李星銳，呂朝陽

(1.武漢大學(xué)，湖北武漢430071；2.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙410014)

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遠(yuǎn)距離外送風(fēng)電配套運行抽水蓄能電站經(jīng)濟(jì)規(guī)模分析

李星銳1，呂朝陽2

(1.武漢大學(xué)，湖北武漢430071；2.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙410014)

以風(fēng)力發(fā)電特性、抽水蓄能運行特點為基礎(chǔ)，分析抽水蓄能配合風(fēng)電運行方式，構(gòu)建配套運行的抽水蓄能經(jīng)濟(jì)規(guī)模相關(guān)模型，論證風(fēng)電遠(yuǎn)距離外送配套一定規(guī)模抽水蓄能的經(jīng)濟(jì)可行性，以保障風(fēng)電遠(yuǎn)距離外送的利用效率，促進(jìn)我國風(fēng)電可持續(xù)開發(fā)建設(shè)。

風(fēng)電；抽水蓄能；經(jīng)濟(jì)規(guī)模；配套運行

1　研究背景

我國華北、東北、西北地區(qū)風(fēng)能資源豐富，風(fēng)電所在區(qū)域能源消納空間有限，風(fēng)電外送是主要措施。但由于風(fēng)電具有間歇性、隨機性等特點，大規(guī)模接入對電網(wǎng)運行將產(chǎn)生較大的影響，以保障電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運行為基礎(chǔ)，風(fēng)電外送電量棄電現(xiàn)象較為顯著。我國華北、東北、西北棄風(fēng)限電較嚴(yán)重，尤其以河北省張家口、吉林省、內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟、呼倫貝爾市和興安盟等地最為嚴(yán)重，2014年上半年，全國風(fēng)電棄風(fēng)電量175億kW·h，平均棄風(fēng)率15.2%。

可見，風(fēng)電與電網(wǎng)的適應(yīng)性問題已成為限制風(fēng)電發(fā)展和使用的重要影響因素。為更好地利用風(fēng)能資源，促進(jìn)可再生能源發(fā)展，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電特性，本文分析研究配套的抽水蓄能經(jīng)濟(jì)規(guī)模，以合理減輕風(fēng)電并入電網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響，提高我國風(fēng)電利用效率，促進(jìn)風(fēng)電可持續(xù)開發(fā)建設(shè)。

2　配合風(fēng)電外送電源運行方式分析

2.1風(fēng)電特性

風(fēng)電出力具有不完全隨機性，“隨機性”體現(xiàn)在其具有較大的波動性和間歇性，“不完全”是體現(xiàn)在風(fēng)電出力具有可預(yù)報性和明顯的地理、季節(jié)特性[1]。風(fēng)電出力具備隨機性，為電力系統(tǒng)提供的有效容量小。

2.2抽水蓄能電站運行特性分析

抽水蓄能電站機組啟停迅速，快速增減負(fù)荷能力強，能夠很好的適應(yīng)負(fù)荷的瞬時變化，是理想的平抑負(fù)荷波動的快速反應(yīng)電源。

抽水蓄能電站在風(fēng)電出力高峰時段，可作為泵站，利用系統(tǒng)多余電能抽水，將多余的風(fēng)電電能儲存；在風(fēng)電出力低谷時，抽水蓄能則以發(fā)電工況為主，平衡風(fēng)電出力小的問題。抽水蓄能調(diào)峰又填谷的雙重作用，是抽水蓄能電站特有的功能，是其他類型電源無法代替的。

抽水蓄能電站和常規(guī)水電站一樣，啟動靈活迅速，從啟動到滿負(fù)荷只需2 min，由抽水運行轉(zhuǎn)換到發(fā)電工況也僅需3～4 min，是承擔(dān)系統(tǒng)快速反應(yīng)容量和調(diào)頻任務(wù)的理想電源。如風(fēng)電出力的隨機波動性，特別是短時間內(nèi)發(fā)電出力變化較大時，會對電力系統(tǒng)短時間的有功功率平衡及頻率穩(wěn)定產(chǎn)生影響，為維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，需要電網(wǎng)配備充足的快速反應(yīng)容量。抽水蓄能電站承卸負(fù)荷迅速靈活，能適應(yīng)負(fù)荷的急劇變化，調(diào)頻性能好，可以很好的承擔(dān)電網(wǎng)快速負(fù)荷跟蹤和維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定任務(wù)。

另外，風(fēng)電出力過程中無功功率的變化，將會導(dǎo)致系統(tǒng)各節(jié)點電壓改變，而電壓是衡量電能質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，保證風(fēng)電連網(wǎng)電壓接近額定值是風(fēng)電大規(guī)模外送運行調(diào)度的基本任務(wù)之一。當(dāng)風(fēng)電并網(wǎng)無功不足或多余時，抽水蓄能電站能迅速調(diào)整無功出力或吸收無功，有效控制系統(tǒng)節(jié)點電壓水平，實現(xiàn)電網(wǎng)無功功率平衡和電壓穩(wěn)定，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

2.3燃煤火電運行特性分析

目前進(jìn)口及國產(chǎn)大容量燃煤火電機組的調(diào)峰幅度可在50%以上，600 MW以上機組甚至可達(dá)到60%。一般單機容量在100 MW及以下的機組也可實施兩班制開停調(diào)峰運行，隨著小火電機組的逐漸退役，開停機組的量越來越小。網(wǎng)內(nèi)大容量燃煤火電機組由于燃煤供應(yīng)與設(shè)計煤種有時差別很大，火電機組很難達(dá)到設(shè)計的調(diào)峰幅度，而且考慮到火電機組調(diào)峰運行的經(jīng)濟(jì)性，其綜合經(jīng)濟(jì)調(diào)峰幅度不宜太高。

另外，從燃煤火電本身運行條件看，燃煤火電從冷態(tài)至滿負(fù)荷運行時間約6～8 h，從溫態(tài)至滿負(fù)荷運行時間約3 h，從熱態(tài)至滿負(fù)荷運行時間約1.5～2 h，機組負(fù)荷每分鐘爬峰約額定容量的3%～5%。可見，燃煤火電在負(fù)荷變化時間反應(yīng)上面存在較大限制，適應(yīng)風(fēng)電出力間歇性、隨機性能力有限，主要考慮燃煤火電平穩(wěn)出力為主。

3　配合運行數(shù)學(xué)模型分析

3.1風(fēng)電并網(wǎng)容量分析

風(fēng)電外送并網(wǎng)容量大小與其經(jīng)濟(jì)合理利用密切相關(guān)，考慮風(fēng)電對受端電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)峰的影響，低谷、高峰時段風(fēng)電并網(wǎng)容量也需重點對待。根據(jù)我國相關(guān)風(fēng)電基地風(fēng)電場出力過程現(xiàn)狀，風(fēng)電場電量集中在較小出力區(qū)段，當(dāng)風(fēng)電上網(wǎng)容量為其裝機容量的50%～70%時，并網(wǎng)棄風(fēng)率約20%～3%，此特性有利于合理棄風(fēng)，減少電網(wǎng)配套投資。

3.2抽水蓄能經(jīng)濟(jì)規(guī)模原理分析

基于風(fēng)電并網(wǎng)容量的合理棄風(fēng)情況，風(fēng)電棄風(fēng)量存在合理棄風(fēng)研究空間。本文研究主要為抽水蓄能電站降低風(fēng)電棄風(fēng)率，提高輸變電通道經(jīng)濟(jì)利用小時數(shù)，為受端電網(wǎng)提供更多電力電量，以替代受端電網(wǎng)燃煤火電規(guī)劃建設(shè)及其發(fā)電量等。抽水蓄能經(jīng)濟(jì)規(guī)模研究分析原理如下。

(1)隨著抽水蓄能配合運行規(guī)模增大，風(fēng)電棄風(fēng)率將隨之減小。

(2)以棄風(fēng)率最小方案為參照對象，以同等要求滿足受端電網(wǎng)電力電量為前提條件，以送端抽水蓄能規(guī)劃建設(shè)及運行費用、受端替代火電規(guī)劃建設(shè)及費用為研究對象。

(3)隨著送端配合抽水蓄能電站規(guī)模增加，受端規(guī)劃建設(shè)燃煤火電將隨之減少，據(jù)此規(guī)律分析論證各方案費用現(xiàn)值情況，分析各方案的經(jīng)濟(jì)性，以論證抽水蓄能經(jīng)濟(jì)規(guī)模。

(4)具體計算分析為，擬定送端配套運行方案(抽蓄規(guī)模占風(fēng)電規(guī)模比例由0%開始按5%為等差逐漸增大)→綜合考慮送端和受端同等電力電量為前提，棄風(fēng)量減少，受端規(guī)劃建設(shè)火電減少→計算各運行方案送端和受端的項目經(jīng)濟(jì)費用現(xiàn)值→選擇費用現(xiàn)值最小方案為推薦方案。

3.3數(shù)學(xué)模型分析

基于上述分析成果，構(gòu)建風(fēng)電外送配合抽水蓄能電站經(jīng)濟(jì)規(guī)模分析數(shù)學(xué)模型如下

上述數(shù)學(xué)模型中，抽水蓄能電站、受端電網(wǎng)燃煤火電的投資及運行費用水平均需根據(jù)實際情況選取。

4　應(yīng)用分析

4.1案例概況

某風(fēng)電基地風(fēng)能資源十分豐富，被國家確定為7大千萬千瓦級風(fēng)電基地之一，該風(fēng)電基地外送電網(wǎng)為華中電網(wǎng)，外送風(fēng)電規(guī)模為8 000 MW，輸變電通道容量為直流輸送容量為8 000 MW，考慮配套火電裝機8 000 MW。

4.2配合運行電源分析

4.2.1風(fēng)電

該區(qū)域一年四季典型日風(fēng)電出力分布如圖1所示。

圖1　外送風(fēng)電出力及電量分布統(tǒng)計

4.2.2燃煤火電

燃煤火電在負(fù)荷變化時間反應(yīng)上面存在較大限制，適應(yīng)風(fēng)電出力間歇性、隨機性能力有限，主要考慮燃煤火電平穩(wěn)出力為主。同時考慮送端電網(wǎng)環(huán)境保護(hù)、水資源條件、充分利用清潔可再生能源等因素，燃煤火電裝機利用小時數(shù)按4 300 h控制。

4.2.3抽水蓄能

基于抽水蓄能特點，抽水蓄能電站在風(fēng)電外送中，充分發(fā)揮風(fēng)電高峰時段抽水蓄能，低谷時段發(fā)電運行作用，以積極減少風(fēng)電棄風(fēng)電量，提高風(fēng)電開發(fā)利用效率，保障電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運行。

4.3抽水蓄能經(jīng)濟(jì)規(guī)模分析

4.3.1不同比例方案配合運行分析

基于該風(fēng)電配套電源情況，火電技術(shù)出力系數(shù)按0.5考慮，風(fēng)電最大上網(wǎng)容量率則為50%，該風(fēng)電配套運行外送運行方式如圖2所示。

圖2　風(fēng)電外送配套電源后綜合出力過程示意

4.3.2經(jīng)濟(jì)規(guī)模分析

4.3.2.1方案分析

基于上述配合電源運行方式分析，考慮抽水蓄能占風(fēng)電比例按0、5%、10%、15%、20%、25%、30%(即方案1～7)擬定模擬計算分析，各方案對應(yīng)減少風(fēng)電棄風(fēng)量成果表1所示。

表1不同抽水蓄能方案風(fēng)電棄風(fēng)成果統(tǒng)計

方案火電利用小時數(shù)/h輸電線路利用小時數(shù)/h輸電線路增加小時數(shù)/h棄風(fēng)率/%減少棄風(fēng)電量/億kW·h143006115—13.85—2430062921779.28143430064683535.72284430066205051.56415430067085930.35476430067166010.00487430067166010.0048

4.3.2.2經(jīng)濟(jì)規(guī)模分析

基于上述分析成果，經(jīng)濟(jì)規(guī)模分析原則與前提為：受端電網(wǎng)以火電電源作為補充方案，由于送端火電配套容量與輸變電通道容量相當(dāng)，故本研究只考慮電量效益補充(煤耗315 g/kW·h，標(biāo)煤價格900元/t)，以方案7為參照對象，方案1～方案6受端電網(wǎng)分別需要補充燃煤火電電量24.4億、17.9億、11.5億、5.3億、1.6億、0 kW·h。

方案1～方案7送端電網(wǎng)需建設(shè)抽水蓄能規(guī)模分別為0、400、800、1 200、1 600、2 000、2 400 MW，送端抽水蓄能單位容量投資4 500元/kW，年運行費率2.5%，廠用電率0.25%。社會折現(xiàn)率按8%計算。

綜合上述前提與抽水蓄能經(jīng)濟(jì)規(guī)模數(shù)學(xué)模型，按各方案同等滿足受端電力系統(tǒng)要求為基礎(chǔ)，對各方案費用現(xiàn)值進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。

表2　各方案費用現(xiàn)值成果對比　億元

4.3.2.3小結(jié)

綜上所述，基于該風(fēng)電出力特性、配合電源運行、受端電網(wǎng)替代電源及外送通道情況，結(jié)合本論文提出的計算分析方法，該風(fēng)電基地打捆運行的抽水蓄能經(jīng)濟(jì)規(guī)模約為1 200 MW，占外送風(fēng)電比例約為15%。

由于風(fēng)電打捆外送受電源特性、規(guī)模及輸變電通道運行限制等因素，不同風(fēng)電基地出力特性存在一定差別，抽水蓄能電站配備的經(jīng)濟(jì)規(guī)模比例將有所不同，需據(jù)各邊界條件分析論證。

5　結(jié)　論

隨著我國環(huán)境保護(hù)力度日益增大，清潔可再生能源在我國已全面快速發(fā)展建設(shè)。風(fēng)電為作為清潔可再生能源中的重要組成部分，在我國已得到大規(guī)模開發(fā)建設(shè)，但由于其具有隨機性、間歇性和不可控性等特點，大規(guī)模外送對電網(wǎng)運行會產(chǎn)生較大影響，風(fēng)電棄風(fēng)現(xiàn)象較為顯著。為更好地利用風(fēng)能資源，促進(jìn)可再生能源發(fā)展，本論文根據(jù)風(fēng)力發(fā)電特性，分析抽水蓄能配合風(fēng)電運行方式，構(gòu)建配套運行抽水蓄能經(jīng)濟(jì)規(guī)模數(shù)學(xué)模型，論證風(fēng)電大規(guī)模外送配套一定規(guī)模抽水蓄能的合理可行性。論文以我國某重要風(fēng)電基地為案例，對配備不同抽水蓄能方案進(jìn)行分析計算，得到該風(fēng)電基地外送8 000 MW風(fēng)電配合運行的抽水蓄能經(jīng)濟(jì)規(guī)模約為1 200 MW，占外送風(fēng)電比例約為15%。另外，由于風(fēng)電出力特性、輸變電通道運行限制等因素變化，不同風(fēng)電基地外送配套的抽水蓄能電站經(jīng)濟(jì)規(guī)模比例將有所不同。

[1]呂朝陽， 張丹慶， 李懷玉. 我國風(fēng)電大規(guī)模外送協(xié)同運行方式研究[J]. 水電能源科學(xué)， 2012， 30(9)： 202- 205．

[2]徐飛， 陳磊， 金和平， 等. 抽水蓄能電站與風(fēng)電的聯(lián)合優(yōu)化運行建模及應(yīng)用分析[J]. 電氣系統(tǒng)自動化， 2013(1)： 149- 153．

[3]汪寧渤. 風(fēng)電與火電打捆外送相關(guān)問題研究[J]. 中國能源， 2010(6)： 18- 20．

[4]尹明， 王成山， 葛旭波. 風(fēng)電并網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)評價研究綜述[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報， 2010(5)： 102- 105．

[5]石恒初， 剡文林， 劉和森. 風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響初探[J]. 云南電力技術(shù)， 2009(37)： 8- 10．

[6]靳亞東， 董化宏， 馬登清. 建設(shè)蓄能電站解決風(fēng)電消納經(jīng)濟(jì)性分析[J]. 水力發(fā)電， 2011， 37(10)： 8- 10．

(責(zé)任編輯高瑜)

Matching Economic Scale Analysis for Pumped-storage Power Station with Long-distance Wind Power

LI Xingrui1, Lü Zhaoyang2

(1. Wuhan University, Wuhan 430071, Hubei, China;2. PowerChina Zhongnan Engineering Corporation Limited, Changsha 410014, Hunan, China)

Based on the characteristics of wind power and pumped-storage operation, the operation mode of pumped-storage power station which matching the operation of wind power is analyzed, and the economy model for determining the economic scale of pumped-storage power stations is also established. The economic feasibility for the system of long-distance wind power matched with a certain scale of pumped-storage power station is demonstrated which can guarantee the utilization efficiency of long-distance wind power and promote the sustainable development and construction of wind power in China．

wind power; pumped storage; economic scale; matching operation

2016- 01- 12

李星銳(1995—)，男，湖南長沙人，研究方向為電氣工程與自動化、電力系統(tǒng)運行與管理等．

TV213.1

A

0559- 9342(2016)05- 0095- 04