李娜　張海江

摘 要： 山西電網(wǎng)風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模不斷增大，電力系統(tǒng)的調(diào)峰能力已成為消納風(fēng)電的主要因素。結(jié)合山西省水電貧乏、火電供熱機(jī)組增多等特點(diǎn)，并考慮負(fù)荷特性、電源特性，分析了山西電網(wǎng)的調(diào)峰能力和風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰能力的影響，提出了山西電網(wǎng)消納風(fēng)電能力的計(jì)算方法。在收集各種實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算分析，得到了山西電網(wǎng)消納風(fēng)電能力容量范圍，并據(jù)此提出了電網(wǎng)運(yùn)行控制措施。通過實(shí)踐運(yùn)行，證明此計(jì)算分析方法基本正確，達(dá)到了提高電網(wǎng)消納能力的目的。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)電并網(wǎng)； 電力系統(tǒng)； 消納風(fēng)電能力； 調(diào)峰； 計(jì)算方法

中圖分類號(hào)：TM712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2014）08-24-03

Computing analysis for wind power integration capacity into Shanxi power grid

Li Na， Zhang Haijiang

（Shanxi Electric Power Corporation， Taiyuan， Shanxi 030001， China）

Abstract： With the rapid development of wind farms connected with Shanxi power grid， the peak load regulation of power grid has become the main constraint condition to wind power integration capacity. Based on the feature that Shanxi is poor in hydroelectric resources and rich in thermal power， and by considering characteristics of loads power sources， the ability of peak load regulation of Shanxi power grid and the impacts of wind power are analyzed. A computing method for wind power integration capacity into Shanxi power grid is proposed. Using the computing， the range of wind power integration capacity is obtained. The specific measures to increase the capacity of wind power are proposed. The practice shows that this computing method is correct and can improve the capacity of wind power integration.

Key words： wind farms connected with power gird； power system； wind power integration capaticy； peak load regulation； computing method

0 引言

風(fēng)能資源是清潔的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電是新能源中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一[1]。山西省風(fēng)能資源豐富，具備大規(guī)模開發(fā)利用的資源條件。根據(jù)山西省發(fā)改委《山西省風(fēng)電接入電網(wǎng)和輸電規(guī)劃研究》報(bào)告，截止“十二五”末，山西省的風(fēng)電規(guī)劃總裝機(jī)將達(dá)到1200萬千瓦。

隨著山西省千萬千瓦級(jí)風(fēng)電基地的逐步建成投產(chǎn)，風(fēng)電在整個(gè)電源中比重逐年增加，電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)更趨復(fù)雜，對(duì)電網(wǎng)的影響也逐步增大。由于風(fēng)電出力隨機(jī)性、間歇性、反調(diào)峰特性明顯[2-3]，給電網(wǎng)調(diào)度和調(diào)峰帶來一定的困難[4]，風(fēng)電并網(wǎng)、電力送出和市場(chǎng)消納已成為當(dāng)前影響山西電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和風(fēng)電進(jìn)一步大規(guī)模發(fā)展的主要問題。

本文結(jié)合山西電網(wǎng)水電貧乏，供熱機(jī)組增多的現(xiàn)狀，針對(duì)山西電網(wǎng)消納風(fēng)電能力進(jìn)行計(jì)算分析，并提出為消納風(fēng)電而采取的電網(wǎng)運(yùn)行控制措施。

1 山西電網(wǎng)風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀及運(yùn)行情況

1.1 山西電網(wǎng)風(fēng)電發(fā)展?fàn)顩r

2008年7月28日，山西電網(wǎng)首座風(fēng)電場(chǎng)-右玉小五臺(tái)風(fēng)場(chǎng)（4.95萬千瓦）并網(wǎng)，拉開了山西風(fēng)電發(fā)展的序幕。自2008年起，山西電網(wǎng)并網(wǎng)風(fēng)電容量連年翻番。至2013年5月底，全省并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到241.9萬千瓦，占省調(diào)裝機(jī)容量的5.6%，超過水電成為山西省第二大電源。

1.2 山西電網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行概況

2012年，山西省風(fēng)電最大發(fā)電負(fù)荷149.8萬千瓦，占全省風(fēng)電裝機(jī)容量的75.8%，占當(dāng)時(shí)全省發(fā)電負(fù)荷的5.72%。山西電網(wǎng)風(fēng)電最大逆調(diào)峰幅度為80.4萬千瓦，使全網(wǎng)的調(diào)峰幅度增加了15.98%，對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰造成了一定的困難。

2012年，風(fēng)電功率波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)的影響日益增加，全省風(fēng)電1分鐘最大變化幅度達(dá)11.5萬千瓦，5分鐘最大變化幅度達(dá)27.6萬千瓦，15分鐘最大變化幅度達(dá)到28.9萬千瓦，對(duì)全網(wǎng)的功率調(diào)節(jié)造成較大的干擾。

1.3 電網(wǎng)調(diào)峰壓力持續(xù)加大

由于山西水資源短缺，水電機(jī)組相對(duì)較少，山西電網(wǎng)機(jī)組調(diào)峰能力十分有限。正常情況下，山西電網(wǎng)峰谷差達(dá)到350～400萬千瓦，2012年最大峰谷差達(dá)到571.4萬千瓦，峰谷差率23.6%。

山西省火電機(jī)組多是空冷，其調(diào)峰性能受季節(jié)影響而波動(dòng)。在電源集中的北部電網(wǎng)，其中60%是供熱機(jī)組，“以熱定電”使調(diào)峰性能存在一定瓶頸，在冬季風(fēng)電大發(fā)季節(jié)，供熱機(jī)組全部運(yùn)行，受供熱影響，機(jī)組調(diào)峰能力不到20%，即便安排非供熱機(jī)組單機(jī)運(yùn)行，依然存在發(fā)電容量超盈余，調(diào)峰容量不足的問題。

2012年底山西風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)197.5萬千瓦，2013年底達(dá)到315萬千瓦。2013～2017年山西電網(wǎng)將有890萬千瓦風(fēng)電接入。隨著風(fēng)電的陸續(xù)投產(chǎn)，山西電網(wǎng)的調(diào)峰能力將面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

2 山西電網(wǎng)消納風(fēng)電能力計(jì)算分析

電力系統(tǒng)消納風(fēng)電容量受電網(wǎng)調(diào)峰能力、輸送能力、電壓波動(dòng)、穩(wěn)定水平等因素影響[5]，其中電網(wǎng)可為風(fēng)電提供的調(diào)峰能力是最根本的制約因素。如果并網(wǎng)風(fēng)電超過電網(wǎng)可為風(fēng)電提供的調(diào)峰極限，電網(wǎng)將難以平衡風(fēng)電出力。

山西電網(wǎng)調(diào)峰主要由省調(diào)機(jī)組承擔(dān)，火電機(jī)組占有絕對(duì)主導(dǎo)地位。山西省冬季氣候寒冷，供熱期約四個(gè)月，在北部大同、朔州等寒冷區(qū)域，冬季最冷月平均低溫在零下15度以下，供熱期可達(dá)5個(gè)半月[6]。2012年底省調(diào)機(jī)組中供熱機(jī)組容量達(dá)到1700.5萬千瓦，占火電裝機(jī)的45.3%。供熱期供熱機(jī)組的調(diào)峰能力大幅降低，為滿足對(duì)外供熱和設(shè)備防凍條件，機(jī)組的最大、最小出力均受到限制，調(diào)峰能力不足20%。在冬季供熱機(jī)組全開情況下，電網(wǎng)的調(diào)峰壓力巨大。

水電機(jī)組具有啟停迅速、簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，是優(yōu)質(zhì)的調(diào)峰電源。但山西電網(wǎng)僅有水電站四座，合計(jì)裝機(jī)容量為222.8萬千瓦。

2.1 夏季電網(wǎng)調(diào)峰能力計(jì)算分析

夏季山西電網(wǎng)調(diào)峰能力主要制約因素為空冷機(jī)組受真空影響，高峰影響出力大，進(jìn)而影響了電網(wǎng)的調(diào)峰能力。

夏季山西電網(wǎng)用電負(fù)荷峰谷差率一般在20%-22%左右，整體來看機(jī)組調(diào)峰能力在40%-50%。從近些年風(fēng)電運(yùn)行實(shí)際情況看，夏季為全年風(fēng)電出力最少的月份，風(fēng)電出力一般不超過并網(wǎng)容量的30%，對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰影響較小，目前夏季方式下山西電網(wǎng)具備全額接納風(fēng)電的能力。

2.2 冬季電網(wǎng)調(diào)峰能力計(jì)算分析

由于冬季供熱機(jī)組的調(diào)峰能力大幅下降，為保證供熱，高峰時(shí)段出力不足、低谷時(shí)段向下調(diào)節(jié)能力受限，造成全網(wǎng)調(diào)峰存在較大困難。冬季全網(wǎng)高峰供熱影響出力基本在90-130萬千瓦之間，占運(yùn)行機(jī)組可調(diào)容量的3%-5%。

根據(jù)省政府《山西省人民政府關(guān)于加快推進(jìn)全省電力建設(shè)的若干意見》，提出了全面實(shí)施輸煤輸電并舉戰(zhàn)略，確定了到“十二五”末，全省電力裝機(jī)確保達(dá)到8000萬千瓦、力爭(zhēng)10000萬千瓦，外送能力確保達(dá)到3000萬千瓦、力爭(zhēng)5000萬千瓦的發(fā)展目標(biāo)?！笆濉焙笕?，核準(zhǔn)在建、路條及低熱值煤等規(guī)劃火電項(xiàng)目315.55萬千瓦，其中供熱機(jī)組比例高達(dá)66.7%；核準(zhǔn)在建、路條新能源規(guī)劃項(xiàng)目104.3萬千瓦，其中風(fēng)電項(xiàng)目64.2萬千瓦。

按照上述電源發(fā)展規(guī)劃，到“十二五”末，火電機(jī)組中供熱機(jī)組占比將超過50%，電源結(jié)構(gòu)不合理的問題將更加突出，進(jìn)一步加大冬季供熱期的調(diào)峰壓力。

2.3 聯(lián)絡(luò)線功率調(diào)節(jié)能力分析

山西作為全國(guó)電力外送大省，每年向華北及華中電網(wǎng)輸送大量電力。2012年，山西500千伏系統(tǒng)向東通過大房三回線、神保雙、陽北雙、潞辛雙四個(gè)外送通道、九條500kV線路與華北主網(wǎng)連接，向京津唐、河北南網(wǎng)送電。從區(qū)域電網(wǎng)用電負(fù)荷特性看，華北京津唐、河北南網(wǎng)的用電峰谷差在40%-48%左右，本身電網(wǎng)也面臨較大的調(diào)峰壓力，從技術(shù)層面看，通過減少聯(lián)絡(luò)線送電峰谷差提高山西電網(wǎng)調(diào)峰能力空間很小。

山西電網(wǎng)向南通過1000千伏長(zhǎng)治-南陽-荊門特高壓線路與華中電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)，每年10月中下旬至次年5月中下旬向華中輸送電力。華中電網(wǎng)水電裝機(jī)充裕，2012年底水電裝機(jī)容量8473.61萬千瓦，占總裝機(jī)的41.7%，具有較強(qiáng)的機(jī)組調(diào)峰能力，特高壓聯(lián)絡(luò)線送電峰谷差存在較大調(diào)節(jié)裕度。

2.4 電網(wǎng)風(fēng)電消納能力計(jì)算分析

從以上的分析來看，夏季山西電網(wǎng)具備接納風(fēng)電的能力，而在冬季，風(fēng)電出力較大，同時(shí)由于供熱機(jī)組的調(diào)峰能力大幅下降，造成全網(wǎng)調(diào)峰存在較大困難，從而造成風(fēng)電接納能力受限。

考慮山西電網(wǎng)冬季高峰用電負(fù)荷2528萬千瓦，根據(jù)電網(wǎng)近年來實(shí)際運(yùn)行情況，冬季用電負(fù)荷的峰谷差率正常在20%-22%，計(jì)算取22%，并考慮低谷下旋100萬千瓦；考慮外送京津唐電力峰谷差為50%，約120萬千瓦，送特高壓電力按照峰谷差50萬千瓦考慮（高峰240萬千瓦、低谷190萬千瓦）。

發(fā)電電源中火電機(jī)組調(diào)峰能力差別較大，供熱機(jī)組在冬季供熱期調(diào)峰能力僅有15%，其他機(jī)組調(diào)峰能力在50%左右，根據(jù)電網(wǎng)近年來實(shí)際運(yùn)行情況，火電機(jī)組調(diào)峰能力在33%-35%。計(jì)算中按照省調(diào)發(fā)電機(jī)組加權(quán)平均，考慮一定的出力受阻，省調(diào)火電機(jī)組調(diào)峰能力在33%左右。

山西電網(wǎng)可調(diào)節(jié)水電機(jī)組萬家寨和龍口電廠，按照各開兩臺(tái)機(jī)組考慮，可以提供56萬千瓦的調(diào)峰能力。調(diào)用西龍池抽水蓄能電站機(jī)組可以提高山西電網(wǎng)的調(diào)峰和風(fēng)電接納能力，但西龍池電站接入忻朔電網(wǎng)，由于北部電網(wǎng)存在窩電問題，西龍池四臺(tái)機(jī)組不能充分發(fā)揮其調(diào)峰作用。

綜合考慮以上因素，不論是否考慮西龍池參與調(diào)峰，山西電網(wǎng)風(fēng)電接納能力為348.2萬千瓦，若考慮特高壓送華中高峰和低谷容量均為240萬千瓦（低谷增加50萬千瓦），可提高風(fēng)電接納能力83.3萬千瓦，風(fēng)電接納能力可達(dá)到431.5萬千瓦。2013年底，山西電網(wǎng)實(shí)際接入風(fēng)電315萬千瓦，還能全額消納風(fēng)電，預(yù)計(jì)2014年將投產(chǎn)風(fēng)電裝機(jī)574萬千瓦，此時(shí)，將不能滿足全額消納的要求。

3 提高電網(wǎng)消納風(fēng)電能力可采取的電網(wǎng)運(yùn)行控制措施

通過以上分析，受冬季機(jī)組供熱調(diào)峰能力大幅下降的影響，山西電網(wǎng)接納風(fēng)電存在較大的調(diào)峰壓力。調(diào)用西龍池抽水蓄能電站機(jī)組可以提高山西電網(wǎng)的調(diào)峰和風(fēng)電接納能力，但是會(huì)占用電網(wǎng)事故備用容量，造成運(yùn)行安全壓力增加。即便考慮利用西龍池抽水電站的調(diào)峰作用，最大可滿足約80%左右的風(fēng)電接納需求。因此，針對(duì)山西電網(wǎng)調(diào)峰困難的問題，可以從運(yùn)行控制上加強(qiáng)以下幾方面工作。

⑴ 在風(fēng)電大發(fā)的冬春季節(jié)，晚高峰旋轉(zhuǎn)備用容量不宜過大，否則將造成低谷調(diào)峰困難。建議不超過100萬千瓦。

⑵ 由于北部存在窩電問題，為充分發(fā)揮水電和抽蓄機(jī)組調(diào)峰能力，提高風(fēng)電接納能力，在冬季風(fēng)電大發(fā)期間，建議按照窩電容量安排相應(yīng)機(jī)組停機(jī)備用。

⑶ 華中電網(wǎng)水電容量充足，調(diào)峰能力強(qiáng)。建議在山西電網(wǎng)電力充足的情況下，通過協(xié)調(diào)國(guó)網(wǎng)公司和華中電網(wǎng)，爭(zhēng)取政策支持，多向華中電網(wǎng)送電，盡可能減少峰谷差，提高風(fēng)電的接納能力。

4 結(jié)束語

通過計(jì)算夏季、冬季各種運(yùn)行方式下的電網(wǎng)消納風(fēng)電能力，對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃、電源規(guī)劃將產(chǎn)生積極的影響，通過采用各種適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行控制措施，可以充分發(fā)掘電網(wǎng)潛力，盡可能全額消納風(fēng)力發(fā)電，將為新能源接入發(fā)揮積極作用。在2013年的電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)踐中，應(yīng)用此計(jì)算方法安排電網(wǎng)運(yùn)行方式，并指導(dǎo)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行，已證明是可行并符合實(shí)際情況的。下一步，要結(jié)合2013年的運(yùn)行數(shù)據(jù)，繼續(xù)完善優(yōu)化分析計(jì)算模型，挖掘提升電網(wǎng)消納能力。

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