扎魯特直流對(duì)吉林省風(fēng)電消納影響研究

李春山，任普春，吳 姜

(1.國(guó)家電網(wǎng)公司東北分部，遼寧 沈陽(yáng) 110180；2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130021)

“十一五”以來(lái)，吉林省風(fēng)電快速發(fā)展，已成為未來(lái)吉林省電力能源供應(yīng)的重要支撐.截至2016年末，吉林省風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到5 046.8 MW，占發(fā)電裝機(jī)容量的18.6%.但與此同時(shí)，受電力規(guī)劃不協(xié)調(diào)、系統(tǒng)調(diào)峰困難等影響，尤其是電源裝機(jī)過(guò)剩、火電(熱電)比重過(guò)高，致使吉林省風(fēng)電消納能力不足，棄風(fēng)情況較為普遍，風(fēng)力發(fā)電能力被大量閑置浪費(fèi)[1].2011年～2016年間(除2014年)由于全年少風(fēng)使得棄風(fēng)率低于20%，其余年份的棄風(fēng)率均超過(guò)20%，位居全國(guó)前列.國(guó)家能源局近期發(fā)布了《關(guān)于發(fā)布2017年度風(fēng)電投資檢測(cè)預(yù)警結(jié)果的通知》[2]，吉林等省(區(qū))為風(fēng)電開發(fā)建設(shè)紅色預(yù)警區(qū)域，不得核準(zhǔn)建設(shè)新的風(fēng)電項(xiàng)目，不得受理風(fēng)電新增并網(wǎng)申請(qǐng)和發(fā)放發(fā)電業(yè)務(wù)許可.

為解決東北地區(qū)窩電問(wèn)題，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)核準(zhǔn)建設(shè)扎魯特-青州特高壓直流輸電工程[3]，匯集東北境內(nèi)各省區(qū)盈余電力送至華北負(fù)荷中心，這為吉林省電力外送，尤其是清潔能源的外送規(guī)模的擴(kuò)大起到了至關(guān)重要的作用.

為了更好的解決吉林省棄風(fēng)問(wèn)題，同時(shí)為風(fēng)電大規(guī)模外送做好準(zhǔn)備，有必要對(duì)扎魯特直流投產(chǎn)后吉林省風(fēng)電消納的影響進(jìn)行研究，為吉林省風(fēng)電的可持續(xù)發(fā)展提供建議.

1 吉林省風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 吉林省風(fēng)能資源分布

吉林省風(fēng)能可利用區(qū)包括整個(gè)中西部地區(qū)、東部沿海及遼源和吉林市的部分地區(qū)，面積約為8.5萬(wàn)平方公里.根據(jù)國(guó)家發(fā)改委《關(guān)于完善風(fēng)力發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)政策的通知》[4]，吉林省白城市和松原市屬于III類資源區(qū)，其他地市屬于IV類資源區(qū).

根據(jù)吉林省千萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電基地規(guī)劃報(bào)告，吉林省重點(diǎn)開發(fā)風(fēng)電的地區(qū)主要包括吉林西部的白城和松原地區(qū)，以及吉林南部的四平地區(qū)等，如圖1所示.

圖1 吉林省千萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電基地重點(diǎn)開發(fā)地區(qū)

圖2 每小時(shí)風(fēng)電出力與裝機(jī)比值的概率分布

1.2 吉林省風(fēng)電出力特性

1.2.1 風(fēng)電實(shí)際出力曲線

由吉林省2011年～2015年風(fēng)電裝機(jī)容量及出力數(shù)值，可以計(jì)算出每小時(shí)出力與裝機(jī)的比值及分布情況，如圖2所示.

可見，風(fēng)電每日出力與其裝機(jī)比值的最大值在2011年～2015年間，主要分布在0.594 0～0.714 1之間.

1.2.2 每月風(fēng)電發(fā)電量分析

2011年～2015年吉林省每月風(fēng)電發(fā)電量如表1所示.表1數(shù)據(jù)根據(jù)日出力曲線計(jì)算得到，與實(shí)際電量數(shù)據(jù)有一定差距.

表1 吉林省每月發(fā)電量 單位：億千瓦時(shí)

圖3 吉林省風(fēng)電每小時(shí)出力與裝機(jī)比值的概率分布預(yù)測(cè)

1.2.3 風(fēng)電場(chǎng)出力特性預(yù)測(cè)

由于近年來(lái)吉林省風(fēng)電場(chǎng)的棄風(fēng)率居高不下，收集到的數(shù)據(jù)無(wú)法真實(shí)地反應(yīng)風(fēng)電出力特性.為了能夠反映吉林省電網(wǎng)風(fēng)電的實(shí)際出力特性，本次搜集了吉林省部分沒(méi)有發(fā)生“棄風(fēng)”情況的風(fēng)電場(chǎng)歷史出力資料.

根據(jù)該風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量、利用小時(shí)數(shù)和出力曲線，本次對(duì)吉林省電網(wǎng)風(fēng)電每小時(shí)出力與裝機(jī)的比值及分布情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，如圖3所示.

根據(jù)上述預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)吉林省風(fēng)電機(jī)組年理論發(fā)電小時(shí)數(shù)約為2 100小時(shí).

1.3 吉林省風(fēng)電棄風(fēng)情況

吉林省電網(wǎng)2011年～2015年風(fēng)電利用情況，如表2所示.表中風(fēng)電實(shí)際發(fā)電量和實(shí)際發(fā)電利用小時(shí)數(shù)主要來(lái)源于電監(jiān)會(huì)《重點(diǎn)區(qū)域風(fēng)電消納監(jiān)管報(bào)告》、《中國(guó)風(fēng)電發(fā)展報(bào)告》[5～6]，以及風(fēng)電產(chǎn)業(yè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；理論風(fēng)電發(fā)電量根據(jù)實(shí)際電量和棄風(fēng)電量反推.

由數(shù)據(jù)可知，吉林省的棄風(fēng)電量居高不下，風(fēng)電實(shí)際利用小時(shí)數(shù)遠(yuǎn)低于理論發(fā)電小時(shí)數(shù).

表2 吉林省風(fēng)電數(shù)據(jù) 單位：億千瓦時(shí)、小時(shí)

1.4 風(fēng)電發(fā)展存在的主要問(wèn)題

(1)風(fēng)電棄風(fēng)問(wèn)題日趨嚴(yán)重

吉林省電源結(jié)構(gòu)不合理，調(diào)峰電源比例低，電力供給大于需求，同時(shí)受冬季供熱影響，為保供熱，導(dǎo)致熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行比例較大，擠壓風(fēng)電電量上網(wǎng)空間[7]，造成吉林省棄風(fēng)限電問(wèn)題十分嚴(yán)重.

(2)負(fù)荷增長(zhǎng)緩慢，風(fēng)電本地消納困難

目前，吉林省近年新投運(yùn)機(jī)組容量遠(yuǎn)高于負(fù)荷增速；同時(shí)由于電網(wǎng)峰谷差不斷增大，調(diào)峰壓力較大，而供熱機(jī)組調(diào)峰能力匱乏，結(jié)合風(fēng)電出力的不確定性和反調(diào)峰特性[8～9]，使得電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻和電源安排日益困難，對(duì)接納風(fēng)電的能力產(chǎn)生一定影響.

(3)電網(wǎng)發(fā)展滯后，風(fēng)電外送受限

吉林省風(fēng)電資源大多集中在偏遠(yuǎn)地區(qū)，風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，接入網(wǎng)架薄弱的末端電網(wǎng).風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)周期較短，而電網(wǎng)建設(shè)周期較長(zhǎng)[10～11]，因此出現(xiàn)了電網(wǎng)始終滯后于風(fēng)電發(fā)展的被動(dòng)局面，導(dǎo)致風(fēng)電送出面臨瓶頸.

2 吉林省電網(wǎng)電力需求情況

2.1 負(fù)荷特性現(xiàn)狀分析

2.1.1 負(fù)荷峰谷差分析

根據(jù)吉林省2011年～2015年8 760小時(shí)的負(fù)荷數(shù)值，計(jì)算出每天的峰谷差率分布情況.

從圖4中可以看出，2011年至2013年幾乎全年每天的峰谷差率都超過(guò)20%；超過(guò)30%的天數(shù)呈逐年遞增趨勢(shì).

2.1.2 日最大負(fù)荷情況分析

根據(jù)吉林省2011年～2015年8 760小時(shí)的負(fù)荷數(shù)值，計(jì)算出每日最大負(fù)荷與年最大負(fù)荷的比值，并進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的分布統(tǒng)計(jì).

從圖5中可以看出，每日最大負(fù)荷與年最大負(fù)荷的比值多在0.75～0.90.

圖4 吉林省電網(wǎng)峰谷差率概率分布圖圖5 吉林省林電網(wǎng)日最大負(fù)荷與年最大負(fù)荷比值概率分布圖

2.2 電力需求預(yù)測(cè)

2.2.1 最大負(fù)荷預(yù)測(cè)

根據(jù)吉林電網(wǎng)近年最大供電負(fù)荷歷史數(shù)據(jù)，綜合吉林省經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，預(yù)計(jì)“十三五”期間吉林省供電負(fù)荷增長(zhǎng)率為4.2%，2020年最大供電負(fù)荷為10 606 MW.

2.2.2 負(fù)荷特性預(yù)測(cè)

根據(jù)歷史的情況及以后的發(fā)展情況，2020年每日的最大負(fù)荷與年最大負(fù)荷比值按2014年的數(shù)據(jù)考慮；日負(fù)荷特性按2015年考慮.2020年吉林省夏季和冬季典型月的日負(fù)荷曲線，如圖6和圖7所示.

圖6 吉林省電網(wǎng)2020年8月份日負(fù)荷曲線圖7 吉林省電網(wǎng)2020年12月份日負(fù)荷曲線

3 吉林省電網(wǎng)電源情況

3.1 參加電力電量平衡的電源

參加平衡的電源為2016年底吉林省的公用電廠，以及2017年～2020年投產(chǎn)的公用電廠.當(dāng)年投產(chǎn)的風(fēng)電和太陽(yáng)能按每月平均投產(chǎn)考慮，其他電廠按1月1號(hào)投產(chǎn).預(yù)計(jì)2020年吉林省公用電廠規(guī)模共計(jì)31 619 MW，其中常規(guī)水電4 821.5 MW、抽蓄1 700 MW、火電機(jī)組16 114.5 MW、風(fēng)電7 206.2 MW、太陽(yáng)能發(fā)電1 207.8 MW.

3.2 機(jī)組運(yùn)行方式和出力情況

(1)火電機(jī)組

2020年吉林省100 MW及以上燃煤機(jī)組的最大出力和最小出力系數(shù)根據(jù)近年《東北電網(wǎng)火電機(jī)組最小運(yùn)行方式》[12～13]綜合考慮；100 MW以下供熱機(jī)組在供熱期全部開機(jī)，在非供熱期開機(jī)三分之一.火電機(jī)組檢修安排主要參考吉林省電網(wǎng)運(yùn)行方式.

垃圾和生物質(zhì)最大出力系數(shù)按1考慮；最小出力系數(shù)垃圾發(fā)電為0.8，生物質(zhì)發(fā)電為0.7.

(2)水電機(jī)組

2020年吉林省常規(guī)水電小時(shí)出力情況按近年實(shí)際情況考慮.抽水蓄能電站根據(jù)可再生能源的出力情況選擇調(diào)峰運(yùn)行和備用運(yùn)行.

(3)光伏出力情況

2020年吉林省光伏年發(fā)電小時(shí)按1 395小時(shí)計(jì)算，小時(shí)出力情況參考類似地區(qū)情況.

4 電網(wǎng)間送受電預(yù)測(cè)

(1)吉遼聯(lián)絡(luò)線最大輸送電力按4 000 MW考慮，送電曲線按近年實(shí)際情況綜合考慮.

(2)黑吉聯(lián)絡(luò)線最大輸送電力不考慮扎魯特時(shí)按3 000 MW考慮，送電曲線按近年實(shí)際情況綜合考慮；考慮扎魯特時(shí)，增加2 000 MW向扎魯特送電.

(3)與換流站的聯(lián)絡(luò)線根據(jù)吉林電網(wǎng)的平衡結(jié)果確定向換流站的輸送電力.

5 分析方法及計(jì)算原則

5.1 采用的理論方法

首先，采用在一定的風(fēng)電裝機(jī)情況下，風(fēng)電量被消納的數(shù)量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[14～17].

其次，進(jìn)行無(wú)風(fēng)電源時(shí)，全年365天的開機(jī)平衡及逐小時(shí)電力電量平衡.在進(jìn)行開機(jī)平衡時(shí)，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(jī)方式；

(3)滿足火電機(jī)組的啟停費(fèi)用及燃料費(fèi)用最優(yōu)要求；

(4)開機(jī)容量必須滿足以下條件：

(1)

第三，在保持啟停費(fèi)用不變的情況下，進(jìn)行有風(fēng)電時(shí)，全年365天開機(jī)平衡.在此時(shí)，式(1)中的PYmax為經(jīng)風(fēng)電出力修正后的數(shù)值.

第四，采用生產(chǎn)模擬方法[18]，進(jìn)行電網(wǎng)全年逐小時(shí)電力電量平衡.在進(jìn)行電力電量平衡時(shí)，修正后的系統(tǒng)日負(fù)荷曲線每小時(shí)的負(fù)荷值必須滿足條件

(2)

式中：PYi為經(jīng)風(fēng)電出力修正后系統(tǒng)每小時(shí)的負(fù)荷值；Pi為機(jī)組i的實(shí)際出力，且Pimin≤Pi≤Pimax；Pimin為機(jī)組i的最小技術(shù)出力.

第六，計(jì)算風(fēng)電的消納數(shù)量，風(fēng)電的消納數(shù)量=風(fēng)電理論發(fā)電量-棄風(fēng)電量.

第七，計(jì)算火電機(jī)組啟停調(diào)峰的費(fèi)用及火電機(jī)組啟停調(diào)峰一次多消納風(fēng)電電量的效益.通過(guò)效益分析，確定通過(guò)火電機(jī)組啟停調(diào)峰多消納的風(fēng)電電量.

5.2 計(jì)算原則

(1)基準(zhǔn)年：2020年.

(2)平衡口徑

需求側(cè)以電網(wǎng)的供電負(fù)荷為準(zhǔn)，電源側(cè)只考慮公用電廠.

(3)規(guī)劃電源

核準(zhǔn)及有路條的水電、風(fēng)電、光伏、生物質(zhì)發(fā)電、100 MW及以上的燃煤機(jī)組作為參加平衡的電源；100 MW以下的燃煤機(jī)組，只有核準(zhǔn)的項(xiàng)目才能參加系統(tǒng)平衡.

5.3 具體計(jì)算步驟

首先，根據(jù)電網(wǎng)2020年的8 760小時(shí)日負(fù)荷曲線、8 760小時(shí)聯(lián)絡(luò)線、運(yùn)行備用(包括負(fù)荷和事故備用)進(jìn)行無(wú)風(fēng)電源時(shí)的逐日開機(jī)平衡及逐小時(shí)電力電量平衡.在滿足電網(wǎng)最小開機(jī)運(yùn)行方式及開機(jī)容量最大出力必須不小于負(fù)荷最大值和運(yùn)行備用之和情況下，根據(jù)火電機(jī)組的年啟停費(fèi)用及燃料費(fèi)用最小原則，確定2020年逐日開機(jī)規(guī)模[19].

其次，根據(jù)風(fēng)電8 760出力曲線，計(jì)算系統(tǒng)的凈負(fù)荷曲線(凈負(fù)荷曲線=原始負(fù)荷曲線-風(fēng)電出力曲線-聯(lián)絡(luò)線曲線).

第三，根據(jù)電網(wǎng)的8760負(fù)荷曲線、風(fēng)電8760出力曲線，計(jì)算風(fēng)電的有效出力.

第四，根據(jù)電網(wǎng)每日的凈負(fù)荷最大值、運(yùn)行備用(此時(shí)的運(yùn)行備用也包括風(fēng)電增加的備用，按每日參加系統(tǒng)平衡的有效出力取值)，在保持火電機(jī)組年啟停費(fèi)用不變的情況下，進(jìn)行有風(fēng)電時(shí)的逐日開機(jī)平衡.

第五，根據(jù)最大開機(jī)容量、機(jī)組技術(shù)出力及凈負(fù)荷進(jìn)行每小時(shí)電力電量平衡.在進(jìn)行電力電量平衡時(shí)，抽水蓄能電站先按備用考慮；然后，根據(jù)初步平衡結(jié)果確定抽水蓄能電站抽水和發(fā)電的時(shí)間.當(dāng)凈負(fù)荷小于開機(jī)機(jī)組的最小出力時(shí)，抽水蓄能電站抽水運(yùn)行；當(dāng)凈負(fù)荷大于開機(jī)機(jī)組的最大出力時(shí)，抽水蓄能電站必須發(fā)電運(yùn)行；當(dāng)凈負(fù)荷大于開機(jī)機(jī)組的最小出力，而小于開機(jī)機(jī)組的最大出力，抽水蓄能電站根據(jù)消納風(fēng)電及備用的需要綜合考慮確定是發(fā)電運(yùn)行還是停機(jī)備用.

考慮抽水蓄能調(diào)峰后，如果凈負(fù)荷與電網(wǎng)必須出力的差值大于0，說(shuō)明在此時(shí)段不存在棄風(fēng)情況或停機(jī)調(diào)峰需要；如果凈負(fù)荷與電網(wǎng)的必須出力差值小于0，說(shuō)明在此時(shí)段存在棄風(fēng)情況或停機(jī)調(diào)峰需要.

第六，根據(jù)計(jì)算每小時(shí)凈負(fù)荷與電網(wǎng)必須出力的差值情況，計(jì)算在供熱機(jī)組不考慮扎魯特特高壓情況下，電網(wǎng)棄風(fēng)電量情況、風(fēng)電的消納數(shù)量[20].

第七，根據(jù)扎魯特的送電容量，按照以上方法重新計(jì)算電網(wǎng)棄風(fēng)電量情況、風(fēng)電的消納數(shù)量.

第八，根據(jù)兩次計(jì)算的電網(wǎng)棄風(fēng)電量數(shù)量或風(fēng)電的消納數(shù)量，確定扎魯特投產(chǎn)后增加的風(fēng)電消納額.

6 吉林省電網(wǎng)風(fēng)電的消納情況

6.1 不考慮扎魯特直流投運(yùn)

通過(guò)逐小時(shí)電量平衡，吉林電網(wǎng)消納的風(fēng)電，如表3所示.由結(jié)果可知，2020年吉林電網(wǎng)可消納的風(fēng)電為114.16億千瓦時(shí)，棄掉的風(fēng)電為50.60億千瓦時(shí)，棄風(fēng)比例為30.71%.棄風(fēng)比例偏高的月份主要出現(xiàn)在供暖期.

表3 2020年不考慮扎魯特特高壓時(shí)消納的風(fēng)電 單位：億千瓦時(shí)

表4 2020年考慮扎魯特特高壓時(shí)消納的風(fēng)電 單位：億千瓦時(shí)

6.2 考慮扎魯特直流投運(yùn)

通過(guò)逐小時(shí)電量平衡，在吉林省電網(wǎng)向扎魯特變電站輸送容量為2 000 MW，且在滿足輸送風(fēng)電優(yōu)先的情況下，吉林省電網(wǎng)消納的風(fēng)電，如表4所示.由結(jié)果可知，2020年吉林省電網(wǎng)可消納的風(fēng)電為155.62億千瓦時(shí)，其中通過(guò)扎魯特直流外送的風(fēng)電為41.46億千瓦時(shí)，棄掉的風(fēng)電下降為9.14億千瓦時(shí)，棄風(fēng)比例大幅下降至5.55%.由此可見，扎魯特直流對(duì)于吉林省電網(wǎng)的風(fēng)電消納影響巨大.

7 結(jié) 論

根據(jù)研究可知，考慮扎魯特直流投運(yùn)后，為吉林省的風(fēng)電外送提供了一條重要通道，大大緩解吉林省的棄風(fēng)壓力，吉林省電網(wǎng)的風(fēng)電消納電量大幅提升，棄風(fēng)比例降至10%以內(nèi).

為了促進(jìn)風(fēng)電的可持續(xù)發(fā)展，更好的解決棄風(fēng)問(wèn)題，應(yīng)加快推進(jìn)扎魯特特高壓直流工程送端系統(tǒng)的建設(shè)工作，為扎魯特特高壓直流工程投產(chǎn)后風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)和消納做好準(zhǔn)備，為電力企業(yè)和風(fēng)電企業(yè)解決棘手的棄風(fēng)問(wèn)題，協(xié)調(diào)風(fēng)電發(fā)展過(guò)程中與電力系統(tǒng)的相互影響，提高吉林省乃至東北地區(qū)可再生能源并網(wǎng)電量.