牟 宏 ，汪 湲 ，許乃媛 ，劉曉明 ，魏 鑫

（1.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001；2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山東 濟(jì)南 250021）

·電網(wǎng)技術(shù)·

全球能源互聯(lián)背景下山東電網(wǎng)調(diào)峰策略分析

牟 宏1，汪 湲1，許乃媛1，劉曉明2，魏 鑫2

（1.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001；2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山東 濟(jì)南 250021）

全球能源互聯(lián)背景下，新能源的快速發(fā)展使得山東電網(wǎng)調(diào)峰壓力逐漸增大。對(duì)各種調(diào)峰手段做詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，并結(jié)合山東電網(wǎng)實(shí)際，提出了山東電網(wǎng)調(diào)峰策略。最后，對(duì)核電機(jī)組是否參與電網(wǎng)調(diào)峰做敏感性分析。分析結(jié)果對(duì)提高山東電網(wǎng)調(diào)峰能力及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性具有較為重要的意義。

全球能源互聯(lián)；新能源；調(diào)峰策略

0 引言

為統(tǒng)籌解決能源和環(huán)境問題，破除經(jīng)濟(jì)發(fā)展瓶頸，國家電網(wǎng)公司提出構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想，促進(jìn)新能源大規(guī)模開發(fā)、大范圍配置、高效率利用，實(shí)現(xiàn)能源與政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，保障能源安全、清潔、高效、可持續(xù)供應(yīng)［1］。

近年來，我國新能源發(fā)展迅速。新能源的快速發(fā)展，在增加社會(huì)節(jié)能減排效益的同時(shí)，其出力不確定性也給電網(wǎng)調(diào)峰帶來較大壓力。文獻(xiàn)［2］分析了影響水電/火電機(jī)組調(diào)峰能力的6項(xiàng)重要因素，提出機(jī)組調(diào)峰能力的模糊綜合評(píng)價(jià)方法，并建立機(jī)組調(diào)峰能力經(jīng)濟(jì)激勵(lì)機(jī)制數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)［3］探討了基于調(diào)峰形勢的聯(lián)絡(luò)線受電優(yōu)化模型，采用分時(shí)電價(jià)計(jì)算方法，綜合考慮電網(wǎng)內(nèi)機(jī)組的發(fā)電、聯(lián)絡(luò)線受電和調(diào)峰能力三者的關(guān)系，在保證電網(wǎng)安全的條件下，得到了經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化的受電曲線。文獻(xiàn)［4］通過負(fù)荷日前起停計(jì)劃、日內(nèi)滾動(dòng)調(diào)節(jié)，將負(fù)荷作為可調(diào)節(jié)對(duì)象納入電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與需求側(cè)聯(lián)合調(diào)峰。文獻(xiàn)［5］結(jié)合西北水電資源豐富、調(diào)節(jié)性能好的特點(diǎn)，考慮負(fù)荷特性、電源特性等，提出了水電與風(fēng)電協(xié)調(diào)運(yùn)行的思路，給出了水電、火電為風(fēng)電調(diào)峰的調(diào)峰能力計(jì)算方法。

本文介紹了山東新能源發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃，分析了各類調(diào)峰手段的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，提出山東電網(wǎng)調(diào)峰策略。最后，對(duì)核電機(jī)組參與調(diào)峰做初步探討。

1 山東新能源發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃

目前，山東新能源主要包括風(fēng)電、光伏發(fā)電等。截至2016年底，山東并網(wǎng)風(fēng)電、光伏分別達(dá)到839萬kW、455萬kW，“十二五”以來的年均增長率分別達(dá)到35.1%、149.2%。山東并網(wǎng)風(fēng)電、光伏規(guī)劃到2020年將分別達(dá)到 1 400萬 kW、1 000萬 kW，2030年達(dá)到2 300萬kW、2 500萬kW。

山東省內(nèi)目前無投運(yùn)核電機(jī)組，海陽核電一期、榮成高溫氣冷堆示范工程正在建設(shè)。山東核電裝機(jī)容量規(guī)劃到2020年達(dá)到270萬kW，到2030年將達(dá)到1 550萬kW。

2 各類調(diào)峰手段技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

2.1 火電機(jī)組調(diào)峰特性

火電機(jī)組都具有一定的調(diào)峰能力，不同容量機(jī)組調(diào)峰深度如表1所示。鍋爐燃燒的穩(wěn)定性限制著機(jī)組的最低負(fù)荷，調(diào)峰幅度由機(jī)組最小技術(shù)出力決定。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在可調(diào)深度范圍內(nèi)時(shí)，不考慮調(diào)峰成本。當(dāng)火電機(jī)組出力減至正常運(yùn)行區(qū)間之下時(shí)為深度調(diào)峰，深度調(diào)峰導(dǎo)致機(jī)組發(fā)電效率顯著下降并需額外燃油，大幅增加發(fā)電成本。因此，需要額外計(jì)算調(diào)峰成本。提高火電機(jī)組可用率和用電高峰時(shí)段的機(jī)組出力水平，精心制定發(fā)電機(jī)組檢修計(jì)劃，充分利用節(jié)假日等負(fù)荷低谷，安排發(fā)電機(jī)組消除缺陷，對(duì)于提高電力系統(tǒng)調(diào)峰能力具有重要意義。

表1 不同容量機(jī)組可調(diào)峰深度

燃煤火電機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)一次需要2 h左右，在一天的時(shí)間跨度上最多啟或停一次，啟停成本較大。一般情況下，燃煤機(jī)組的深度調(diào)峰成本小于開停成本，所以深度調(diào)峰往往先于開停，即機(jī)組的開停容量需從其深度調(diào)峰下限往下減。國內(nèi)外超臨界燃煤火電機(jī)組的調(diào)峰深度可達(dá)50%以上，出力調(diào)整速率約為每分鐘3%~5%。當(dāng)前煤電機(jī)組最大向上爬坡速率可達(dá) 10%［6］。

2.2 抽水蓄能機(jī)組調(diào)峰特性

靈活的抽水、發(fā)電工況轉(zhuǎn)換能力以及快速的機(jī)組啟停是抽水蓄能機(jī)組不同于常規(guī)機(jī)組的最大優(yōu)點(diǎn)，也是其為理想調(diào)峰機(jī)組的原因。一般可在2 min內(nèi)由靜止到發(fā)電空載運(yùn)行，再經(jīng)10~30 s即可滿出力運(yùn)行。在縮減負(fù)荷峰谷差方面有雙倍的調(diào)峰能力，是其他機(jī)組無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。抽水蓄能機(jī)組出力大小和持續(xù)時(shí)間取決于其發(fā)電／電動(dòng)機(jī)功率及水庫庫容。當(dāng)前使用最多的抽水蓄能機(jī)組為可逆式機(jī)組，即二機(jī)式水泵水輪機(jī)。其正向運(yùn)行時(shí)為水輪機(jī)，反向運(yùn)行時(shí)為水泵。抽水工況下功率取值是離散的，大小由電網(wǎng)需求來選擇。當(dāng)前山東泰山抽水蓄能電站具有4×250 MW裝機(jī)容量，上水庫發(fā)電庫容為895萬m3。抽水蓄能機(jī)組在負(fù)荷低谷時(shí)作為負(fù)荷抽水，在尖峰及火電爬坡困難的時(shí)段發(fā)電出力?？梢酝ㄟ^考慮其發(fā)電效率損失，計(jì)算其調(diào)峰成本。在調(diào)度時(shí)間T內(nèi)，滿足

式中：Ef和Ep分別為抽水蓄能機(jī)組的發(fā)電量和抽水電量；Em為受庫容限制的抽水蓄能電站最大允許發(fā)電量；ηpu為抽水蓄能電站的轉(zhuǎn)化效率。因每蓄單位電量需消耗1／ηpu的電量，單位調(diào)峰容量對(duì)應(yīng)的成本為（1／ηpu－1）Cpu，Cpu為單位用電量成本。

電網(wǎng)運(yùn)行中要合理安排抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行方式，優(yōu)化發(fā)電抽水調(diào)度，結(jié)合天氣及電網(wǎng)預(yù)測負(fù)荷，調(diào)整上下庫水位，充分發(fā)揮其快速調(diào)峰和事故備用作用。應(yīng)充分利用節(jié)假日等負(fù)荷低谷時(shí)期安排發(fā)電機(jī)組消除缺陷，在迎峰度夏高峰負(fù)荷期間不安排發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)設(shè)備計(jì)劃檢修，保證負(fù)荷高峰時(shí)期的電力供應(yīng)。

2.3 燃?xì)鈾C(jī)組調(diào)峰特性

燃?xì)怆娬窘ㄔO(shè)成本較高，其運(yùn)行特點(diǎn)為啟停迅速、操作靈活、運(yùn)行過程的性能穩(wěn)定可靠、負(fù)荷升降速率快，其從并網(wǎng)到滿負(fù)荷需要半小時(shí)左右，滑壓運(yùn)行的機(jī)組每分鐘負(fù)荷變化率可達(dá)8%~12%。在電力系統(tǒng)負(fù)荷尖峰到來時(shí)，可迅速投入，緩解負(fù)荷壓力，特別適合參與調(diào)峰，是缺少水電且電力負(fù)荷峰谷差較大的電力系統(tǒng)的理想電源。對(duì)于燃?xì)鈾C(jī)組而言，原則上可實(shí)現(xiàn)快速頻繁啟停，但考慮到機(jī)組工況與實(shí)際運(yùn)行情況，一般一天之內(nèi)最多只啟停一次。

從我國的實(shí)際情況看，燃?xì)鈾C(jī)組的發(fā)電成本要遠(yuǎn)高于常規(guī)燃煤機(jī)組，若不需通過燃?xì)鈾C(jī)組啟停來滿足系統(tǒng)調(diào)度要求，則不會(huì)優(yōu)先安排燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電。燃?xì)鈾C(jī)組開停將帶來額外的發(fā)電成本增量。在有氣源保障的前提下可適度發(fā)展燃?xì)鈾C(jī)組。燃?xì)鈾C(jī)組投運(yùn)后，落實(shí)好天然氣資源，充分發(fā)揮燃?xì)鈾C(jī)組的快速調(diào)峰作用有利于提高電網(wǎng)調(diào)峰能力。

2.4 聯(lián)絡(luò)線參與調(diào)峰

新能源并網(wǎng)調(diào)峰通常采用本地調(diào)峰電源和跨大區(qū)調(diào)峰容量等方式進(jìn)行。隨著特高壓交直流接入山東電網(wǎng)，山東電網(wǎng)接受外電不斷增加。系統(tǒng)受電容量會(huì)影響全網(wǎng)機(jī)組的開機(jī)容量，進(jìn)而影響系統(tǒng)調(diào)峰能力?？紤]未來接入山東電網(wǎng)的風(fēng)電、光伏等可再生能源的波動(dòng)性和隨機(jī)性，未來電網(wǎng)備用需求將增加，調(diào)峰壓力進(jìn)一步加大?？煽紤]在簽訂聯(lián)絡(luò)線購電合同時(shí)，根據(jù)山東電網(wǎng)負(fù)荷特性和調(diào)峰需求，調(diào)整購電策略，將聯(lián)絡(luò)線送電作為調(diào)峰資源，以應(yīng)對(duì)可能的調(diào)峰不足。同時(shí)，也可在調(diào)峰不足等緊急情況下，以聯(lián)絡(luò)線輸送功率為緊急支援，提高系統(tǒng)安全性。

2.5 需求側(cè)管理和風(fēng)功率控制參與調(diào)峰

電力需求側(cè)管理和風(fēng)電場出力控制是調(diào)峰不足情況下確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定的最后防線。在負(fù)荷側(cè)可通過負(fù)荷日前啟停計(jì)劃、日內(nèi)滾動(dòng)調(diào)節(jié)，將電解鋁、碳化硅、鐵合金等高載能負(fù)荷作為可調(diào)節(jié)對(duì)象納入電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制，有效實(shí)現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電和高載能企業(yè)的優(yōu)勢互補(bǔ)、協(xié)調(diào)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與需求側(cè)聯(lián)合調(diào)峰?？沙浞掷脙r(jià)格杠桿引導(dǎo)電力需求，進(jìn)一步移峰填谷，解決尖峰時(shí)刻電力供應(yīng)緊張局面。在采取常規(guī)手段不能滿足要求時(shí)，為確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，風(fēng)電機(jī)組被迫參與電網(wǎng)調(diào)峰。風(fēng)電機(jī)組按日前計(jì)劃運(yùn)行，在不滿足全額收購上網(wǎng)電量的時(shí)段，實(shí)施部分棄風(fēng)限電。

未來在電力體制改革背景下，用戶的用電行為會(huì)逐漸趨于智能用電方式，用電效率大大提高，合理實(shí)施峰谷電價(jià)，將有利于提高負(fù)荷率，降低電網(wǎng)最大負(fù)荷，縮小峰谷差，從而使負(fù)荷曲線得到優(yōu)化。

3 山東電網(wǎng)調(diào)峰策略分析

前述各類調(diào)峰手段中，火電機(jī)組和抽水蓄能機(jī)組參與調(diào)峰是傳統(tǒng)的調(diào)峰手段，在山東電網(wǎng)調(diào)峰中被廣泛采用。因山東地區(qū)水電資源很少，研究中不考慮常規(guī)水電參與調(diào)峰。近年來，山東電網(wǎng)最大峰谷差逐年增加，加大了調(diào)峰難度。正常情況下，機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力可以滿足次日的系統(tǒng)調(diào)峰需要；對(duì)于因天氣變化等導(dǎo)致的連續(xù)多日負(fù)荷水平單調(diào)急劇變化，需采用泰山抽水蓄能電站機(jī)組發(fā)電迎峰、抽水填谷；個(gè)別情況下，還需要火電機(jī)組開停調(diào)峰。隨著風(fēng)電、光伏以及核電的進(jìn)一步發(fā)展，未來山東電網(wǎng)調(diào)峰壓力會(huì)進(jìn)一步加大。若不充分、合理利用可用的調(diào)峰資源，為維持系統(tǒng)安全穩(wěn)定，未來將不得不采取需求側(cè)管理和風(fēng)功率控制等具有較高經(jīng)濟(jì)成本的措施，不利于可再生能源充分利用和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

基于前述各調(diào)峰手段的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，考慮山東電網(wǎng)的調(diào)峰現(xiàn)狀及大規(guī)?？稍偕茉唇尤雽?dǎo)致備用需求增加、調(diào)峰壓力增大等問題，全球能源互聯(lián)背景下山東電網(wǎng)適用的調(diào)峰策略為：

1）制定考慮新能源出力特性、季節(jié)和日負(fù)荷變化的聯(lián)絡(luò)線輸送功率計(jì)劃，以配合電網(wǎng)調(diào)峰。

2）調(diào)峰過程中優(yōu)先利用火電機(jī)組可調(diào)深度，再利用深度調(diào)峰資源，調(diào)用過程中優(yōu)先以不承擔(dān)基荷的小容量火電機(jī)組參與調(diào)峰，再調(diào)用可用的大容量機(jī)組。

3）若火電調(diào)峰不足以滿足調(diào)峰要求，在保證備用水平情況下，調(diào)用抽水蓄能電站削峰填谷。

4）若前3項(xiàng)措施仍不能滿足調(diào)峰要求，則先進(jìn)行燃?xì)鈾C(jī)組的開停以應(yīng)對(duì)調(diào)峰需求，之后進(jìn)行燃煤機(jī)組開停。

5）最后考慮風(fēng)電出力控制和負(fù)荷需求側(cè)管理，即限制風(fēng)電出力和實(shí)行有序用電。

6）若基于當(dāng)前制定的調(diào)峰策略過多地采用了高成本調(diào)峰資源，則應(yīng)綜合考慮聯(lián)絡(luò)線功率輸送和高成本調(diào)峰資源的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，考慮重新制定聯(lián)絡(luò)線輸送功率計(jì)劃。

調(diào)峰策略對(duì)應(yīng)的調(diào)峰過程如圖1所示。

圖1 山東電網(wǎng)調(diào)峰策略

4 核電機(jī)組調(diào)峰可行性分析

隨著核電、風(fēng)電和光伏發(fā)電的發(fā)展建設(shè)，僅靠火電和抽水蓄能機(jī)組進(jìn)行調(diào)峰將難以滿足電網(wǎng)負(fù)荷變化的需要。必要時(shí)候，可探討核電機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰。通過對(duì)核電與其他調(diào)峰電源的聯(lián)合調(diào)峰運(yùn)行的優(yōu)化，可有效解決系統(tǒng)低谷調(diào)峰容量不足的問題，并對(duì)火電機(jī)組爬坡及風(fēng)、光等新能源接納有積極作用。

壓水堆是目前世界上應(yīng)用最為廣泛的核電站反應(yīng)堆型，其功率調(diào)節(jié)范圍一般為額定容量的30%~100%。A模式壓水堆機(jī)組在80%循環(huán)壽期內(nèi)，能夠進(jìn)行出力方式為“12-3-6-3”的運(yùn)行模式。即在負(fù)荷高峰時(shí)帶12 h滿出力，晚間負(fù)荷下降時(shí)用3 h線性減負(fù)荷，在低功率平臺(tái)上（一般為50%FP）上運(yùn)行6 h，最后在早間用3 h線性加負(fù)荷至滿出力。此外，還具有5%FP／min的線性功率變化及10%FP階躍功率變化的調(diào)節(jié)能力。G模式在A模式基礎(chǔ)上可以進(jìn)行快速日負(fù)荷跟蹤，按照“16-8”的出力方式，還可在50%FP、75%FP兩種功率平臺(tái)上進(jìn)行長期低功率運(yùn)行。我國自主研發(fā)的二代加CPR1000核電技術(shù)所采用的即是G模式。EPR、AP1000機(jī)組擁有更優(yōu)異的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力。目前山東地區(qū)規(guī)劃建設(shè)的海陽核電站、石島灣核電、乳山紅石頂核電都計(jì)劃采用AP1000核電技術(shù)。

國外核電機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行實(shí)例如表2所示［8］。

表2 國外核電機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行實(shí)例

我國目前除秦山一期、大亞灣、嶺澳一期核電機(jī)組在近兩年春節(jié)、國慶等特殊負(fù)荷日降負(fù)荷運(yùn)行以參與調(diào)峰（其中秦山一期機(jī)組一般降功率至200 MW運(yùn)行，大亞灣、嶺澳一期機(jī)組一般降至760 MW，也有降至500 MW的運(yùn)行實(shí)例）外，其他核電機(jī)組無論堆形和容量大小，均未參加電網(wǎng)調(diào)峰。然而，隨著核電在電網(wǎng)中比重的增長、負(fù)荷峰谷差的日益增大，以及風(fēng)、光等可再生能源的加入，電網(wǎng)調(diào)峰形勢越來越嚴(yán)峻，國內(nèi)許多單位已開展了關(guān)于核電參與電網(wǎng)調(diào)峰的可行性研究，已在理論分析證明了核電參與調(diào)峰的可行性與經(jīng)濟(jì)性［9］。

核電具有較大的調(diào)峰容量，其調(diào)峰深度和速度受到安全性和經(jīng)濟(jì)性的影響，不適宜做頻繁的出力調(diào)節(jié)，但可以按照“12-3-6-3”的方式參與電網(wǎng)日負(fù)荷調(diào)峰。因此，在未來山東電網(wǎng)調(diào)峰壓力日益增大，利用常規(guī)調(diào)峰手段在經(jīng)濟(jì)性或穩(wěn)定性方面無法滿足電網(wǎng)運(yùn)行需要時(shí)，可考慮使核電以“12-3-6-3”的運(yùn)行方式參與調(diào)峰。

5 結(jié)語

本文首先介紹了山東新能源發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃，指出新能源快速發(fā)展使得山東電網(wǎng)調(diào)峰壓力逐漸增大。接著，對(duì)火電機(jī)組、抽水蓄能機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組、聯(lián)絡(luò)線控制、需求側(cè)管理等各種調(diào)峰手段做詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。結(jié)合山東電網(wǎng)實(shí)際，提出了山東電網(wǎng)調(diào)峰策略。最后，對(duì)核電機(jī)組是否參與電網(wǎng)調(diào)峰做敏感性分析，指出在利用常規(guī)調(diào)峰手段在經(jīng)濟(jì)性或穩(wěn)定性方面無法滿足電網(wǎng)運(yùn)行需要時(shí)，可考慮使核電以“12-3-6-3”的運(yùn)行方式參與調(diào)峰。分析結(jié)果對(duì)提高山東電網(wǎng)調(diào)峰能力及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性具有較為重要的意義。

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［9］趙潔，劉滌塵，楊楠，等.核電機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰的運(yùn)行方式及效益分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（12）：220-255．

Analysis of Peak Regulation Strategy in Shandong Power Grid under the Background of Global Energy Interconnection

MU Hong1，WANG Yuan1，XU Naiyuan1，LIU Xiaoming2，WEI Xin2
（1.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China；2.Economic&Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China）

Under the background of global energy interconnection，the rapid development of new energy sources issued higher requirement peak regulation to power grid operation of Shandong.The detailed technical and economic comparison are made between different peak regulation methods.The peak regulation strategy of Shandong power grid is put forward taking the current condition of Shandong power grid.Finally，the nuclear power plant is involved in peak regulation sensitivity analysis.The analysis results have important significance for improving the peak regulation capacity and economic operation of the Shandong power grid.

global energy interconnection;new energy;peak regulation strategy

TM715

A

1007－9904（2017）11－0001－04

2017-06-26

牟 宏（1968），男，高級(jí)工程師，從事電網(wǎng)規(guī)劃工作。