王龍輝,李永光,周 侶,馬昕霞,張麗華

(1.上海電力學(xué)院,上海 200090；2.國網(wǎng)杭州供電公司,浙江杭州 310009)

我國電網(wǎng)接納風(fēng)電的最大容量及相應(yīng)的對策研究

王龍輝1,李永光1,周 侶2,馬昕霞1,張麗華1

(1.上海電力學(xué)院,上海 200090；2.國網(wǎng)杭州供電公司,浙江杭州 310009)

以我國電網(wǎng)為研究對象,綜合考慮全網(wǎng)中火電、水電以及核電對風(fēng)電調(diào)峰的影響,運(yùn)用電網(wǎng)中的供需平衡關(guān)系和發(fā)電機(jī)組調(diào)峰能力來計(jì)算我國電網(wǎng)在現(xiàn)有負(fù)荷下能夠接納的最大風(fēng)電容量.該方法既滿足電網(wǎng)的負(fù)荷平衡,又不會有過余電網(wǎng)出力,計(jì)算結(jié)果具有很高的可信度.依據(jù)該方法計(jì)算出2013年我國電網(wǎng)容納風(fēng)電容量為2.03×108kW,考慮電網(wǎng)的安全性后縮減為1.29×108kW,大于現(xiàn)有的風(fēng)電并網(wǎng)容量7.72×107kW,由此可見,我國風(fēng)電有很大的發(fā)展空間.

風(fēng)電并網(wǎng)；接納能力；調(diào)峰；經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償

我國風(fēng)能資源豐富,根據(jù)2009年中國氣象局開展的風(fēng)能資源勘查與評價(jià)分析結(jié)果,我國風(fēng)能開發(fā)潛力逾2.5×109kW.［1］根據(jù)國家能源局公布的數(shù)據(jù),截止到2013年底,我國風(fēng)電裝機(jī)容量為1.37×108kW,裝機(jī)容量僅占可開發(fā)風(fēng)能的5.48%,發(fā)展?jié)摿薮?并網(wǎng)容量為0.77×108kW,年發(fā)電量為1.349×1011kW,全國棄風(fēng)量為1.623 1×1010kW,平均棄風(fēng)率為11%.由上述數(shù)據(jù)可知,目前電網(wǎng)中存在棄風(fēng)限電問題,這制約了我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.

要解決電網(wǎng)棄風(fēng)限電問題,必須了解電網(wǎng)中產(chǎn)生棄風(fēng)的原因.我國風(fēng)電場主要建設(shè)在“三北”地區(qū),這些地區(qū)風(fēng)力資源豐富,但是電網(wǎng)薄弱,負(fù)荷較小.［2］因此,風(fēng)電并網(wǎng)需要考慮兩種形式：一是將風(fēng)電并入風(fēng)電場所在地區(qū)的電網(wǎng)；二是將風(fēng)電遠(yuǎn)距離輸送到其他電網(wǎng).由于電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力與電網(wǎng)負(fù)荷成正比,［3］在風(fēng)電場所在地區(qū)用電負(fù)荷小,電網(wǎng)消納風(fēng)電的能力有限,如果風(fēng)電全部用在這些地區(qū)會造成嚴(yán)重的棄風(fēng)現(xiàn)象.在遠(yuǎn)距離輸送過程中,聯(lián)絡(luò)線輸送能力的不足也是造成棄風(fēng)現(xiàn)象的原因.

由此可知,在全國電網(wǎng)互聯(lián)的情況下,解決棄風(fēng)問題就是要增強(qiáng)電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力,而電網(wǎng)接納風(fēng)電最大容量是電網(wǎng)接納風(fēng)電能力的一個重要指標(biāo).

國內(nèi)外對于風(fēng)電并網(wǎng)容量的計(jì)算有很多研究,主要方法有以下3種.一是動態(tài)仿真法,［4-6］該方法是在確定的電網(wǎng)中接入假設(shè)的風(fēng)電容量來驗(yàn)證電網(wǎng)是否穩(wěn)定,再進(jìn)行校驗(yàn)得到電網(wǎng)中容納風(fēng)電的容量.由于受計(jì)算量的限制,該方法無法全面考慮系統(tǒng)的各種運(yùn)行方式、擾動情況和風(fēng)況條件,只能用幾種典型的運(yùn)行方式求取風(fēng)電場最大容量.二是數(shù)學(xué)優(yōu)化法,［7-8］該方法可以考慮多種約束條件,建立目標(biāo)函數(shù)求得風(fēng)電并網(wǎng)容量,然后運(yùn)用仿真系統(tǒng)對計(jì)算結(jié)果及優(yōu)化做出驗(yàn)證.但該方法沒有考慮風(fēng)電并網(wǎng)的動態(tài)約束,而且只能計(jì)算出電網(wǎng)在某種特定運(yùn)行方式下的風(fēng)電并網(wǎng)容量.三是頻率約束法,［9］在電網(wǎng)系統(tǒng)較小的情況下,風(fēng)電的隨機(jī)波動性和不穩(wěn)定性對電網(wǎng)頻率的影響較大,這時限制風(fēng)電穿透功率的主要因素是頻率波動和穩(wěn)定性.該方法考慮到風(fēng)電的不穩(wěn)定性,同時考慮整個電網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性,這種分析法與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)沒有關(guān)系,只與電網(wǎng)的負(fù)荷水平、電源性質(zhì)及組成有關(guān).

本文根據(jù)供需平衡關(guān)系［10］和發(fā)電機(jī)組調(diào)峰能力［3,11-12］建立優(yōu)化模型,計(jì)算我國電網(wǎng)接納的最大風(fēng)電容量.該方法從電網(wǎng)負(fù)荷的角度出發(fā),用電網(wǎng)調(diào)峰能力來計(jì)算電網(wǎng)的風(fēng)電接納容量,不僅簡化了求解模型,而且具有很高的可信度.計(jì)算的結(jié)果可用于指導(dǎo)我國風(fēng)電場建設(shè)規(guī)模以及是否增加風(fēng)電并網(wǎng)容量,使資源得到有效的利用.

1 電網(wǎng)中接納風(fēng)電能力的計(jì)算

1.1 電網(wǎng)中供需平衡關(guān)系

為了保證電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中的電能質(zhì)量,電網(wǎng)需要滿足在額定頻率下系統(tǒng)有功功率平衡的要求,即所有發(fā)電機(jī)可用的有功功率之和至少等于系統(tǒng)負(fù)荷在額定頻率下所吸收的全部有功功率、全部網(wǎng)絡(luò)損耗和全部廠用電的總和.［10］除了滿足有功功率平衡的要求外,在系統(tǒng)中還要有適當(dāng)?shù)膫溆萌萘?備用容量包括負(fù)荷備用容量、事故備用容量、檢修備用容量和國民經(jīng)濟(jì)備用容量.因此,在電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)的有功功率應(yīng)大于電網(wǎng)中最大負(fù)荷、線路損耗和總有功功率備用容量之和,其關(guān)系式為：

式中：PGNi——發(fā)電機(jī)i(i=1,2,3,…,m)的可用

有功功率,kW；

m——系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的總數(shù)；

PLmax——全系統(tǒng)總的最大負(fù)荷,kW；

ΔPmax——全系統(tǒng)的最大有功功率損耗和廠用電,kW；

PR——全系統(tǒng)總有功功率備用容量,kW.

1.2 接入風(fēng)電的電網(wǎng)接納能力計(jì)算

在研究電網(wǎng)的接納風(fēng)電量中,本文主要根據(jù)電網(wǎng)的調(diào)峰能力來計(jì)算電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力.風(fēng)電并網(wǎng)后的調(diào)峰示意圖如圖1所示.

圖1 風(fēng)電并網(wǎng)后的電網(wǎng)調(diào)峰示意

由圖1可知,風(fēng)電并網(wǎng)后,由于風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性和不可預(yù)測性,需要有一定量的備用設(shè)備為其調(diào)峰.

在風(fēng)電并網(wǎng)后,除了常規(guī)發(fā)電機(jī)組外,風(fēng)電在電網(wǎng)中也成為了供電電源的一部分,隨著風(fēng)電場的規(guī)模越來越大,裝機(jī)容量越來越多,并網(wǎng)風(fēng)電在電網(wǎng)中逐漸成為主要的電源.在電網(wǎng)有功功率平衡關(guān)系式中要考慮風(fēng)電因素,由于風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中符合負(fù)調(diào)峰特性,［11］則式(1)變化為：

式中：P'GNi——風(fēng)電加入后常規(guī)機(jī)組的輸出功率, kW；

PWj——電網(wǎng)中接入風(fēng)電的出力,kW.

由于風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)波動性會對電網(wǎng)產(chǎn)生一定影響,要想在負(fù)荷一定的情況下,使電網(wǎng)中的發(fā)電量和負(fù)荷供求平衡,則需要對常規(guī)機(jī)組進(jìn)行調(diào)峰.設(shè)k為常規(guī)機(jī)組的調(diào)峰系數(shù),則調(diào)峰系數(shù)k的表達(dá)式為：［3］

則式(2)可以改寫為：

式(4)就是電網(wǎng)中接納風(fēng)電能力的公式.在電網(wǎng)中風(fēng)電發(fā)生變化后,常規(guī)機(jī)組就開始調(diào)峰,風(fēng)電的出力變化要在常規(guī)機(jī)組的調(diào)峰能力以內(nèi),電網(wǎng)才能正常工作.

2 全國電網(wǎng)中接納風(fēng)電容量的計(jì)算

2.1 調(diào)峰系數(shù)k的確定及調(diào)峰容量的計(jì)算

在關(guān)于全國電網(wǎng)接納風(fēng)電容量的計(jì)算中,采用中國電力企業(yè)聯(lián)合會公布的數(shù)據(jù)(2013年全國全年用電量和裝機(jī)容量)來計(jì)算,全年全社會用電量為5.32×1012kWh.表1為2013年我國發(fā)電裝機(jī)容量和設(shè)備平均利用小時數(shù).

表1 2013年我國裝機(jī)容量和利用小時數(shù)

機(jī)組調(diào)峰系數(shù)k是表征電網(wǎng)火電機(jī)組后夜降出力、參與電網(wǎng)調(diào)峰能力的參數(shù).電網(wǎng)中火電機(jī)組的調(diào)峰能力與接納風(fēng)電量直接相關(guān),小于等于100 MW的機(jī)組調(diào)峰系數(shù)為0.1,150 MW和200 MW機(jī)組調(diào)峰系數(shù)為0.4,大于等于300 MW的機(jī)組調(diào)峰系數(shù)為0.5.［3］設(shè)水電的調(diào)峰系數(shù)為1,且全部用于調(diào)峰.表2為電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)組調(diào)峰能力.

表2 火電發(fā)電機(jī)組調(diào)峰能力

由表2可知,不同的機(jī)組容量其調(diào)峰系數(shù)也不一樣,加權(quán)平均后調(diào)峰系數(shù)k=0.466.2013年底全國總裝機(jī)容量為12.5×108kW,發(fā)電設(shè)備利用小時數(shù)為4 511 h,調(diào)峰總?cè)萘繛槿珖傃b機(jī)容量與調(diào)峰系數(shù)的乘積,即Pz=5.83×108kW.

2.2 系統(tǒng)中最大負(fù)荷的確定

在計(jì)算全網(wǎng)負(fù)荷時,以全年12個月的負(fù)荷最小值作為全國電網(wǎng)負(fù)荷,得出電網(wǎng)中容納風(fēng)電的容量,表3為2013年每個月的平均用電量.

表3 2013年每月平均用電量108kWh

由表3可知,我國總用電量在全國范圍內(nèi)1～2月份平均用電量最低為3.946×1011kWh,平均負(fù)荷為月平均用電量除以時間,則1～2月份平均負(fù)荷為PLmax=5.83×108kW.

2.3 有功功率的備用容量和線路損耗的計(jì)算

在電廠裝機(jī)容量中包含備用容量,負(fù)荷備用容量一般取負(fù)荷的2%～5%,事故備用容量取系統(tǒng)最大負(fù)荷的5%～10%.［11］取電廠的備用容量的最大值,即負(fù)荷備用容量取負(fù)荷的R1=5%,事故備用容量取系統(tǒng)最大負(fù)荷的R2=10%.則總的備用容量為：

廠用電和線路損耗中,輸電網(wǎng)絡(luò)的總有功功率損耗主要是線路和變壓器中的功率損耗,在系統(tǒng)最大負(fù)荷期間約占總有功負(fù)荷的6%～10%.取線路損耗的最大值η=10%.廠用電中,火電廠約為5%～8%,水電廠約為0.1%～1%,核電廠約為4%～5%,則分別取廠用電的最大值.則廠用電和線路損耗的功率為：

式中：Pm——全網(wǎng)火電發(fā)電量；

Ps——全網(wǎng)水電發(fā)電量；

Ph——全網(wǎng)核電發(fā)電量.

在2013年1～2月份中火電發(fā)電量為6.34×1011kWh,水電發(fā)電量為8.2×1010kWh,核電發(fā)電量為1.55×1010kWh,將發(fā)電量除以每月時間得到的平均廠用電和線路消耗功率,帶入式(6)得：

2.4 接納風(fēng)電容量的計(jì)算

由式(7)結(jié)果可知,在不考慮電網(wǎng)線路限制和經(jīng)濟(jì)調(diào)度的條件下,依據(jù)電網(wǎng)調(diào)峰來求得接納風(fēng)電的能力,求出的值約為2.03×108kW,是我國現(xiàn)有并網(wǎng)容量7.72×107kW的2.63倍.

3 風(fēng)電接入電網(wǎng)后的影響分析

為了使風(fēng)電場并入電網(wǎng)后能正常運(yùn)行,人們關(guān)心的主要問題是電力系統(tǒng)的某個節(jié)點(diǎn)能接納風(fēng)電場的最大容量,以及已有電網(wǎng)中允許接入的最大風(fēng)電裝機(jī)比例.電力系統(tǒng)某節(jié)點(diǎn)容納風(fēng)電的容量主要取決于該點(diǎn)的電壓強(qiáng)度,而衡量某節(jié)點(diǎn)電壓強(qiáng)度的指標(biāo)是短路容量.［13］短路電流用I表示,線電壓用U表示,則短路容量為：

在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中,主要有靜態(tài)負(fù)荷模型和動態(tài)負(fù)荷模型兩種.本文采用靜態(tài)負(fù)荷模型來進(jìn)行電網(wǎng)中容納風(fēng)電容量的驗(yàn)證.靜態(tài)負(fù)荷主要由恒阻抗、恒電流、恒功率3部分組成,考慮負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng),［14］則表達(dá)式為：

式中：P0,Q0,U0——額定有功功率、無功功率和電壓；

P,Q,U——給定運(yùn)行條件下實(shí)際有功功率、無功功率和電壓；

a1～a6——負(fù)荷隨電壓變化的系數(shù)；

LP,LQ——頻率變化1%時有功和無功負(fù)荷變化百分?jǐn)?shù).

依據(jù)《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》第10.1條和11.1條,電壓偏差范圍為風(fēng)電場并入網(wǎng)點(diǎn)的電壓正、負(fù)偏差絕對值之和不超過標(biāo)稱電壓的10%.在正常運(yùn)行方式下,其電壓偏差應(yīng)在標(biāo)稱電壓的-3%～+7%.風(fēng)電場的閃變值滿足GB/T12326的規(guī)定,諧波值滿足GB/T14549的規(guī)定,三相電壓不平衡度滿足GB/T15543的規(guī)定.

風(fēng)電場接入電網(wǎng)后,風(fēng)電場應(yīng)在電力系統(tǒng)頻率范圍內(nèi)按規(guī)定運(yùn)行,如表4所示.［15］

表4 風(fēng)電場在不同頻率范圍內(nèi)的運(yùn)行規(guī)定

自然功率又稱為波阻抗負(fù)荷,是表示輸電線路輸電特性的一個特征參量,用以估計(jì)超高壓線路的運(yùn)行特性.特高壓線路和高壓線路的自然功率相差很大.1 100 kV線路的自然功率約為5 280 MW, 500 kV線路的自然功率約為920MW,220 kV線路的自然功率約為175 MW.［15］

未來我國電網(wǎng)朝著特高壓電網(wǎng)發(fā)展,“三華”地區(qū)是我國電力負(fù)荷中心,將構(gòu)建“三華”特高壓同步電網(wǎng).在這個電網(wǎng)中有顯著的錯峰、降低峰谷差,以及充分利用水電調(diào)節(jié)的能力,有利于提高風(fēng)電的消納能力.預(yù)計(jì)2020年在“三華”地區(qū)特高壓電網(wǎng)消納風(fēng)電的能力約為1.03×108kW.［1］我國2013年電廠總裝機(jī)容量為1.25×109kW,按照我國電網(wǎng)消納風(fēng)電比例,求出容納風(fēng)電能力約為1.29×108kW,是現(xiàn)有風(fēng)電并網(wǎng)容量的1.67倍.在不考慮電網(wǎng)穩(wěn)定性的情況下,依據(jù)電網(wǎng)中的供需平衡和發(fā)電機(jī)組調(diào)峰能力計(jì)算出電網(wǎng)容納風(fēng)電能力為2.03×108kW,考慮電網(wǎng)穩(wěn)定性后,對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正,最終得到電網(wǎng)容納風(fēng)電能力為1.29×108kW,減少了7.40×107kW的容量.

4 限制風(fēng)電并網(wǎng)容量的因素分析及建議

根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果可知,限制風(fēng)電并網(wǎng)容量的因素主要有發(fā)電機(jī)組的調(diào)峰能力和用電負(fù)荷,以及風(fēng)電場的接入點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)調(diào)度等.

由式(4)可知,增加電網(wǎng)中的用電負(fù)荷可以增加風(fēng)電接入電網(wǎng)的容量.我國風(fēng)電場主要集中在偏遠(yuǎn)地區(qū),該地區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷量小,這將限制風(fēng)電的并網(wǎng)容量.風(fēng)電的遠(yuǎn)距離輸送是我國風(fēng)力發(fā)電的主要現(xiàn)狀,為提高風(fēng)電并入電網(wǎng)容量,可以使風(fēng)電在接入電網(wǎng)的局部地區(qū)就地消納,消納不了的電量通過電網(wǎng)中的聯(lián)絡(luò)線外送其他地區(qū)電網(wǎng),這樣就等同于風(fēng)電場接入電網(wǎng)的負(fù)荷在增加,提高了風(fēng)電的并網(wǎng)容量.并入電網(wǎng)的風(fēng)電場呈分散式也將提高電網(wǎng)容納風(fēng)電的容量,其優(yōu)勢在于就地消納性高,這將為建設(shè)風(fēng)電場和風(fēng)電并網(wǎng)提供很好的借鑒作用.

在電網(wǎng)中,由于不同類型和不同容量的發(fā)電設(shè)備有不同的調(diào)峰能力,大容量機(jī)組調(diào)峰能力優(yōu)于小容量機(jī)組,水力發(fā)電廠發(fā)電啟停方便,可快速參與電網(wǎng)調(diào)峰,且調(diào)峰能力大于一般火電廠,因此應(yīng)大量建設(shè)調(diào)峰能力強(qiáng)的調(diào)峰機(jī)組,提高電網(wǎng)的調(diào)峰能力來滿足調(diào)峰需求.在研究電網(wǎng)調(diào)峰分配問題上,一些研究者用風(fēng)力發(fā)電量的多少來指導(dǎo)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度.［16-17］

采取有效的調(diào)度方式,對增大電網(wǎng)中風(fēng)電容量至關(guān)重要.在市場機(jī)制作用下,參與調(diào)峰的發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益將不能最大化,應(yīng)該制定相應(yīng)的調(diào)峰權(quán)和調(diào)峰權(quán)交易規(guī)則,［18］使參與調(diào)峰電廠能夠在不滿發(fā)的情況下得到一定的政府補(bǔ)助,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電并入電網(wǎng)的最大化.在解決上述問題后,我國電網(wǎng)接納風(fēng)電能力將大大提高,新能源的利用比例也將增大,可適當(dāng)緩解能源危機(jī),改善環(huán)境問題.

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)我國2013年供電數(shù)據(jù),考慮電網(wǎng)中供需平衡關(guān)系和發(fā)電機(jī)組調(diào)峰能力,計(jì)算出我國現(xiàn)有電網(wǎng)中可以容納風(fēng)電容量為1.29×108kW,仍可增加67.19%的風(fēng)電并網(wǎng)容量,風(fēng)電發(fā)展仍有很大潛力.

(2)提高電網(wǎng)接納風(fēng)電能力的措施有：在電網(wǎng)中建設(shè)調(diào)峰能力強(qiáng)的發(fā)電機(jī)組,并對參與調(diào)峰的機(jī)組進(jìn)行合理調(diào)度；增加電網(wǎng)中的用電負(fù)荷和加強(qiáng)聯(lián)絡(luò)線的通電能力建設(shè),將偏遠(yuǎn)地區(qū)風(fēng)電輸送到負(fù)荷大的地區(qū)；將風(fēng)電場分散接入電網(wǎng),有助于提高電網(wǎng)消納風(fēng)電的能力.

(3)在風(fēng)電并網(wǎng)中,大規(guī)模發(fā)電機(jī)組參與調(diào)峰勢必帶來不合理的經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題,由于不能使發(fā)電企業(yè)虧損,因此要對各個發(fā)電企業(yè)的調(diào)峰合理分配,并給予適當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)補(bǔ)償.

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(編輯 白林雪)

Research on M aximum W ind Power Capacity Integrated Into Power Grids and Corresponding Countermeasures in China

WANG Longhui1,LIYongguang1,ZHOU Lü2,MA Xinxia1,ZHANG Lihua1
(1.Shanghai University of Electric Power,Shanghai200090,China；2.State Grid Hangzhou Power Supply Company,Hangzhou310009,China)

A method based on the supply-demand balance and peak load regulation of power grid impacted by thermal power,hydropower and nuclear power,is used to calculate themaximum wind power capacity that the power system can accept in working condition.The result is reliable for its method that both gurantees the balance of power grid load and avoids excessive power output.The w ind power capacity that can be integrated into power grids is 2.03×108kW in 2013,which is reduced to 1.29×108kW considering the safety of power grid,still larger than the existing w ind power capacity 7.72×107kW,indicating that China′sw ind power development has a large potential.

w ind power integration；capacity；peak load regulation；econom ic compensation

TK89；TM 76

A

1006-4729(2015)05-0487-05

10.3969/j.issn.1006-4729.2015.05.019

2015-04-28

李永光(1957-),男,博士,教授,湖南長沙人.主要研究方向?yàn)轱L(fēng)能的利用.E-mail：liyongguang@ shiep.edu.cn.

上海市科學(xué)技術(shù)委員會資助地方能力建設(shè)項(xiàng)目(12250501000).