張鴻鵠，張剛，韓永軍，杜培東，鄭晶晶，岳林

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司渭源縣供電局，甘肅定西748200;2.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅蘭州730050)

大規(guī)模新能源并網(wǎng)后用戶參與調(diào)峰及系統(tǒng)仿真

張鴻鵠1，張剛2，韓永軍2，杜培東2，鄭晶晶2，岳林2

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司渭源縣供電局，甘肅定西748200;2.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅蘭州730050)

大規(guī)模新能源并網(wǎng)后，對電網(wǎng)形成巨大的沖擊，隨之出現(xiàn)諸多問題，如棄風棄光電量不斷增長、調(diào)峰缺口不斷增大，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定形成隱患，同時也形成一種資源浪費。面對這些問題，嘗試從高載能企業(yè)出發(fā)，建立大規(guī)模新能源并網(wǎng)后高載能用戶參與調(diào)峰的分析模型，包括調(diào)峰需求能力評估模型、調(diào)峰能力評估模型、調(diào)峰缺口計算方法、高載能調(diào)峰分析模型，并針對甘肅典型高載能企業(yè)進行實例計算和分析?；诰C合集成平臺，采用組件搭建方式構建了大規(guī)模新能源并網(wǎng)后高載能用戶參與調(diào)峰的仿真系統(tǒng)，對高載能調(diào)峰結(jié)果進行仿真，結(jié)果表明，高載能具有很大的調(diào)峰能力，通過引入高載能進行調(diào)峰，可以很大程度上增加電網(wǎng)對新能源的消納能力，為高載能消納新能源提供了前期探索經(jīng)驗。

新能源;調(diào)峰;高載能;綜合集成平臺;系統(tǒng)仿真

0 引言

我國能源問題與環(huán)境問題日漸突出，開發(fā)利用可再生能源、減少化石能源消耗，成為能源戰(zhàn)略的重要組成部分。作為新能源的一支潛力股，風電的發(fā)展可謂是如火如荼。截至2013年全國風力發(fā)電新

增裝機達1610萬kW，累計裝機容量已超過9000萬kW。根據(jù)可再生能源發(fā)展規(guī)劃，在內(nèi)蒙古、甘肅、新疆、河北、吉林和江蘇等風能資源豐富地區(qū)建成8個千萬千瓦級風電基地。

甘肅地處黃土高原、青藏高原和內(nèi)蒙古高原三大高原的交匯地帶，其獨特的地形地貌及氣候特點，造就了其得天獨厚的風電和光電資源。甘肅風能資源總儲量23.7億kW，占全國總儲量的7.3%，技術可開發(fā)量4億kW，占全國的10.6%。

截至2013年底，甘肅省電風機累計裝機容量達到709萬kW。具有豐富風能資源的酒泉風電基地位于河西走廊，是我國規(guī)劃建設的第一座千萬千瓦級可再生能源示范基地，也是國家繼西氣東輸、西油東輸、西電東送和青藏鐵路之后，西部大開發(fā)的又一標志性工程。2014年底河西風電裝機容量已達到1007萬kW，可再生能源規(guī)模呈逐年快速增長態(tài)勢。

在風電熱火朝天建設的同時，諸多問題也隨之暴露出來。據(jù)相關統(tǒng)計［1］，2012年全國棄風電量約200億kW時，北方部分省區(qū)棄風比例超過25%。由中國循環(huán)經(jīng)濟協(xié)會可再生能源專業(yè)委員會等單位編寫發(fā)布的《2014中國風電發(fā)展報告》中指出，2013年，我國風力發(fā)電上網(wǎng)電量約1350億(kW·h)，連續(xù)第二年成為繼火電、水電之后的第三大電源。殊不知，還有多達162億(kW·h)無法消納的棄風電量，約占風力發(fā)電總量的10%。甘肅風電基地作為西北的“陸上三峽”，2013年棄風率達到20.65%，如此巨大的棄風量，不僅給發(fā)電企業(yè)造成巨大損失，也是國家新能源投資中的一種浪費。就甘肅而言，棄風問題的主要原因可以歸結(jié)為以下幾個方面［2］:風電出力的隨機性和波動性較大，從技術經(jīng)濟角度被視為劣質(zhì)能源，受端電網(wǎng)普遍對外送負荷特性存在疑慮，使得風電外送存在阻力;外送通道容量目前還不夠;酒泉風電基地處于電網(wǎng)末端，距離任一負荷中心距離都在1000km以上，考慮到網(wǎng)絡損耗、輸電成本以及風電上網(wǎng)電價，在終端市場價格競爭力有限;調(diào)峰能力有限，處于供不應求狀態(tài)。

從甘肅風電當前發(fā)展角度出發(fā)，只有最大程度的消納現(xiàn)有的風電，才能將損失降至最低;從風電發(fā)展的長遠角度出發(fā)，必須將風電送出去，才能解決棄風問題。風電具有反調(diào)峰特性［3］，無論是本地消納還是風電送出，必須有足夠的調(diào)峰能力，調(diào)峰能力不足，無法并網(wǎng)，也會給電網(wǎng)安全和穩(wěn)定造成隱患;調(diào)峰能力不足，風電也很難送出去。

甘肅省高載能產(chǎn)業(yè)主要包括電解鋁、碳化硅、鐵合金等，現(xiàn)已具備一定規(guī)模，具備加快發(fā)展的工業(yè)基礎，絕大部分高載能負荷用戶采用330/750kV高壓直供用電模式。2014年底，如果僅考慮河西電網(wǎng)750kV直供的大容量集中接入的高載能負荷，則以750kV敦煌變電站為風光電集群點的碳化硅負荷將達到130萬kW，以750kV酒泉變電站為風光電集群點的電解鋁/鐵合金負荷將達到310萬kW，合計440萬kW。如此大容量的高載能負荷如果具備調(diào)節(jié)潛力，在可再生能源大發(fā)期間提高負荷功率，將可以顯著提高可再生能源的消納能力。

正常運行情況下，高載能負荷在額定負荷水平運行。實際生產(chǎn)調(diào)節(jié)記錄表明，電解鋁負荷可按照電解槽進行離散投退，同時還具有在90%～100%范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)節(jié)能力;碳化硅可按照煉硅爐進行離散投退，同時還具有在80%～120%范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)節(jié)能力。

綜上所述，大規(guī)模新能源并網(wǎng)后，電網(wǎng)調(diào)峰缺口增大，難以消納現(xiàn)有新能源。而高載能企業(yè)既具有調(diào)峰能力，又具有新能源的消納能力，且符合就地消納原則。因此，高載能用戶參與新能源調(diào)峰與消納是可行的。本文基于上述論證結(jié)果，研究大規(guī)模新能源并網(wǎng)后，用戶未參與及用戶參與兩種條件下，電網(wǎng)調(diào)峰缺口的變化過程，計算用戶參調(diào)峰的能力，并基于知識可視化綜合集成平臺，以組件搭建的方式構建用戶參與的調(diào)峰仿真系統(tǒng)，對高載能用戶參與新能源調(diào)峰進行仿真，驗證用戶參與調(diào)峰的可行性和有效性。

1 大規(guī)模新能源并網(wǎng)后用戶參與調(diào)峰的分析模型建立

大規(guī)模新能源并網(wǎng)后，調(diào)峰缺口發(fā)生變化，高載能用戶參與調(diào)峰后，調(diào)峰缺口再次發(fā)生變化。對此進行分析，首先應對調(diào)峰需求進行評估，然后對現(xiàn)有的調(diào)峰能力進行評估，通過兩者的評估結(jié)果計算調(diào)峰缺口，然后計算高載能的調(diào)峰能力，再次計算調(diào)峰缺口，對比前后調(diào)峰缺口的變化，驗證高載能參與電網(wǎng)調(diào)峰的有效性。

1.1 調(diào)峰需求評估模型

在大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)的條件下，電網(wǎng)的調(diào)峰需求在考慮常規(guī)條件下負荷峰谷差的基礎上，還要受到新能源并網(wǎng)之后出力特性的影響，其中包括風電出力的反調(diào)峰特性和光伏發(fā)電出力的正調(diào)峰特性。調(diào)峰需求評估模型如下:

式中:Preq為調(diào)峰需求量;PLmax、PLmin分別為最大負荷和最小負荷;Pwind為風電出力;Ppv為光伏出力;k為系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用率，取15%。

1.2 調(diào)峰能力評估模型

在不考慮負荷側(cè)參與調(diào)峰的條件下，電力系統(tǒng)中常規(guī)電廠的調(diào)峰主要包含兩方面，即火電廠和水電廠的調(diào)峰能力?；痣姀S的安全下限，一般在60%～70%，火電廠的調(diào)節(jié)能力模型如下:

水電廠的調(diào)節(jié)能力較強，安全下限很低，而且啟停調(diào)節(jié)的速度很快，也不需要額外的費用。其調(diào)節(jié)能力模型如下:

則整個系統(tǒng)的調(diào)峰容量Pbalance就是所有火電機組的調(diào)峰容量與水電機組的調(diào)峰容量之和:

1.3 新能源發(fā)電并網(wǎng)調(diào)峰缺口計算方法

調(diào)峰缺口實際上就是考慮了新能源并網(wǎng)的調(diào)峰需求與電力系統(tǒng)常規(guī)調(diào)峰的調(diào)峰容量之差，根據(jù)以上研究內(nèi)容可以得出調(diào)峰缺口Prne的表達式為:

1.4 考慮高載能用戶參與的調(diào)峰效果量化

據(jù)高載能負荷特性，高載能負荷可以在系統(tǒng)存在調(diào)峰缺口時調(diào)節(jié)其負荷功率，從而參與系統(tǒng)調(diào)峰。本文主要考慮電解鋁和碳化硅以及鐵合金這三種典型高載能負荷的負荷調(diào)節(jié)特性。三種高載能負荷的負荷調(diào)節(jié)特性均可近似用以下負荷模型表示:

對于電解鋁廠，其負荷母線電壓調(diào)整的極限值為0.1p.u.，根據(jù)電解鋁負荷調(diào)節(jié)特性，其有功功率最多可以調(diào)整到其額定的(100－a)%，調(diào)節(jié)能力為a%。

對于碳化硅廠，其負荷母線電壓調(diào)整的極限值為0.11p.u.計算，其有功功率最多可以調(diào)整到其額定的(100－b)%，調(diào)節(jié)能力為b%。

同樣的方法，按照鐵合金負荷的母線電壓調(diào)整的極限值為0.11p.u.計算，其有功功率最多可以調(diào)整到其額定的(100－c)%，調(diào)節(jié)能力為c%。

因此，3種高載能負荷的日內(nèi)調(diào)節(jié)能力可以表示為:

定義1（敏感話題（ST））系統(tǒng)提供的可能涉及到個人隱私的話題，這些內(nèi)容是關于用戶個人信息的，當被他人得到將有可能會濫用并影響到用戶。

如果考慮碳化硅和鐵合金負荷日前啟停計劃，這兩種負荷的調(diào)節(jié)范圍為100%。因此，高載能負荷的日前調(diào)峰能力為:

那么，高載能負荷的總的調(diào)峰能力Preg就是日內(nèi)調(diào)節(jié)能力和日前啟停能力之和，表達式如下:

如果該調(diào)節(jié)能力大于系統(tǒng)的調(diào)峰缺口，則表明在高載能負荷參與下，系統(tǒng)具備足夠的調(diào)峰能力應對負荷波動和新能源的出力波動。

2 應用實例

通過對甘肅酒泉風電基地出力特性和甘肅電網(wǎng)負荷特性分析，根據(jù)大規(guī)模新能源發(fā)電并網(wǎng)調(diào)峰缺口理論及估算方法，分析計算甘肅酒泉風電接入引起的調(diào)峰缺口和變化規(guī)律。

2.1 常規(guī)調(diào)峰措施下的甘肅電網(wǎng)調(diào)峰分析

(1)調(diào)峰需求分析

根據(jù)調(diào)峰需求評估模型，將2011年甘肅電網(wǎng)調(diào)峰情況代入公式(1)中，可得出2011年全年12個月對應的調(diào)峰需求量，計算結(jié)果如表1所示。

表1 甘肅電網(wǎng)2011年各月份調(diào)峰需求計算結(jié)果萬kW

(2)調(diào)峰能力分析

水電調(diào)峰能力分析:2011年甘肅電網(wǎng)水電裝機容量5275MW，除黃河、白龍江梯級水電具備調(diào)峰能力外，其余約1780MW小水電均為徑流式水電站，基本不具備調(diào)峰能力。但水電受來水、防凌、下游灌溉用水等因素的影響，全年調(diào)峰能力差異較大。

火電調(diào)峰能力分析如下:2011年甘肅電網(wǎng)火電裝機容量為13800MW，其中供熱電廠裝機容量為3495MW，在供熱期，供熱機組需要維持基本出力，調(diào)峰能力很小。

在分析全網(wǎng)調(diào)峰能力時，按照全網(wǎng)發(fā)用電基本平衡、火電機組40%調(diào)峰能力、全網(wǎng)峰谷差按照最大及平均分別考慮、風電機組按照電網(wǎng)送出能力在低谷時段大發(fā)、高峰時段全停，高峰期間火電旋轉(zhuǎn)備用容量按600MW考慮。

根據(jù)對甘肅電網(wǎng)調(diào)峰能力分析情況可以看出:甘肅電網(wǎng)風電大量并網(wǎng)后，在低谷期風電大發(fā)，高峰期間風電全停方式下，甘肅電網(wǎng)調(diào)峰能力不能滿足電網(wǎng)調(diào)峰需要。在風電反調(diào)峰2000MW左右時，全網(wǎng)調(diào)峰能力可以滿足電網(wǎng)調(diào)峰需要。

將2011年該電網(wǎng)調(diào)峰情況代入公式(4)中，可得出2011年全年12個月對應的調(diào)峰需求量，計算結(jié)果如表2所示。

(3)調(diào)峰缺口分析

根據(jù)式(5)計算調(diào)峰缺口如表3所示。

表2 常規(guī)調(diào)峰措施下電網(wǎng)調(diào)峰能力計算結(jié)果萬kW

表3 常規(guī)調(diào)峰措施下電網(wǎng)調(diào)峰缺口計算結(jié)果萬kW

通過調(diào)峰缺口的計算可以看出，有大規(guī)模新能源接入的甘肅省電網(wǎng)，由于風電的反調(diào)峰特性，使得其調(diào)峰壓力變大，常規(guī)的調(diào)峰措施并不能夠滿足系統(tǒng)的調(diào)峰需求。

這時，如果通過用戶需求側(cè)響應，降低低谷負荷時的電價，鼓勵高載能企業(yè)參與電網(wǎng)調(diào)峰，就可以有效改善電網(wǎng)負荷特性，降低系統(tǒng)調(diào)峰容量的要求，提高風電接納能力。

2.2 高載能負荷參與調(diào)峰效果量化

以甘肅河西電網(wǎng)750kV酒泉變電站為上網(wǎng)點的酒鋼公司的電解鋁/鐵合金負荷及以750kV敦煌變電站為上網(wǎng)點的三新硅公司的碳化硅為測試對象，研究其電壓特性系數(shù)。

經(jīng)過測試，所研究的電解鋁負荷的電壓特性系數(shù)取1.78;鐵合金和碳化硅負荷的電壓特性系數(shù)取2.03。我們假設甘肅地區(qū)所有電解鋁、鐵合金、碳化硅負荷總的額定功率分別為1750MW、500MW、500MW。

則根據(jù)式(6)可以求得三種負荷的調(diào)節(jié)能力為:PAl=2070MW，PSi=618MW，PFe=618MW。

對于電解鋁廠，其負荷母線電壓調(diào)整的極限值為0.1p.u.，根據(jù)電解鋁負荷調(diào)節(jié)特性，其有功功率最多可調(diào)整到額定的82.7%，調(diào)節(jié)能力17.3%。對于碳化硅和鐵合金，按照其電壓調(diào)整的極限值為0.11p.u.計算，其有功功率最多可以調(diào)整到其額定的81.0%，調(diào)節(jié)能力為19%。

代入式(7～9)得到，Pregu=593MW，Pregf= 1594MW，從而Preg=2187MW。

根據(jù)2011年該電網(wǎng)各月份調(diào)峰情況，將上面求得的高載能負荷總的調(diào)峰容量考慮到系統(tǒng)調(diào)峰之中，可以計算得到計及高載能調(diào)峰的調(diào)峰缺口如表4所示。

表4 計及高載能調(diào)峰的調(diào)峰缺口萬kW

從表4中可以看出，加入了高載能調(diào)峰之后，系統(tǒng)的調(diào)峰缺口減小了很多或變成了負值，說明在大規(guī)模新能源并網(wǎng)的條件下，高載能負荷可以參與系統(tǒng)調(diào)峰并明顯改善調(diào)峰效果。

3 基于綜合集成平臺的調(diào)峰系統(tǒng)仿真

大規(guī)模新能源并網(wǎng)后的用戶參與調(diào)峰需要一個靈活的仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)和功能模塊可能隨時變動。因此，本文采用基于綜合集成平臺的組件搭建仿真系統(tǒng)［4－5］來對調(diào)峰應用進行仿真。

系統(tǒng)的實現(xiàn)主要包括以下幾個步驟:

(1)數(shù)據(jù)集成。對電網(wǎng)調(diào)峰數(shù)據(jù)進行集成，主要包括水電數(shù)據(jù)、火電數(shù)據(jù)、風電數(shù)據(jù)、光伏發(fā)電數(shù)據(jù)、電網(wǎng)數(shù)據(jù)、高載能數(shù)據(jù)和其他輔助數(shù)據(jù);

(2)業(yè)務應用模塊劃分。主要包括水電調(diào)峰能力計算模塊、火電調(diào)峰能力計算模塊、電網(wǎng)調(diào)峰需求計算模塊、電網(wǎng)調(diào)峰缺口計算模塊、高載能調(diào)峰能力計算模塊，采用java語言對這些模塊進行實現(xiàn);

(3)組件的封裝。采用組件技術、Web Service技術和SOA架構將前述的調(diào)峰數(shù)據(jù)和業(yè)務應用模塊封裝成相對獨立的組件，并對組件進行分類，入庫成為組件庫;

(4)在UDDI上對組件庫進行注冊，并發(fā)布，形成可以共享應用服務;

(5)在綜合集成平臺之上，繪制大規(guī)模新能源并網(wǎng)后用戶參與的調(diào)峰應用流程知識圖，并從組件庫定制對應的組件，添加至知識圖，形成仿真系統(tǒng)，點擊每個組件即可運行。

從系統(tǒng)仿真界面中可以看出，調(diào)峰能力遠不能滿足調(diào)峰需求，需要增加電網(wǎng)的調(diào)峰能力。通過加入高載能企業(yè)進行調(diào)峰，從而減小調(diào)峰缺口。通過用戶參與調(diào)峰后，調(diào)峰缺口大大較小，已經(jīng)有剩余調(diào)峰能力，說明高載能企業(yè)參與調(diào)峰，就地消納新能源，能大大緩解電網(wǎng)調(diào)峰壓力。

4 結(jié)語

大規(guī)模新能源并網(wǎng)后，電網(wǎng)出現(xiàn)諸多問題，如棄風棄光電量增加、電網(wǎng)調(diào)峰能力不足。針對這些問題，對高載能企業(yè)進行分析，認為高載能企業(yè)具有一定的調(diào)峰能力和對新能源的消納能力，并對此結(jié)論進行驗證。建立考慮高載能消納的電網(wǎng)調(diào)峰分析模型，并采用模型對電網(wǎng)需求能力、電網(wǎng)調(diào)峰能力、高載能調(diào)峰能力進行評估，計算新能源并網(wǎng)后高載能參與調(diào)峰的調(diào)峰缺口變化規(guī)律。基于綜合集成平臺，采用組件技術、Web Service技術和SOA架構對調(diào)峰應用進行封裝，成為組件庫，并采用組件搭建的方式構建調(diào)峰仿真系統(tǒng)。應用該系統(tǒng)對調(diào)峰結(jié)果進行仿真，結(jié)果表明，大規(guī)模新能源并網(wǎng)后，調(diào)峰缺口增大，而通過高載能用戶參與調(diào)峰，可以大大提高電網(wǎng)調(diào)峰能力，減小調(diào)峰缺口，為高載能用戶參與電網(wǎng)調(diào)峰提供了可以借鑒的經(jīng)驗。

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［3］Goransson L.Johnsson J F.Large scale integration of wind power moderating thermal power plant cycling［J］.Wind Energy Conversion，2004，19(3):641－646.

［4］張剛，劉福潮，解建倉，等.高耗能企業(yè)能效評價系統(tǒng)開發(fā)及應用［J］.電力信息與通信技術，2014(2):69－73.

［5］楊列鑾，張剛，王維洲，等.水電廠能效評估研究及系統(tǒng)開發(fā)［J］.電力信息與通信技術，2014(10):95－99.

Users take part in peak load regulating and system simulation under circumstances of large－scale new energy grid

Large－scale new energy integration forms the huge impact for power grid，and many problems emerges，such as power of discarding wind and light increasing，the peak shaving gap growing，the problems brings risks for grid security and stability，but also forms a waste of resources.Faced with these problems，it attempts to start from the high energy enterprises to establish the peaking analysis model involved by high energy consuming users after the new energy integration，including the peaking need capacity assessment model，peaking assessment model，peaking gap calculation method，high energy consuming peak analysis model，and the paper takes the Gansu typical high energy consuming enterprises examples to calculate and analyze.Based on the comprehensive integration platform，using component to build the simulation system participated by high energy consuming users after the new energy integration，so as to simulate the peaking result.The result shows that high energy has great peaking capacity，and it largely increases the grid absorbability for new energy through the introduction of high energy consuming to peak，meanwhile it provides a preliminary exploration experience for high energy consuming absorbing new energy.

new energy;peak load regulating;high energy consuming trade;comprehensive integrated platform;system simulation

TK81

B

1674－8069(2015)04－001－05

2015-04-08;

2015-05-24

張鴻鵠(1965-)，男，甘肅蘭州人，工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度研究工作。E－mail:zhanggang3463003@163.com

中國博士后科學基金面上資助項目(2014M552556XB);國家電網(wǎng)公司科技項目(52272214002W;52272214002W;52272214002B)