新建高載能用電負(fù)荷提升本地風(fēng)電消納容量途徑研究

楊勇，鄭晶晶，安亮亮，彭晶，李鵬飛

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

新建高載能用電負(fù)荷提升本地風(fēng)電消納容量途徑研究

楊勇，鄭晶晶，安亮亮，彭晶，李鵬飛

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

隨著酒泉地區(qū)新能源發(fā)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)電網(wǎng)的影響也日益凸顯。主要體現(xiàn):一方面，由于酒泉地區(qū)新能源基地遠(yuǎn)離全省的用電負(fù)荷中心，且河西地區(qū)的負(fù)荷較小，大規(guī)模新能源難以就地消納;另一方面，由于新能源的隨機(jī)性、間歇性和半可控特性，當(dāng)新能源并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，必須由常規(guī)電源為其有功出力提供支持，以保證對(duì)負(fù)荷安全可靠地供電。高載能行業(yè)作為一種技術(shù)先進(jìn)、能源利用率高的環(huán)保型加工業(yè)，用電負(fù)荷較大，因此在河西地區(qū)重點(diǎn)發(fā)展高載能工業(yè)是風(fēng)電消納的重要途徑。

新能源;負(fù)荷;消納;高載能

0 引言

甘肅河西走廊風(fēng)力資源豐富，大部分地區(qū)處于太陽(yáng)能輻射資源豐富區(qū)和較豐富區(qū)，擁有發(fā)展新能源得天獨(dú)厚的綜合優(yōu)勢(shì)。2014年，甘肅省內(nèi)光伏、風(fēng)電裝機(jī)容量分別突破500萬(wàn)kW和1000萬(wàn)kW，分別居全國(guó)第一位和第二位。根據(jù)酒泉新能源基地總體規(guī)劃，到2020年裝機(jī)容量將達(dá)到2000萬(wàn)kW，酒泉和河西走廊將成為世界上最大的新能源基地。

隨著酒泉地區(qū)新能源發(fā)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)電網(wǎng)的影響也日益凸顯。當(dāng)接入電網(wǎng)的常規(guī)能源調(diào)峰能力無(wú)法滿足河西地區(qū)新能源發(fā)展的時(shí)候，可以利用高載能負(fù)荷來(lái)平抑風(fēng)電波動(dòng)，使大規(guī)模新能源發(fā)電能就地消納，從而起到削峰填谷的作用。但是，由于不同的高載能負(fù)荷接入電網(wǎng)的方式，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不同的影響，并且會(huì)對(duì)電能的供需平衡和電網(wǎng)的網(wǎng)損產(chǎn)生較大影響［1］，因此需要對(duì)高載能負(fù)荷平抑風(fēng)電波動(dòng)的適應(yīng)性及控制策略進(jìn)行研究。

1 高載能負(fù)荷平抑風(fēng)電波動(dòng)的影響分析

在對(duì)高載能負(fù)荷對(duì)風(fēng)電波動(dòng)的適應(yīng)性及其平抑風(fēng)電波動(dòng)的控制策略開展研究的基礎(chǔ)上，對(duì)高載能負(fù)荷合理控制，能夠在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模新能源就地消納的同時(shí)，緩解常規(guī)電源的調(diào)峰壓力，提高電網(wǎng)的調(diào)峰能力，避免因新能源波動(dòng)給電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度帶來(lái)的不利影響［2］。

1.1 高載能負(fù)荷對(duì)酒泉地區(qū)風(fēng)電消納的影響分析

酒泉地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)容量巨大，且較為集中，由于風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)離用電負(fù)荷中心，而且嘉峪關(guān)和酒泉地區(qū)消納風(fēng)電的能力非常有限，大量風(fēng)電無(wú)法實(shí)現(xiàn)就地消納［3］。目前主要通過(guò)雙回750kV線路向省外輸送，考慮系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定的需要，實(shí)際輸送能力僅約300萬(wàn)kW，大量風(fēng)電出力受限。在目前外送能力不足、新的外送通道建設(shè)周期較長(zhǎng)的情況下，就地消納是需要重點(diǎn)考慮的途徑［4］。而發(fā)展中小企業(yè)，用電負(fù)荷較小，對(duì)消納大量富裕的風(fēng)電作用不大，因此，重點(diǎn)考慮發(fā)展用電負(fù)荷較大的高載能工業(yè)來(lái)消納風(fēng)電將更加有效。

嘉峪關(guān)和酒泉地區(qū)加快發(fā)展現(xiàn)代高載能產(chǎn)業(yè)具有以下優(yōu)勢(shì):首先，礦產(chǎn)資源的種類和儲(chǔ)量非常豐富，僅酒泉瓜州縣以白色大理巖為主的硅石資源儲(chǔ)量就達(dá)10億m3，柳園地區(qū)硅石資源遠(yuǎn)景儲(chǔ)量達(dá)10億t以上;其次，發(fā)展現(xiàn)代高載能產(chǎn)業(yè)就地消納富余電力，變能源輸出為產(chǎn)品輸出，是將能源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的有效途徑;第三，加快發(fā)展現(xiàn)代高載能產(chǎn)業(yè)是落實(shí)國(guó)家承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移政策的實(shí)際行動(dòng);第四，高載能產(chǎn)業(yè)是甘肅省的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，高載能產(chǎn)業(yè)總資產(chǎn)、工業(yè)增加值、利潤(rùn)總額等都超過(guò)全省工業(yè)總量的80%以上。

因此，加快發(fā)展現(xiàn)代高載能產(chǎn)業(yè)，擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，提升產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)總量，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，是推動(dòng)甘肅省工業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展的重大舉措。

1.2 高載能負(fù)荷對(duì)平抑風(fēng)電波動(dòng)的影響分析

由于鍋爐、汽輪機(jī)等設(shè)備受交變應(yīng)力的限制，調(diào)整速度較慢，一般凝汽式機(jī)組每分鐘僅可調(diào)整裝機(jī)容量的1%左右，對(duì)于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，其最小出力和調(diào)整速度還要受供熱的限制。由此可以看出，常規(guī)電源參與調(diào)峰的能力無(wú)法滿足河西地區(qū)風(fēng)電的發(fā)展，需要研究風(fēng)電“直供”和就地轉(zhuǎn)化的途徑，發(fā)展適應(yīng)新能源發(fā)電出力特性的高科技、高附加值的載能產(chǎn)業(yè)。

現(xiàn)有的研究成果表明氯堿和鋁電解等高載能負(fù)荷的生產(chǎn)均能較好地適應(yīng)風(fēng)電特性，生產(chǎn)過(guò)程中的電壓或電流波動(dòng)，只影響產(chǎn)品的產(chǎn)量，不影響產(chǎn)品的質(zhì)量和工藝流程;雙路供電時(shí)，網(wǎng)電自動(dòng)為風(fēng)電補(bǔ)充，保證了電解槽的穩(wěn)定生產(chǎn)。因此，可以在電網(wǎng)調(diào)峰能力不足的情況下，通過(guò)控制高載能負(fù)荷來(lái)平抑風(fēng)電波動(dòng)，從而起到削峰填谷的作用。

2 高載能負(fù)荷平抑風(fēng)電波動(dòng)控制方案研究

通過(guò)對(duì)高載能負(fù)荷對(duì)風(fēng)電波動(dòng)的適應(yīng)性研究可知，在高載能負(fù)荷的生產(chǎn)過(guò)程中，電壓或者電流的波動(dòng)不影響產(chǎn)品的質(zhì)量，因此，當(dāng)電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力不足以應(yīng)對(duì)風(fēng)電的波動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)短時(shí)間中斷高載能負(fù)荷來(lái)平抑風(fēng)電波動(dòng)［5］。高載能負(fù)荷平抑風(fēng)電波動(dòng)控制方案解決的主要問(wèn)題是在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，通過(guò)控制高載能負(fù)荷的投切來(lái)平抑風(fēng)電波動(dòng)，最大限度地利用風(fēng)電?？刂颇繕?biāo)包括:保證系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運(yùn)行;提高風(fēng)電利用率;當(dāng)高載能負(fù)荷的中斷時(shí)間和中斷次數(shù)達(dá)到上限時(shí)，能采取措施以保證負(fù)荷的穩(wěn)定供電;確保在系統(tǒng)故障情況下，能夠快速隔離故障、減小對(duì)負(fù)荷供電以及整個(gè)供電系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

高載能負(fù)荷平抑風(fēng)電波動(dòng)控制與電網(wǎng)控制的目的一致，但是控制手段不同。通過(guò)高載能負(fù)荷來(lái)平抑風(fēng)電波動(dòng)的控制方法是從充分利用風(fēng)電的角度出發(fā)，最大限度地減少對(duì)風(fēng)電場(chǎng)出力的限制，盡可能多地發(fā)出風(fēng)電［6］。因此，對(duì)于高載能負(fù)荷平抑風(fēng)電波動(dòng)控制而言，通過(guò)切除或接入負(fù)荷實(shí)現(xiàn)較大幅度的有功功率調(diào)節(jié)以適應(yīng)風(fēng)電的波動(dòng)是主要的控制手段，也就是說(shuō)，有功功率控制主要對(duì)象不是風(fēng)電場(chǎng)，而是高載能負(fù)荷［7］。

結(jié)合高載能負(fù)荷的運(yùn)行特點(diǎn)以及風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的研究成果，以風(fēng)電利用最大化為目標(biāo)，制定了通過(guò)高載能負(fù)荷平抑風(fēng)電波動(dòng)的三級(jí)控制策略，包括預(yù)測(cè)控制、常規(guī)電源控制和高載能負(fù)荷控制。具體控制策略流程示意見(jiàn)圖1。

圖1 高載能負(fù)荷平抑風(fēng)電波動(dòng)控制策略流程

(1)預(yù)測(cè)控制

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)出力短期預(yù)測(cè)曲線和負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線，將風(fēng)電場(chǎng)出力定義為一個(gè)負(fù)的負(fù)荷，疊加在原有負(fù)荷上，形成等效負(fù)荷曲線。

(2)常規(guī)電源控制

通過(guò)常規(guī)電源平抑風(fēng)電波動(dòng)的控制策略包括:根據(jù)等效負(fù)荷曲線，在考慮水火電機(jī)組的運(yùn)行情況和機(jī)組約束條件的基礎(chǔ)上，安排水電機(jī)組和火電機(jī)組的發(fā)電計(jì)劃;根據(jù)火電機(jī)組的發(fā)電計(jì)劃和額定容量，確定火電機(jī)組的備用容量，留取一部分備用容量為風(fēng)電調(diào)峰，另一部分作為備用容量裕度;當(dāng)風(fēng)電波動(dòng)時(shí)，根據(jù)火電機(jī)組為風(fēng)電調(diào)峰的備用容量大小，通過(guò)調(diào)整火電機(jī)組的輸出功率來(lái)平抑風(fēng)電波動(dòng)。

(3)高載能負(fù)荷控制

采用高載能負(fù)荷平抑風(fēng)電波動(dòng)的控制策略包括:當(dāng)火電調(diào)峰能力無(wú)法滿足風(fēng)電波動(dòng)時(shí)，通過(guò)分組投切高載能負(fù)荷來(lái)平抑風(fēng)電波動(dòng);當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際出力與預(yù)測(cè)出力存在偏差時(shí)，采用火電機(jī)組留有的備用容量裕度來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功率平衡。

3 新能源與高載能負(fù)荷分層分區(qū)協(xié)調(diào)控制策略研究

3.1 新能源與高載能負(fù)荷分層協(xié)調(diào)控制策略研究

為了研究新能源與高載能負(fù)荷分層控制協(xié)調(diào)方法。首先需要將電網(wǎng)按電壓等級(jí)分成若干層，再對(duì)每層的子電網(wǎng)建立分層拓?fù)淠Ｐ?，并根?jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中線路的輸電容量及節(jié)點(diǎn)負(fù)荷，計(jì)算每個(gè)子電網(wǎng)中應(yīng)該接入的高載能負(fù)荷的容量及位置。當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)負(fù)荷發(fā)生波動(dòng)時(shí)，利用在同一層級(jí)的新能源電廠與高載能負(fù)荷的調(diào)節(jié)與消納能力，使得這一節(jié)點(diǎn)及層級(jí)的功率保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平［8-9］。

(1)高載能負(fù)荷接入容量及位置的計(jì)算方法

為了計(jì)算分層后的子電網(wǎng)所接入的高載能負(fù)負(fù)荷的大小及位置，需要求出該層各級(jí)、各節(jié)點(diǎn)可接入高載能的負(fù)荷值。并且要按照線路的輸電容量大小對(duì)負(fù)荷進(jìn)行分配。

對(duì)于一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)滿足如下性質(zhì):上級(jí)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷等于與之相連的所有下級(jí)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷之和加上它們之間所有弧的負(fù)荷之和，即:

式中:lmm=(lij)m×m(i≠j)為饋線cij所對(duì)應(yīng)的負(fù)荷構(gòu)成的矩陣;ln為節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷，a(v) =(vi，vj…vk)是vm子節(jié)點(diǎn)的組合。

計(jì)算的過(guò)程中可以算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷的值。當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷產(chǎn)生波動(dòng)的時(shí)候，就需要電廠與高載能負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)。使得層內(nèi)新能源與負(fù)荷達(dá)到供需平衡，這樣就使電網(wǎng)相對(duì)穩(wěn)定。

(2)新能源與高載能負(fù)荷分層控制協(xié)調(diào)策略

圖2給出電網(wǎng)分層控制策略流程:將河西地區(qū)電網(wǎng)按電壓等級(jí)分成不同的層級(jí);建立子電網(wǎng)的分層模型;計(jì)算拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的可接入的負(fù)荷值的范圍。若高載能負(fù)荷接入容量大于節(jié)點(diǎn)所求的可接入的負(fù)荷值，高載能負(fù)荷就不可建設(shè)在此節(jié)點(diǎn)。當(dāng)高載能負(fù)荷接入容量小于節(jié)點(diǎn)所求的可接入的負(fù)荷值時(shí)，若高載能負(fù)荷加上該節(jié)點(diǎn)原有的負(fù)荷大于該節(jié)點(diǎn)與上級(jí)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間線路的最大輸電容量，則也不可以建設(shè)在此點(diǎn);得到高載能負(fù)荷所接入層級(jí)容量的大小及節(jié)點(diǎn)位置的方案;當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)負(fù)荷發(fā)生波動(dòng)時(shí)，利用在同一層級(jí)的新能源電廠與高載能負(fù)荷的調(diào)節(jié)與消納能力，使得這一節(jié)點(diǎn)及層級(jí)的功率保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平。

圖2 分層控制流程

3.2 新能源與高載能負(fù)荷分區(qū)協(xié)調(diào)控制策略研究

為了研究新能源與高載能負(fù)荷分區(qū)控制協(xié)調(diào)方法，首先要根據(jù)新能源所在的地理位置及風(fēng)電場(chǎng)的接入方式，采用聚類分析方法對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)，然后計(jì)算每個(gè)區(qū)域內(nèi)的高載能負(fù)荷接入容量和位置，以實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的功率平衡。當(dāng)區(qū)域內(nèi)、區(qū)域間的負(fù)荷產(chǎn)生波動(dòng)的時(shí)候，根據(jù)需要對(duì)新能源與高載能負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電網(wǎng)中的供需基本保持平衡。

(1)新能源與高載能負(fù)荷分區(qū)控制策略研究

按K-means聚類算法進(jìn)行系統(tǒng)分區(qū)之后，需計(jì)算各個(gè)區(qū)域之內(nèi)所需要接入的高載能負(fù)荷值。

在相應(yīng)的區(qū)域中接入高載能負(fù)荷，當(dāng)區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷有波動(dòng)的時(shí)候，就可以調(diào)整所在區(qū)域的發(fā)電廠和高載能負(fù)荷，使得發(fā)出的功率與所消納的功率相平衡。當(dāng)新能源電廠發(fā)出功率波動(dòng)時(shí)，可調(diào)節(jié)高載能負(fù)荷所消納的功率，使得系統(tǒng)分區(qū)中的供需基本平衡［10-11］。調(diào)節(jié)送、受端電廠輸出功率就可以使兩個(gè)區(qū)域供負(fù)荷電廠的功率平衡?；ヂ?lián)電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率優(yōu)化模型與本區(qū)電網(wǎng)內(nèi)各新能源電廠對(duì)聯(lián)絡(luò)線的實(shí)際貢獻(xiàn)率有密切聯(lián)系。優(yōu)化配置電網(wǎng)內(nèi)各新能源電廠的發(fā)電功率方案，合理調(diào)配電廠與聯(lián)絡(luò)線功率的關(guān)聯(lián)因數(shù)，協(xié)調(diào)發(fā)電出力，即可實(shí)現(xiàn)減少受各種電力規(guī)約限制的聯(lián)絡(luò)線有功功率的平衡。

(2)新能源與高載能負(fù)荷分區(qū)控制協(xié)調(diào)策略新能源與高載能負(fù)荷分區(qū)控制流程見(jiàn)圖3。

圖3 分區(qū)控制流程

分區(qū)控制策略流程:按河西地區(qū)的風(fēng)電匯集接入點(diǎn)劃分電網(wǎng);利用電廠之間的電氣距離為指標(biāo)的K-means聚類算法，將電網(wǎng)進(jìn)行重新分區(qū)。從而得到緊湊而獨(dú)立的區(qū)域。并將區(qū)域間的聯(lián)絡(luò)線等值成所在區(qū)的負(fù)載;計(jì)算接入不同的區(qū)域中的新能源電廠的總輸出電能和總負(fù)荷值，進(jìn)而求出需接入的高載能負(fù)荷值;區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷有波動(dòng)的時(shí)候，就可以調(diào)整所在區(qū)域的新能源電廠和高載能負(fù)荷。當(dāng)新能源電廠發(fā)出功率波動(dòng)時(shí)，可調(diào)節(jié)高載能負(fù)荷所消納的功率，使得系統(tǒng)分區(qū)中的供需基本平衡;區(qū)域間的協(xié)調(diào)控制，當(dāng)某一區(qū)域有負(fù)荷波動(dòng)情況時(shí)，利用本節(jié)定義的靈敏度系數(shù)較大的電廠進(jìn)行區(qū)域間的功率調(diào)節(jié)，使之保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

河西地區(qū)電網(wǎng)及電源配置結(jié)構(gòu)特殊，現(xiàn)有的常規(guī)能源調(diào)峰能力無(wú)法滿足當(dāng)?shù)卮罅啃履茉唇尤牒箅娋W(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行要求。合理發(fā)展利用高載能負(fù)荷可以有效地平抑風(fēng)電波動(dòng)，使大規(guī)模新能源發(fā)電能就地消納，從而起到削峰填谷的作用，彌補(bǔ)常規(guī)電源不足的缺陷。但是，不同的高載能負(fù)荷接入電網(wǎng)的方式，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不同的影響，并且會(huì)對(duì)電能的供需平衡和電網(wǎng)的網(wǎng)損產(chǎn)生較大影響。因此要根據(jù)分層分區(qū)的原則，制定合理的協(xié)調(diào)控制策略，以達(dá)到最佳的平抑效果。

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The technology of based on energy-intensive enterprise participation within the grid wind power given active peak shaving

With the continuous expansion of new energy in jiuquan region，new energy resources is growing on the influence of the power grid，mainly:on the one hand，due to the jiuquan region new energy base away from the center，the province＇s electricity load and load of hexi area is lesser，large-scale new energy in situ given; on the other hand，due to the stochastic，intermittent，and half of the new energy controllable feature，when new energy grid runtime，must by conventional power supply to provide compensation for its active efforts，to ensure that the load power supply safely and reliably.High load to industry as a kind of advanced technology，environmental protection industry with high energy efficiency，power load is bigger，therefore，in the hexi area focus on developing high load can industry is an important way of the wind power given.

new energy;load;given;high load

TM714

:B

:1674-8069(2017)01-053-04

2016-08-26;

:2016-09-12

楊勇(1972-)，男，甘肅人，本科，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析、新能源發(fā)電及繼電保護(hù)等工作。E-mail: jingjing110@126.com