饒宇飛，王愷文，李曉萌，劉陽(yáng)，呂泉

（1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南鄭州 450052；2.大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧大連 116023）

大規(guī)模外網(wǎng)受電及新能源接入下河南電網(wǎng)調(diào)峰形勢(shì)評(píng)估

饒宇飛1，王愷文2，李曉萌1，劉陽(yáng)1，呂泉2

（1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南鄭州 450052；2.大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧大連 116023）

“十三五”期間，河南電網(wǎng)外部直流受電規(guī)模和內(nèi)部風(fēng)、光等不可控可再生能源都將大幅增長(zhǎng)，從而給河南電網(wǎng)的調(diào)峰帶來(lái)挑戰(zhàn)。為有效分析該環(huán)境下的調(diào)峰形勢(shì)，在充分計(jì)及河南電網(wǎng)內(nèi)部分區(qū)斷面約束、復(fù)雜電源結(jié)構(gòu)和調(diào)度原則的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了河南電網(wǎng)調(diào)峰形勢(shì)評(píng)估計(jì)算模型，對(duì)河南電網(wǎng)2020年的調(diào)峰形勢(shì)進(jìn)行了計(jì)算分析。分析時(shí)，為使得結(jié)果符合未來(lái)實(shí)際，結(jié)合河南經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)新趨勢(shì)以及國(guó)家電源建設(shè)新政策，分析了原始規(guī)劃場(chǎng)景、負(fù)荷低增長(zhǎng)場(chǎng)景以及純凝火電凍結(jié)建設(shè)3個(gè)場(chǎng)景。結(jié)果表明：河南電網(wǎng)調(diào)峰容量不足問(wèn)題主要出現(xiàn)在冬季，若負(fù)荷按規(guī)劃預(yù)測(cè)增長(zhǎng)，通過(guò)純凝煤電深度調(diào)峰或少量棄風(fēng)調(diào)峰可以滿足調(diào)峰平衡需求；而若負(fù)荷低增長(zhǎng)，則無(wú)論電源按規(guī)劃建設(shè)，還是凍結(jié)純凝煤電建設(shè)，通過(guò)純凝煤電深度調(diào)峰或棄風(fēng)調(diào)峰均無(wú)法滿足調(diào)峰平衡需求，需要采用其他調(diào)峰手段。

河南電網(wǎng)；調(diào)峰；特高壓；可再生能源接入

河南省位于華中電網(wǎng)北部，是華中電網(wǎng)的重要組成部分和火電基地[1-2]。當(dāng)前，河南電網(wǎng)往北通過(guò)晉東南—南陽(yáng)—荊門(mén)1 000 kV特高壓與華北電網(wǎng)互聯(lián)，往西通過(guò)靈寶直流背靠背工程和±800 kV特高壓哈鄭直流與西北電網(wǎng)互聯(lián)，往南通過(guò)500 kV交流和南陽(yáng)—荊門(mén)1 000 kV特高壓與湖北電網(wǎng)互聯(lián)。河南電網(wǎng)已成為西北、華北、華中三大區(qū)域特高壓交、直流聯(lián)網(wǎng)的重要樞紐[3-4]。

鑒于直流送端西北電網(wǎng)存在大規(guī)模的棄風(fēng)限電現(xiàn)象，因而送入河南的電力調(diào)峰幅度很小，一般小于20%；而交流送端華北電網(wǎng)同樣存在嚴(yán)重棄風(fēng)，若受入電力，調(diào)峰幅度也可能要低于河南自身負(fù)荷調(diào)峰深度[5-6]?？梢哉J(rèn)為，外網(wǎng)電力的大規(guī)模受入，將給河南電網(wǎng)的調(diào)峰問(wèn)題帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)[7]。根據(jù)規(guī)劃，河南電網(wǎng)“十三五”期間風(fēng)光可再生能源發(fā)電將快速發(fā)展，到2020年，累計(jì)容量將超過(guò)系統(tǒng)13%。其中，由于風(fēng)電具有明顯的反調(diào)峰特性，將對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰造成嚴(yán)重影響[8-10]。

故而，隨著大規(guī)模外網(wǎng)電力的受入以及新能源的快速發(fā)展，河南省內(nèi)其他電源所承擔(dān)的調(diào)峰壓力會(huì)越來(lái)越大。那么，在“十三五”末期，省內(nèi)電源是否能夠滿足系統(tǒng)的調(diào)峰需求，就成為電網(wǎng)決策部門(mén)在規(guī)劃、運(yùn)行時(shí)非常關(guān)心的問(wèn)題。本文即針對(duì)該問(wèn)題展開(kāi)研究，分析了2020年河南電網(wǎng)的調(diào)峰形勢(shì)，并對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行給出了一些合理建議。

1 “十三五”末期河南電網(wǎng)電力系統(tǒng)概況

1.1 內(nèi)部分區(qū)外網(wǎng)接入情況

根據(jù)河南電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行及規(guī)劃，河南電網(wǎng)內(nèi)部主要有2個(gè)輸電斷面：豫北—豫中500 kV輸電斷面和豫中—豫南500 kV輸電斷面，從而將豫中電網(wǎng)分割為3個(gè)內(nèi)部分區(qū)：豫北、豫中和豫南，如圖1所示。由圖1可知2020年外部聯(lián)接線路的輸電容量與省網(wǎng)主要輸電斷面容量。

圖1 2020年河南電網(wǎng)主要輸電斷面及電力流向示意圖Fig.1 Main transmission section and power flow diagram of Henan grid in 2020

1.2 電源結(jié)構(gòu)

圖2給出了2020年河南電網(wǎng)預(yù)期電源結(jié)構(gòu)，可以看出，未來(lái)河南電網(wǎng)的電源結(jié)構(gòu)非常多樣化，風(fēng)電、光伏等新型可再生能源的占比將近13%，而水電、燃?xì)?、抽蓄等靈活電源的占比也將近10%。然而，電源結(jié)構(gòu)中，火電依然占據(jù)主導(dǎo)地位，約占78.2%，主要由純凝燃煤、供熱燃煤以及自備燃煤機(jī)組構(gòu)成。

圖2 河南電網(wǎng)2020年預(yù)測(cè)電源結(jié)構(gòu)Fig.2 The forecast power source structure of Henan grid in 2020

1.3 日負(fù)荷特性及調(diào)峰需求

圖3給出了預(yù)測(cè)的夏季和冬季典型日標(biāo)幺負(fù)荷曲線。由圖3可知，夏季和冬季典型日的峰谷差率分別為34%和36%。考慮到電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)一般會(huì)在尖峰時(shí)段安排5%以上的旋轉(zhuǎn)備用，因此對(duì)發(fā)電側(cè)綜合調(diào)峰率的需求就將達(dá)到40%以上?？紤]到河南電網(wǎng)在2020年會(huì)有約5 GW的風(fēng)電，約占最大負(fù)荷的7.4%，從而將會(huì)給發(fā)電側(cè)分別帶來(lái)約3.7%的調(diào)峰需求（假設(shè)風(fēng)電尖峰不參與電力平衡，低谷考慮合理?xiàng)夛L(fēng)按50%出力計(jì)算）。這樣，夏季和冬季最大負(fù)荷日對(duì)發(fā)電側(cè)的綜合調(diào)峰需求將達(dá)到44%左右。若考慮到春節(jié)等特殊情況，以春節(jié)峰谷差率40%計(jì)算，則對(duì)發(fā)電側(cè)的綜合調(diào)峰需求將達(dá)到49%，已經(jīng)接近與純凝機(jī)組50%的常規(guī)調(diào)峰能力。鑒于冬季實(shí)際運(yùn)行時(shí)，熱電機(jī)組僅有約20%～30%的調(diào)峰能力，哈鄭直流僅有20%的調(diào)峰能力，則要滿足調(diào)峰率49%的調(diào)峰需求，純凝機(jī)組就要進(jìn)行深度調(diào)峰，甚至進(jìn)行啟停調(diào)峰。因此，未來(lái)河南電網(wǎng)的調(diào)峰形勢(shì)不容樂(lè)觀，需要進(jìn)行有效的評(píng)估。

圖3 2020年典型日標(biāo)幺負(fù)荷曲線預(yù)測(cè)Fig.3 The typical daily load curve forecasting in 2020

2 調(diào)峰形勢(shì)評(píng)估原理

本文通過(guò)對(duì)典型日進(jìn)行調(diào)峰平衡分析，來(lái)評(píng)判電網(wǎng)的調(diào)峰形勢(shì)[2]。根據(jù)河南電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，設(shè)計(jì)調(diào)峰評(píng)估原理如下。

2.1 選定典型日

電網(wǎng)調(diào)峰能力通常是指發(fā)電側(cè)跟蹤負(fù)荷日內(nèi)峰谷波動(dòng)的能力[3]。電網(wǎng)調(diào)峰問(wèn)題一般可描述為：發(fā)電側(cè)在滿足低谷時(shí)段負(fù)荷備用需求的前提下，考慮發(fā)電機(jī)組技術(shù)約束條件能否滿足尖峰時(shí)段電力平衡和備用需求的問(wèn)題。通常，均采用第一種描述方式，本文亦如此。

分析調(diào)峰問(wèn)題時(shí)，典型日通常選擇2種：其一，大負(fù)荷日，因?yàn)樨?fù)荷越大，水電、抽蓄、燃?xì)獾褥`活性電源的占比就越小，調(diào)峰就可能越困難；其二，小負(fù)荷日，因?yàn)樨?fù)荷越小，熱電、直流外來(lái)電、自備機(jī)組等非靈活性電源占總負(fù)荷的比重就越大，發(fā)電側(cè)就越難滿足系統(tǒng)的調(diào)峰需求。

2.2 典型日各類電源開(kāi)機(jī)容量及可調(diào)容量確定

我國(guó)當(dāng)前采用節(jié)能發(fā)電調(diào)度方式[4]。因而，可根據(jù)典型日負(fù)荷曲線上的尖峰負(fù)荷加上給定的最小備用作為需要的系統(tǒng)可調(diào)容量需求。根據(jù)節(jié)能調(diào)度順序，以及調(diào)峰能力強(qiáng)優(yōu)先開(kāi)機(jī)的原則，在考慮省網(wǎng)各分區(qū)間斷面約束以及各類電源備用、容量受阻等因素下，確定省內(nèi)各類電源的開(kāi)機(jī)容量和可調(diào)容量，從而滿足系統(tǒng)典型日可調(diào)容量的需求。

2.3 公用純凝機(jī)組負(fù)荷率的計(jì)算

在2.2節(jié)所確定開(kāi)機(jī)的各類電源中，將公用純凝機(jī)組以外的電源按照《華中區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》（下文統(tǒng)稱為《細(xì)則》）規(guī)定的基本調(diào)峰標(biāo)準(zhǔn)降到最低，統(tǒng)計(jì)此時(shí)這些電源的總出力水平；典型日負(fù)荷曲線上低谷時(shí)段最小負(fù)荷減去該出力水平，即為大型公用純凝機(jī)組在低谷時(shí)段需要承擔(dān)的負(fù)荷；依據(jù)該負(fù)荷及公用純凝機(jī)組的開(kāi)機(jī)容量，即可計(jì)算出公用純凝機(jī)組在低谷時(shí)段的負(fù)荷率。

2.4 調(diào)峰裕度評(píng)估指標(biāo)的計(jì)算

以典型日低谷時(shí)段大型公用純凝機(jī)組的負(fù)荷率減去《細(xì)則》規(guī)定基本調(diào)峰標(biāo)準(zhǔn)下的最小技術(shù)出力，即為調(diào)峰裕度的相對(duì)指標(biāo)。該指標(biāo)可以表征在給定電源結(jié)構(gòu)下系統(tǒng)調(diào)峰的緊張程度。以該相對(duì)指標(biāo)再乘以大型公用純凝機(jī)組的開(kāi)機(jī)容量，即為系統(tǒng)的調(diào)峰裕度絕對(duì)值。

根據(jù)2.1～2.4節(jié)流程，即可評(píng)估出任何給定典型日下的調(diào)峰形勢(shì)。

3 典型日開(kāi)機(jī)容量確定模型

3.1 邊界條件

根據(jù)河南省網(wǎng)以往調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，尖峰電力平衡時(shí)需考慮的邊界條件如下：

1）電源可用率。電源在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，停機(jī)檢修、運(yùn)行受阻以及長(zhǎng)期停運(yùn)等因素均會(huì)導(dǎo)致電源全部或部分容量不可用。因而，在確定各分區(qū)各類電源開(kāi)機(jī)總?cè)萘繒r(shí)，需要考慮各類電源的可用率。

2）旋轉(zhuǎn)備用容量。在設(shè)置旋轉(zhuǎn)備用時(shí)，需全網(wǎng)和分區(qū)同時(shí)兼顧。對(duì)各分區(qū)而言，旋轉(zhuǎn)備用需求為區(qū)內(nèi)最大1臺(tái)機(jī)組或最大直流線路發(fā)生單極閉鎖時(shí)該區(qū)失去的受電容量；而旋轉(zhuǎn)備用供給為其他分區(qū)通過(guò)聯(lián)絡(luò)線支援的備用容量和本分區(qū)自留的備用容量。

在電力平衡時(shí)，不考慮外網(wǎng)提供的備用，即所有備用由省內(nèi)常規(guī)機(jī)組提供。這是因?yàn)?，根?jù)目前的調(diào)度原則，一次調(diào)頻備用一般為全區(qū)共享，相互支援，二次備用則按照省內(nèi)各自平衡原則進(jìn)行調(diào)度。

1）省內(nèi)分區(qū)間斷面容量。分區(qū)間斷面容量限制的存在，會(huì)導(dǎo)致某些送出分區(qū)的可用機(jī)組因斷面約束而無(wú)法開(kāi)機(jī)，因而在確定各分區(qū)電源開(kāi)機(jī)容量時(shí)必須予以考慮。

2）外網(wǎng)受電原則。對(duì)于直流受電，進(jìn)行尖峰時(shí)段電力平衡時(shí)按照考慮網(wǎng)損后的最大受電能力考慮。而對(duì)于交流受電，由于省網(wǎng)高開(kāi)機(jī)率與河南電網(wǎng)整體利益一致，是河南電網(wǎng)可能的運(yùn)行方式，因此，電力平衡時(shí)以省網(wǎng)統(tǒng)調(diào)機(jī)組開(kāi)機(jī)最大為目標(biāo)，盡可能減小對(duì)外部交流電力的依賴。

3）電源開(kāi)機(jī)優(yōu)先順序。按照節(jié)能調(diào)度順序，電力平衡時(shí)應(yīng)優(yōu)先平衡風(fēng)電、光伏、水電等可再生能源；而為了計(jì)算最大調(diào)峰裕度，也應(yīng)該優(yōu)先平衡燃?xì)?、抽蓄等靈活調(diào)峰資源；同時(shí)，鑒于熱電廠和自備電廠的特殊性，也需要優(yōu)先進(jìn)行平衡。故而，在這些電源平衡之后，再根據(jù)電力缺額，使用公用純凝機(jī)組進(jìn)行平衡。從而，確定各類電源的開(kāi)機(jī)容量和可調(diào)容量。

對(duì)各分區(qū)的公用純凝機(jī)組而言，為保證公平性，電力平衡時(shí)采用均衡調(diào)度的思路確定開(kāi)機(jī)容量，即各區(qū)域公用純凝機(jī)組的開(kāi)機(jī)率之比在不考慮斷面約束的情況下應(yīng)該相同。尖峰和低谷電力平衡時(shí)，開(kāi)機(jī)機(jī)組的負(fù)荷率在不考慮斷面約束的情況下也應(yīng)該相同。

3.2 數(shù)學(xué)模型

由于河南省網(wǎng)分為3個(gè)分區(qū)，故確定各分區(qū)各類電源開(kāi)機(jī)容量時(shí)需要考慮分區(qū)間斷面容量約束。這使得傳統(tǒng)基于表格法的電力平衡方法難以適用。

為此，本文采用優(yōu)化模型來(lái)計(jì)算各分區(qū)各類電源的開(kāi)機(jī)容量。首先，將各分區(qū)每類電源合并為一個(gè)等值電源；其次，根據(jù)調(diào)度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算等值電源在典型日的可調(diào)容量（可調(diào)容量小于裝機(jī)容量之和，主要考慮檢修、停備、供熱、燃料不足等因素）；最后，根據(jù)節(jié)能調(diào)度辦法，取尖峰時(shí)段各分區(qū)水電出力、抽蓄出力、燃?xì)獬隽?、供熱出力為其最大可調(diào)容量；進(jìn)而，利用優(yōu)化模型，在考慮斷面、備用等約束的情況下，計(jì)算各分區(qū)尖峰時(shí)段純凝機(jī)組的開(kāi)機(jī)容量。

基于本小節(jié)第2段思路，設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型如下：

1）目標(biāo)函數(shù)：

式中：Pi，CHP，Pi，CON分別表示在尖峰時(shí)段第i分區(qū)等值熱電機(jī)組和等值純凝機(jī)組的出力；Ri，CHP，Ri，CON則表示兩類等值機(jī)組所承擔(dān)的備用容量；Pac表示豫南特高壓落點(diǎn)接受的交流電力；ai，CHP，ai，CON以及系數(shù)b為設(shè)計(jì)的等值機(jī)組成本系數(shù)；k為設(shè)計(jì)的外部送入電力的費(fèi)用系數(shù)。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)各分區(qū)機(jī)組出力和備用的均衡調(diào)度，ai，CHP和ai，CON的取值滿足如下約束：

式中：Ci，CHP為i區(qū)熱電機(jī)組的可開(kāi)機(jī)容量；Ci，CON為i區(qū)純凝機(jī)組的可開(kāi)機(jī)容量。

本文中，通過(guò)對(duì)k取一個(gè)遠(yuǎn)大于式（2）所計(jì)算的邊際成本的數(shù)值，使得電力平衡結(jié)果為外部受電最小。同時(shí)，取Pac≥0，表示河南省網(wǎng)不向外部送電。

2）約束條件包括：

全省電力平衡約束

式中：Phz，Plb為哈鄭直流、靈寶直流受電功率，在尖峰電力平衡時(shí)取其考慮網(wǎng)損后的最大值；Pload為尖峰時(shí)段負(fù)荷；Pb，Pz，Pn為在尖峰時(shí)段豫北、豫中、豫南地區(qū)總發(fā)電出力，有：

式（4）表示尖峰時(shí)段電力平衡時(shí)的各區(qū)總發(fā)電出力等于供熱機(jī)組、純凝機(jī)組和其他類機(jī)組出力之和。其中，Pi，QT表示該區(qū)除公用供熱和純凝機(jī)組之外的其他電源參與尖峰電力平衡的出力之和，包括自備機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組、水電、抽蓄、風(fēng)電和光伏的可信容量。如3.1節(jié)所述，該功率在尖峰電力平衡時(shí)作為已知量。

分區(qū)電力平衡約束

豫北地區(qū)：

式中：PLbz為豫北—豫中斷面南送潮流；Pb，load為豫北地區(qū)尖峰時(shí)段負(fù)荷。

豫中地區(qū)：

式中：PLzn為豫中—豫南斷面南送潮流；Pz，load為豫中地區(qū)尖峰時(shí)段負(fù)荷。

豫南地區(qū)：

式中：Pn，load為豫南地區(qū)尖峰時(shí)段負(fù)荷。

各區(qū)等值機(jī)組出力限制約束：

式中：KGmin，CHP和KGmax，CHP，KGmin，CON和KGmax，CON分別表示各分區(qū)熱電機(jī)組和純凝機(jī)組可調(diào)容量的調(diào)峰區(qū)間。對(duì)處于供暖期的供熱機(jī)組而言，由于供熱機(jī)組必然開(kāi)機(jī)，且供熱會(huì)導(dǎo)致熱電機(jī)組調(diào)峰范圍降低，故上下限系數(shù)分別取0.9和0.7。而對(duì)于純凝機(jī)組和非供暖期的供熱機(jī)組而言，開(kāi)機(jī)容量屬于待求值，故而其上下限系數(shù)分別取為1和0。

全省備用約束：

式中：Cunit，max表示省內(nèi)最大單一機(jī)組容量；Ci，dlv表示電解鋁可調(diào)容量；Ci，hyd表示水電可調(diào)容量。式（10）表示各區(qū)供熱機(jī)組、純凝機(jī)組、水電、自備電廠提供的備用之和應(yīng)大于等于省內(nèi)最大單一機(jī)組容量、哈鄭直流一半功率和靈寶直流一半功率三者的最大值。

分區(qū)備用約束：

按豫北—豫中斷面將河南省網(wǎng)劃分為兩部分后各區(qū)的備用約束：

式（11）、式（12）分別表示按豫北—豫中斷面將河南省網(wǎng)劃分為北部電網(wǎng)和中南部電網(wǎng)兩部分后各自的備用約束，均需本區(qū)備用加上外部最大支援備用大于本區(qū)最大機(jī)組或最大直流單極閉鎖容量。

按豫中—豫南斷面將河南省網(wǎng)劃分為兩部分后，各區(qū)的備用約束：

式（13）、式（14）分別表示按豫中—豫南斷面將河南省網(wǎng)劃分為南部電網(wǎng)和中北部電網(wǎng)兩部分后各自的備用約束，均需本區(qū)備用加上外部最大支援備用大于本區(qū)最大機(jī)組或最大直流單極閉鎖容量。

考慮豫北—豫中，豫中—豫南斷面后的豫中地區(qū)備用約束：

式（15）表示豫中地區(qū)的本地備用容量加上豫北地區(qū)和豫南地區(qū)支援的備用容量應(yīng)該大于區(qū)最大機(jī)組或最大直流單極閉鎖容量。

斷面輸送能力約束：

其中，Cl,j表示豫北—豫中斷面和豫中—豫南斷面的北送和南送潮流限制。各斷面潮流可由下式計(jì)算：

應(yīng)用式（1）—式（18）模型，即可在電力平衡時(shí)以實(shí)現(xiàn)分區(qū)均衡調(diào)度和備用的原則，在滿足斷面約束的前提下，求出尖峰時(shí)段各區(qū)等值公用純凝機(jī)組和公用供熱機(jī)組的累計(jì)出力和備用（供熱機(jī)組在供熱期應(yīng)當(dāng)全部開(kāi)機(jī)，故為已知量）。進(jìn)而可求出各區(qū)純凝機(jī)組的開(kāi)機(jī)容量為

由于尖峰時(shí)段電力平衡時(shí)以外網(wǎng)交流受電最小為原則，若各區(qū)開(kāi)機(jī)容量小于該區(qū)域可開(kāi)機(jī)容量，則表示該分區(qū)部分純凝火電機(jī)組由于斷面約束無(wú)法開(kāi)機(jī)，部分容量受阻無(wú)法調(diào)出。

4 典型日調(diào)峰平衡計(jì)算

通過(guò)式（1）—式（19）尖峰時(shí)段電力平衡模型即可確定典型日各分區(qū)公用純凝機(jī)組的開(kāi)機(jī)容量。在各區(qū)開(kāi)機(jī)容量確定之后，同樣利用該模型對(duì)低谷時(shí)段進(jìn)行電力平衡計(jì)算，即可求出在典型日低谷時(shí)段公用純凝機(jī)組的負(fù)荷率。

在低谷時(shí)段平衡時(shí)，需要考慮《細(xì)則》中對(duì)各類電源的基本調(diào)峰要求以及實(shí)際調(diào)度情況，確定除公用純凝機(jī)組以外的其他類電源的最小出力。文中，抽水蓄能的最小出力為其裝機(jī)容量的負(fù)值，水電、燃?xì)?、光伏的最小出力?，供熱機(jī)組的最小出力按“以熱定電”的方法確定，電解鋁最小出力按實(shí)際需求確定，風(fēng)電最小出力按其容量的50%確定（考慮合理?xiàng)夛L(fēng)）。

比較公用純凝機(jī)組在低谷時(shí)段的負(fù)荷率和其最小出力率，即可判斷當(dāng)前電網(wǎng)的調(diào)峰充裕性以及欠缺的調(diào)峰容量。

5 算例分析

5.1 基本數(shù)據(jù)

為了全面反映2020年河南電網(wǎng)調(diào)峰形勢(shì)，本文選擇夏、冬季大負(fù)荷日和冬季小負(fù)荷日以及春、秋季小負(fù)荷日4個(gè)典型日進(jìn)行計(jì)算分析。

鑒于我國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入新常態(tài)，河南省2020年負(fù)荷增長(zhǎng)可能低于原有預(yù)期，而純凝煤電建設(shè)也受國(guó)家調(diào)控可能限于停滯狀態(tài)[6]。為此，本文分析了以下述3種場(chǎng)景下的調(diào)峰形勢(shì)：

場(chǎng)景A：原始規(guī)劃場(chǎng)景。

場(chǎng)景B：負(fù)荷低增長(zhǎng)&原始電源規(guī)劃場(chǎng)景。

場(chǎng)景C：負(fù)荷低增長(zhǎng)&純凝煤電凍結(jié)場(chǎng)景。

其中，由于已經(jīng)開(kāi)始建設(shè)的電源投產(chǎn)存在滯后期，故而本文選取原規(guī)劃中2017年底的純凝火電規(guī)劃容量作為純凝煤電凍結(jié)場(chǎng)景中2020年的純凝規(guī)劃容量。

表1給出了2020年原始規(guī)劃場(chǎng)景和純凝煤電凍結(jié)場(chǎng)景。全省及各分區(qū)的年最大預(yù)期負(fù)荷表2則給出了各典型日尖峰負(fù)荷相對(duì)于年最大負(fù)荷的標(biāo)幺值以及該日的峰谷差率。

表1 2020年河南省電源預(yù)期裝機(jī)容量Tab.1 The installed capacity of power source of enan grid in 2020 MW

表2 各典型日負(fù)荷數(shù)據(jù)Tab.2 The data of each typical daily load

5.2 電力平衡與容量受阻

根據(jù)河南電網(wǎng)實(shí)際比運(yùn)行情況確定邊界條件后，2020年各典型日尖峰電力平衡計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在規(guī)劃場(chǎng)景A下，豫北、豫中、豫南三區(qū)純凝火電的開(kāi)機(jī)率均相同，由于本文采用三區(qū)均衡開(kāi)機(jī)方式，這說(shuō)明在開(kāi)機(jī)過(guò)程中，并沒(méi)有受到斷面約束的影響。由圖4也可以看出，在該場(chǎng)景中，冬大、夏大2個(gè)典型日的開(kāi)機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到最大85%的可開(kāi)機(jī)容量上限（且還需要豫南特高壓交流支援約7 GW），說(shuō)明在這2個(gè)典型日本地電源發(fā)電能力無(wú)法滿足負(fù)荷需求。然而，對(duì)于冬季小負(fù)荷日，開(kāi)機(jī)率僅有不到35%，對(duì)于春秋季小負(fù)荷日，開(kāi)機(jī)率也僅僅剛超過(guò)50%，說(shuō)明在這些季節(jié)，河南電網(wǎng)供電能力有很大的盈余。在場(chǎng)景B下，由于負(fù)荷增長(zhǎng)低于預(yù)期，故而在各典型日中，純凝機(jī)組的開(kāi)機(jī)率均小于85%的最大可開(kāi)機(jī)率，這說(shuō)明此時(shí)河南電網(wǎng)無(wú)論在大負(fù)荷日，還是在小負(fù)荷日都有較大的供電能力盈余，完全可以滿足本省負(fù)荷需求。同時(shí)，在冬大和冬小負(fù)荷日，豫南的開(kāi)機(jī)容量要大于豫北和豫中，這說(shuō)明此時(shí)在進(jìn)行尖峰電力平衡時(shí)，豫南—豫中斷面潮流已經(jīng)達(dá)到滿負(fù)荷，需要豫南多開(kāi)機(jī)以滿足需求。在場(chǎng)景C下，在冬小和春秋小典型日，純凝機(jī)組開(kāi)機(jī)率依然很低，說(shuō)明此時(shí)電網(wǎng)有充裕的供電能力。然而，在冬大和夏大典型日下，豫南地區(qū)開(kāi)機(jī)率已經(jīng)達(dá)到了85%的最大開(kāi)機(jī)率上限，而豫北和豫中開(kāi)機(jī)率卻不到80%。而與此同時(shí)，豫南特高壓分別有約3 GW和2 GW的下網(wǎng)電力。這說(shuō)明，豫北和豫中電源受豫中—豫南斷面的約束無(wú)法開(kāi)機(jī)支援豫南，反而使得豫南需要接受特高壓交流電力以滿足電力需求。因此，在該場(chǎng)景下，豫北和豫中電源受阻，無(wú)法得到充分的利用。因此，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減少豫北豫中地區(qū)電源規(guī)劃而增加豫南地區(qū)的電源建設(shè)。

圖4 純凝機(jī)組的開(kāi)機(jī)率Fig.4 The operation rate of condensing power units

5.3 調(diào)峰平衡與風(fēng)電消納

在電力平衡的基礎(chǔ)上，通過(guò)第4節(jié)所述的調(diào)峰平衡的計(jì)算，可計(jì)算出公用純凝煤電開(kāi)機(jī)機(jī)組在各典型日低谷時(shí)段的出力率，如圖5所示。

圖5 低谷時(shí)段純凝機(jī)組的出力率Fig.5 The output rate of condensing power units during the low load time

由圖5（a）可知，在規(guī)劃場(chǎng)景A下，夏季大負(fù)荷日和春秋小負(fù)荷日，開(kāi)機(jī)純凝煤電的出力率都較高，遠(yuǎn)大于50%的常規(guī)調(diào)峰出力下限，說(shuō)明在這2個(gè)典型日系統(tǒng)有充足的調(diào)峰能力。然而，在冬季大負(fù)荷日，純凝機(jī)組的出力率已經(jīng)略低于50%的常規(guī)調(diào)峰出力下限，而在冬小負(fù)荷日，出力率已經(jīng)低于40%，需要純凝機(jī)組深度調(diào)峰或者其他熱電機(jī)組進(jìn)行深調(diào)才能滿足系統(tǒng)調(diào)峰需求。

同時(shí)，由圖（b）和（c）均可以看出，場(chǎng)景，A的現(xiàn)象同樣存在于場(chǎng)景B和場(chǎng)景C。尤其是在冬季小負(fù)荷日，場(chǎng)景B和場(chǎng)景C下，純凝煤電的出力率已經(jīng)低于20%，已經(jīng)超過(guò)了純凝煤電深度調(diào)峰的下限。因而，需要純凝煤電進(jìn)行停機(jī)調(diào)峰或者是棄風(fēng)調(diào)峰。

圖6給出了各場(chǎng)景下各典型日常規(guī)調(diào)峰容量裕度與風(fēng)電功率的情況。可以看出，在規(guī)劃場(chǎng)景A下，對(duì)于調(diào)峰裕度為負(fù)的冬大和冬小典型日，由于風(fēng)電累計(jì)功率超過(guò)三區(qū)調(diào)峰容量總?cè)鳖~（負(fù)的調(diào)峰裕度表示欠缺調(diào)峰容量），故而此時(shí)通過(guò)限制風(fēng)電功率，可以滿足系統(tǒng)調(diào)峰要求。

而在場(chǎng)景B和C下，可以看出，對(duì)于冬大典型日，也可以通過(guò)限制風(fēng)電功率滿足系統(tǒng)調(diào)峰要求；然而對(duì)冬小典型日，由于三區(qū)累計(jì)風(fēng)電功率小于累計(jì)調(diào)峰容量缺額，故而即使全部棄風(fēng)，也無(wú)法滿足系統(tǒng)調(diào)峰需求。

圖6 常規(guī)調(diào)峰裕度與風(fēng)電功率Fig.6 The peak regulation margin and the wind power

6 結(jié)論

本文針對(duì)河南電網(wǎng)“十三五”期間外網(wǎng)電力大規(guī)模接入以及新能源快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，提出了評(píng)估河南電網(wǎng)調(diào)峰形勢(shì)的數(shù)學(xué)模型。該模型充分考慮了河南電網(wǎng)內(nèi)部分區(qū)斷面約束、備用約束以及復(fù)雜的電源結(jié)構(gòu)。

利用該模型，本文對(duì)河南電網(wǎng)2020年夏大、冬大、冬小以及春秋季小負(fù)荷日4個(gè)典型日進(jìn)行了分析。同時(shí)，為使得結(jié)果更加符合未來(lái)實(shí)際，結(jié)合河南經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)新趨勢(shì)以及國(guó)家電源建設(shè)新政策，本文分析了原始規(guī)劃場(chǎng)景、負(fù)荷低增長(zhǎng)場(chǎng)景以及純凝火電凍結(jié)建設(shè)3個(gè)場(chǎng)景。計(jì)算結(jié)果表明：

1）若負(fù)荷按原規(guī)劃增長(zhǎng)，則到2020年，在夏大和冬大典型日，河南省內(nèi)規(guī)劃電源和外網(wǎng)直流受電無(wú)法滿足本地負(fù)荷，需要豫南特高壓交流電力的支援。

2）若負(fù)荷低增長(zhǎng)，則到2020年，河南省內(nèi)規(guī)劃電源和外網(wǎng)直流受電完全可以滿足自身負(fù)荷需要，無(wú)需特高壓交流支援。但若純凝火電停止建設(shè)，則在冬大和夏大典型日，一方面豫北、豫中部分電源容量由于豫中—豫南斷面約束的限制受阻無(wú)法利用；另一方面豫南卻需要特高壓交流支援部分電力以滿足本地電力需求。

3）在3種場(chǎng)景下，夏季大負(fù)荷日和春秋季小負(fù)荷日系統(tǒng)的調(diào)峰裕度均較大，調(diào)峰供給較為充裕。然而，在冬季大負(fù)荷日，3種場(chǎng)景下的純凝機(jī)組出力率均接近甚至已經(jīng)低于常規(guī)調(diào)峰出力下限，調(diào)峰形勢(shì)趨緊。但對(duì)于調(diào)峰不足容量，可以通過(guò)棄風(fēng)調(diào)峰滿足。

4）在3種場(chǎng)景下的冬季小負(fù)荷日，調(diào)峰容量均嚴(yán)重不足。但在負(fù)荷按原規(guī)劃增長(zhǎng)的場(chǎng)景下，若電源按規(guī)劃建設(shè)，則通過(guò)純凝煤電深度調(diào)峰或者棄風(fēng)調(diào)峰可以滿足調(diào)峰需求。然而，若負(fù)荷低增長(zhǎng)，則無(wú)論電源按規(guī)劃建設(shè)場(chǎng)景，還是凍結(jié)純凝煤電建設(shè)場(chǎng)景，系統(tǒng)通過(guò)純凝煤電深度調(diào)峰或棄風(fēng)調(diào)峰均無(wú)法解決調(diào)峰問(wèn)題，需要采用其他調(diào)峰手段，如直流調(diào)峰、供熱機(jī)組調(diào)峰和自備電廠調(diào)峰等，調(diào)峰形勢(shì)非常嚴(yán)峻。

[1]國(guó)網(wǎng)河南省電力公司.河南省電網(wǎng)“十三五”發(fā)展規(guī)劃研究報(bào)告[R].鄭州：國(guó)網(wǎng)河南省電力公司，2014.

[2]譚永才.電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù) [M].北京：中國(guó)電力出版社，2012.

[3]國(guó)務(wù)院辦公廳.節(jié)能發(fā)電調(diào)度辦法（試行）的通知（國(guó)辦發(fā)[2007]53號(hào)文）[EB/OL].[2008-05-12].http://www.sdpc.gov.cn/zcfb/zcfbqt/2007qita/t20070828-156042.htm.

[4]張琪祁，馮煜堯，崔勇.多直流饋入背景下綜合考慮調(diào)峰和電壓穩(wěn)定的上海電網(wǎng)開(kāi)機(jī)方式研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2016，32（10）：54-60.ZHANG Qiqi，F(xiàn)ENG Yuyao，CUI Yong.Overall consideration of peak regulation and voltage stability on scheduling units in shanghai power grid with multiple HVDC feed-in [J].Power System and Clean Energy，2016，32（10）：54-60（in Chinese）.

[5]李淑鑫，劉文穎，李亞龍，等.荷源聯(lián)合調(diào)峰運(yùn)行方案的電力節(jié)能評(píng)估研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2016，44（12）：7-14.LI Shuxin，LIU Wenying，LI Yalong，et al.Evaluation of energy-saving on peak load regulation scheme based on source-load coordination[J].Power System Protection and Control，2016，44（12）：7-14（in Chinese）.

[6]陳博，徐逸清，黃一超，等.上海電網(wǎng)調(diào)峰及資源共享機(jī)制研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2015，31（7）：37-43.CHEN Bo，XU Yiqing，HUANG Yichao，et al.Research on peak regulation and resources sharing mechanisms of shanghai power grid[J].Power System and Clean Energy，2015，31（7）：37-43（in Chinese）.

[7]張順，葛智平，郭濤，等.大規(guī)模新能源接入后系統(tǒng)調(diào)峰能力與常規(guī)電源開(kāi)機(jī)方式關(guān)系研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2016，44（1）：106-110.ZHANG Shun，GE Zhiping，GUO Tao，et al.Research on relationship between the capacity of systematic peak regulation and conventional power startup mode after access to large-scale new energy[J].Power System Protection and Control，2016，44（1）：106-110(in Chinese）.

[8]國(guó)家能源局.關(guān)于進(jìn)一步調(diào)控煤電規(guī)劃建設(shè)的通知（國(guó)能電力 [2016]275號(hào)）[EB/OL].[2016-10-10].http://zfxxgk.nea.gov.cn/auto84/201610/t20161020-2311.htm.

[9]陳煒，劉滌塵，廖清芬，等.風(fēng)電接入配電網(wǎng)對(duì)電壓質(zhì)量的影響及對(duì)策研究[J].電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償，2016，37（4）：117-122.CHEN Wei，LIU Dichen，LIAO Qingfen，et al.study on the influence of penetration of wind power on voltage quality of distribution grid and countermeasures[J].Power Capacitor&Reactive Power Compensation，2016，37（4）：117-122（in Chinese）.

[8]侯婷婷，周小兵，張維.湖北省典型地區(qū)風(fēng)電和光伏電站出力特性分析[J].湖北電力，2016，40（1）：24-30.HOU Tingting，ZHOU Xiaobing，ZHANG Wei.Analysis on characteristics of wind power and photovoltaic power inthe type area of hubei province[J].Hubei Electric，2016，40（1）：24-30（in Chinese）.

（編輯 董小兵）

Assessment on Peak Regulation of Henan Grid with Large-Scale Power Injection from External Grids and New Energy Integration

RAO Yufei1，WANG Kaiwen2，LI Xiaomeng1，LIUYang1，Lü Quan2
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou 450052，Henan，China；2.School of Electrical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116023，Liaoning，China）

During the 13th five-year period，the largescale power injection from external grid and new energy integration，such as wind power and PV，will bring more challenges to the peak regulation for Henan power grid.In order to analyze the situation effectively，an evaluation model on the situation of peak regulation is designed on the basis of considering transmission interface constraint among the internal subareas，complex power source structure of Henan grid and balance principle of scheduling.Using the model，the situation of peak regulation in 2020 is calculated and analyzed.In order to simulate the results in accordance with the actual situation in future，three scenarios-the original planning scenario，load low growth scenario and the scenario of freezing the construction of condensing power units-are analyzed according to the new trend of economic growth in Henan Province and new policy on the construction of condensing power units.Some very meaningful conclusions are given in this paper.

Henan power grid；peak regulation；UHV；renewable energy integration

2016-11-06。

饒宇飛（1984—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定分析；

王愷文（1992—），男，碩士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制；

李曉萌（1980—），男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定分析。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51607021）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51607021）.

1674-3814（2017）04-0105-08

TM732

A