新疆電網(wǎng)調(diào)峰需求及儲(chǔ)能電源配置

傅 旭王瑩玉張雨津

(中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司,陜西省 西安市 710075)

0 引言

我國已經(jīng)成為了全球風(fēng)電和光伏發(fā)電裝機(jī)容量最大的國家,棄風(fēng)棄光等問題日益突出[1-7]。為提高電網(wǎng)接納新能源能力,在充分發(fā)揮常規(guī)的水電、火電機(jī)組調(diào)峰能力的基礎(chǔ)上,廣大電力科技工作者對(duì)抽水蓄能、電化學(xué)儲(chǔ)能等調(diào)峰電源進(jìn)行了大量的研究[8-16]。文獻(xiàn)[17]研究了抽水蓄能電站的運(yùn)行方式對(duì)降低棄風(fēng)電量的影響。文獻(xiàn)[18]對(duì)新疆電網(wǎng)發(fā)展光熱的效益進(jìn)行了研究,分析了光熱電站在新疆電網(wǎng)的容量效益和電量效益及其國民經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[19]以棄風(fēng)最小為優(yōu)化目標(biāo),建立風(fēng)電和抽水蓄能協(xié)調(diào)運(yùn)行的混合整數(shù)規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[20]提出了基于成本效益分析的風(fēng)蓄聯(lián)合運(yùn)行的機(jī)組組合模型。文獻(xiàn)[21-22]研究了青海高比例新能源電力系統(tǒng)中新能源與各類儲(chǔ)能電源的協(xié)調(diào)運(yùn)行及其經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[23]對(duì)陜西電網(wǎng)電化學(xué)儲(chǔ)能進(jìn)行了全生命周期的效益評(píng)估。文獻(xiàn)[24]分析了儲(chǔ)能電站對(duì)購電特性的影響。文獻(xiàn)[25]利用電化學(xué)儲(chǔ)能的快速響應(yīng)特性和功率雙向調(diào)節(jié)能力,將其納入頻率安全第3 道防線中,應(yīng)對(duì)大功率缺額引起的低頻問題。文獻(xiàn)[26]探討了利用儲(chǔ)能的閑置容量和功率參與電力能源市場(chǎng)和備用輔助服務(wù)市場(chǎng)的可行性和兼容性,以提高儲(chǔ)能利用率。文獻(xiàn)[27]對(duì)高比例新能源系統(tǒng)中儲(chǔ)能電源的配置進(jìn)行了研究。

在“雙碳”目標(biāo)引領(lǐng)下,可再生能源裝機(jī)將迅猛發(fā)展,電力系統(tǒng)調(diào)峰資源日趨緊張。電化學(xué)儲(chǔ)能和抽水蓄能作為解決可再生能源并網(wǎng)利用的關(guān)鍵,是提高電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性的有效途徑。本文以新疆電網(wǎng)為研究對(duì)象,分析新疆電網(wǎng)遠(yuǎn)景年調(diào)峰需求和儲(chǔ)能電源的配置方案。將調(diào)峰平衡問題分為2個(gè)子問題考慮。首先是關(guān)注短時(shí)間尺度的負(fù)荷調(diào)峰問題,該問題主要回答電源裝機(jī)方案能否正常跟隨日負(fù)荷的變化。其次是分析長時(shí)間尺度的新能源調(diào)峰問題,即分析棄水、棄風(fēng)、棄光的情況。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 研究方法

對(duì)于高比例新能源系統(tǒng),以一個(gè)典型日或者以每月一個(gè)典型日分析調(diào)峰問題不夠全面。同時(shí),傳統(tǒng)的調(diào)峰平衡分析只關(guān)注高峰、低谷這2個(gè)時(shí)間點(diǎn)的負(fù)荷電源運(yùn)行情況,忽略了光伏等運(yùn)行在負(fù)荷腰荷的電源。傳統(tǒng)的調(diào)峰平衡較難給出現(xiàn)有裝機(jī)水平下系統(tǒng)棄風(fēng)、棄光的情況。

新能源出力受到自然資源條件的影響較大,通常通過統(tǒng)計(jì)年8 760 h出力特性,獲得其電量累計(jì)特性,以確定其有效容量。某地區(qū)新能源電量累積特性如圖1所示。對(duì)應(yīng)100%電量的有效容量系數(shù)為0.64,表明該新能源全年任何時(shí)刻出力不大于裝機(jī)的0.64。對(duì)應(yīng)95%電量的有效容量系數(shù)為0.38,表明全年出力不超過0.38的時(shí)段的累計(jì)發(fā)電量占全年的95%。

圖1 新能源電量累積特性示意圖Fig.1 Schematic diagram of new energy power accumulation characteristics

從系統(tǒng)調(diào)峰平衡角度考慮,新增新能源電源會(huì)增加等同于其有效容量的系統(tǒng)向下調(diào)峰需求,由于之前系統(tǒng)調(diào)峰基本盈虧平衡,因此配置的儲(chǔ)能電源功率應(yīng)當(dāng)?shù)扔谛略鲂履茉措娫从行萘?才能保持系統(tǒng)調(diào)峰平衡。儲(chǔ)能的功率選擇取決于新能源有效容量系數(shù)的選擇,等容量下儲(chǔ)能電源應(yīng)盡量選擇大功率,因此應(yīng)當(dāng)考慮選取接近或等于100%電量對(duì)應(yīng)的有效容量系數(shù)。選定儲(chǔ)能功率后,其儲(chǔ)能時(shí)長應(yīng)當(dāng)根據(jù)系統(tǒng)的需求通過生產(chǎn)模擬確定,保證系統(tǒng)新能源棄電率滿足要求。計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 計(jì)算流程Fig.2 Calculation process

1.2 全時(shí)段生產(chǎn)模擬程序

通過逐周進(jìn)行的時(shí)序生產(chǎn)模擬,進(jìn)行了高時(shí)間分辨率的生產(chǎn)模擬計(jì)算,以系統(tǒng)運(yùn)行成本最低為目標(biāo),建立了包括常規(guī)機(jī)組和多種可再生能源出力模型,詳細(xì)安排了各類機(jī)組出力計(jì)劃,為電力系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃提供了重要的參考。

綜合考慮新能源棄電量和發(fā)電煤耗,在滿足負(fù)荷需求約束下,盡量減少新能源棄電量和系統(tǒng)發(fā)電煤耗,目標(biāo)函數(shù)為

目標(biāo)函數(shù)的約束條件包括系統(tǒng)平衡約束、電站/機(jī)組運(yùn)行約束、地區(qū)間聯(lián)絡(luò)線功率約束等,具體表達(dá)式可見文獻(xiàn)[28-30]。

2 新疆電網(wǎng)調(diào)峰需求分析

2.1 邊界條件

新疆電網(wǎng)負(fù)荷和新能源預(yù)測(cè)如表1所示。

表1 新疆電網(wǎng)負(fù)荷和新能源裝機(jī)規(guī)模預(yù)測(cè)Table 1 Load forecast and new energy installed scale forecast of Xinjiang power grid

2.2 新疆電網(wǎng)調(diào)峰缺口測(cè)算

2.2.1 負(fù)荷及外送直流的調(diào)峰缺口測(cè)算

結(jié)合負(fù)荷及直流的調(diào)峰需求及電源調(diào)峰能力,先不考慮新能源,將外送直流與內(nèi)用負(fù)荷統(tǒng)一考慮,分析新疆電網(wǎng)的調(diào)峰缺口。不考慮新能源的調(diào)峰平衡原則為:

(1) 負(fù)荷峰谷差通過季不均衡系數(shù)和日最小負(fù)荷率測(cè)算;

(2) 直流峰谷差通過直流曲線測(cè)算;

(3) 旋轉(zhuǎn)備用僅考慮網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷,取5%;

(4) 水電工作位置由生產(chǎn)模擬程序測(cè)算;

(5) 抽蓄調(diào)峰能力按容量2倍考慮。

2030、2035年新疆電網(wǎng)負(fù)荷及外送直流調(diào)峰結(jié)果見表2,可以看出新疆電網(wǎng)調(diào)峰盈余分別為19.85、34.40 GW。

表2 新疆電網(wǎng)2030、2035年調(diào)峰平衡情況Table 2 Balance situation of peak load regulation of Xinjiang power grid in 2030 and 2035 GW

2.2.2 新能源調(diào)峰缺口測(cè)算

采用全時(shí)段生產(chǎn)仿真模擬程序,計(jì)算2030、2035年的新疆電網(wǎng)新能源調(diào)峰缺口,計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出,2030、2035年新能源棄電率分別為18.1%和10.0%。按照新能源棄電率不超過5%考慮,2030年新疆電網(wǎng)調(diào)峰缺口為13.10 GW,2035年調(diào)峰缺口為8.65 GW。

表3 新疆電網(wǎng)2030、2035年新能源調(diào)峰缺口估算值Talbe 3 Estimated new energy peak load gap of Xinjiang Power Grid in 2030 and 2035

2.3 新疆調(diào)峰資源配置方案

新疆2030年的生產(chǎn)模擬結(jié)果見表4。2030年新疆火電全部靈活性改造完成,并增加4 GW×2 h儲(chǔ)能電源后,系統(tǒng)棄電率不超過5%,新能源消納占比34%,可再生電量占比可達(dá)42%。若采用抽水蓄能電站作為儲(chǔ)能電源,則需要配置2.4 GW×8 h的抽水蓄能電站。

表4 新疆電網(wǎng)2030年儲(chǔ)能方案生產(chǎn)模擬結(jié)果Table 4 Production simulation results of energy storage scheme of Xinjiang power grid in 2030

新疆電網(wǎng)2035年的生產(chǎn)模擬結(jié)果見表5?；痣婌`活性改造后,增加16.0 GW×2 h的儲(chǔ)能電源后,系統(tǒng)棄電率不超過5%,新能源發(fā)電量占比為39%,可再生電量占比超過45%。若采用抽水蓄能電站作為儲(chǔ)能電源,則分需要配置8.4 GW×8 h的抽水蓄能電站。

表5 新疆電網(wǎng)2035年儲(chǔ)能方案生產(chǎn)模擬結(jié)果Table 5 Production simulation results of energy storage scheme of Xinjiang power grid in 2035

3 結(jié)論

對(duì)新疆電網(wǎng)2025—2035年調(diào)峰需求進(jìn)行了研究。計(jì)算中考慮采用基于數(shù)學(xué)優(yōu)化的全時(shí)段生產(chǎn)模擬仿真程序,可考慮火電靈活性改造、儲(chǔ)能電源跨日調(diào)節(jié)等。研究成果表明:

(1)2030年,新疆火電全部靈活性改造,并增加4.0 GW×2 h的儲(chǔ)能電源后,系統(tǒng)新能源利用率超過95%,若采用抽水蓄能電站作為儲(chǔ)能電源,則需要配置2.4 GW×8 h的抽水蓄能電站。

(2)2035年,新疆增加16.0 GW×2 h的儲(chǔ)能電源后,系統(tǒng)新能源利用率超過95%,若采用抽水蓄能電站作為儲(chǔ)能電源,則需要配置8.4 GW×8 h的抽水蓄能電站。