計算和評價電網(wǎng)消納新能源能力的方法研究

周脈玉 任普春 白宏坤

【摘要】準確衡量電網(wǎng)消納新能源的能力是進行新能源規(guī)劃、電網(wǎng)運行方式和調度計劃安排的基礎。本文在總結現(xiàn)有的評價電網(wǎng)消納新能源能力方法的基礎上，提出了一種分析計算電網(wǎng)消納新能源能力的新方法。該方法是以電網(wǎng)年內消納的新能源發(fā)電量作為評價指標，且該發(fā)電量是根據(jù)全年365天的開機平衡、逐小時的電力電量平衡及合理安排抽水蓄能運行方式計算的。根據(jù)該方法計算的電網(wǎng)年內消納的新能源發(fā)電量的變化情況，可以確定新能源發(fā)電裝機的合理規(guī)模。該方法與常規(guī)方法相比，能夠大幅度地提高計算電網(wǎng)消納新能源數(shù)量的準確性。該方法對準確評價電網(wǎng)消納新能源電量的能力及制定新能源發(fā)電規(guī)劃具有指導意義。

【關鍵詞】新能源；消納能力；開機平衡；發(fā)電量

引言

大規(guī)模新能源的開發(fā)和利用一直是世界各國普遍關注的焦點。當新能源發(fā)電裝機規(guī)模較小時，電力系統(tǒng)能夠充分消納新能源的并網(wǎng)電量；而當新能源發(fā)電裝機達到一定規(guī)模后，由于部分新能源電站出力具有間歇性、波動性等特點，能否完全被消納取決于電力系統(tǒng)的電源結構、電網(wǎng)狀況、負荷特性等客觀條件。如果電網(wǎng)內新能源發(fā)電裝機容量超越這些客觀條件，將導致電網(wǎng)運行困難，且出現(xiàn)新能源發(fā)電量不被電網(wǎng)消納的情況；如果新能源電站裝機過小，又不能充分利用新能源。因此，必須正確評估電網(wǎng)對新能源發(fā)電量的消納能力，指導新能源電站的規(guī)劃和建設，取得經(jīng)濟效益、環(huán)保效益和社會效益的統(tǒng)一。

在評估電網(wǎng)消納新能源的能力時，目前國內采用的常規(guī)方法，是以設計水平年或典型季節(jié)的電網(wǎng)典型日的負荷及峰谷差為邊界條件計算電網(wǎng)的調峰裕度；進一步根據(jù)典型日新能源電站增大峰谷差的值占新能源電站裝機容量的比例系數(shù)，確定電網(wǎng)可接納新能源發(fā)電的裝機容量。

常規(guī)方法較為粗放，且不合理，主要體現(xiàn)在兩個方面：首先，從電網(wǎng)調峰裕度看，即使相同的開機方式，每日的調峰裕度也是不同的，且每日新能源增大峰谷差的值占新能源裝機容量的比例系數(shù)也不同。以典型日的負荷及峰谷差為邊界條件將造成計算結果誤差頗大；其次，開發(fā)新能源，特別是風電和太陽能，主要目的是獲得電量效益，減少化石燃料的消耗量，提高環(huán)保效益，而常規(guī)方法并不能得出電網(wǎng)一年內消納新能源發(fā)電量的準確數(shù)量。

為了正確計算及評估電網(wǎng)消納新能源的能力，因此，探尋一種較為合理且精確的電網(wǎng)消納新能源能力的評價新方法尤其必要。

1、計算和評價電網(wǎng)消納新能源能力的新方法

首先，采用在一定新能源電源裝機情況下，電網(wǎng)每年消納新能源的發(fā)電量作為評價指標。

其次，進行無新能源電源時，全年365天的開機平衡及逐小時電力電量平衡。在進行開機平衡時，必須滿足以下條件：

（1）滿足電網(wǎng)及電廠的安全要求；

（2）供熱及其他要求的最小開機方式；

（3）滿足火電機組的啟停費用及燃料費用最優(yōu)要求；

（4）開機容量必須滿足以下條件：

式中：PYmax為每日發(fā)電負荷最大值（有時也包括聯(lián)絡線輸入及輸出電力）及系統(tǒng)的運行備用；Pimax為機組i運行時的最大技術出力；為電網(wǎng)的開機容量的最大出力。

第三，根據(jù)電網(wǎng)的8760小時負荷曲線、新能源8760小時出力曲線、計算風電及光伏電源的有效出力及電網(wǎng)為了消納新能源而增加的備用（其最大值為每日參加系統(tǒng)平衡的有效出力）。

第四，在保持啟停費用不變的情況下，進行有新能源發(fā)電裝機時，全年365天開機平衡。

在此時，式（1）中的PYmax為經(jīng)新能源電站出力修正后的數(shù)值。

第五，采用生產(chǎn)模擬方法，進行電網(wǎng)全年逐小時電力電量平衡；

在進行電力電量平衡時，修正后的系統(tǒng)日負荷曲線每小時的負荷值必須滿足以下條件

式中：PYi是經(jīng)新能源電站出力修正后系統(tǒng)的每小時的負荷值；Pi為機組i的實際出力，且Pimin≤Pi≤Pimax；Pimin為機組i的最小技術出力。

在進行電力電量平衡時，抽水蓄能電站先按備用考慮，然后，根據(jù)初步平衡結果確定抽水蓄能電站抽水和發(fā)電的時間。當凈負荷小于開機機組的最小出力時，抽水蓄能電站抽水運行；當凈負荷大于開機機組的最大出力時，抽水蓄能電站必須發(fā)電運行；當凈負荷大于開機機組的最小出力，而小于開機機組的最大出力，抽水蓄能電站根據(jù)消納新能源電量及備用的需要綜合考慮確定是發(fā)電運行還是停機備用。

第六，計算不被電網(wǎng)消納的新能源發(fā)電量

當在時刻t時，如果，說明在此時段不存在新能源發(fā)電量不被電網(wǎng)消納的情況；如果，說明在此時段存在新能源發(fā)電量不被電網(wǎng)消納的情況或需要火電機組停機調峰。在火電機組不參加啟停調峰情況下。當時，則 為在時刻t時，沒有被電網(wǎng)消納的新能源發(fā)電量；且當時，則為在時刻t時，火電機組不參加系統(tǒng)啟停調峰時，沒有被電網(wǎng)消納的新能源發(fā)電量；為在時刻t時，新能源所有機組的總出力。

第七，計算在火電機組不參加啟停調峰情況下電網(wǎng)消納的新能源發(fā)電量

電網(wǎng)消納的新能源發(fā)電量=新能源電站理論發(fā)電量-不被電網(wǎng)消納的新能源發(fā)電量。

第八，計算火電機組啟停調峰的費用及火電機組啟停調峰一次多消納新能源發(fā)電量及效益。通過效益分析，確定通過火電機組啟停調峰多消納的新能源發(fā)電量。

2、算例

本文以東北電網(wǎng)某省網(wǎng)2020年為例評價電網(wǎng)消納風電的能力及確定合理的風電裝機規(guī)模。

2.1采用新方法計算電網(wǎng)消納風電的能力及確定合理的風電裝機規(guī)模

2.1.1邊界條件

（1）電力需求：2020年電網(wǎng)的用電量約為1069.88億千瓦時；電網(wǎng)的最大用電負荷（包括發(fā)電廠用電和網(wǎng)損）約為16764.02MW。

（2）電網(wǎng)8760負荷曲線

（3）電網(wǎng)常規(guī)電源現(xiàn)狀

到2020年，電網(wǎng)的裝機容量為24845MW，其中：常規(guī)燃煤機組3910MW，供熱燃煤機組12257MW，生物質裝機440MW，垃圾發(fā)電66MW，抽水蓄能電站1700MW，常規(guī)水電站6472MW。

（4）供熱期：為10月20日至來年4月10日，共計6個月；

（5）火電機組的最大出力和最小出力：在供熱期內，供熱機組的最大出力為額定容量的95%；最小出力為額定容量的70%。非供熱期，供熱機組的最大出力為額定容量；最小出力額定容量55%。常規(guī)煤電的最大出力為額定容量；最小出力額定容量50%。

（6）負荷旋轉備用按最大負荷的7%考慮，風電和光伏增加的旋轉備用按風電及光伏有效出力的50%考慮。

（7）在供熱期，供熱機組全部開機

（8）電網(wǎng)風電出力特性：風電8760小時的風場出力情況，年發(fā)電小時約為2114小時。

2.1.2電網(wǎng)消納風電的能力計算及合理的風電裝機規(guī)模確定

當電網(wǎng)2020年風電裝機規(guī)模為12000MW時，如果開機機組的最小出力大于電網(wǎng)的負荷時，采取風電停機調峰措施，則2020年電網(wǎng)消納的風電電量為240.36億千瓦時，風電場全年平均利用小時數(shù)約為2003小時，全年棄風電量比例為5.25%。每月電網(wǎng)消納的風電電量情況見表1和表2。

如果風電裝機減少2000MW，總規(guī)模為10000MW，則2020年電網(wǎng)消納的風電電量變?yōu)?07.34億千瓦時，減少了33.10億千瓦；全年的棄風電量為4.11億千瓦時，減少了9.21億千瓦時。也就是說當風電裝機容量從10000MW增加到12000MW，電網(wǎng)消納風電電量的增加額是棄風電量增加額的3.6倍。

當風電裝機增加2000MW風電裝機時，總規(guī)模為14000MW時，則2020年電網(wǎng)消納的風電電量變?yōu)?62.38億千瓦時，增加了22.02億千瓦；全年棄風電量為33.57億千瓦時，增加了20.25億千瓦時，電網(wǎng)消納風電電量的增加額和棄風電量的增加額幾乎相等。

綜上所述，電網(wǎng)2020年合理的風電裝機規(guī)模約為12000MW。

2.2采用常規(guī)方法分析電網(wǎng)消納風電的能力情況

根據(jù)常規(guī)算法，2020年365天的電網(wǎng)的調峰裕量見表3。從表3中可以看出，在一年內，每天的調峰裕量差別很大，同時考慮到，每天風電增大峰谷差的值占風電裝機容量的系數(shù)也差別很大。因此，選取哪一天的數(shù)據(jù)作為評價標準都會造成誤差頗大，如果選擇調峰裕量最大的值作為標準，將導致電網(wǎng)風電裝機容量過大，如果選擇了調峰裕量最小的值作為標準，將導致電網(wǎng)風電裝機容量過小

3、結束語

該文提出了評價電網(wǎng)消納新能源能力的一種新方法。該方法是以電網(wǎng)消納的新能源的年發(fā)電量作為主要評價指標，通過365天的逐日開機平衡及8760小時的電量平衡，精確計算電網(wǎng)消納新能源的發(fā)電量。通過實例計算，某電網(wǎng)在2020年，風電裝機容量為12000MW為合理裝機。如果采用常規(guī)方法評價電網(wǎng)消納風電的能力，得出的數(shù)據(jù)，不是大于12000MW，就是小于12000MW，導致電網(wǎng)不能合理的開發(fā)新能源。因此，本文提出的方法對于準確評估電網(wǎng)消納新能源的能力及合理安排新能源的發(fā)電裝機具有很好的借鑒意義。

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