kuò)大峰谷差，而光伏在白天負(fù)荷較大的時(shí)候，具有一定削峰作用。

圖6　新能源參與后的負(fù)荷曲線

3.3風(fēng)光互補(bǔ)對(duì)負(fù)荷特性的影響

還以S地區(qū)為例，2020年S電網(wǎng)最大負(fù)荷93萬kW，風(fēng)電裝機(jī)123萬kW，光伏104萬kW。選取夏季和秋季負(fù)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(fēng)光互補(bǔ)后負(fù)荷曲線

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

4新能源對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響

4.1新能源對(duì)火電運(yùn)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(jì)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(shí)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(yù)計(jì)“十三五”期間負(fù)荷和電量還將有明顯的持續(xù)增長。湖北省的電力需求預(yù)測見表1所示。

表1　湖北省電力需求預(yù)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(xiàng)目的進(jìn)度和核準(zhǔn)進(jìn)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(yù)計(jì)到2020年，湖北省統(tǒng)調(diào)電源總裝機(jī)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(fēng)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(yùn)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(fù)荷利用小時(shí)數(shù)約為4 965 h。湖北的風(fēng)電年平均利用小時(shí)數(shù)約為1 800 h，光伏年平均利用小時(shí)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(duì)湖北省火電利用小時(shí)數(shù)的影響。具體見表2所示。

表2　新能源對(duì)火電效益影響分析　h

通過分析，2020年，當(dāng)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(shí)火電的年利用小時(shí)數(shù)降低約為400 h。新能源全額消納對(duì)湖北省火電的效益帶來不利影響。

4.2新能源對(duì)調(diào)峰能力影響分析

4.2.1湖北負(fù)荷峰谷差分析

由于負(fù)荷特性影響，湖北省近些年來負(fù)荷峰谷差持續(xù)增大，其增長率遠(yuǎn)大于負(fù)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(fù)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(dá)到了1 051萬kW，年均增長率為9.6%，遠(yuǎn)高于負(fù)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(jī)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(yùn)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(jī)組、抽水蓄能電站和燃機(jī)電站。根據(jù)對(duì)電廠和調(diào)度中心的調(diào)研，湖北機(jī)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(qiáng)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(dān)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(jì)，湖北電網(wǎng)最大峰谷差一般出現(xiàn)在冬季最大負(fù)荷期間或者夏季大負(fù)荷期間，故對(duì)這兩個(gè)時(shí)期進(jìn)行分析計(jì)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(duì)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(yàn)，核電和特高壓直流均帶基礎(chǔ)負(fù)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(huì)對(duì)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(shí)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(jì)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(fēng)電呈現(xiàn)一峰一谷的特性，夜晚出力較大，白天較小，風(fēng)電全年出力在10%裝機(jī)以下的時(shí)間占到40%左右，大出力時(shí)間較短；光伏在中午輻射較大時(shí)出力較大，光伏全年出力在10%裝機(jī)以下的時(shí)間占60%，大出力時(shí)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(duì)負(fù)荷特性的影響，得出新能源會(huì)惡化負(fù)荷特性峰谷差將會(huì)擴(kuò)大。在現(xiàn)有規(guī)模新能源建設(shè)后，湖北火電的利用小時(shí)數(shù)將降低400 h，會(huì)影響火電企業(yè)發(fā)電的積極性。同時(shí)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(huì)影響新能源的發(fā)展規(guī)模，需要進(jìn)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)

Abstract：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.

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

中圖分類號(hào):TM71

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.03.010

作者簡介：趙璐(1984-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃、新能源接入電網(wǎng)研究，E-mail:ceeeboy@qq.com。

收稿日期：2016-01-08。