周脈玉 任普春 白宏坤

【摘要】準(zhǔn)確衡量電網(wǎng)消納新能源的能力是進(jìn)行新能源規(guī)劃、電網(wǎng)運(yùn)行方式和調(diào)度計(jì)劃安排的基礎(chǔ)。本文在總結(jié)現(xiàn)有的評(píng)價(jià)電網(wǎng)消納新能源能力方法的基礎(chǔ)上，提出了一種分析計(jì)算電網(wǎng)消納新能源能力的新方法。該方法是以電網(wǎng)年內(nèi)消納的新能源發(fā)電量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，且該發(fā)電量是根據(jù)全年365天的開機(jī)平衡、逐小時(shí)的電力電量平衡及合理安排抽水蓄能運(yùn)行方式計(jì)算的。根據(jù)該方法計(jì)算的電網(wǎng)年內(nèi)消納的新能源發(fā)電量的變化情況，可以確定新能源發(fā)電裝機(jī)的合理規(guī)模。該方法與常規(guī)方法相比，能夠大幅度地提高計(jì)算電網(wǎng)消納新能源數(shù)量的準(zhǔn)確性。該方法對(duì)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)電網(wǎng)消納新能源電量的能力及制定新能源發(fā)電規(guī)劃具有指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】新能源；消納能力；開機(jī)平衡；發(fā)電量

引言

大規(guī)模新能源的開發(fā)和利用一直是世界各國普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。當(dāng)新能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模較小時(shí)，電力系統(tǒng)能夠充分消納新能源的并網(wǎng)電量；而當(dāng)新能源發(fā)電裝機(jī)達(dá)到一定規(guī)模后，由于部分新能源電站出力具有間歇性、波動(dòng)性等特點(diǎn)，能否完全被消納取決于電力系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)狀況、負(fù)荷特性等客觀條件。如果電網(wǎng)內(nèi)新能源發(fā)電裝機(jī)容量超越這些客觀條件，將導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行困難，且出現(xiàn)新能源發(fā)電量不被電網(wǎng)消納的情況；如果新能源電站裝機(jī)過小，又不能充分利用新能源。因此，必須正確評(píng)估電網(wǎng)對(duì)新能源發(fā)電量的消納能力，指導(dǎo)新能源電站的規(guī)劃和建設(shè)，取得經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益和社會(huì)效益的統(tǒng)一。

在評(píng)估電網(wǎng)消納新能源的能力時(shí)，目前國內(nèi)采用的常規(guī)方法，是以設(shè)計(jì)水平年或典型季節(jié)的電網(wǎng)典型日的負(fù)荷及峰谷差為邊界條件計(jì)算電網(wǎng)的調(diào)峰裕度；進(jìn)一步根據(jù)典型日新能源電站增大峰谷差的值占新能源電站裝機(jī)容量的比例系數(shù)，確定電網(wǎng)可接納新能源發(fā)電的裝機(jī)容量。

常規(guī)方法較為粗放，且不合理，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先，從電網(wǎng)調(diào)峰裕度看，即使相同的開機(jī)方式，每日的調(diào)峰裕度也是不同的，且每日新能源增大峰谷差的值占新能源裝機(jī)容量的比例系數(shù)也不同。以典型日的負(fù)荷及峰谷差為邊界條件將造成計(jì)算結(jié)果誤差頗大；其次，開發(fā)新能源，特別是風(fēng)電和太陽能，主要目的是獲得電量效益，減少化石燃料的消耗量，提高環(huán)保效益，而常規(guī)方法并不能得出電網(wǎng)一年內(nèi)消納新能源發(fā)電量的準(zhǔn)確數(shù)量。

為了正確計(jì)算及評(píng)估電網(wǎng)消納新能源的能力，因此，探尋一種較為合理且精確的電網(wǎng)消納新能源能力的評(píng)價(jià)新方法尤其必要。

1、計(jì)算和評(píng)價(jià)電網(wǎng)消納新能源能力的新方法

首先，采用在一定新能源電源裝機(jī)情況下，電網(wǎng)每年消納新能源的發(fā)電量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

其次，進(jìn)行無新能源電源時(shí)，全年365天的開機(jī)平衡及逐小時(shí)電力電量平衡。在進(jìn)行開機(jī)平衡時(shí)，必須滿足以下條件：

（1）滿足電網(wǎng)及電廠的安全要求；

（2）供熱及其他要求的最小開機(jī)方式；

（3）滿足火電機(jī)組的啟停費(fèi)用及燃料費(fèi)用最優(yōu)要求；

（4）開機(jī)容量必須滿足以下條件：

式中：PYmax為每日發(fā)電負(fù)荷最大值（有時(shí)也包括聯(lián)絡(luò)線輸入及輸出電力）及系統(tǒng)的運(yùn)行備用；Pimax為機(jī)組i運(yùn)行時(shí)的最大技術(shù)出力；為電網(wǎng)的開機(jī)容量的最大出力。

第三，根據(jù)電網(wǎng)的8760小時(shí)負(fù)荷曲線、新能源8760小時(shí)出力曲線、計(jì)算風(fēng)電及光伏電源的有效出力及電網(wǎng)為了消納新能源而增加的備用（其最大值為每日參加系統(tǒng)平衡的有效出力）。

第四，在保持啟停費(fèi)用不變的情況下，進(jìn)行有新能源發(fā)電裝機(jī)時(shí)，全年365天開機(jī)平衡。

在此時(shí)，式（1）中的PYmax為經(jīng)新能源電站出力修正后的數(shù)值。

第五，采用生產(chǎn)模擬方法，進(jìn)行電網(wǎng)全年逐小時(shí)電力電量平衡；

在進(jìn)行電力電量平衡時(shí)，修正后的系統(tǒng)日負(fù)荷曲線每小時(shí)的負(fù)荷值必須滿足以下條件

式中：PYi是經(jīng)新能源電站出力修正后系統(tǒng)的每小時(shí)的負(fù)荷值；Pi為機(jī)組i的實(shí)際出力，且Pimin≤Pi≤Pimax；Pimin為機(jī)組i的最小技術(shù)出力。

在進(jìn)行電力電量平衡時(shí)，抽水蓄能電站先按備用考慮，然后，根據(jù)初步平衡結(jié)果確定抽水蓄能電站抽水和發(fā)電的時(shí)間。當(dāng)凈負(fù)荷小于開機(jī)機(jī)組的最小出力時(shí)，抽水蓄能電站抽水運(yùn)行；當(dāng)凈負(fù)荷大于開機(jī)機(jī)組的最大出力時(shí)，抽水蓄能電站必須發(fā)電運(yùn)行；當(dāng)凈負(fù)荷大于開機(jī)機(jī)組的最小出力，而小于開機(jī)機(jī)組的最大出力，抽水蓄能電站根據(jù)消納新能源電量及備用的需要綜合考慮確定是發(fā)電運(yùn)行還是停機(jī)備用。

第六，計(jì)算不被電網(wǎng)消納的新能源發(fā)電量

當(dāng)在時(shí)刻t時(shí)，如果，說明在此時(shí)段不存在新能源發(fā)電量不被電網(wǎng)消納的情況；如果，說明在此時(shí)段存在新能源發(fā)電量不被電網(wǎng)消納的情況或需要火電機(jī)組停機(jī)調(diào)峰。在火電機(jī)組不參加啟停調(diào)峰情況下。當(dāng)時(shí)，則 為在時(shí)刻t時(shí)，沒有被電網(wǎng)消納的新能源發(fā)電量；且當(dāng)時(shí)，則為在時(shí)刻t時(shí)，火電機(jī)組不參加系統(tǒng)啟停調(diào)峰時(shí)，沒有被電網(wǎng)消納的新能源發(fā)電量；為在時(shí)刻t時(shí)，新能源所有機(jī)組的總出力。

第七，計(jì)算在火電機(jī)組不參加啟停調(diào)峰情況下電網(wǎng)消納的新能源發(fā)電量

電網(wǎng)消納的新能源發(fā)電量=新能源電站理論發(fā)電量-不被電網(wǎng)消納的新能源發(fā)電量。

第八，計(jì)算火電機(jī)組啟停調(diào)峰的費(fèi)用及火電機(jī)組啟停調(diào)峰一次多消納新能源發(fā)電量及效益。通過效益分析，確定通過火電機(jī)組啟停調(diào)峰多消納的新能源發(fā)電量。

2、算例

本文以東北電網(wǎng)某省網(wǎng)2020年為例評(píng)價(jià)電網(wǎng)消納風(fēng)電的能力及確定合理的風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模。

2.1采用新方法計(jì)算電網(wǎng)消納風(fēng)電的能力及確定合理的風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模

2.1.1邊界條件

（1）電力需求：2020年電網(wǎng)的用電量約為1069.88億千瓦時(shí)；電網(wǎng)的最大用電負(fù)荷（包括發(fā)電廠用電和網(wǎng)損）約為16764.02MW。

（2）電網(wǎng)8760負(fù)荷曲線

（3）電網(wǎng)常規(guī)電源現(xiàn)狀

到2020年，電網(wǎng)的裝機(jī)容量為24845MW，其中：常規(guī)燃煤機(jī)組3910MW，供熱燃煤機(jī)組12257MW，生物質(zhì)裝機(jī)440MW，垃圾發(fā)電66MW，抽水蓄能電站1700MW，常規(guī)水電站6472MW。

（4）供熱期：為10月20日至來年4月10日，共計(jì)6個(gè)月；

（5）火電機(jī)組的最大出力和最小出力：在供熱期內(nèi)，供熱機(jī)組的最大出力為額定容量的95%；最小出力為額定容量的70%。非供熱期，供熱機(jī)組的最大出力為額定容量；最小出力額定容量55%。常規(guī)煤電的最大出力為額定容量；最小出力額定容量50%。

（6）負(fù)荷旋轉(zhuǎn)備用按最大負(fù)荷的7%考慮，風(fēng)電和光伏增加的旋轉(zhuǎn)備用按風(fēng)電及光伏有效出力的50%考慮。

（7）在供熱期，供熱機(jī)組全部開機(jī)

（8）電網(wǎng)風(fēng)電出力特性：風(fēng)電8760小時(shí)的風(fēng)場出力情況，年發(fā)電小時(shí)約為2114小時(shí)。

2.1.2電網(wǎng)消納風(fēng)電的能力計(jì)算及合理的風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模確定

當(dāng)電網(wǎng)2020年風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模為12000MW時(shí)，如果開機(jī)機(jī)組的最小出力大于電網(wǎng)的負(fù)荷時(shí)，采取風(fēng)電停機(jī)調(diào)峰措施，則2020年電網(wǎng)消納的風(fēng)電電量為240.36億千瓦時(shí)，風(fēng)電場全年平均利用小時(shí)數(shù)約為2003小時(shí)，全年棄風(fēng)電量比例為5.25%。每月電網(wǎng)消納的風(fēng)電電量情況見表1和表2。

如果風(fēng)電裝機(jī)減少2000MW，總規(guī)模為10000MW，則2020年電網(wǎng)消納的風(fēng)電電量變?yōu)?07.34億千瓦時(shí)，減少了33.10億千瓦；全年的棄風(fēng)電量為4.11億千瓦時(shí)，減少了9.21億千瓦時(shí)。也就是說當(dāng)風(fēng)電裝機(jī)容量從10000MW增加到12000MW，電網(wǎng)消納風(fēng)電電量的增加額是棄風(fēng)電量增加額的3.6倍。

當(dāng)風(fēng)電裝機(jī)增加2000MW風(fēng)電裝機(jī)時(shí)，總規(guī)模為14000MW時(shí)，則2020年電網(wǎng)消納的風(fēng)電電量變?yōu)?62.38億千瓦時(shí)，增加了22.02億千瓦；全年棄風(fēng)電量為33.57億千瓦時(shí)，增加了20.25億千瓦時(shí)，電網(wǎng)消納風(fēng)電電量的增加額和棄風(fēng)電量的增加額幾乎相等。

綜上所述，電網(wǎng)2020年合理的風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模約為12000MW。

2.2采用常規(guī)方法分析電網(wǎng)消納風(fēng)電的能力情況

根據(jù)常規(guī)算法，2020年365天的電網(wǎng)的調(diào)峰裕量見表3。從表3中可以看出，在一年內(nèi)，每天的調(diào)峰裕量差別很大，同時(shí)考慮到，每天風(fēng)電增大峰谷差的值占風(fēng)電裝機(jī)容量的系數(shù)也差別很大。因此，選取哪一天的數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)都會(huì)造成誤差頗大，如果選擇調(diào)峰裕量最大的值作為標(biāo)準(zhǔn)，將導(dǎo)致電網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量過大，如果選擇了調(diào)峰裕量最小的值作為標(biāo)準(zhǔn)，將導(dǎo)致電網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量過小

3、結(jié)束語

該文提出了評(píng)價(jià)電網(wǎng)消納新能源能力的一種新方法。該方法是以電網(wǎng)消納的新能源的年發(fā)電量作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過365天的逐日開機(jī)平衡及8760小時(shí)的電量平衡，精確計(jì)算電網(wǎng)消納新能源的發(fā)電量。通過實(shí)例計(jì)算，某電網(wǎng)在2020年，風(fēng)電裝機(jī)容量為12000MW為合理裝機(jī)。如果采用常規(guī)方法評(píng)價(jià)電網(wǎng)消納風(fēng)電的能力，得出的數(shù)據(jù)，不是大于12000MW，就是小于12000MW，導(dǎo)致電網(wǎng)不能合理的開發(fā)新能源。因此，本文提出的方法對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估電網(wǎng)消納新能源的能力及合理安排新能源的發(fā)電裝機(jī)具有很好的借鑒意義。

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