李宏偉

(云南電網(wǎng)公司，昆明 650011)

區(qū)域電網(wǎng)風(fēng)水互補(bǔ)原理及實(shí)施方案研究

李宏偉

(云南電網(wǎng)公司，昆明 650011)

對地區(qū)水電和風(fēng)電典型出力特性進(jìn)行了分析，通過電力電量平衡計(jì)算，得出風(fēng)水互補(bǔ)的結(jié)論。提出了風(fēng)電-水電集控優(yōu)化調(diào)度的調(diào)控方式，同時在云南電網(wǎng)的范圍內(nèi)對風(fēng)電、火電、水電之間調(diào)節(jié)速度進(jìn)行分析，定性地解決了風(fēng)電功率變化是否超過電網(wǎng)水火電出力的調(diào)節(jié)速度問題，為風(fēng)電-水電集控優(yōu)化調(diào)度提供理論依據(jù)。

風(fēng)電-水電互補(bǔ)；風(fēng)電-水電集控優(yōu)化調(diào)度；電源調(diào)節(jié)速度

0 前言

目前對風(fēng)電與水電互補(bǔ)運(yùn)行的研究較少，缺少深入分析和數(shù)據(jù)支撐，已有的風(fēng)水互補(bǔ)研究基本還停留在思路和理論階段，對抽水蓄能電站與風(fēng)電配合運(yùn)行、風(fēng)電與電力系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度等方面有所研究，但針對具體工程的風(fēng)水互補(bǔ)研究，還是空白，本文通過對某地區(qū)水電和風(fēng)電典型出力特性進(jìn)行分析，得出風(fēng)水互補(bǔ)的結(jié)論，并提出了風(fēng)電-水電集控優(yōu)化調(diào)度的調(diào)控方式，對風(fēng)電的發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。

1 地區(qū)資源概況

1)水能資源開發(fā)情況：根據(jù)規(guī)劃， “十二五”末期，水電主要為中小水電，無金沙江干流水電項(xiàng)目，2015年楚雄州境內(nèi)中小水電裝機(jī)規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到49萬kW。

2)風(fēng)能資源及開發(fā)情況：風(fēng)能較為豐富，全州十個縣市年平均風(fēng)速在1.6米/秒～3.5米/秒之間，對 “十二五”期間能夠投產(chǎn)的風(fēng)電項(xiàng)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì) 2015年裝機(jī)規(guī)模能夠達(dá)到 130萬kW。

2 風(fēng)-水出力特性互補(bǔ)分析

1)水電出力特性：小水電裝機(jī)容量為31.2萬kW，全年小水電供電量為7.586 8億kW.h，利用小時數(shù)僅為2434小時。幾乎沒有棄水的現(xiàn)象發(fā)生，小水電出力特性按日調(diào)節(jié)特性電站和徑流式電站兩類區(qū)分，年利用小時數(shù)分別約為3 900 h和1 500 h，月平均出力曲線如圖1所示。

中小水電出力受來水影響，從11月份開始進(jìn)入枯期，中小水電月平均出力逐月遞減；6月份開始進(jìn)入汛期，水電出力回升，當(dāng)?shù)貜搅麟娬?0月出力最大。

圖1 中小水電月平均出力曲線

2)風(fēng)電出力特性：風(fēng)電場月平均出力曲線如圖2所示。

圖2 楚雄州風(fēng)電場月平均出力曲線

風(fēng)電出力受當(dāng)?shù)靥厥獾臍夂蚝偷乩砦恢糜绊懀雌?～10月風(fēng)速較小，10月中下旬后，近地面風(fēng)速增大，冬春季風(fēng)力最強(qiáng)，5月后漸漸減弱，風(fēng)能資源總體呈現(xiàn)冬春季大，夏秋季小的特點(diǎn)，因此風(fēng)電場出力具有枯期出力大、汛期出力小的特性，其中2～4月出力較大。

3)風(fēng)電-水電出力互補(bǔ)特性：2015和2020年逐月電量和電力供需分別如圖3和圖4所示。

圖3 楚雄州逐月電量供需示意圖

圖4 楚雄州逐月電力供需示意圖

從上圖可以看出，在風(fēng)電接入之前，小水電月供電量與系需電量走勢相反，供需矛盾嚴(yán)重，系需電量豐枯比49：51，而小水電發(fā)電量豐枯比70：30。例如，3至4月工廠開始逐步恢復(fù)生產(chǎn)用電，用電迎來一個小高峰，但是水電發(fā)電量從3月開始逐月遞減；6至9月是用電的一個低谷時間段，而該時段進(jìn)入汛期，水電發(fā)電量逐月增加。10月過后同樣用電量增加，小水電發(fā)電量反而減小。

風(fēng)電場并網(wǎng)發(fā)電后，風(fēng)電發(fā)電量豐枯比為31：69，風(fēng)電和水電出力特性正好互補(bǔ)，兩者結(jié)合2015年發(fā)電量豐枯比達(dá)39：61。對于楚雄電網(wǎng)而言，開發(fā)水電的同時，也適宜同步開發(fā)風(fēng)電，風(fēng)電并網(wǎng)可以優(yōu)化州內(nèi)電源結(jié)構(gòu)，減輕供需矛盾。

采取水電-風(fēng)電聯(lián)合開發(fā)方式，可以克服風(fēng)電供應(yīng)的間歇性問題，為豐富、清潔、廉價的風(fēng)電成為化石燃料的替代能源創(chuàng)造了條件，也為水電運(yùn)行增加了能源。

3 風(fēng)-水優(yōu)化調(diào)度

1)風(fēng)水互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)方案：建立區(qū)域集控中心，設(shè)置一套集控主站系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)所轄各風(fēng)電場、水電站的實(shí)時數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至集控中心，集控中心將水電的發(fā)電曲線及風(fēng)功率預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析處理后，將各風(fēng)電場、水電站的發(fā)電曲線建議提供給調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)風(fēng)水互補(bǔ)的優(yōu)化調(diào)度，實(shí)現(xiàn)以最小的資源消耗和最少的污染物排放滿足相同的電力需求。同時風(fēng)水電在集控模式下統(tǒng)籌安排檢修策略，提高風(fēng)、水電上網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性。通過設(shè)置集控中心，可以實(shí)現(xiàn)減員增效，提高工作效率。集控站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D5所示：

圖5 集控站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2)水電對風(fēng)電出力的隨機(jī)波動性進(jìn)行調(diào)節(jié)：風(fēng)電出力隨機(jī)波動，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率主要取決于風(fēng)輪機(jī)輪轂高度處的風(fēng)速，水電出力也具有隨機(jī)性，水電廠的發(fā)電情況取決于降水、降雪形成的徑流量，水電廠的運(yùn)行還與水庫的調(diào)節(jié)庫容、水庫的運(yùn)行約束密切相關(guān)，表現(xiàn)為隨豐枯季節(jié)性波動，具有調(diào)節(jié)庫容的水電廠依靠蓄水可以抑制短期波動。風(fēng)水互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與水力發(fā)電系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合與調(diào)度，當(dāng)風(fēng)電場對電網(wǎng)的出力隨機(jī)波動時，水電站可快速調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的出力，對風(fēng)電場出力進(jìn)行補(bǔ)償。對2015年云南水、火電在同一分鐘最大出力變化量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，結(jié)果見表2，2015年云南水、火電在同一分鐘最大出力變化量為：枯期169萬kW/min，汛期722萬kW/min，均大于風(fēng)電功率變化量為89萬kW/min。云南水火電出力的調(diào)節(jié)速度能夠滿足風(fēng)電功率的變化速度。

表1 2015年云南風(fēng)電功率變化量

表2 2015年云南水火電功率變化量

3)風(fēng)水互補(bǔ)運(yùn)行方式

a 季調(diào)節(jié)

風(fēng)能資源與水力資源在資源分布上二者有著天然的時間互補(bǔ)性。夏季風(fēng)速小，風(fēng)電場的出力較低，而這時候正是雨量充沛的時候，水電站可多承擔(dān)相應(yīng)的負(fù)荷。到了冬春時節(jié)，水庫的水位較低，水電站的出力不足，而這時風(fēng)電場的風(fēng)速較大，能夠承擔(dān)更多的負(fù)荷。風(fēng)電的年際波動較小，在枯水季節(jié)風(fēng)電場的出力可以彌補(bǔ)水電出力的下降。

由于風(fēng)電的大風(fēng)季節(jié)剛好和水電的枯水期時段相同，可在枯水期集中進(jìn)行水電的檢修工作，在汛期集中進(jìn)行風(fēng)電的檢修維護(hù)工作，使檢修人員能得到充分利用。

b 周調(diào)節(jié)

在各風(fēng)電場設(shè)置風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)，根據(jù)風(fēng)電場氣象信息有關(guān)數(shù)據(jù)，利用物理模擬計(jì)算和科學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，對風(fēng)電功率進(jìn)行短期預(yù)報，即預(yù)測未來3天的功率，合理安排風(fēng)電及水電的運(yùn)行方式。水電調(diào)節(jié)庫容為9 246萬m3。從已并網(wǎng)運(yùn)行的水電站平均入庫流量和各自調(diào)節(jié)庫容來看，枯季已建水電站的日平均入庫水量為117萬m3，調(diào)節(jié)庫容為2 128萬m3，水電站具有多日調(diào)節(jié)能力。根據(jù)云南省風(fēng)電場實(shí)際運(yùn)行調(diào)研結(jié)果，云南并無典型的多日持續(xù)大風(fēng)過程，一般一個大風(fēng)過程持續(xù)時間不超過2～3天。因此，當(dāng)風(fēng)功率預(yù)測較大時，短期內(nèi)可考慮水庫蓄水，減少水電出力，反之，則加大水電出力。水電站具有出力調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、反應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，可以利用水電的優(yōu)勢去彌補(bǔ)風(fēng)電的不可調(diào)度性，水電出力曲線優(yōu)化如圖6。

圖6 風(fēng)電及水電的周調(diào)節(jié)運(yùn)行方式

以4月某一周為例，楚雄州某片區(qū)75萬kW風(fēng)電項(xiàng)目周發(fā)電量為0.53億kW.h，風(fēng)電功率短期預(yù)報顯示周一至周三將持續(xù)大風(fēng)過程，發(fā)電量占全州的57%。此時，若不對水電進(jìn)行調(diào)節(jié)，水電周發(fā)電量0.153億kW.h，每日發(fā)電量不會有太大波動，總發(fā)電量呈現(xiàn)周一至周三大，周四開始逐漸減小。但對于負(fù)荷需電量而言，一周內(nèi)7天并不會有太大波動，需電量較為平緩。通過集控調(diào)度平臺，結(jié)合風(fēng)電預(yù)測發(fā)電量，給水電下發(fā)優(yōu)化后的出力曲線，周一至周三水電蓄水，周四開始風(fēng)電出力減小，水電增加出力，優(yōu)化后7天內(nèi)發(fā)電量更加平穩(wěn)，滿足負(fù)荷需電量。

c 日調(diào)節(jié)

日調(diào)節(jié)方式與周調(diào)節(jié)類似，對風(fēng)電功率進(jìn)行24小時內(nèi)功率預(yù)測，合理安排風(fēng)電及水電的運(yùn)行方式，同樣利用水電的優(yōu)勢去彌補(bǔ)風(fēng)電的不可調(diào)度性，水電出力曲線優(yōu)化如圖7。

圖7 風(fēng)電及水電的日調(diào)節(jié)運(yùn)行方式

某片區(qū)75萬kW風(fēng)電項(xiàng)目日發(fā)電量為121.5萬kW.h，根據(jù)典型風(fēng)能日出力曲線可看出，晚上和夜間風(fēng)大，風(fēng)電出力和發(fā)電量相對較高，中午風(fēng)電出力較小。但楚雄州的日負(fù)荷具有早、晚兩個峰值的特點(diǎn)，早間負(fù)荷最高峰一般出現(xiàn)在10～11時之間，而晚間負(fù)荷最高峰則出現(xiàn)在19時。日負(fù)荷最低值則出現(xiàn)在1：00～7：00之間，正是風(fēng)電發(fā)電量較大的時段。因此，夜間需要讓水電蓄水，減小出力，中午和晚上水電增加出力，避免小方式下棄風(fēng)。

4 風(fēng)水互補(bǔ)預(yù)期成果

1)研究小水電資源與風(fēng)能在時空量序上的互補(bǔ)關(guān)系，為以后其他地區(qū)開展風(fēng)水互補(bǔ)的設(shè)計(jì)提供建議及優(yōu)化方案，為集控與調(diào)度聯(lián)合操作提供運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

2)研究風(fēng)電裝機(jī)容量占互補(bǔ)系統(tǒng)總?cè)萘勘壤臉O限值與最佳值。

3)研究風(fēng)水互補(bǔ)發(fā)供電系統(tǒng)的運(yùn)行管理方法及經(jīng)濟(jì)性評價方法。

5 結(jié)束語

1)風(fēng)能資源與水力資源在資源分布上二者有著天然的時間互補(bǔ)性。采取水電-風(fēng)電聯(lián)合開發(fā)方式，可以優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，減輕供需矛盾，克服風(fēng)電供應(yīng)的間歇性問題。同時，風(fēng)電的大風(fēng)季節(jié)剛好和水電的枯水期時段相同，可在枯水期集中進(jìn)行水電的檢修工作。

2)建立區(qū)域集控中心，減少運(yùn)行人員，提高經(jīng)濟(jì)效益的同時，區(qū)域集控中心可接受電網(wǎng)的AGC指令，匯聚各風(fēng)電場、水電站的信息并進(jìn)行分析處理，預(yù)計(jì)周、日可調(diào)出力，提供發(fā)電曲線建議給調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)水互補(bǔ)的優(yōu)化調(diào)度，水電、風(fēng)電在集控模式下可達(dá)到水風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

[1] 張翼.電力儲能技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用 [J].江蘇電機(jī)工程，2012(04).

[2] 孫楠，邢德山，杜海玲.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用[J].山西電力，2010(04).

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[4] 范永威.風(fēng)-水電聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行研究 [D].河海大學(xué)，2007.

Study on Wind Power and Hydropower Complementarity Theory and Embodiments in Reginal Power Grid

LI Hongwei
(Yunnan power grid corporation，Kunming 650011)

This paper studied hydropower and wind power output characteristics of Chuxiong region，and calculated electric power and energy balance，and deduced wind power and hydropower complementary conclusions.This paper put forward wind powerhydro regulation by centralized control to optimize scheduling.This paper also analysis speed control of wind power，thermal power and hydropower in power grid of Yunnan，and resolved the issue whether changes of power output in wind power exceed hydro thermal power output adjustment speed.Provided a theoretical basis optimal control of wind power-hydropower.

wind power and hydropower complementary；wind power-hydro regulation by centralized control；ramp rate of generator

TM73

B

1006-7345(2014)04-0029-04

2014-05-06

李宏偉 (1982)，女，工程師，云南電網(wǎng)公司，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃相關(guān)工作 (e-mail)lihongwei0514＠qq.com。