葛維春， 劉前衛(wèi)， 劉富家， 王順江， 崔 岱

(1. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 科技信通部， 沈陽 110006； 2. 國家電網(wǎng)有限公司 科技部， 北京 100031)

對于冬季北方電網(wǎng)，大規(guī)模清潔能源的接入和熱電聯(lián)產(chǎn)機組并網(wǎng)運行會給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來許多不確定因素，造成大量棄風(fēng)，為此，需要投入大量儲能技術(shù)和可時移負荷，使電網(wǎng)運行特性發(fā)生巨大變化.以往只調(diào)節(jié)水、火、電就能實現(xiàn)的調(diào)頻和聯(lián)絡(luò)線控制已經(jīng)遠遠不能滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的要求，必須從多源、多荷調(diào)節(jié)能力入手，監(jiān)測電網(wǎng)的調(diào)度控制能力.

但上述方法與電網(wǎng)實際結(jié)合不夠，考慮問題不夠全面，沒有從多源多荷有機協(xié)調(diào)角度全面分析各源與各荷運行特性及其相互關(guān)系.本文從電網(wǎng)正常調(diào)控的多源協(xié)調(diào)[8]到異常調(diào)控的多源與多荷協(xié)調(diào)，到緊急控制的限核與棄風(fēng)，從電網(wǎng)運行的靈活性角度分析了電網(wǎng)調(diào)控能力[9]，結(jié)合實例展示了電網(wǎng)靈活性對消納高比例接入清潔能源的效果.

1 電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)能力分析模型

對高比例接入清潔能源電網(wǎng)，電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)能力是指電網(wǎng)在正常調(diào)節(jié)時，水電、火電、聯(lián)絡(luò)線、可時移負荷和頻率的調(diào)節(jié)預(yù)度[10].無調(diào)節(jié)預(yù)度，電網(wǎng)進入異常調(diào)節(jié).異常調(diào)節(jié)預(yù)度是火電機組非常規(guī)調(diào)峰和儲能投入的預(yù)度，異常調(diào)節(jié)有調(diào)節(jié)預(yù)度，則電網(wǎng)仍有接納清潔能源能力；沒有異常調(diào)節(jié)預(yù)度，電網(wǎng)進入緊急控制域.緊急控制域的初始調(diào)節(jié)預(yù)度是核電的調(diào)節(jié)預(yù)度，核電沒有調(diào)節(jié)預(yù)度時，只有棄風(fēng)電.如何對這些具有調(diào)節(jié)能力的多源與多荷進行量化是本文研究的重點.

電網(wǎng)正常調(diào)節(jié)主要以水電、火電、聯(lián)絡(luò)線和頻率為主.火電是最常規(guī)電源，其正常調(diào)節(jié)能力為其運行上限與下限的差值，設(shè)PhM為火電機組的最大發(fā)電能力，通常是額定功率；Phm為火電機組的最小發(fā)電能力，不同機組、不同時期，其值不同，通常是額定容量的50%.所以，一旦火電機組組合確定，PhM和Phm即為確定值，火電運行曲線Ph(t)就要求在PhM和Phm之間運行.

火電的正常調(diào)節(jié)預(yù)度δh可表示為

(1)

式中，Nh為火電廠節(jié)點數(shù).

火電機組非常規(guī)調(diào)峰能力可表示為

(2)

式中，Phmmk為火電機組深度調(diào)峰下限.

同樣，水電的調(diào)節(jié)預(yù)度δs可表示為

(3)

式中：Psm為水電出力下限，通常為零；Ns為水電廠節(jié)點個數(shù).

聯(lián)絡(luò)線Pll下調(diào)出力預(yù)度可表示為

δll=Pll-Pllm

(4)

式中，Pllm為聯(lián)絡(luò)線計劃下限.

頻率上調(diào)預(yù)度表示為

δf=PfM-Pf

(5)

式中，PfM為基于頻率的出力上限.

由式(1)～(3)可知，Phm和Psm越小，δh和δs越大，電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力越強；對于水電機組，不考慮經(jīng)濟性時，其Psm基本為零，不需考慮.現(xiàn)階段對于Phm的研究越來越多，各發(fā)電廠都采取了積極的措施，例如通過建立電鍋爐、改造低壓缸、改造旁路、改造雙背壓和減溫減壓等，這些都大幅降低了火電機組的最小出力，有的個別機組甚至可降到零.由式(4)、(5)可以看出，δll越小愈好，而δf需要根據(jù)負頻特性確定.

可時移負荷突出特點是時段運行，這個時段通常小于電網(wǎng)低谷運行時間，即只在電網(wǎng)低谷時段運行，享受低谷電價，通常為9～10 h.

對于大部分工業(yè)負荷PLs，其負荷體現(xiàn)出時段性，如果運行期間包括全部低谷時段，則可時移負荷調(diào)節(jié)預(yù)度δL1表達式為

(6)

式中：PLsM為可時移負荷幅值；tN為電網(wǎng)低谷運行時段.這類負荷可以安排在以低谷為中心，晚上低谷時段剛開始(21時)為起點，以早晨6時或7時為終點，使其運行在整個低谷期間，對電網(wǎng)調(diào)峰極為有利.

2 儲能調(diào)節(jié)預(yù)度模型

對于高比例清潔能源接入電網(wǎng)，為提高其消納能力，必須配備足夠大容量的儲能設(shè)備，不同的技術(shù)、不同的安裝地點，其分析模型是不一樣的.

2.1 大容量集中式電儲熱調(diào)節(jié)預(yù)度模型

對于由電網(wǎng)控制的大容量電儲熱裝置，通常都安裝在熱電廠內(nèi)，是按電網(wǎng)調(diào)控指令投切的，調(diào)度通常在檢測到常規(guī)調(diào)節(jié)能力喪失后，根據(jù)電網(wǎng)當(dāng)前運行狀態(tài)，決定是否投入電儲熱裝置.電儲熱功率Pc表達式為

(7)

式中，Nc為儲熱單元數(shù).電儲熱調(diào)節(jié)預(yù)度δc表達式為

(8)

式中，PcM為儲熱裝置的最大容量.

可見儲熱裝置容量越大，調(diào)節(jié)預(yù)度也越大.針對億兆瓦級棄風(fēng)電量，儲熱容量至少要達到百兆瓦級，才會對風(fēng)電起到消納作用.

2.2 小容量分布式電儲熱調(diào)節(jié)預(yù)度模型

對于北方冬季供暖的分布式電儲熱裝置，其在低谷時段開始運行.由于單體容量較小，只以總?cè)萘坑嬎?，則調(diào)節(jié)預(yù)度δc1就等于總?cè)萘縋cZ.

電網(wǎng)對于這類負荷是非常歡迎的，首先，它的容量時序性強；其次是大小可控，投入多少，退出多少，這對電網(wǎng)安排日計劃是非常有益的.

2.3 電池式儲能電站調(diào)節(jié)預(yù)度模型

對電池式儲能電站，電池的投入和退出都是在電網(wǎng)調(diào)度指令下進行的，在電網(wǎng)確定投入儲能充電模式時，電池充電預(yù)度δc2表示為

(9)

式中：Pc2M為電池每個單元的容量；Nc2為電池單元個數(shù).電池儲能具有杠桿作用，在其容量能夠達到影響電網(wǎng)時，電池對電網(wǎng)會產(chǎn)生非常積極的影響.在電網(wǎng)尖峰時，δc2具有發(fā)電能力，如果在δc2容量較少的機組，則在電網(wǎng)低谷時段就會提升50%的δc2負荷，電池的調(diào)節(jié)預(yù)度修正為

(10)

由式(10)可以看出，電池保守可以達到1.5倍的杠桿作用，所以，應(yīng)該大力開發(fā)電池儲能技術(shù)，形成規(guī)?；?yīng).

2.4 核電調(diào)節(jié)預(yù)度模型

核電的調(diào)節(jié)預(yù)度δhd可表示為

(11)

式中：Nhd為核電機組數(shù)；Phdm為核電機組出力下限.核電是有調(diào)節(jié)能力的，但是只有當(dāng)其他調(diào)節(jié)能力喪失時，才會使用核電調(diào)節(jié).

2.5 電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)預(yù)度模型

根據(jù)前面的分析可知，電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)預(yù)度δ可表示為

δ=δh+δs+δhs+δf+δll+δL1+δc+δc1+δc2+δhd

(12)

式(12)包含了電網(wǎng)正常調(diào)節(jié)時的水、火電調(diào)節(jié)預(yù)度指標，還包括了電網(wǎng)在異常調(diào)節(jié)時的火電非常規(guī)調(diào)節(jié)裕度指標，儲能和可時移負荷調(diào)節(jié)預(yù)度指標.利用δ可時刻監(jiān)視電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力，在電網(wǎng)喪失調(diào)節(jié)能力之前，采取切實可行的措施，保證大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行.

電網(wǎng)調(diào)節(jié)預(yù)度又可按調(diào)節(jié)域劃分為正常調(diào)節(jié)預(yù)度δNM、異常調(diào)節(jié)域δON和緊急控制域δCT，分別表示為

δNM=δh+δs+δll+δf+δL1

(13)

δON=δhs+δc+δc1+δc2

(14)

δCT=δhd

(15)

δNM、δON和δCT三個調(diào)節(jié)預(yù)度充分體現(xiàn)了電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力.

3 電網(wǎng)典型實例分析

以某日一省級電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)為例，其全網(wǎng)發(fā)電、聯(lián)絡(luò)線注入、火電和水電功率曲線如圖1所示.最大負荷為250 GW，發(fā)生在21時；最小負荷為200 GW，最小負荷時段是2時至6時；火電發(fā)電電力總和最大為150 GW，最小為88 GW；聯(lián)絡(luò)線最大負荷為84 GW，最低負荷為54 GW；水電基本沒發(fā)電.圖2為清潔能源發(fā)電曲線，從圖2可以看出，0時開始，風(fēng)力發(fā)電曲線增長較快，同核電疊加后超過50 GW，到中午12時，風(fēng)電達到最大55 GW，又疊加10 GW的光伏，核電一直運行在34 GW，運行在正常調(diào)峰范圍內(nèi)，使清潔能源疊加負荷接近100 GW，此時，清潔能源發(fā)電量達到總發(fā)電電力的40%.

從這個案例可以看出，電網(wǎng)清潔能源疊加才是對電網(wǎng)消納清潔能源影響最大的因素，而疊加時間點不是晚間低谷時段，而是中午低谷時段.

圖1 電網(wǎng)運行曲線Fig.1 Operation curves of power grid

圖2 清潔能源發(fā)電曲線Fig.2 Generation curves of clean energy

三個熱電廠電儲熱總?cè)萘?50 MW投入運行后，電儲熱疊加曲線如圖3所示.

圖3 熱電廠儲熱裝置投入運行曲線Fig.3 Operation1 curves of thermal storage device input in thermal power plant

從圖3可以看出，儲熱從0時就開始少量投入250 MW，2時950 MW全部投入，9時開始減少直到480 MW后，就又相繼投入運行，在11時40分全部投入運行，直到16時負荷增加，18時風(fēng)電出力減小，整個過程全部結(jié)束.實驗結(jié)果表明，當(dāng)光伏容量超過百萬千瓦時，必須有應(yīng)對的風(fēng)電、核電和光伏疊加等影響措施，即保證電網(wǎng)安全，又消納大量風(fēng)電、核電和光伏，充分體現(xiàn)電網(wǎng)通過儲能對清潔能源的調(diào)節(jié)作用.

圖4為熱電廠儲熱和出力運行曲線，在儲熱投入時，熱電廠等效出力下降，提供更多空間消納風(fēng)電.10時左右儲能部分的退出是因為電儲熱裝置因為連續(xù)儲熱而達到其儲熱上限，需要暫停輸入，致使電儲熱裝置停止供電，但是輸出熱量的過程還在繼續(xù)，裝置并未停止運行.

圖4 熱電廠儲熱和出力運行曲線Fig.4 Operation curves of thermal storage and output of thermal power plant

圖5是電網(wǎng)中沒有儲能設(shè)備運行，棄風(fēng)日風(fēng)電實際處理曲線.從圖5可以看出，夜間時段棄風(fēng)量最大，其它時段也有大量棄風(fēng)，最大棄風(fēng)電電力超過4 000 MW.

圖5 棄風(fēng)日風(fēng)電實際處理曲線Fig.5 Actual processing curves of wind power on abandoned wind days

圖6統(tǒng)計了不同城市儲能隨著棄風(fēng)的變化過程.從圖6可以看出，棄風(fēng)電出現(xiàn)后，在晚上低谷時段電儲熱投入容量最大，其它時段也有投入，但投入容量不大，較好地反應(yīng)了儲能跟隨棄風(fēng)電的能力和對棄風(fēng)電的消納作用.

圖6 各儲能根據(jù)棄風(fēng)情況投入曲線圖Fig.6 Input curves of various energy storages according to abandoned wind conditions

4 結(jié) 論

本文提出了高比例接入清潔能源電網(wǎng)的多源多域多荷的靈活分析模型，給出了提高電網(wǎng)靈活性裕度計算方法，并結(jié)合電網(wǎng)運行實例證明：高比例接入清潔能源電網(wǎng)只有在清潔能源發(fā)電疊加時，才會對電網(wǎng)造成沖擊.但本文模型具有足夠的調(diào)節(jié)能力，特別是具有足夠的發(fā)電機深度調(diào)峰、儲能和可時移負荷時，即使清潔能源發(fā)電有疊加，也能保證清潔能源全額發(fā)電和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，對高比例接入清潔能源電網(wǎng)規(guī)劃和運行具有借鑒價值.