李淑鑫，劉文穎，李亞龍，王維洲，劉福潮

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荷源聯(lián)合調(diào)峰運行方案的電力節(jié)能評估研究

李淑鑫1，劉文穎1，李亞龍1，王維洲2，劉福潮2

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206；2.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州730050)

針對當(dāng)前大規(guī)模風(fēng)電遠距離外送造成輸電網(wǎng)網(wǎng)損激增和調(diào)峰能力不足的矛盾，提出將高載能負荷參與常規(guī)電源調(diào)峰，在風(fēng)電就地消納的同時實現(xiàn)電力節(jié)能。在深入分析高載能負荷的調(diào)節(jié)特性和對電網(wǎng)調(diào)峰影響的基礎(chǔ)上，從電網(wǎng)、電源和高載能負荷三個方面提出了表征電力節(jié)能的指標并進行量化。最后基于綜合模糊評價法對荷源聯(lián)合調(diào)峰運行方案進行電力節(jié)能綜合評估。仿真結(jié)果表明，該指標體系及方法在荷源聯(lián)合調(diào)峰運行方案電力節(jié)能評估方面是有效可行的。

高載能負荷；荷源聯(lián)合調(diào)峰；電力節(jié)能指標；電力節(jié)能效益；綜合模糊評估

0 引言

隨著大規(guī)模風(fēng)電基地集中接入容量的快速發(fā)展，大規(guī)模遠距離輸送以及其隨機性和波動性特點，造成途徑電網(wǎng)的網(wǎng)損顯著增加。將具有可調(diào)節(jié)和可中斷特點的高載能負荷納入調(diào)峰控制體系，實現(xiàn)荷源協(xié)調(diào)控制，可達到電力節(jié)能和新能源就地消納的雙重目標[1]。

然而目前針對大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的荷源聯(lián)合調(diào)峰電力節(jié)能評估研究較少。文獻[2]建立了高載能負荷參與大規(guī)模新能源并網(wǎng)的電網(wǎng)調(diào)峰能力評估模型，從調(diào)峰效果角度進行了評估，并未涉及對電力節(jié)能的影響評估；文獻[3]從“荷”的角度，對高載能企業(yè)自身的能耗進行了量化評估，未涉及高載能企業(yè)參與電網(wǎng)調(diào)峰；文獻[4]從“源”的角度，具體評估了常規(guī)機組的調(diào)峰能力；文獻[5]建立了用戶側(cè)管理效益的綜合評價指標體系，評估了可中斷負荷參與電網(wǎng)調(diào)峰的經(jīng)濟效益。

上述文獻所涉及的研究，很少有同時計及“荷”“源”兩方面協(xié)調(diào)控制的調(diào)峰分析，并且從電力節(jié)能角度的評估研究較少。為此，本文深入分析了高載能負荷的調(diào)節(jié)特性和對電網(wǎng)調(diào)峰的影響，從電網(wǎng)、電源和高載能負荷三個方面提出了表征電力節(jié)能的指標，然后基于綜合模糊評價法對荷源聯(lián)合調(diào)峰的大規(guī)模風(fēng)電集中接入電網(wǎng)進行電力節(jié)能綜合評估。

1 高載能負荷調(diào)節(jié)特性和對電網(wǎng)調(diào)峰的影響

1.1 高載能負荷的調(diào)節(jié)特性

高載能負荷是指能源消耗比重較大的用戶負荷，具備可轉(zhuǎn)移、可中斷或者可調(diào)節(jié)的特性。

可轉(zhuǎn)移特性負荷可通過調(diào)整生產(chǎn)時間，改變負荷曲線；可調(diào)節(jié)特性負荷具備連續(xù)調(diào)節(jié)能力；可中斷特性負荷可根據(jù)實際生產(chǎn)要求進行投退操作。

上述三類高載能負荷能夠參與電網(wǎng)調(diào)峰，具備一定的調(diào)峰能力，表1所示即為高載能負荷的調(diào)節(jié)特性分析。

表1高載能負荷調(diào)節(jié)特性

Table 1 Regulation characteristics of high-energy load

表1所示，高載能負荷具備良好快速的調(diào)節(jié)能力，能夠在短時間內(nèi)增減出力，而且風(fēng)電波動變化只影響產(chǎn)量，不影響質(zhì)量和工藝，具備參與電網(wǎng)調(diào)峰的能力。

1.2荷源聯(lián)合調(diào)峰對電力節(jié)能的影響

目前，荷源聯(lián)合調(diào)峰的方式主要有利用可轉(zhuǎn)移負荷移峰填谷、應(yīng)用連續(xù)可調(diào)節(jié)負荷來消納新能源和通過可中斷負荷來應(yīng)對系統(tǒng)缺電等方式。荷源聯(lián)合調(diào)峰對電力節(jié)能的影響主要有以下幾點：

(1) 對電網(wǎng)損耗的影響

高載能負荷參與調(diào)峰對電網(wǎng)損耗的影響，主要體現(xiàn)線路損耗和變壓器損耗兩方面。

高載能負荷就近消納風(fēng)電，避免了大規(guī)模風(fēng)電功率遠距離輸送，減少了輸電線路及變壓器上的功率流動，相應(yīng)降低了線損和變壓器損耗；然而高載能負荷在交直流變換過程中將會向電力系統(tǒng)注入諧波，造成相應(yīng)的諧波損耗，進而影響電網(wǎng)損耗。

圖1為某風(fēng)電基地的網(wǎng)損仿真對比圖，分析風(fēng)電多發(fā)情況下有無高載能負荷參與調(diào)峰對線損和變損的變化。

圖1網(wǎng)損對比圖

圖中對比所示，在風(fēng)電多發(fā)的情況下，高載能負荷參與調(diào)峰，能夠降低電網(wǎng)的線損和變損，起到節(jié)能效果。

(2) 對電源發(fā)電成本的影響

a) 對常規(guī)電源煤耗率的影響

高載能負荷參與調(diào)峰對常規(guī)電源發(fā)電成本的影響，主要體現(xiàn)在減少常規(guī)電源的調(diào)峰容量，減少煤耗等。

由于新能源發(fā)電的不確定性，使電網(wǎng)調(diào)峰需求增大[6]。圖2即為風(fēng)電接入前后調(diào)峰需求對比圖。

圖2調(diào)峰需求曲線圖

由圖分析，風(fēng)電接入后，調(diào)峰需求增大，相應(yīng)增加了常規(guī)電源調(diào)峰容量，進而增加煤耗率。

高載能負荷參與調(diào)峰能有效緩解常規(guī)電源的調(diào)峰壓力。在負荷低谷時段增加用電，等效于增加了系統(tǒng)負荷；在負荷高峰時段降低用電，等效于減小了系統(tǒng)負荷；能夠抵消部分風(fēng)電“反調(diào)峰”容量，從而降低常規(guī)電源調(diào)峰容量，降低煤耗率。

圖3所示為300 MW機組負荷與供電煤耗率關(guān)系曲線[7]。

圖中所示，隨著機組發(fā)電負荷的降低，煤耗率增加幅度加大。如果高載能負荷參與調(diào)峰，可以提高機組發(fā)電負荷，降低煤耗率。

圖3 300 MW機組負荷與供電煤耗率關(guān)系曲線

對于水電廠，與火電機組類似，高載能負荷參與調(diào)峰，同樣可以提高機組效率，節(jié)約水資源。

b) 對風(fēng)電送出功率的影響

高載能負荷參與調(diào)峰將增加風(fēng)電送出功率，從而提高風(fēng)電企業(yè)的經(jīng)濟效益。

圖4所示為某地區(qū)風(fēng)電輸出功率的仿真對比圖，分析高載能負荷參與調(diào)峰前后風(fēng)電最大送出功率的變化。

圖4高載能負荷參與調(diào)峰前后風(fēng)電最大輸出功率變化

由圖分析，高載能負荷不參與調(diào)峰的情況下，該地區(qū)的風(fēng)電最大送出極限為6 000 MW；考慮高載能負荷參與調(diào)峰后，風(fēng)電最大送出功率相應(yīng)增加。

高載能負荷參與調(diào)峰能夠增加風(fēng)電送出功率，減少棄風(fēng)電量。

(3) 對高載能負荷電能損耗的影響

高載能負荷參與調(diào)峰對高載能節(jié)能的影響，主要體現(xiàn)在高載能負荷自身的電能損耗方面。

a) 對負荷啟停損耗的影響

高載能負荷參與調(diào)峰，為適應(yīng)調(diào)峰需求，需進行啟?；蛘咴鰤贺摵刹僮鳎?所示為某鐵合金高載能企業(yè)在負荷高峰時段，進行停爐調(diào)峰操作的啟停損耗情況?？梢钥闯?，該鐵合金高載能企業(yè)參與調(diào)峰，產(chǎn)量降低；在停爐過程中造成了電能損耗。

表2鐵合金高載能企業(yè)參與調(diào)峰的損耗

Table 2 Loss of ferroalloy high-energy enterprises with peaking participating

b) 對高載能企業(yè)用電設(shè)備損耗的影響

高載能企業(yè)正常運行狀態(tài)下，用電設(shè)備以最佳運行效率工作；高載能負荷參與調(diào)峰，進行增切負荷操作，負載率降低或者負荷率升高，都會使用電設(shè)備的運行效率降低，設(shè)備的損耗也相應(yīng)增加。

以高載能企業(yè)中的電動機負荷為例，電動機負載率發(fā)生變化，對電動機效率產(chǎn)生影響。表3為電動機的效率和功率因數(shù)與負載率的關(guān)系。

表3電動機效率和功率因數(shù)與負載率關(guān)系

Table 3 Relationship between motor efficiency and power factor and load factor

c) 對負荷長時間缺電損耗的影響

高載能企業(yè)長時間中斷，對企業(yè)損耗也有影響。以電弧爐設(shè)備為例，高載能負荷中斷調(diào)峰，造成電弧爐系統(tǒng)降溫-升溫的過程，造成電能損耗。

圖5給出了四個發(fā)達國家停電持續(xù)時間對工業(yè)用戶的影響的數(shù)據(jù)[8-10]。高載能負荷缺電持續(xù)的時間越長，高載能負荷的損耗就越大。

圖5停電持續(xù)時間對工業(yè)用戶的影響

雖然高載能企業(yè)參與調(diào)峰使電能損耗及能源損耗增加，但可以通過電價優(yōu)惠降低單位生產(chǎn)成本，使企業(yè)經(jīng)濟效益得到提高。

2 荷源聯(lián)合調(diào)峰的電力節(jié)能指標

基于上述對荷源聯(lián)合調(diào)峰對電力節(jié)能的影響分析，建立節(jié)能評估指標。

2.1電網(wǎng)側(cè)節(jié)能指標

(1) 線路損耗節(jié)能指標

(2) 變壓器損耗節(jié)能指標

2.2 電源側(cè)節(jié)能指標

(1) 常規(guī)電源煤耗率節(jié)能指標

(2) 風(fēng)電送出功率節(jié)能指標

2.3 高載能負荷側(cè)節(jié)能指標

(1) 負荷啟停損耗成本

機組啟停損耗成本是指機組適應(yīng)調(diào)峰變化，退出或投入時額外消耗的成本。為單次啟停的成本費用(元)，為機組參與調(diào)峰的啟停次數(shù)，此處根據(jù)機組啟停組數(shù)確定。

(2) 負荷長時間缺電損耗成本

根據(jù)圖5，停電持續(xù)時間對工業(yè)用戶的影響曲線，分析模擬長時間缺電引起的停電損失成本。

(3) 高載能企業(yè)用電設(shè)備損耗成本

3 大規(guī)模風(fēng)電集中接入電網(wǎng)荷源聯(lián)合調(diào)峰的電力節(jié)能綜合評估

針對荷源聯(lián)合調(diào)峰運行方案的電力節(jié)能效益需要進行綜合評估的問題，本文選取基于層次分析法的多級模糊綜合評估模型，利用上述電力節(jié)能指標，對荷源聯(lián)合調(diào)峰運行方案的電力節(jié)能效益進行綜合評估，為確定最優(yōu)方案提供理論依據(jù)。

3.1綜合模糊評估方法概述

模糊綜合評估方法基于模糊數(shù)學(xué)，結(jié)合層次分析法，建立遞階層次模型，對評估對象進行評分和排序，同時根據(jù)模糊評估集上的數(shù)值按最大隸屬度原則去評定目標所屬等級[13]。模糊綜合評估方法的具體流程如圖6所示。

圖6模糊綜合評估方法流程圖

3.2 電力節(jié)能綜合評估

(1) 確立評估目標，建立模糊評估遞階層次模型

針對大規(guī)模風(fēng)電集中接入電網(wǎng)荷源聯(lián)合調(diào)峰多個運行方案，首先進行安全分析，在滿足電網(wǎng)安全運行條件下，選取高載能負荷參與調(diào)峰的電力節(jié)能效益為目標，建立遞階層次模型，如圖7所示。其中電網(wǎng)側(cè)節(jié)能和電源側(cè)節(jié)能的效益指標為極大型指標，即越大對目標越有利；高載能負荷側(cè)節(jié)能的效益指標為極小型指標，即越小對目標越有利。

圖7 模糊遞階層次結(jié)構(gòu)圖

(2) 進行權(quán)重計算，建立權(quán)重集

首先計算準則層權(quán)重。采用9尺度法，將準則層電網(wǎng)側(cè)節(jié)能準則、電源側(cè)節(jié)能準則和高載能負荷側(cè)節(jié)能準則的相對重要程度進行兩兩對比，形成判斷矩陣：

(3) 結(jié)合運行方案，進行指標評分

針對多個荷源聯(lián)合調(diào)峰運行方案，結(jié)合上述的各指標量化公式，將指標層各效益指標進行評分。得到方案在效益指標下的評分。

(4) 建立評語集及對應(yīng)的分數(shù)集

將目標“高載能負荷參與調(diào)峰的電力節(jié)能效益”劃分為“很好”、“較好”、“一般”、“差”4種情況，即電力節(jié)能效益評語集為=(1,2,3,4)=(很好，較好，一般，差)，對應(yīng)的分數(shù)集為[14]。

(5) 進行單因素評估，得到隸屬度矩陣

利用半梯形和三角形隸屬度函數(shù)，將指標層各效益指標的評分結(jié)果映射到電力節(jié)能效益評語集中，如圖8所示[15]。

圖8 效益指標的隸屬度函數(shù)

(6) 綜合評估計算

根據(jù)上述計算得到的權(quán)重矩陣和隸屬度矩陣進行多級模糊運算。

首先計算節(jié)能準則的模糊綜合評價集。對于方案，節(jié)能準則的模糊綜合評價集。

同理計算方案關(guān)于電力節(jié)能效益目標綜合模糊評價集。

(10)

最后計算方案的模糊評價得分。

4 實例應(yīng)用

以甘肅河西酒泉地區(qū)電網(wǎng)為例進行分析。在2014年冬大典型運行方式下，河西地區(qū)常規(guī)能源總發(fā)電功率為3 067 MW，風(fēng)電實時并網(wǎng)容量為3 542 MW，負荷總量3 099 MW，接線示意圖如圖9所示。

圖9高載能負荷接線圖

在酒泉風(fēng)電場集群片區(qū)中，風(fēng)電場以玉門330 kV變電站作為中間匯集站，地區(qū)調(diào)峰壓力較大；酒鋼鋁廠高載能負荷，已投產(chǎn)700 MW，具備連續(xù)調(diào)節(jié)能力；常規(guī)電源主要有酒泉熱電廠、金昌電廠等多個火電機組，具備調(diào)峰能力。

選取03:00~05:00(負荷較小，風(fēng)電大發(fā))和19:00~21:00(負荷較重，風(fēng)電少發(fā))兩個時間段，制定調(diào)峰方案。結(jié)合上述評估方法，對荷源聯(lián)合調(diào)峰方案進行節(jié)能評估。

(1) 高載能負荷參與荷源聯(lián)合調(diào)峰方案及增加的損耗成本

在投入資金一定的情況，高載能企業(yè)提出2套參與荷源聯(lián)合調(diào)峰的方案，如表4所示。

表4高載能企業(yè)參與聯(lián)合調(diào)峰方案

Table 4 Peaking scheme with high-energy load participating

根據(jù)節(jié)能指標量化公式，計算求得高載能負荷側(cè)效益指標的得分，如表5所示。

表5高載能負荷側(cè)節(jié)能效益指標得分

Table 5 Index score of load-side energy efficiency

(2) 常規(guī)電源參與荷源聯(lián)合調(diào)峰方案及減少的損耗成本

根據(jù)高載能負荷參與荷源聯(lián)合調(diào)峰的方案，常規(guī)電源調(diào)整調(diào)峰運行方案，如表6所示。

表6常規(guī)電源參與聯(lián)合調(diào)峰方案

Table 6 Peaking scheme with conventional power participating

根據(jù)節(jié)能指標量化公式，計算求得電源側(cè)效益指標的得分，如表7所示。

表7電源側(cè)節(jié)能效益指標得分

Table 7 Index score of source-side energy efficiency

(3) 電網(wǎng)側(cè)減小的損耗成本

根據(jù)上述高載能負荷和常規(guī)電源共同參與的荷源聯(lián)合調(diào)峰方案，計算求得電網(wǎng)側(cè)節(jié)能效益的得分，如表8所示。

表8電網(wǎng)側(cè)節(jié)能效益指標得分

Table 8 Index score of grid-side energy efficiency

根據(jù)上述的電力節(jié)能綜合評估方法，根據(jù)不同的目標需求，對2個節(jié)能方案進行評估。

A以基于降低電網(wǎng)損耗的綜合效益最大為目標

a) 權(quán)重計算

根據(jù)上述權(quán)重計算方法，分別計算準則層權(quán)重和指標層權(quán)重。

對于以降低電網(wǎng)損耗綜合效益最大的目標，電網(wǎng)側(cè)的節(jié)能效益的重要程度最大；進行權(quán)重計算準則層的權(quán)重系數(shù)為=(0.423，0.308，0.269)。

電網(wǎng)側(cè)節(jié)能指標權(quán)重A1=(0.624，0.376)；電源側(cè)節(jié)能權(quán)重A2=(0.586，0.414 )；高載能負荷側(cè)節(jié)能權(quán)重A3=(0.245，0.551，0.204)。

b) 隸屬度矩陣計算

利用半梯形和三角形隸屬度函數(shù)，分別對兩個方案計算隸屬度矩陣。

對于方案1：

對于方案2：

根據(jù)式(9)-式(11)，計算方案的模糊評價得分，并與網(wǎng)源荷總經(jīng)濟效益進行對比，如表9所示。

表9 以降低電網(wǎng)損耗效益為目標的方案評估結(jié)果對比

由表9可以看出，以降低電網(wǎng)損耗的綜合效益最大為目標時，采用綜合模糊評價法，方案2得分較高，能夠反映電網(wǎng)降損經(jīng)濟效益；而網(wǎng)源荷總經(jīng)濟疊加效益計算不能滿足預(yù)期的結(jié)果。

B 以基于節(jié)約能源的綜合效益最大為目標

對于以節(jié)約能源的綜合效益最大的目標，電源側(cè)的節(jié)能效益重要程度最大；進行權(quán)重計算準則層的權(quán)重系數(shù)為=(0.308，0.423，0.269)。

其他的模糊計算過程與目標需求A中相同，得到對比計算結(jié)果如表10所示。

表10 以節(jié)約能源效益為目標的方案評估結(jié)果對比

由表10可以看出，以基于節(jié)約能源的綜合效益最大為目標時，采用綜合模糊評價法，方案1得分較高，能夠反映電源節(jié)能經(jīng)濟效益。

結(jié)論表明：1) 對比網(wǎng)源荷總經(jīng)濟效益疊加計算方法，本文提出的基于綜合模糊理論的評估方法能夠細化指標權(quán)重，反映目標需求，具有靈活性；2) 綜合模糊評估法能夠追蹤不同的目標需求，篩選不同的運行方案，可以為調(diào)度運行人員制定調(diào)峰計劃給予參考。

5 結(jié)論

本文提出高載能負荷參與的荷源聯(lián)合調(diào)峰的電力節(jié)能評估體系及方法。在深入分析高載能負荷調(diào)節(jié)特性和對電網(wǎng)調(diào)峰影響的基礎(chǔ)上，從荷-網(wǎng)-源三個方面提出了表征電力節(jié)能的指標,并結(jié)合評估指標，提出基于綜合模糊評價法的荷源聯(lián)合調(diào)峰電力節(jié)能綜合評估方法。最后進行實例計算，證明建立的電力節(jié)能綜合評估體系的合理性和評估方法的有效性，可以作為后續(xù)設(shè)計選擇的參考。

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(編輯 張愛琴)

Evaluation of energy-saving on peak load regulation scheme based on source-load coordination

LI Shuxin1, LIU Wenying1, LI Yalong1, WANG Weizhou2, LIU Fuchao2

(1. School of Electrical & Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. State Grid Gansu Provincial Electric Power Research Institute, Lanzhou 730050, China)

With regard to the contradiction between sharp transmission power loss and insufficient peak load regulation capacity caused by long-distance wind power transmission, it is proposed that high-energy load participate in conventional peak load regulation to realize energy-saving with wind energy consumption. Based on in-depth analyses of regulation features of high-energy load and influences that it may make on peaking, energy-saving indexes, considering power grid, power supply and high-energy load, are comprehensively proposed. In addition, comprehensive assessment of energy saving is made on peak load regulation scheme based on source-load coordination with the method of synthetical fuzzy evaluation.The simulation results show that the index system and method is effective and feasible in terms of evaluation of energy-saving on peak load regulation scheme based on source-load coordination.

This work is supported by the Twelfth-five National Research Program of China (No. 2015BAA01B04) and the Major S&T Projects of State Grid Corporation of China (No. 52272214002C).

high-energy load; source-load coordination; energy-saving index; energy-saving benefit; synthetical fuzzy evaluation

10.7667/PSPC151287

2015-07-25；

2015-11-05

李淑鑫(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制；E-mail: lishuxin23@gmail.com.cn

劉文穎(1955-)，女，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制及電力系統(tǒng)智能調(diào)度；

李亞龍(1985-)，男，博士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制。

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2015BAA01B04)；國家電網(wǎng)公司重大項目(52272214002C)