張 穎,鄭惠萍,劉愈倬
(1.華北電力大學(xué),北京 102206;2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院,山西 太原 030001)
基于多約束條件的山西電網(wǎng)風(fēng)電消納能力研究
張 穎1,鄭惠萍2,劉愈倬2
(1.華北電力大學(xué),北京 102206;2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院,山西 太原 030001)
由于風(fēng)電具有間歇性和反調(diào)峰性,其大規(guī)模接入電網(wǎng)將增大系統(tǒng)調(diào)峰能力的需求。隨著山西電網(wǎng)中風(fēng)電的比例不斷增加,冬季后夜棄風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重。通過(guò)分析制約山西電網(wǎng)接納風(fēng)電的主要因素,以2015年山西電網(wǎng)為例進(jìn)行仿真計(jì)算,提出提高山西電網(wǎng)風(fēng)電消納能力的措施。
風(fēng)力發(fā)電;調(diào)峰能力;消納能力;山西電網(wǎng)
山西電網(wǎng)2015年度預(yù)計(jì)投產(chǎn)、擴(kuò)建風(fēng)電場(chǎng)38座,容量283.1萬(wàn)kW,風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到809.2萬(wàn)kW。由此看來(lái),這將對(duì)山西省消納風(fēng)電的能力提出更高的要求。冬季是山西省風(fēng)電大發(fā)季節(jié),目前山西電網(wǎng)風(fēng)電消納困難的問(wèn)題主要在冬季,受制因數(shù)主要為火電機(jī)組調(diào)峰能力和北部電網(wǎng)送出能力,預(yù)計(jì)2015年冬季后夜山西省風(fēng)電發(fā)生棄風(fēng)的概率將顯著增加。
目前,山西電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)電場(chǎng)44座,具備穩(wěn)定生產(chǎn)能力的風(fēng)電容量為396.14萬(wàn)kW,占省調(diào)直調(diào)裝機(jī)8.1%,已經(jīng)超過(guò)水電躍居全省第二大電源,進(jìn)入全國(guó)前十位風(fēng)電大省行列。山西并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)近90%集中在山西北部大同、朔州、忻州三個(gè)地區(qū),形成了山西風(fēng)電“小三北”的格局,“小三北”地區(qū)火電裝機(jī)容量2 300萬(wàn)kW,需通過(guò)遠(yuǎn)距離輸送才能到達(dá)用電負(fù)荷相對(duì)集中的地區(qū)給予消納,這進(jìn)一步增加了山西省北部電源點(diǎn)相對(duì)集中的電網(wǎng)壓力,造成了非常嚴(yán)峻的調(diào)控局面。
2.1 火電機(jī)組調(diào)峰能力約束
山西風(fēng)電集中建設(shè)的“小三北”地區(qū)正是全省北部高寒地帶。冬季氣候寒冷,供熱期可達(dá)5個(gè)半月,風(fēng)電機(jī)組的冬季大發(fā)期與火電機(jī)組的冬季供熱期時(shí)間重疊。山西電網(wǎng)調(diào)峰主要由省調(diào)火電機(jī)組承擔(dān),電源結(jié)構(gòu)燃煤火電機(jī)組占有絕對(duì)主導(dǎo)地位。目前省調(diào)機(jī)組中供熱機(jī)組容量達(dá)到1 825萬(wàn)kW,占火電裝機(jī)的46.4%。隨著國(guó)家城鎮(zhèn)化建設(shè)的逐步推進(jìn)和對(duì)環(huán)保的重視程度不斷提高,近年來(lái)投產(chǎn)的30萬(wàn)kW級(jí)機(jī)組多數(shù)為熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目,火電機(jī)組中供熱機(jī)組的比例還在逐年提高。山西省火電廠規(guī)劃設(shè)計(jì)中要求在非供熱期機(jī)組調(diào)峰范圍應(yīng)能達(dá)到機(jī)組額定容量的60%以上,實(shí)際運(yùn)行中受到環(huán)境、設(shè)備及鍋爐穩(wěn)燃等因素的影響,非供熱期機(jī)組的調(diào)峰能力在40%~50%之間;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(kāi)情況下,電網(wǎng)的調(diào)峰壓力巨大,將會(huì)引起嚴(yán)重棄風(fēng)現(xiàn)象。
2.2 北部電網(wǎng)外送能力約束
山西北部電網(wǎng)是重要的電力送出基地,2015年裝機(jī)容量將超過(guò)2 400萬(wàn)kW,用電負(fù)荷僅有510萬(wàn)kW左右,需要通過(guò)北電南送通道(忻侯雙+朔云線)和西電東送通道輸送大量電力?;?015年電網(wǎng)結(jié)構(gòu),根據(jù)西龍池抽水蓄能電站機(jī)組和軒崗電廠不同開(kāi)機(jī)方式,計(jì)算得到北送極限潮流北部斷面輸送極限約為430萬(wàn)~490萬(wàn)kW,山西北部電網(wǎng)窩電720萬(wàn)~880萬(wàn)kW。由計(jì)算可知,西龍池抽水蓄能電站機(jī)組開(kāi)機(jī)越多,北部斷面輸送極限越小。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(wèn)題,西龍池4臺(tái)機(jī)組不能充分發(fā)揮其調(diào)峰作用,從而在一定程度上約束風(fēng)電送出。
3.1 風(fēng)電接納能力的計(jì)算方法
接納風(fēng)電Pwind計(jì)算公式如下。
式中,λ為最小負(fù)荷率;Plmax為高峰負(fù)荷;PLoss為電網(wǎng)損耗;PPlant為電廠的廠用電;βw、βa、βt分別是系統(tǒng)開(kāi)機(jī)的水電機(jī)組、空冷火電機(jī)組、熱電機(jī)組等不同類型機(jī)組的最小技術(shù)出力率;PGmax,w、PGmax,a、PGmax,t分別是不同類型機(jī)組在當(dāng)前開(kāi)機(jī)方式安排下的最大出力;PTran是互聯(lián)電網(wǎng)的互濟(jì)調(diào)峰能力。
從公式(1)可看出,最小負(fù)荷率λ、各種類型機(jī)組的最小技術(shù)出力率大小β將影響到風(fēng)電的接納能力。對(duì)于同樣容量的峰荷Plmax,最小負(fù)荷率λ越大,接納風(fēng)電容量越多;對(duì)于不同類型機(jī)組同樣的開(kāi)出出力前提下,最小技術(shù)出力率β越小,接納風(fēng)電容量越多;如果能充分發(fā)揮互聯(lián)電網(wǎng)的調(diào)峰互濟(jì)能力,即PTran越大接納風(fēng)電容量也將變大。
3.2 2015年風(fēng)電接納能力
根據(jù)山西電網(wǎng)近年來(lái)實(shí)際運(yùn)行情況,冬季用電負(fù)荷的峰谷差率正常在20%~23%;考慮外送京津唐電力峰谷差為50%,約120萬(wàn)kW;送特高壓電力按照峰谷差90萬(wàn)kW考慮(高峰300萬(wàn)kW、低谷210萬(wàn)kW);目前計(jì)算中采取供熱機(jī)組在冬季供熱期調(diào)峰能力為15%,非供熱機(jī)組調(diào)峰能力在50%左右,然后按照省調(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)峰能力取33%。
山西電網(wǎng)可調(diào)節(jié)水電機(jī)組萬(wàn)家寨和龍口電廠,按照各開(kāi)2臺(tái)機(jī)組考慮,可以提供56萬(wàn)kW的調(diào)峰能力。風(fēng)電出力按照高峰0,低谷60%考慮;考慮高峰負(fù)荷期間100萬(wàn)kW旋備,低谷下旋100萬(wàn)kW;受北部電網(wǎng)外送能力限制,調(diào)用西龍池抽水蓄能電站按照高峰開(kāi)2臺(tái),低谷1臺(tái)抽水的方式分析對(duì)風(fēng)電接納能力的影響;不計(jì)廠用電和網(wǎng)損。
經(jīng)計(jì)算分析可知,考慮西龍池參與調(diào)峰,2015年山西電網(wǎng)風(fēng)電接納能力為371.03萬(wàn)kW,不能滿足預(yù)計(jì)809.2萬(wàn)kW風(fēng)電全額接納需求,僅能消納45.9%的接入容量。
3.3 通過(guò)降低循環(huán)流化床機(jī)組的最小技術(shù)出力來(lái)接納風(fēng)電
火電機(jī)組的常規(guī)調(diào)峰能力在機(jī)組額定容量的40%~50%之間,極端情況下深度調(diào)峰可達(dá)機(jī)組額定容量的50%以上,不過(guò)在深度調(diào)峰時(shí)鍋爐燃燒不穩(wěn),需要投油助燃。與煤粉爐相比,循環(huán)流化床機(jī)組的最低穩(wěn)燃負(fù)荷較低,一般在30%MCR(機(jī)組的額定蒸發(fā)量),即其調(diào)峰能力可達(dá)到機(jī)組額定容量的70%;另外循環(huán)流化床機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大,負(fù)荷調(diào)節(jié)速率也很快,從而可以保證其對(duì)快速調(diào)峰的適應(yīng)性。因此,在風(fēng)電出力突然增大,系統(tǒng)調(diào)峰能力嚴(yán)重不足的情況下,可通過(guò)對(duì)大型循環(huán)流化床機(jī)組停止部分爐床的流化運(yùn)行,進(jìn)行熱備用壓火運(yùn)行操作來(lái)短時(shí)接納更多風(fēng)電,避免棄風(fēng)現(xiàn)象。
在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,由于考慮到電廠經(jīng)濟(jì)性、利益性等問(wèn)題,當(dāng)風(fēng)電大發(fā)時(shí),循環(huán)流化床機(jī)組作為調(diào)峰機(jī)組其最小技術(shù)出力不會(huì)壓到機(jī)組額定容量的30%,更不會(huì)進(jìn)行壓火運(yùn)行操作,其調(diào)峰能力煤粉爐機(jī)組相同,一般在機(jī)組額定容量的40%~50%之間,不做特殊調(diào)度。
預(yù)計(jì)2015年山西省循環(huán)流化床機(jī)組約1 220萬(wàn)kW裝機(jī)容量,占總量的20.3%。其中非供熱機(jī)組約為200萬(wàn)kW,這部分非供熱機(jī)組在冬季后夜風(fēng)電大發(fā)時(shí)調(diào)峰能力可達(dá)到70%~75%。若循環(huán)流化床機(jī)組的調(diào)峰能力按70%考慮,省調(diào)火電機(jī)組調(diào)峰能力可提高到33.9%,經(jīng)計(jì)算得知可提高山西電網(wǎng)風(fēng)電接納能力54.5萬(wàn)kW,風(fēng)電接納容量可達(dá)到425.5萬(wàn)kW,能接納52.6%的規(guī)劃風(fēng)電機(jī)組;若循環(huán)流化床機(jī)組的調(diào)峰能力按75%考慮,省調(diào)火電機(jī)組調(diào)峰能力可提高到約34%,經(jīng)計(jì)算得知可提高山西電網(wǎng)風(fēng)電接納能力60.6萬(wàn)kW,風(fēng)電接納容量可達(dá)到431.6萬(wàn)kW,能接納53.3%的規(guī)劃風(fēng)電機(jī)組。
隨著山西省劣質(zhì)煤的綜合利用,循環(huán)流化床機(jī)組將大幅度增加,總裝機(jī)容量在省調(diào)機(jī)組中的份額增大,循環(huán)流化床機(jī)組的調(diào)度對(duì)電網(wǎng)調(diào)度的影響越來(lái)越大。此外,常規(guī)煤粉鍋爐機(jī)組經(jīng)脫硝改造后,整體調(diào)峰能力下降,結(jié)合國(guó)家充分吸納風(fēng)電以及可再生能源的產(chǎn)業(yè)政策,以及山西省電力相對(duì)過(guò)剩的現(xiàn)狀下,循環(huán)流化床深度調(diào)峰的特性在整個(gè)電網(wǎng)調(diào)度的作用顯得更加重要[1-4]。
3.4 通過(guò)建設(shè)“西通道”來(lái)接納風(fēng)電
在2015年網(wǎng)架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上搭建山西電網(wǎng)的“西通道”,即500 kV雁同—平魯—五寨—固賢(興縣),山西電網(wǎng)北電南送通道由忻侯雙+朔云線,變?yōu)樾煤铍p+朔云線+寨興雙。經(jīng)仿真分析計(jì)算可知,由于北電南送通道變?yōu)樾煤铍p+朔云線+寨興雙,忻侯雙輸送功率極限由310萬(wàn)kW提高到325萬(wàn)kW,北送斷面極限輸送功率由430萬(wàn)~490萬(wàn)kW可提高到600萬(wàn)~750萬(wàn)kW,大大提高了北部電網(wǎng)的外送能力。在這種情況下可以考慮西龍池抽水蓄能電站高峰3臺(tái)發(fā)電、低谷1臺(tái)抽水來(lái)計(jì)算接納風(fēng)電的能力[5-8]。
由于西龍池抽水蓄能電站具備快速起停、連續(xù)調(diào)節(jié)的能力,因此其最小技術(shù)出力率β為-1。當(dāng)西龍池抽水蓄能電站按照高峰3臺(tái)發(fā)電、低谷1臺(tái)抽水來(lái)調(diào)峰時(shí),可以提供120萬(wàn)kW的調(diào)峰能力,若按風(fēng)電出力60%考慮,與不安排西龍池抽水蓄能電站調(diào)峰相比,可使接納風(fēng)電的能力提高約200萬(wàn)kW。
經(jīng)計(jì)算分析,考慮“西通道”增加北送斷面極限輸送功率,西龍池抽水蓄能電站按照高峰3臺(tái)發(fā)電、低谷1臺(tái)抽水,山西電網(wǎng)2015年冬季調(diào)峰裕度為242.7萬(wàn)kW,若風(fēng)電按60%開(kāi)機(jī),能接納風(fēng)電404.5萬(wàn)kW,提高風(fēng)電接納能力。由于山西風(fēng)電規(guī)劃容量不斷增大,接納風(fēng)電能力仍需進(jìn)一步提高。
a)在電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)度日益嚴(yán)峻的今天,深度挖掘流化床機(jī)組的調(diào)峰能力,是解決山西省調(diào)度困難的主要途徑之一,若能進(jìn)一步提高循環(huán)流化床機(jī)組的調(diào)峰能力,將會(huì)有力地提高省調(diào)全面調(diào)度的可行性。
b)降低循環(huán)流化床機(jī)組技術(shù)出力,從而造成更大的調(diào)峰成本。因此,在我國(guó)當(dāng)前電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)環(huán)境下,要激勵(lì)循環(huán)流化床機(jī)組參與調(diào)峰,就必須采用更加靈活的價(jià)格機(jī)制。只要有充分的經(jīng)濟(jì)激勵(lì),循環(huán)流化床機(jī)組就會(huì)主動(dòng)、積極地通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和管理創(chuàng)新最大程度參與調(diào)峰,接納風(fēng)電。
c)建設(shè)“西通道”后北電南送通道送電極限增大,西龍池水電廠充分發(fā)揮其調(diào)峰作用,從而增加了風(fēng)電接納容量。
d)隨著風(fēng)電場(chǎng)的不斷接入北部電網(wǎng),北部窩電狀況更為嚴(yán)重,限制了電網(wǎng)的接納能力,建議加快晉北交流特高壓和晉蘇直流特高壓的建設(shè)。
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Research on W ind Power Integration Capacity in ShanxiGrid Based on M ulti-constraint Condition
ZHANG Ying1,ZHENG Huiping2,LIU Yuzhuo2
(1.North China Electric Power University,Beijing 102206,China; 2.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC,Taiyuan,Shanxi 030001,China)
Large-scale wind power integration has increased the demand for peaking capacity because of the intermittency and anti-peak-regulation ofwind power.With the increasing proportion ofwind power in Shanxigrid,wind abandoning ismore seriousatnight in winter.Taking Shanxigrid in 2015 as an example,this papermainly focuses on improving integration capacity in Shanxigrid based on theanalysisof themain factors restricting the integration capacity in powergrid.
wind powergeneration;ability ofpeak load regulation;integration capacity;Shanxipowergrid
TM614
A
1671-0320(2015)02-0022-03
2014-11-30,
2015-02-17
張 穎(1990),女,山西太原人,2015屆華北電力大學(xué)碩士研究生,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)仿真分析計(jì)算;
鄭惠萍(1972),女,湖北當(dāng)陽(yáng)人,1993年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè),高級(jí)工程師,從事電力系統(tǒng)分析工作;
劉愈倬(1964),男,河南溪川人,1985年畢業(yè)于天津大學(xué)電力系統(tǒng)自動(dòng)化專業(yè),高級(jí)工程師,從事電力研究及技術(shù)管理工作。