高比例清潔能源電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)方法*

葛維春， 劉前衛(wèi)， 劉富家， 王順江， 崔 岱

(1. 國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司 科技信通部， 沈陽(yáng) 110006； 2. 國(guó)家電網(wǎng)有限公司 科技部， 北京 100031)

對(duì)于冬季北方電網(wǎng)，大規(guī)模清潔能源的接入和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行會(huì)給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)許多不確定因素，造成大量棄風(fēng)，為此，需要投入大量?jī)?chǔ)能技術(shù)和可時(shí)移負(fù)荷，使電網(wǎng)運(yùn)行特性發(fā)生巨大變化.以往只調(diào)節(jié)水、火、電就能實(shí)現(xiàn)的調(diào)頻和聯(lián)絡(luò)線控制已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求，必須從多源、多荷調(diào)節(jié)能力入手，監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的調(diào)度控制能力.

但上述方法與電網(wǎng)實(shí)際結(jié)合不夠，考慮問(wèn)題不夠全面，沒(méi)有從多源多荷有機(jī)協(xié)調(diào)角度全面分析各源與各荷運(yùn)行特性及其相互關(guān)系.本文從電網(wǎng)正常調(diào)控的多源協(xié)調(diào)[8]到異常調(diào)控的多源與多荷協(xié)調(diào)，到緊急控制的限核與棄風(fēng)，從電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性角度分析了電網(wǎng)調(diào)控能力[9]，結(jié)合實(shí)例展示了電網(wǎng)靈活性對(duì)消納高比例接入清潔能源的效果.

1 電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)能力分析模型

對(duì)高比例接入清潔能源電網(wǎng)，電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)能力是指電網(wǎng)在正常調(diào)節(jié)時(shí)，水電、火電、聯(lián)絡(luò)線、可時(shí)移負(fù)荷和頻率的調(diào)節(jié)預(yù)度[10].無(wú)調(diào)節(jié)預(yù)度，電網(wǎng)進(jìn)入異常調(diào)節(jié).異常調(diào)節(jié)預(yù)度是火電機(jī)組非常規(guī)調(diào)峰和儲(chǔ)能投入的預(yù)度，異常調(diào)節(jié)有調(diào)節(jié)預(yù)度，則電網(wǎng)仍有接納清潔能源能力；沒(méi)有異常調(diào)節(jié)預(yù)度，電網(wǎng)進(jìn)入緊急控制域.緊急控制域的初始調(diào)節(jié)預(yù)度是核電的調(diào)節(jié)預(yù)度，核電沒(méi)有調(diào)節(jié)預(yù)度時(shí)，只有棄風(fēng)電.如何對(duì)這些具有調(diào)節(jié)能力的多源與多荷進(jìn)行量化是本文研究的重點(diǎn).

電網(wǎng)正常調(diào)節(jié)主要以水電、火電、聯(lián)絡(luò)線和頻率為主.火電是最常規(guī)電源，其正常調(diào)節(jié)能力為其運(yùn)行上限與下限的差值，設(shè)PhM為火電機(jī)組的最大發(fā)電能力，通常是額定功率；Phm為火電機(jī)組的最小發(fā)電能力，不同機(jī)組、不同時(shí)期，其值不同，通常是額定容量的50%.所以，一旦火電機(jī)組組合確定，PhM和Phm即為確定值，火電運(yùn)行曲線Ph(t)就要求在PhM和Phm之間運(yùn)行.

火電的正常調(diào)節(jié)預(yù)度δh可表示為

(1)

式中，Nh為火電廠節(jié)點(diǎn)數(shù).

火電機(jī)組非常規(guī)調(diào)峰能力可表示為

(2)

式中，Phmmk為火電機(jī)組深度調(diào)峰下限.

同樣，水電的調(diào)節(jié)預(yù)度δs可表示為

(3)

式中：Psm為水電出力下限，通常為零；Ns為水電廠節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù).

聯(lián)絡(luò)線Pll下調(diào)出力預(yù)度可表示為

δll=Pll-Pllm

(4)

式中，Pllm為聯(lián)絡(luò)線計(jì)劃下限.

頻率上調(diào)預(yù)度表示為

δf=PfM-Pf

(5)

式中，PfM為基于頻率的出力上限.

由式(1)～(3)可知，Phm和Psm越小，δh和δs越大，電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)；對(duì)于水電機(jī)組，不考慮經(jīng)濟(jì)性時(shí)，其Psm基本為零，不需考慮.現(xiàn)階段對(duì)于Phm的研究越來(lái)越多，各發(fā)電廠都采取了積極的措施，例如通過(guò)建立電鍋爐、改造低壓缸、改造旁路、改造雙背壓和減溫減壓等，這些都大幅降低了火電機(jī)組的最小出力，有的個(gè)別機(jī)組甚至可降到零.由式(4)、(5)可以看出，δll越小愈好，而δf需要根據(jù)負(fù)頻特性確定.

可時(shí)移負(fù)荷突出特點(diǎn)是時(shí)段運(yùn)行，這個(gè)時(shí)段通常小于電網(wǎng)低谷運(yùn)行時(shí)間，即只在電網(wǎng)低谷時(shí)段運(yùn)行，享受低谷電價(jià)，通常為9～10 h.

對(duì)于大部分工業(yè)負(fù)荷PLs，其負(fù)荷體現(xiàn)出時(shí)段性，如果運(yùn)行期間包括全部低谷時(shí)段，則可時(shí)移負(fù)荷調(diào)節(jié)預(yù)度δL1表達(dá)式為

(6)

式中：PLsM為可時(shí)移負(fù)荷幅值；tN為電網(wǎng)低谷運(yùn)行時(shí)段.這類負(fù)荷可以安排在以低谷為中心，晚上低谷時(shí)段剛開(kāi)始(21時(shí))為起點(diǎn)，以早晨6時(shí)或7時(shí)為終點(diǎn)，使其運(yùn)行在整個(gè)低谷期間，對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰極為有利.

2 儲(chǔ)能調(diào)節(jié)預(yù)度模型

對(duì)于高比例清潔能源接入電網(wǎng)，為提高其消納能力，必須配備足夠大容量的儲(chǔ)能設(shè)備，不同的技術(shù)、不同的安裝地點(diǎn)，其分析模型是不一樣的.

2.1 大容量集中式電儲(chǔ)熱調(diào)節(jié)預(yù)度模型

對(duì)于由電網(wǎng)控制的大容量電儲(chǔ)熱裝置，通常都安裝在熱電廠內(nèi)，是按電網(wǎng)調(diào)控指令投切的，調(diào)度通常在檢測(cè)到常規(guī)調(diào)節(jié)能力喪失后，根據(jù)電網(wǎng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，決定是否投入電儲(chǔ)熱裝置.電儲(chǔ)熱功率Pc表達(dá)式為

(7)

式中，Nc為儲(chǔ)熱單元數(shù).電儲(chǔ)熱調(diào)節(jié)預(yù)度δc表達(dá)式為

(8)

式中，PcM為儲(chǔ)熱裝置的最大容量.

可見(jiàn)儲(chǔ)熱裝置容量越大，調(diào)節(jié)預(yù)度也越大.針對(duì)億兆瓦級(jí)棄風(fēng)電量，儲(chǔ)熱容量至少要達(dá)到百兆瓦級(jí)，才會(huì)對(duì)風(fēng)電起到消納作用.

2.2 小容量分布式電儲(chǔ)熱調(diào)節(jié)預(yù)度模型

對(duì)于北方冬季供暖的分布式電儲(chǔ)熱裝置，其在低谷時(shí)段開(kāi)始運(yùn)行.由于單體容量較小，只以總?cè)萘坑?jì)算，則調(diào)節(jié)預(yù)度δc1就等于總?cè)萘縋cZ.

電網(wǎng)對(duì)于這類負(fù)荷是非常歡迎的，首先，它的容量時(shí)序性強(qiáng)；其次是大小可控，投入多少，退出多少，這對(duì)電網(wǎng)安排日計(jì)劃是非常有益的.

2.3 電池式儲(chǔ)能電站調(diào)節(jié)預(yù)度模型

對(duì)電池式儲(chǔ)能電站，電池的投入和退出都是在電網(wǎng)調(diào)度指令下進(jìn)行的，在電網(wǎng)確定投入儲(chǔ)能充電模式時(shí)，電池充電預(yù)度δc2表示為

(9)

式中：Pc2M為電池每個(gè)單元的容量；Nc2為電池單元個(gè)數(shù).電池儲(chǔ)能具有杠桿作用，在其容量能夠達(dá)到影響電網(wǎng)時(shí)，電池對(duì)電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生非常積極的影響.在電網(wǎng)尖峰時(shí)，δc2具有發(fā)電能力，如果在δc2容量較少的機(jī)組，則在電網(wǎng)低谷時(shí)段就會(huì)提升50%的δc2負(fù)荷，電池的調(diào)節(jié)預(yù)度修正為

(10)

由式(10)可以看出，電池保守可以達(dá)到1.5倍的杠桿作用，所以，應(yīng)該大力開(kāi)發(fā)電池儲(chǔ)能技術(shù)，形成規(guī)?；?yīng).

2.4 核電調(diào)節(jié)預(yù)度模型

核電的調(diào)節(jié)預(yù)度δhd可表示為

(11)

式中：Nhd為核電機(jī)組數(shù)；Phdm為核電機(jī)組出力下限.核電是有調(diào)節(jié)能力的，但是只有當(dāng)其他調(diào)節(jié)能力喪失時(shí)，才會(huì)使用核電調(diào)節(jié).

2.5 電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)預(yù)度模型

根據(jù)前面的分析可知，電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)預(yù)度δ可表示為

δ=δh+δs+δhs+δf+δll+δL1+δc+δc1+δc2+δhd

(12)

式(12)包含了電網(wǎng)正常調(diào)節(jié)時(shí)的水、火電調(diào)節(jié)預(yù)度指標(biāo)，還包括了電網(wǎng)在異常調(diào)節(jié)時(shí)的火電非常規(guī)調(diào)節(jié)裕度指標(biāo)，儲(chǔ)能和可時(shí)移負(fù)荷調(diào)節(jié)預(yù)度指標(biāo).利用δ可時(shí)刻監(jiān)視電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力，在電網(wǎng)喪失調(diào)節(jié)能力之前，采取切實(shí)可行的措施，保證大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行.

電網(wǎng)調(diào)節(jié)預(yù)度又可按調(diào)節(jié)域劃分為正常調(diào)節(jié)預(yù)度δNM、異常調(diào)節(jié)域δON和緊急控制域δCT，分別表示為

δNM=δh+δs+δll+δf+δL1

(13)

δON=δhs+δc+δc1+δc2

(14)

δCT=δhd

(15)

δNM、δON和δCT三個(gè)調(diào)節(jié)預(yù)度充分體現(xiàn)了電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力.

3 電網(wǎng)典型實(shí)例分析

以某日一省級(jí)電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)為例，其全網(wǎng)發(fā)電、聯(lián)絡(luò)線注入、火電和水電功率曲線如圖1所示.最大負(fù)荷為250 GW，發(fā)生在21時(shí)；最小負(fù)荷為200 GW，最小負(fù)荷時(shí)段是2時(shí)至6時(shí)；火電發(fā)電電力總和最大為150 GW，最小為88 GW；聯(lián)絡(luò)線最大負(fù)荷為84 GW，最低負(fù)荷為54 GW；水電基本沒(méi)發(fā)電.圖2為清潔能源發(fā)電曲線，從圖2可以看出，0時(shí)開(kāi)始，風(fēng)力發(fā)電曲線增長(zhǎng)較快，同核電疊加后超過(guò)50 GW，到中午12時(shí)，風(fēng)電達(dá)到最大55 GW，又疊加10 GW的光伏，核電一直運(yùn)行在34 GW，運(yùn)行在正常調(diào)峰范圍內(nèi)，使清潔能源疊加負(fù)荷接近100 GW，此時(shí)，清潔能源發(fā)電量達(dá)到總發(fā)電電力的40%.

從這個(gè)案例可以看出，電網(wǎng)清潔能源疊加才是對(duì)電網(wǎng)消納清潔能源影響最大的因素，而疊加時(shí)間點(diǎn)不是晚間低谷時(shí)段，而是中午低谷時(shí)段.

圖1 電網(wǎng)運(yùn)行曲線Fig.1 Operation curves of power grid

圖2 清潔能源發(fā)電曲線Fig.2 Generation curves of clean energy

三個(gè)熱電廠電儲(chǔ)熱總?cè)萘?50 MW投入運(yùn)行后，電儲(chǔ)熱疊加曲線如圖3所示.

圖3 熱電廠儲(chǔ)熱裝置投入運(yùn)行曲線Fig.3 Operation1 curves of thermal storage device input in thermal power plant

從圖3可以看出，儲(chǔ)熱從0時(shí)就開(kāi)始少量投入250 MW，2時(shí)950 MW全部投入，9時(shí)開(kāi)始減少直到480 MW后，就又相繼投入運(yùn)行，在11時(shí)40分全部投入運(yùn)行，直到16時(shí)負(fù)荷增加，18時(shí)風(fēng)電出力減小，整個(gè)過(guò)程全部結(jié)束.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)光伏容量超過(guò)百萬(wàn)千瓦時(shí)，必須有應(yīng)對(duì)的風(fēng)電、核電和光伏疊加等影響措施，即保證電網(wǎng)安全，又消納大量風(fēng)電、核電和光伏，充分體現(xiàn)電網(wǎng)通過(guò)儲(chǔ)能對(duì)清潔能源的調(diào)節(jié)作用.

圖4為熱電廠儲(chǔ)熱和出力運(yùn)行曲線，在儲(chǔ)熱投入時(shí)，熱電廠等效出力下降，提供更多空間消納風(fēng)電.10時(shí)左右儲(chǔ)能部分的退出是因?yàn)殡妰?chǔ)熱裝置因?yàn)檫B續(xù)儲(chǔ)熱而達(dá)到其儲(chǔ)熱上限，需要暫停輸入，致使電儲(chǔ)熱裝置停止供電，但是輸出熱量的過(guò)程還在繼續(xù)，裝置并未停止運(yùn)行.

圖4 熱電廠儲(chǔ)熱和出力運(yùn)行曲線Fig.4 Operation curves of thermal storage and output of thermal power plant

圖5是電網(wǎng)中沒(méi)有儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行，棄風(fēng)日風(fēng)電實(shí)際處理曲線.從圖5可以看出，夜間時(shí)段棄風(fēng)量最大，其它時(shí)段也有大量棄風(fēng)，最大棄風(fēng)電電力超過(guò)4 000 MW.

圖5 棄風(fēng)日風(fēng)電實(shí)際處理曲線Fig.5 Actual processing curves of wind power on abandoned wind days

圖6統(tǒng)計(jì)了不同城市儲(chǔ)能隨著棄風(fēng)的變化過(guò)程.從圖6可以看出，棄風(fēng)電出現(xiàn)后，在晚上低谷時(shí)段電儲(chǔ)熱投入容量最大，其它時(shí)段也有投入，但投入容量不大，較好地反應(yīng)了儲(chǔ)能跟隨棄風(fēng)電的能力和對(duì)棄風(fēng)電的消納作用.

圖6 各儲(chǔ)能根據(jù)棄風(fēng)情況投入曲線圖Fig.6 Input curves of various energy storages according to abandoned wind conditions

4 結(jié) 論

本文提出了高比例接入清潔能源電網(wǎng)的多源多域多荷的靈活分析模型，給出了提高電網(wǎng)靈活性裕度計(jì)算方法，并結(jié)合電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)例證明：高比例接入清潔能源電網(wǎng)只有在清潔能源發(fā)電疊加時(shí)，才會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊.但本文模型具有足夠的調(diào)節(jié)能力，特別是具有足夠的發(fā)電機(jī)深度調(diào)峰、儲(chǔ)能和可時(shí)移負(fù)荷時(shí)，即使清潔能源發(fā)電有疊加，也能保證清潔能源全額發(fā)電和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)高比例接入清潔能源電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行具有借鑒價(jià)值.