姜 姍，馮曉東，董效辰，劉赟靜，閆衛(wèi)杰，劉青山

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012;2.吉林供電公司，吉林 吉林 132011)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率取決于風(fēng)速，而風(fēng)速具有間歇性和隨機(jī)波動(dòng)特性，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率波動(dòng)較大，隨機(jī)波動(dòng)的功率接入電網(wǎng)會(huì)影響電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性和電能質(zhì)量[1]。研究表明，如果風(fēng)電裝機(jī)占電網(wǎng)容量的比例達(dá)到20%以上，電網(wǎng)的調(diào)峰能力和安全運(yùn)行將面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，電網(wǎng)接納風(fēng)電能力的研究已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[2]。在當(dāng)前的分級(jí)調(diào)度體制下，調(diào)峰主要在省內(nèi)進(jìn)行，對(duì)于風(fēng)電裝機(jī)量較小的電力系統(tǒng)來說，這種調(diào)度模式有充分利用省內(nèi)調(diào)峰資源、聯(lián)絡(luò)線傳輸功率穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。但隨著風(fēng)電場(chǎng)的大規(guī)模、集中式接入主干網(wǎng)，在傳統(tǒng)的分省有功平衡控制方式下，風(fēng)電穿透率高的區(qū)域在事故時(shí)承擔(dān)了所有的功率缺失，單純依靠省網(wǎng)自身自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)的調(diào)節(jié)能力，不僅延長(zhǎng)了恢復(fù)功率平衡的時(shí)間，而且對(duì)常規(guī)機(jī)組的備用容量提出了更高的要求[3]。由于地區(qū)間電網(wǎng)負(fù)荷性質(zhì)的差異性，最大最小負(fù)荷出現(xiàn)的時(shí)間可能有所不同，這就使得總負(fù)荷的最大值小于各地區(qū)最大負(fù)荷之和、總負(fù)荷最小值大于各地區(qū)最小負(fù)荷之和，即減小了總負(fù)荷的峰谷差。如果能打破既有調(diào)度策略實(shí)現(xiàn)跨區(qū)消納風(fēng)電，調(diào)峰壓力將有所緩解，可提高電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能資源的合理有效利用。因此，本文以經(jīng)濟(jì)調(diào)度和節(jié)能調(diào)度為背景，以黑龍江、吉林、遼寧三省電網(wǎng)為研究對(duì)象，最大限度地利用風(fēng)能，對(duì)跨區(qū)消納風(fēng)電的可行性進(jìn)行評(píng)估。在保證電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行基礎(chǔ)上，考慮各地域風(fēng)電波動(dòng)特性、負(fù)荷匯聚效應(yīng)和電源結(jié)構(gòu)三方面因素對(duì)調(diào)峰能力的影響，分析跨區(qū)消納風(fēng)電的可行性，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電在更大規(guī)模電網(wǎng)中的消納，以此來提高整個(gè)東北電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力。

1 風(fēng)電功率波動(dòng)特性分析

風(fēng)能具有間歇性和隨機(jī)性[4]。黑龍江省、吉林省、遼寧省在地理位置上相鄰，氣候條件和風(fēng)能變化趨勢(shì)相似，但風(fēng)能變化不完全同步。風(fēng)能隨季節(jié)變化性強(qiáng)，使得風(fēng)電出力在冬季和夏季體現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。圖1、圖2為依據(jù)三省2010年2月和7月(30日數(shù)據(jù)缺省)的實(shí)際調(diào)度運(yùn)行數(shù)據(jù)繪制的風(fēng)電出力曲線。兩個(gè)典型月均顯示三省風(fēng)電出力曲線走勢(shì)基本相同，但峰谷時(shí)段會(huì)有一定偏移，尤其是黑龍江省與其他兩省風(fēng)電出力峰谷時(shí)段錯(cuò)開較為明顯。冬季三省風(fēng)電波動(dòng)頻率高、發(fā)電量大，這與風(fēng)能冬強(qiáng)夏弱的趨勢(shì)是一致的。圖3、圖4所示的三省總風(fēng)電出力與三省各自風(fēng)電出力相比，波動(dòng)趨勢(shì)均有所減緩;冬季出力曲線圍繞平均值波動(dòng)，波動(dòng)周期明顯短于夏季;夏季波動(dòng)曲線谷值多數(shù)與三省谷值和重合，冬季則沒有出現(xiàn)重合情況，可證實(shí)冬季三省谷值沒有出現(xiàn)在同一時(shí)間。

在某確定時(shí)段內(nèi)，風(fēng)電波動(dòng)的典型指標(biāo)主要包括風(fēng)電出力的最大值、最小值、平均值、風(fēng)電波動(dòng)率等。其中，波動(dòng)率定義為風(fēng)電出力的平均值與峰值的比值，波動(dòng)率越小，說明平均值與最大值相差越遠(yuǎn)，風(fēng)電功率波動(dòng)越劇烈。表1統(tǒng)計(jì)了2010年冬夏兩個(gè)典型月(2月、7月)的風(fēng)電波動(dòng)典型指標(biāo)。冬季風(fēng)電出力峰值小于夏季，平均值、谷值和波動(dòng)率較夏季有所上升，冬季風(fēng)電的出力能力強(qiáng)，但由于冬季供熱機(jī)組“以熱定電”的出力限制，使風(fēng)電出力不能完全接納，最大出力減小。并且，冬季數(shù)據(jù)與夏季數(shù)據(jù)所體現(xiàn)三省“錯(cuò)峰”效應(yīng)相同。從表1中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可得三省冬季典型月風(fēng)電出力峰谷差分別為711.67 MW、1 079.768 MW、1 308.158 MW，三省總風(fēng)電出力峰谷差為2 102.299 9 MW，僅為三省風(fēng)電出力峰谷差和(3 099.596 MW)的67.8%;夏季典型月風(fēng)電出力峰谷差分別為765.617 MW、1 024.851 MW、1 587.16 MW，三省總風(fēng)電出力峰谷差為2 342.280 2 MW，僅為三省風(fēng)電出力峰谷差和(3 377.627 6 MW)的69.3%。

表1 風(fēng)電波動(dòng)的典型指標(biāo)

2 地區(qū)間負(fù)荷的匯聚效應(yīng)及電源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 地區(qū)間負(fù)荷的匯聚效應(yīng)

電網(wǎng)的負(fù)荷水平與負(fù)荷特性是影響風(fēng)電接納能力的主要因素之一，電網(wǎng)的負(fù)荷水平和峰谷差率直接決定了風(fēng)電允許接入的容量[5]。三省負(fù)荷性質(zhì)和負(fù)荷水平差異均比較明顯，如圖5所示。本文定義地區(qū)間負(fù)荷疊加后，負(fù)荷曲線由單高峰、雙高峰變?yōu)槎喔叻澹?fù)荷峰谷差(峰谷差率)相對(duì)減小的現(xiàn)象為地區(qū)間負(fù)荷的匯聚效應(yīng)。表2給出了地區(qū)間負(fù)荷疊加前及疊加后主要特點(diǎn)。

圖5 三省日負(fù)荷曲線

表2 地區(qū)間日負(fù)荷特性統(tǒng)計(jì)

2.2 各地區(qū)電源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

調(diào)峰問題是制約中國(guó)風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)的主要矛盾之一，電源結(jié)構(gòu)不合理是導(dǎo)致調(diào)峰困難的根本原因[6]。而影響電源結(jié)構(gòu)的主要因素是由自然資源分布決定的。

截止到2010年底，黑龍江省網(wǎng)運(yùn)行管理電廠226座(不含伊敏廠和尼爾基水廠)，總裝機(jī)容量為20 044.5 MW。其中火電廠135座，裝機(jī)容量為17 012.1 MW;水電廠57座，裝機(jī)容量為955.7 MW;風(fēng)電場(chǎng)34座，裝機(jī)容量為1 881.5 MW。省調(diào)直調(diào)電廠54座，總裝機(jī)容量為17 300.1 MW。其中火電廠23座，裝機(jī)容量為14 697 MW;水電廠4座，裝機(jī)容量為955.7 MW;風(fēng)電場(chǎng)34座，裝機(jī)容量為1 881.5 MW。吉林省電網(wǎng)東北網(wǎng)調(diào)直調(diào)發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量3 748 MW，全部為水電機(jī)組。吉林省調(diào)統(tǒng)調(diào)發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量14 905.51 MW?；痣姍C(jī)組共103臺(tái)，裝機(jī)容量12 509 MW，其中供熱機(jī)組97臺(tái)，裝機(jī)容量9 389 MW;風(fēng)電場(chǎng)21座，風(fēng)電機(jī)組1 704臺(tái)，裝機(jī)容量2 157.81 MW;水電機(jī)組19臺(tái)，裝機(jī)容量141.7 MW;其他發(fā)電機(jī)組6臺(tái)，裝機(jī)容量97 MW。遼寧省電網(wǎng)組裝機(jī)容量(含綏中電廠、界河水電廠)為30 399.3 MW。其中火電裝機(jī)容量26 113 MW，風(fēng)電裝機(jī)容量3 087.3 MW，水電裝機(jī)容量1 467.8 MW。省直調(diào)機(jī)組總裝機(jī)容量23 794.3 MW，其中火電機(jī)組裝機(jī)容量19 497 MW，風(fēng)電裝機(jī)容量3 626.8 MW，水電裝機(jī)容量620.5 MW。三省風(fēng)電電源分布極不均衡，其中吉林省總裝機(jī)容量最小，但風(fēng)電裝機(jī)容量占省直調(diào)容量14.5%，遼寧省和黑龍江省風(fēng)電裝機(jī)容量分別占省直調(diào)容量的13.5%和10.88%。

在電源結(jié)構(gòu)相似的地區(qū)，機(jī)組的個(gè)體差異也決定了調(diào)峰性能和調(diào)峰成本。水電機(jī)組出力調(diào)整范圍大、調(diào)整速度快，同時(shí)，水電廠的運(yùn)行成本低、環(huán)境污染少，因此有調(diào)節(jié)能力的水電廠應(yīng)盡可能運(yùn)行在負(fù)荷尖峰位置，為系統(tǒng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用等服務(wù)[7]。三省如水電等調(diào)峰能力強(qiáng)的電源分布也有差異，吉林省直調(diào)水電機(jī)組容量?jī)H占吉林省直調(diào)容量0.95%，遼寧省直調(diào)水電機(jī)組容量占遼寧省直調(diào)容量2.6%，黑龍江省直調(diào)水電機(jī)組容量占黑龍江省直調(diào)容量4.8%。不同容量的火電機(jī)組調(diào)峰能力存在明顯不同，大容量高效率的火電機(jī)組調(diào)峰范圍較寬、調(diào)峰成本較低;同容量的火電機(jī)組之間其機(jī)械性能的差異也造成了調(diào)峰能力和調(diào)峰成本的不同;不同地區(qū)間煤質(zhì)、煤價(jià)的差異同樣對(duì)調(diào)峰成本有影響。表3給出了三省火電機(jī)組容量的構(gòu)成。

表3 截至2010年底各地不同容量火電機(jī)組占總裝機(jī)容量百分比

3 風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰的影響

調(diào)峰壓力是大規(guī)模風(fēng)電接入后系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行面臨的主要壓力。風(fēng)電接入電網(wǎng)后，峰谷差增大的天數(shù)占全年70%以上，不利于電網(wǎng)調(diào)峰。表4給出了風(fēng)電入網(wǎng)后三省峰谷差的變化，其中，等效負(fù)荷是將風(fēng)電作為負(fù)的負(fù)荷與實(shí)際負(fù)荷進(jìn)行疊加得到的。

表4 日峰谷差與等效峰谷差指標(biāo)統(tǒng)計(jì) MW

對(duì)于含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)而言，運(yùn)行方式是風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的調(diào)峰能力沖擊程度的重要影響指標(biāo)之一，等效負(fù)荷在既有運(yùn)行方式下，系統(tǒng)向上和向下的調(diào)峰能力都是確定的。本文對(duì)2010年2月、7月三省運(yùn)行方式進(jìn)行假設(shè)，并對(duì)等效負(fù)荷與出力上限比值落在不同出力區(qū)間內(nèi)的概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖6—圖9所示。三省冬季供暖期供暖機(jī)組出力受限、“以熱定電”，導(dǎo)致供暖機(jī)組出力調(diào)節(jié)范圍變小，調(diào)峰能力減弱，故等效負(fù)荷集中于較高的出力區(qū)間內(nèi)。對(duì)比各省省內(nèi)消納風(fēng)電與跨區(qū)消納風(fēng)電模式下等效負(fù)荷分布的出力區(qū)間，可以看出考慮跨區(qū)消納風(fēng)電后，等效負(fù)荷波動(dòng)范圍小，落在0.70～0.95的概率高達(dá)95%以上，三省各自的概率分布集中顯著?？鐓^(qū)消納風(fēng)電后雙向調(diào)峰難度均有不同幅度下降。

圖9 7月跨區(qū)消納風(fēng)電模式下常規(guī)機(jī)組出力概率分布

4 結(jié)論

1)不同地區(qū)的風(fēng)電出力在分鐘級(jí)時(shí)間尺度上存在“錯(cuò)峰”效應(yīng)，使得風(fēng)電跨區(qū)匯聚后風(fēng)電波動(dòng)趨于平緩。按冬季、夏季典型月進(jìn)行分析，三省總風(fēng)電出力峰谷差與三省風(fēng)電出力峰谷差和的比值分別為67.8%和69.3%。

2)不同地區(qū)的負(fù)荷由于負(fù)荷特性和負(fù)荷水平的差異，存在“匯聚效應(yīng)”，負(fù)荷峰谷差呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，使系統(tǒng)調(diào)峰難度降低。不同地區(qū)的電源結(jié)構(gòu)可進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使機(jī)組調(diào)峰能力得到最大化的利用。

3)不同地區(qū)的風(fēng)電波動(dòng)特性、負(fù)荷的匯聚效應(yīng)及電源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在跨區(qū)消納風(fēng)電模式下均使得系統(tǒng)調(diào)峰能力變強(qiáng)，即風(fēng)電接入能力增強(qiáng)?？鐓^(qū)消納風(fēng)電模式充分利用各地區(qū)不同類型機(jī)組的調(diào)峰能力，使風(fēng)電接入量顯著增加。

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