沈 超，秦瀟璘，李永剛

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003)

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考慮發(fā)電側(cè)成本的新能源消納能力評(píng)估

沈 超，秦瀟璘，李永剛

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003)

隨著近幾年新能源裝機(jī)容量的快速增長(zhǎng)，棄風(fēng)、光問(wèn)題變得愈加嚴(yán)重。如何有效評(píng)估新能源消納能力已成為宏觀決策部門(mén)與新能源發(fā)電企業(yè)十分關(guān)心的問(wèn)題。考慮了系統(tǒng)調(diào)峰能力等約束條件，提出一種基于時(shí)序生產(chǎn)模擬的新能源消納能力評(píng)估方法。通過(guò)核算新能源發(fā)電企業(yè)在全壽命周期內(nèi)的投資與運(yùn)行費(fèi)用，得出新能源企業(yè)在不同盈利水平下相應(yīng)的棄新能源比例，并以該比例作為評(píng)估新能源消納能力的指標(biāo)。以西部某省為例，對(duì)該省2016年新能源消納能力進(jìn)行評(píng)估，得出在不同棄新能源比例下的新能源裝機(jī)容量和消納電量，驗(yàn)證了方法的合理性和有效性。

新能源；時(shí)序生產(chǎn)模擬；發(fā)電成本；棄新能源比例；消納能力

0 引言

風(fēng)能、太陽(yáng)能等資源是清潔的可再生能源[1]。隨著化石燃料大量燃燒引發(fā)的日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，新能源因其具有的低碳、環(huán)保的優(yōu)越性而受到各國(guó)政府越來(lái)越多的重視[2-4]。近年來(lái)，全國(guó)新能源裝機(jī)容量快速增長(zhǎng)[5]，新能源消納形勢(shì)已經(jīng)由原來(lái)的全額消納發(fā)展為出現(xiàn)了一定比例的舍棄，個(gè)別地區(qū)甚至出現(xiàn)了嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象。準(zhǔn)確評(píng)估在一定約束條件下的新能源消納能力對(duì)于未來(lái)新能源發(fā)展有著重要的指導(dǎo)意義[6]。

目前，對(duì)新能源消納能力的評(píng)估主要有以下兩種方法：一種是不限制新能源出力的評(píng)估方法，該方法以不限制新能源出力為前提，以各月典型日為周期，計(jì)算各月典型日在負(fù)荷低谷時(shí)段的調(diào)峰裕度能否接納一定裝機(jī)容量的新能源出力[7]，然后除以一定的新能源有效容量系數(shù)得到可消納的新能源裝機(jī)容量。此方法計(jì)算得出的可消納的新能源裝機(jī)容量少，而且邊界條件比較粗糙，計(jì)算結(jié)果偏差較大[8]。另一種是限制一定新能源出力的評(píng)估方法[9]，該方法允許在負(fù)荷低谷時(shí)段一定比例的新能源舍棄，以保證更大的裝機(jī)容量，從而增加在非負(fù)荷低谷時(shí)段的新能源發(fā)電量，提高新能源整體消納水平。國(guó)內(nèi)多個(gè)地方的新能源裝機(jī)容量已經(jīng)超過(guò)了全額消納的能力，以不限制新能源出力評(píng)估得出的新能源裝機(jī)容量在實(shí)際中很難實(shí)現(xiàn)，電量消納成為新能源發(fā)展的最終目標(biāo)[10，11]。

本文結(jié)合后一種新能源消納能力評(píng)估方法的思想，并將該方法中限制新能源出力的比例明確化，通過(guò)計(jì)及新能源發(fā)電企業(yè)全壽命周期投資與運(yùn)行成本，得出新能源企業(yè)在不同盈利水平下相應(yīng)的棄風(fēng)、光比例，并以該棄風(fēng)、光比例為評(píng)估指標(biāo)，在基于時(shí)序生產(chǎn)模擬的新能源消納能力評(píng)估模型基礎(chǔ)上，反推出可消納的新能源裝機(jī)容量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)新能源消納能力的準(zhǔn)確評(píng)估，為大規(guī)模新能源有序、健康開(kāi)發(fā)提供參考。

1 新能源消納能力評(píng)估模型

時(shí)序生產(chǎn)模擬是一種模擬系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的仿真方法，通常以年為計(jì)算時(shí)間尺度，通過(guò)模擬新能源出力特性和負(fù)荷特性時(shí)間序列，逐時(shí)段模擬電網(wǎng)的電力電量平衡情況，將系統(tǒng)負(fù)荷、新能源出力等看作隨時(shí)間變化的序列，建立電網(wǎng)的電力平衡模型，并考慮聯(lián)絡(luò)線運(yùn)行要求、機(jī)組啟停、火電最小運(yùn)行方式、供熱等約束，逐點(diǎn)模擬電網(wǎng)運(yùn)行狀況。在調(diào)峰受阻時(shí)，按照新能源優(yōu)先消納的原則進(jìn)行安排，最終得到年度可消納新能源裝機(jī)容量與電量。

1.1 模型評(píng)估原理

由于新能源出力的隨機(jī)性與不可控性，新能源不能像常規(guī)機(jī)組那樣輸出穩(wěn)定可控的功率，新能源的消納主要依賴于系統(tǒng)的調(diào)峰能力[12，13]，即在有新能源出力時(shí)常規(guī)機(jī)組能降低出力以消納新能源，而新能源不能被完全消納的主要原因就在于新能源在出力高峰時(shí)，常規(guī)機(jī)組不能降低足夠的出力以接納新能源，圖1為新能源消納原理示意圖。

圖1 新能源消納原理圖

由圖可知，負(fù)荷曲線與系統(tǒng)最小技術(shù)出力之間為新能源可消納空間。顯然，任意時(shí)刻系統(tǒng)所能消納的新能源最大值等于該時(shí)刻發(fā)電負(fù)荷減去系統(tǒng)最小技術(shù)出力，也就是調(diào)峰裕度。在實(shí)際調(diào)度運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)新能源出力超過(guò)該時(shí)刻的調(diào)峰裕度時(shí)，超出的部分需要被切除以保證電力的供需實(shí)時(shí)平衡，這便造成了新能源的舍棄[14]。

新能源消納電量由式(1)計(jì)算得出：

(1)

式中：pnew，i表示第i時(shí)刻新能源出力值；pl，i表示第i時(shí)刻的負(fù)荷值；pmin表示系統(tǒng)最小技術(shù)出力；pl，i-pmin即為系統(tǒng)調(diào)峰裕度。

當(dāng)新能源出力值超過(guò)系統(tǒng)能提供的調(diào)峰裕量時(shí)，超出的新能源出力將會(huì)被限制以維持電力供需平衡，被限制的新能源電量表示為：

(2)

由以上結(jié)果可計(jì)算得出棄新能源比例為：

(3)

1.2 模型中的數(shù)據(jù)確定

(1)負(fù)荷曲線。根據(jù)規(guī)劃數(shù)據(jù)，評(píng)估水平年的各日負(fù)荷曲線可根據(jù)年最大負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果、歷史年負(fù)荷曲線和典型日負(fù)荷曲線模擬生成。根據(jù)文獻(xiàn)[15]中的方法模擬評(píng)估水平年各日負(fù)荷時(shí)序曲線。

(2)新能源出力曲線。在規(guī)劃時(shí)間尺度上，難以預(yù)測(cè)評(píng)估水平年某一天的新能源出力，為此采用歷史風(fēng)電和光伏實(shí)際出力值模擬得到評(píng)估水平年的新能源出力曲線。根據(jù)歷史風(fēng)電和光伏實(shí)際出力曲線和各時(shí)間點(diǎn)的裝機(jī)容量，得到風(fēng)電和光伏出力標(biāo)幺值曲線，然后以風(fēng)電和光伏出力標(biāo)幺值曲線分別乘以規(guī)劃的裝機(jī)容量作為風(fēng)電與光伏出力曲線[16]，并將兩者相加形成風(fēng)光聯(lián)合出力曲線。

需注意的是，以此種方法模擬得到的評(píng)估水平年各日的新能源出力曲線必然會(huì)與實(shí)際出力值有較大的出入，因此在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)得到的新能源消納功率和棄風(fēng)功率會(huì)有較大差異，但是由于風(fēng)資源與光資源在年際特性下有較強(qiáng)的穩(wěn)定性[17]，其年平均風(fēng)速、平均光照強(qiáng)度等統(tǒng)計(jì)性特征基本不變，故以此方法計(jì)算得出的年發(fā)電量、年利用小時(shí)數(shù)等指標(biāo)差異不大，可作為模擬新能源出力的方法[18]。

(3)系統(tǒng)最低技術(shù)出力確定。根據(jù)日負(fù)荷預(yù)測(cè)水平并考慮旋轉(zhuǎn)備用，確定除新能源以外的電源開(kāi)機(jī)容量，開(kāi)機(jī)順序按照文獻(xiàn)[19]中的規(guī)定并考慮各機(jī)組的檢修計(jì)劃后確定。

系統(tǒng)最低技術(shù)出力取決于各電源的調(diào)峰深度，水電根據(jù)水電站類型和所在季節(jié)確定，火電300 MW以上容量機(jī)組調(diào)峰率按50%考慮，200～300 MW機(jī)組按40%考慮，200 MW以下機(jī)組要求有日內(nèi)啟停調(diào)峰能力。供熱機(jī)組在供熱期(11月～次年3月)與非供熱期(4月～10月)最低出力分別為額定容量的90%和60%。

1.3 調(diào)峰裕度的有效利用分析

新能源的消納主要依賴于常規(guī)機(jī)組的調(diào)峰能力，常規(guī)機(jī)組能降到的最低技術(shù)出力將直接決定新能源的消納能力。然而常規(guī)機(jī)組出力不可能一味降低，一方面常規(guī)機(jī)組出力降到一定程度時(shí)會(huì)造成運(yùn)行成本的明顯上升；另一方面還會(huì)造成常規(guī)機(jī)組出力不穩(wěn)，影響發(fā)電質(zhì)量。因此，在系統(tǒng)調(diào)峰能力短期內(nèi)不會(huì)有太大提高的前提下，如何更有效地利用現(xiàn)階段的系統(tǒng)調(diào)峰裕度，對(duì)新能源消納電量的提高有重要意義。

從圖1新能源消納原理圖中可知，負(fù)荷曲線與常規(guī)機(jī)組最低出力之間為系統(tǒng)新能源消納空間，即常規(guī)機(jī)組調(diào)峰裕度。理論上說(shuō)，如果新能源出力能夠充滿這一區(qū)間，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)提供的調(diào)峰裕度的完全利用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最大消納新能源電量。但是，由于新能源出力的不確定性，在新能源出力值小于調(diào)峰裕量值時(shí)仍需要提高常規(guī)電源出力以實(shí)現(xiàn)電力供需平衡。所以如果能使新能源在系統(tǒng)可提供的消納空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)密集出力，則可以有效提高新能源消納電量，且出力越密集，消納新能源電量越多。

圖2為計(jì)算得出的2015年中國(guó)西部某省一個(gè)地區(qū)在不同新能源裝機(jī)容量下的新能源消納電量變化情況，新能源裝機(jī)比例為100%表示2014年初的新能源裝機(jī)容量。由圖可知，當(dāng)新能源裝機(jī)容量從100%增加至300%時(shí)，新能源消納電量逐漸增加，且增長(zhǎng)速度逐漸變緩，尤其當(dāng)新能源裝機(jī)容量達(dá)到2倍于初始裝機(jī)容量時(shí)，提高新能源裝機(jī)容量對(duì)提高新能源消納電量影響很小，這說(shuō)明當(dāng)新能源裝機(jī)容量增加到一定程度時(shí)，新能源消納電量會(huì)達(dá)到一個(gè)飽和期。

圖2 不同新能源裝機(jī)容量下的新能源消納電量

圖3表示在不同的裝機(jī)容量下的棄新能源比例變化情況。由圖可知，隨著新能源裝機(jī)容量的增加，棄新能源比例也在不斷上升。

圖3 不同新能源裝機(jī)容量下的棄新能源比例

由以上分析可知，一方面，提高新能源裝機(jī)容量有助于提高新能源消納電量，即可以更有效地利用系統(tǒng)可提供的調(diào)峰裕度；另一方面，提高新能源裝機(jī)容量又會(huì)造成棄新能源比例的升高。也就是說(shuō)，在提高新能源裝機(jī)容量使得新能源消納電量提高的同時(shí)又必須要承受較高的棄新能源比例，而棄新能源比例過(guò)高時(shí)就會(huì)造成風(fēng)電場(chǎng)及光伏電站的年利用小時(shí)數(shù)的大幅降低，使得新能源發(fā)電企業(yè)虧損。所以，如何確定合適的棄新能源比例，使得既能充分利用系統(tǒng)的調(diào)峰裕度來(lái)提高新能源消納量，又能兼顧新能源發(fā)電企業(yè)的成本使其不至于虧損，這將直接決定未來(lái)新能源裝機(jī)容量。

2 發(fā)電側(cè)角度棄新能源比例分析

從上述分析可知，當(dāng)以限制一定新能源出力的方法對(duì)新能源消納能力作評(píng)估時(shí)需確定一個(gè)棄新能源比例，并以該比例為評(píng)估指標(biāo)，計(jì)算在該比例下可消納的新能源裝機(jī)容量。本節(jié)從新能源發(fā)電企業(yè)的角度分析企業(yè)在不同盈利水平下要達(dá)到的年利用小時(shí)數(shù)，并以相應(yīng)的年利用小時(shí)數(shù)折算得出在不同的盈利水平下的棄新能源比例，以此作為確定新能源裝機(jī)容量的指標(biāo)。

2.1 新能源發(fā)電企業(yè)成本分析

新能源發(fā)電企業(yè)費(fèi)用一般包括投資費(fèi)用和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用[20]。投資費(fèi)用又細(xì)分為器件費(fèi)用和附加費(fèi)用。而運(yùn)營(yíng)費(fèi)用主要包括維護(hù)、修理、保險(xiǎn)、地皮費(fèi)用和稅務(wù)，平均每年的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用約為初期投資費(fèi)用的3%[21]。

假設(shè)單位MW容量的風(fēng)電場(chǎng)初期投資費(fèi)用為Cg，w，單位MW容量光伏電站初期投資費(fèi)用為Cg，p。投資成本中ω%為向國(guó)內(nèi)銀行貸款，貸款期限為n年，貸款年利率為r1，則風(fēng)電場(chǎng)本息投資費(fèi)用為：

Q1,w=Cg，w×(1-ω%+(1+r1)n×ω%)

(4)

光伏電站本息投資費(fèi)用為：

(5)

以新能源企業(yè)運(yùn)行壽命k=20年計(jì)，則考慮資金的時(shí)間價(jià)值后，風(fēng)電場(chǎng)與光伏電站運(yùn)行壽命期內(nèi)的運(yùn)行費(fèi)用總額折現(xiàn)值分別為：

(6)

(7)

式中：r2為折現(xiàn)率[22]。

綜上，單位容量風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站運(yùn)行壽命期內(nèi)總費(fèi)用分別為：

(8)

(9)

2.2 不同盈利水平下的棄新能源比例分析

風(fēng)電場(chǎng)與光伏電站的收益主要來(lái)源于售電。根據(jù)歷年風(fēng)電場(chǎng)與光伏電站的年發(fā)電小時(shí)數(shù)可估計(jì)出一定裝機(jī)容量下全年的發(fā)電量，再根據(jù)上網(wǎng)電價(jià)即可得出風(fēng)電場(chǎng)與光伏電站運(yùn)行一年的收益。

假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)與光伏電站在運(yùn)行年限t后的收益與投資及壽命期內(nèi)的運(yùn)營(yíng)總成本達(dá)到平衡，即要求在運(yùn)行t年后收回成本(有20-t年的純盈利期)，則可據(jù)此得出風(fēng)電場(chǎng)與光伏電站的純盈利期為(20-t)年時(shí)可允許的年平均棄風(fēng)、光比例。

已知單位MW風(fēng)電與光伏成本為Qw,Qp，假設(shè)風(fēng)電與光伏上網(wǎng)電價(jià)分別為aw，ap，風(fēng)電場(chǎng)與光伏裝機(jī)容量分別為Pw，Pp，風(fēng)電與光伏年平均利用小時(shí)數(shù)分別為hw，hp，則計(jì)算得出風(fēng)電場(chǎng)與光伏電站在t年內(nèi)回收成本時(shí)相應(yīng)的棄風(fēng)、棄光比例為：

(10)

(11)

3 算例分析

根據(jù)以上分析，以西北某省實(shí)際數(shù)據(jù)為例，計(jì)算該省2016年可消納的新能源裝機(jī)容量。

(1)負(fù)荷數(shù)據(jù)

根據(jù)規(guī)劃預(yù)測(cè)，2016年該省夏季最大負(fù)荷將達(dá)到4 002萬(wàn)kW，冬季最大負(fù)荷將達(dá)到3 862萬(wàn)kW。全年中，4～10月共7個(gè)月的時(shí)間采用夏季運(yùn)行方式，其它5個(gè)月采用冬季運(yùn)行方式。夏季和冬季典型日負(fù)荷曲線如圖4。

圖4 典型日負(fù)荷曲線

(2)風(fēng)光出力曲線

采用該省使用的D5000電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)記錄的風(fēng)電光伏出力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到風(fēng)電光伏年出力標(biāo)幺值曲線。

(3)常規(guī)電源出力分析

根據(jù)電源規(guī)劃，2016年該省火電機(jī)組裝機(jī)容量將達(dá)到4 564萬(wàn)kW，其中供熱機(jī)組約占40%，水電裝機(jī)容量為726萬(wàn)kW。截止到2015年底該省風(fēng)電裝機(jī)容量為954.2萬(wàn)kW，光伏裝機(jī)容量為492.6萬(wàn)kW，風(fēng)電光伏裝機(jī)容量比接近于2∶1。2015年該省全年棄風(fēng)比例為31.6%，棄光比例為22.4%，故該省新能源消納形勢(shì)非常嚴(yán)峻。

(4)棄新能源比例分析

由式(4)～(11)可知，與風(fēng)電及光伏企業(yè)在不同盈利水平下的棄風(fēng)、光比例相關(guān)的參數(shù)及結(jié)合工程實(shí)際得到部分參數(shù)取值如表1所示。

表1 參數(shù)及取值

根據(jù)表中的參數(shù)取值可計(jì)算得出風(fēng)電、光伏企業(yè)在不同盈利水平下(t=20,15,10)的棄風(fēng)、光比例以及在以2015年底風(fēng)電、光伏2∶1的裝機(jī)比例下考慮風(fēng)光聯(lián)合出力后的綜合棄新能源比例如表2所示。

表2 不同盈利水平下的棄風(fēng)/光比例 %

4 評(píng)估結(jié)果

根據(jù)以上方法和數(shù)據(jù)，對(duì)該省2016年新能源消納情況做出評(píng)估，得出2016年該省在新能源不同盈利水平下可消納的裝機(jī)容量與新能源消納電量如表3所示。

表3 新能源消納能力評(píng)估結(jié)果

由表可知，在8%的棄新能源比例下計(jì)算可消納的新能源裝機(jī)容量只有598.6萬(wàn)kW，遠(yuǎn)小于當(dāng)前新能源實(shí)際裝機(jī)容量(當(dāng)前新能源裝機(jī)容量為1 446.8萬(wàn)kW)，且新能源消納電量很小，也就是說(shuō)以當(dāng)前系統(tǒng)的實(shí)際新能源消納能力及新能源裝機(jī)規(guī)模，棄新能源比例不會(huì)低于8%；當(dāng)以26%的棄新能源比例計(jì)算得出可消納的新能源裝機(jī)容量為1 511萬(wàn)kW，新能源消納電量186.57億kW·h，相對(duì)于8%的棄新能源比例有明顯增高，且新能源發(fā)電企業(yè)有一定盈利，在實(shí)際生產(chǎn)中可行；而在45%的棄新能源比例下計(jì)算出可消納的新能源裝機(jī)容量及新能源消納電量也有了明顯提升，但45%的棄新能源比例在工程實(shí)際中不可承受，這也可作為衡量新能源企業(yè)效益盈虧的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

另外，本文評(píng)估得出的新能源裝機(jī)容量為省內(nèi)消納，未考慮新能源外送功率，這是因?yàn)樵撌⊥馑屯ǖ烙泄潭ǖ幕痣娕c配套新能源，省內(nèi)新能源發(fā)電量很少參與外送。

5 結(jié)論

本文從系統(tǒng)調(diào)峰能力角度分析了棄風(fēng)、光原理，通過(guò)模擬系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況提出了基于時(shí)序生產(chǎn)模擬的新能源消納能力評(píng)估方法，并從調(diào)峰裕度有效利用的角度得出不同新能源裝機(jī)容量對(duì)新能源消納電量的影響。從結(jié)果中可知，當(dāng)把新能源裝機(jī)容量提高到一定水平時(shí)，新能源消納電量會(huì)達(dá)到一個(gè)飽和期。

通過(guò)計(jì)及新能源企業(yè)全壽命周期投資與運(yùn)行成本，計(jì)算了新能源企業(yè)在不同盈利水平下相應(yīng)的棄風(fēng)、光比例，明確了在不同棄風(fēng)、光比例下可消納的新能源裝機(jī)容量，可有效指導(dǎo)新能源開(kāi)發(fā)規(guī)模和建設(shè)時(shí)序，實(shí)現(xiàn)新能源健康有序發(fā)展。

本文中的計(jì)算結(jié)果可為相關(guān)決策部門(mén)作新能源發(fā)展規(guī)劃提供參考，相應(yīng)的棄新能源比例在不同的省份會(huì)因地域風(fēng)光條件與電源結(jié)構(gòu)的不同而存在差異，但本文中提出的新能源消納能力的評(píng)估方法可為其他省份提供借鑒。

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The Evaluation of Renewable Power Accommodation Capability Considering the Cost of Electricity Generation-side

SHEN Chao, QIN Xiaolin, LI Yonggang

(School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

With the rapid growth of renewable power installed capacity in recent years, wind and photovoltaic power curtailment has grown more serious.How to evaluate the renewable power accommodation capability effectively has been a serious question concerned by both macroscopic decision-making departments and renewable power generation enterprise.Taking the peak load regulation ability into consideration, a new method is proposed based on sequential production simulation.The ratios of renewable power curtailment at different profit levels were established by calculating the life cycle investment and operating cost of renewable power generation enterprise and were considered as an index to evaluate the renewable power accommodation capability.Taking a province in west China for example, this paper evaluated the renewable power accommodation capability of the province in 2016 and got the renewable power installed capacity and accommodation electric power, which verified the rationality and validity of the method.

renewable power; sequential production simulation; power generation cost; the ratio of renewable power curtailment; accommodation capability

2016-07-05。

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(5230JY14003R)。

沈超(1989-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)，E-mail：1033073356@qq.com。

TM715

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.11.001