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(國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410014)

風電并網(wǎng)對湖南電網(wǎng)調(diào)峰的影響

李光輝，陳遠揚，張?zhí)├?，路建?/p>

(國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410014)

從湖南電網(wǎng)的實際運行情況出發(fā)，結合湖南電網(wǎng)電源、負荷結構和調(diào)峰手段等因素，對在豐水期和春節(jié)兩個極端調(diào)峰困難的時間段，研究了風電并網(wǎng)對湖南電網(wǎng)調(diào)峰的影響，為湖南電網(wǎng)的風電規(guī)劃和建設提供參考作用。

湖南電網(wǎng)；風電；調(diào)峰

近年來，湖南電網(wǎng)的并網(wǎng)風電機組裝機容量出現(xiàn)了迅猛發(fā)展的勢頭，截止2014年底，風電裝機容量達到738.5MW，按照目前的規(guī)劃，在2015年底風電裝機容量將達到1 366MW。按照國家發(fā)展改革委印發(fā)的關于《可再生能源發(fā)電有關管理規(guī)定》，電網(wǎng)企業(yè)必須確保可再生能源發(fā)電全額上網(wǎng)。由于風電的間歇性、隨機性及難以預測等特性，湖南電網(wǎng)在消納并網(wǎng)風電時面臨諸多挑戰(zhàn)，其中風電并網(wǎng)致使系統(tǒng)調(diào)峰困難的問題日益凸顯。

湖南電網(wǎng)負荷構成中，居民、商業(yè)用電占有相當大的比重，系統(tǒng)的峰谷差特別大，調(diào)峰矛盾很突出，特別是在豐水期水電大發(fā)期間和春節(jié)前后。目前，國內(nèi)外學者針對風電并網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)峰問題作了大量研究。文獻〔1〕運用風電與水電聯(lián)合調(diào)峰的思路，從電量平衡角度研究了湖南電網(wǎng)風電的消納能力。文獻〔2〕利用風電功率預測和電網(wǎng)負荷預測等數(shù)據(jù)，考慮調(diào)峰、輸電斷面約束等條件，通過優(yōu)化日前火電開機方式和發(fā)電計劃，增強電網(wǎng)消納風電的能力。文獻〔3〕分析了風電并網(wǎng)后京津唐電網(wǎng)調(diào)峰特性和調(diào)峰能力。

將風電注入電網(wǎng)的功率假想成負的用電負荷，用常規(guī)發(fā)電機組的有功功率對其進行實時平衡，這樣勢必就會增加系統(tǒng)常規(guī)發(fā)電機組的調(diào)整難度，其一體現(xiàn)在常規(guī)火電機組的負荷增、減速率必須滿足實時平衡系統(tǒng)用電負荷和風電隨機變動兩者之和的需求，同時常規(guī)火電發(fā)電機組出力調(diào)整會更加頻繁，對發(fā)電設備壽命的影響必須考慮。其二是風電機組有功功率受風速影響，風電功率波動經(jīng)常與用電負荷變化趨勢相反，一般夜間自然風速較高，風電功率較大，此時恰為用電低谷，風電反調(diào)峰率可高達90%〔4〕。大規(guī)模風電接入將增加系統(tǒng)調(diào)峰難度。風電反調(diào)峰特性加大了電網(wǎng)的等效峰谷差，惡化系統(tǒng)負荷特性，擴大了全網(wǎng)調(diào)峰的范圍。

文中從湖南電網(wǎng)的實際運行情況出發(fā)，結合湖南電網(wǎng)電源、負荷結構和調(diào)峰手段等因素，對在豐水期和春節(jié)兩個極端調(diào)峰困難的時間段，定性研究了風電并網(wǎng)對湖南電網(wǎng)調(diào)峰的影響。

1 湖南電網(wǎng)風電發(fā)展與運行情況

湖南省是一個兼有山地、丘陵和平原的省份，其風能資源多集中在湘南地區(qū)的南嶺山脈和湘中、湘西的雪峰山脈的山脊上，湖南中北部的風能資源相對匱乏。仰天湖風電場是湖南地區(qū)首座風電場，位于湖南郴州市，于2009年6月份開工建設，2010年1月3日首臺風電機組并網(wǎng)，單機容量1.65MW。截止2015年12月底，湖南電網(wǎng)共有并網(wǎng)風電場26座，總裝機容量1 531.95MW，分布在湖南地區(qū)6個地市，其中，邵陽地區(qū)裝機容量最大，郴州地區(qū)并網(wǎng)風電場最多。湖南地區(qū)風電總裝機容量增長情況如圖1。

圖1 湖南地區(qū)風電總裝機容量增長情況

近年來湖南地區(qū)并網(wǎng)風電機組裝機容量一直保持高速增長的勢頭。截止到2014年底，在國家能源局印發(fā)的“十一五”以及“十二五”風電項目核準計劃中，湖南省進入核準計劃的風電項目共83個，總裝機達到4 000MW。

2015年，湖南電網(wǎng)風電發(fā)電量22.28億kWh，同比增長183.5%，占統(tǒng)調(diào)發(fā)電量1.93%，風電最大出力為817.93MW，出現(xiàn)在12月17日06:00，正處于湖南電網(wǎng)負荷低谷的時段，當日通過啟用黑麋峰電廠抽水手段進行調(diào)整，避免了棄風調(diào)峰的情況。2015年，湖南風電當日最大出力出現(xiàn)在夜間(18:00—06:00)的天數(shù)為294天，當日最大出力出現(xiàn)在白天(06:00—18:00)的天數(shù)為71天。夜間發(fā)電量約為12.50億kWh，占全年發(fā)電量56.12%；白天發(fā)電量約為9.77億kWh，占全年發(fā)電量43.88%。2015年湖南電網(wǎng)風電全年各時段平均出力曲線如圖2所示，由圖可知，并網(wǎng)風電的出力特性呈現(xiàn)出明顯的反調(diào)峰特點，風電的反調(diào)峰特性增加了湖南電網(wǎng)的調(diào)峰難度。

圖2 2015年湖南電網(wǎng)風電全年日平均出力曲線

2 湖南電網(wǎng)負荷、電源及調(diào)峰情況

2.1 湖南電網(wǎng)負荷結構和峰谷差現(xiàn)狀

2015年湖南全網(wǎng)最大負荷22 940MW，同比增加7.4%；最小負荷5 848MW，同比減少2.59%；最大峰谷差12 016MW，同比增加5.03%；平均峰谷差6 924MW，同比增長10.43%；最大峰谷差率達58.17%，同比增加3.65%。

造成電網(wǎng)峰谷差加大的主要原因如下:1)居民、商業(yè)用電負荷增速快于工業(yè)負荷，電網(wǎng)負荷特性的變化導致峰谷差進一步加大。2)受全球經(jīng)濟增長放緩以及國家產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整的影響，有色、鋼鐵等行業(yè)影響較明顯，而這些企業(yè)主要使用低谷電，從而導致峰谷差增加。3)隨著武廣、滬昆高鐵湖南段的投運，高鐵在日間最大用電負荷能達到約500MW，夜間負荷低谷時高鐵停運，導致系統(tǒng)峰谷差增加。

近幾年湖南電網(wǎng)負荷與峰谷差發(fā)展趨勢如圖3。

圖3 湖南電網(wǎng)負荷與峰谷差發(fā)展情況

由圖可知，系統(tǒng)最大峰谷差和平均峰谷差的增長率均遠快于系統(tǒng)負荷的增長，根據(jù)預測，2016年湖南電網(wǎng)峰谷差率仍會保持較高的增長率。

2.2 湖南電網(wǎng)電源結構和調(diào)峰手段

截止2015年12月底，湖南電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)裝機容量31 129.8MW。其中火電裝機容量17 225MW，占統(tǒng)調(diào)裝機容量的55.33%；水電裝機容量10 332.93MW，占統(tǒng)調(diào)裝機容量的33.19%；抽水蓄能機組裝機容量1 200MW，占統(tǒng)調(diào)裝機容量的3.85%；風電裝機容量1 531.95MW，占統(tǒng)調(diào)裝機容量的4.92%；其他生物質(zhì)和綜合利用裝機容量840MW，占統(tǒng)調(diào)裝機容量的2.7%。

湖南主要調(diào)峰手段包括水電調(diào)峰、火電機組調(diào)峰、聯(lián)絡線調(diào)峰、黑麋峰抽水調(diào)峰等，主要調(diào)峰電源和調(diào)峰能力見表1。

表1 湖南電網(wǎng)主要調(diào)峰電源和調(diào)峰能力

按水庫的調(diào)節(jié)性能可分為徑流式、反調(diào)節(jié)、周調(diào)節(jié)、季調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)和多年調(diào)節(jié)水電廠。水電機組根據(jù)水情和系統(tǒng)需求等因素安排啟停，由于啟停迅速、負荷調(diào)整速度快且不會產(chǎn)生如火電機組啟停的巨額費用，所以水電機組是理想的調(diào)峰電源，特別是擁有季及以上調(diào)節(jié)性能水庫的水電機組。

按照國家電監(jiān)會華中監(jiān)管局印發(fā)的《華中區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務管理實施細則》，湖南電網(wǎng)火電機組的調(diào)峰分為基本調(diào)峰和有償調(diào)峰，常規(guī)燃煤機組基本調(diào)峰標準為其額定容量的50%。有償調(diào)峰是指發(fā)電機組超過基本調(diào)峰范圍進行深度調(diào)峰，以及機組按照調(diào)度指令要求在24 h內(nèi)完成啟停機(爐)進行調(diào)峰，根據(jù)深度調(diào)峰容量，電網(wǎng)公司需要給予發(fā)電企業(yè)一定的經(jīng)濟補償。

湖南電網(wǎng)與主網(wǎng)通過500 kV葛崗線和孱復Ⅰ，Ⅱ線共3回500 kV鄂湘線路聯(lián)網(wǎng)，電力主要為湖北送湖南。根據(jù)湖南電網(wǎng)的負荷水平，聯(lián)絡線送湖南的潮流也會變化，參與系統(tǒng)調(diào)峰。

湖南建設有一座黑麋峰抽水蓄能電廠，裝機容量1 200MW，在電網(wǎng)需要時能在負荷高峰時發(fā)電，負荷低谷時抽水，是湖南電網(wǎng)重要的調(diào)峰電源。

湖南電網(wǎng)的風電、生物質(zhì)和綜合利用發(fā)電機組幾乎無調(diào)峰能力。

3 豐水期風電對湖南電網(wǎng)調(diào)峰的影響

多年的運行經(jīng)驗表明，在豐水期時，湖南電網(wǎng)的調(diào)峰難點主要是在負荷低谷時，即使保持火電機組較小的開機方式，電網(wǎng)出力仍然過剩。

水電裝機容量10 332.93MW，占統(tǒng)調(diào)裝機容量的33.19%。且小水電機組占有相當大的比例，水庫庫容小，屬于徑流式水電站。湖南地區(qū)豐水期主要是4，5，6和10月。在豐水期，湖南地區(qū)遭遇大降雨時，除東江、三板溪和江埡等數(shù)個具備年調(diào)節(jié)能力庫容的水電廠外，其余水電廠基本滿負荷運行，否則將會出現(xiàn)棄水風險，通過合理優(yōu)化流域梯級水庫運行，在負荷低谷時，湖南水電機組的總發(fā)電約為7 000MW。

為了保證湖南電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，保證電網(wǎng)抵御故障的能力，即使在豐水期間，火電機組也必須保持一定的開機方式，其中長沙、株洲和湘潭地區(qū)至少開3臺火電機組，衡陽、郴州和永州地區(qū)1臺火電機組，岳陽地區(qū)至少開1臺火電機組，婁邵地區(qū)至少開1臺火電機組。汛期湖南一般最少保持2 700MW火電開機容量。對于這種火電機組極端開機方式情況，火電機組的啟停調(diào)峰手段顯然已經(jīng)不再適用，同時為了避免火電機組跳機或者滅火對電網(wǎng)安全運行構成威脅，也盡量不采用深度調(diào)峰，按50%基本調(diào)峰標準進行計算，在負荷低谷時，火電機組出力約為1 350MW。

豐水期負荷低谷時，鄂湘聯(lián)絡線送湖南約1 100MW，安排黑麋峰電廠4臺機組抽水，總用電負荷約為1 200MW，而預計2016年豐水期電網(wǎng)最低負荷8 000MW左右。

可計算出，在未考慮風電電力的情況下，全網(wǎng)仍盈余出力約250MW。

若考慮并網(wǎng)風電的影響因素，截止2015年底，湖南電網(wǎng)的風電裝機容量1 531.95MW，陸上風電機組一般不會同時達到滿發(fā)狀態(tài)，最大的風電出力約為系統(tǒng)風電機組總裝機容量的75%〔5〕左右，目前湖南風電最大電力預計可達到1 150MW，若此最大電力出現(xiàn)在豐水期夜間低負荷時段，則很大可能性會導致棄水或者棄風調(diào)峰的風險。同時必須通過對湖南地區(qū)降雨、風能的預測，合理控制各流域主干水庫的水位，科學安排火電機組開機方式，盡量多消納清潔能源。

當前，湖南電網(wǎng)的負荷水平由于地區(qū)經(jīng)濟增長放緩而增加緩慢，特別是負荷低谷時的用電負荷增長放緩，在不增建有效的調(diào)峰電源(如抽蓄水電廠)的情況下，而繼續(xù)大規(guī)模增加系統(tǒng)風電機組的裝機容量，必然導致豐水期負荷低谷時電力系統(tǒng)需要棄水或者棄風調(diào)峰的現(xiàn)象。

4 春節(jié)前后風電對湖南電網(wǎng)調(diào)峰的影響

春節(jié)期間湖南電網(wǎng)的調(diào)峰難點主要在于系統(tǒng)的峰谷差過大，火電機組的開機方式既要考慮在負荷高峰時有足夠的正旋轉(zhuǎn)備用，又要考慮在負荷低谷時有一定的負備用。風電機組的注入電網(wǎng)的有功功率具有隨機性，且在當前的技術水平下，難以準確預測。風電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的有功備用提出了新的要求。

考慮風電并網(wǎng)后，將風電有功出力當成負的負荷模型，在實際的電網(wǎng)負荷中剔除風電有功出力，即為其他常規(guī)能源需要實時平衡的凈電網(wǎng)負荷，圖4為春節(jié)前后某日湖南電網(wǎng)總負荷和風電機組有功出力的情況，由圖中可見，若風電的日出力曲線為反調(diào)峰特性，則其他機組所需要平衡的凈負荷峰谷差明顯加大。

圖4 某日湖南電網(wǎng)負荷曲線

2016年春節(jié)期間，為保證在負荷高峰時系統(tǒng)有足夠的有功備用，火電開機容量為3 960MW，火電機組在低谷出力按50%調(diào)峰比例計算約為1 980MW；鄂湘聯(lián)絡線負荷高峰送湖南約為1 690MW，低谷參與調(diào)峰，送湖南約為1 000MW；水電低谷出力最大達到2 400MW，基本為無調(diào)節(jié)能力的徑流式水電和為保證水庫下游生態(tài)流量的必須水電出力；其他可再生能源電廠如凱迪、桑梓等電廠高峰出力500MW，低谷參與調(diào)峰，出力約為400MW。低谷時風電最大出力約1 000MW。

2016年春節(jié)期間，實際最高系統(tǒng)負荷約為14 100MW，最低負荷約為5 200MW，最大日峰谷差高達約7 790MW，負荷低谷時安排黑麋峰電廠4臺機組抽水，總用電負荷約為1 200MW。在負荷低谷時，系統(tǒng)出力過剩約380MW，通過啟用火電機組深度調(diào)峰保證了春節(jié)期間電網(wǎng)調(diào)峰和全額消納清潔能源的需求。

春節(jié)期間雖然系統(tǒng)的峰谷差比較大，但是實際調(diào)峰難度比豐水期時要小一些。首先是春節(jié)處在枯水期，水電的在負荷低谷的必須上網(wǎng)電力要小得多；其次是火電的開機方式比較大，能夠使用火電機組深度調(diào)峰和啟停調(diào)峰。

5 結語

從湖南電網(wǎng)的實際運行情況出發(fā)，對在豐水期和春節(jié)兩個極端調(diào)峰困難的時期，研究了湖南電網(wǎng)的并網(wǎng)風電對調(diào)峰的影響。表明目前湖南電網(wǎng)峰谷差現(xiàn)狀已成為風電發(fā)展的瓶頸，建議風電建設和規(guī)劃的進度應該與湖南電網(wǎng)的負荷增長水平相協(xié)調(diào)；其次在豐水期時可進一步優(yōu)化同流域梯級水電聯(lián)合調(diào)度政策，充分發(fā)揮湖南地區(qū)年調(diào)節(jié)和多年調(diào)節(jié)大庫容水庫的調(diào)節(jié)作用，負荷低谷時在不發(fā)生水電棄水的情況下減少豐水期水電的上網(wǎng)，為風電等電力上網(wǎng)騰出空間；最后是建立以風電電量消納為風電發(fā)展的最終目標，并綜合考慮風電建設成本、收益和風電參與電網(wǎng)負荷低谷調(diào)峰的優(yōu)化政策，在當前風電大規(guī)模增長形式下，通過限制部分風電在負荷低谷時的出力來提高電網(wǎng)風電電量消納能力已成為必然趨勢。

〔1〕張奇林，李衛(wèi)國，廖國棟.湖南電網(wǎng)風電接入對調(diào)峰影響的量化研究〔J〕.湖南電力，2014，34(2):11-15.

〔2〕鄭太一，馮利民，王紹然，等.一種計及電網(wǎng)安全約束的風電優(yōu)化調(diào)度方法〔J〕.電力系統(tǒng)自動化，2010，34(15): 71-74.

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Research on the influence of the wind power to peak regulation of Hunan power grid

LI Guanghui，CHEN Yuanyang，ZHANG Tailei，LU Jianming
(State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410014，China)

This article studies on the influence of wind power grid connection to the Hunan power grid peak regulation during high water season and Spring Festival period，from the actual situation of Hunan power grid，comprehensively considering the power source structure，load structure and peak shaving means.It provides reference for Hunan power grid wind power planning and construction.

Hunan power grid；wind power；peak regulation

TM715

B

1008-0198(2016)05-0037-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.05.009

李光輝(1986)，男，碩士，湖南新邵人，從事電網(wǎng)調(diào)度、繼電保護、風電并網(wǎng)等研究工作。

2015-12-24 改回日期:2016-04-07