陳文靜

（甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅嘉峪關(guān) 735100）

引言

大力推廣和使用新能源是“減碳”重要舉措，在我國(guó)“十三五”期間，持續(xù)推進(jìn)可再生能源開發(fā)，通過加大投入力度、出臺(tái)政策文件等多措并舉的手段，使新能源在技術(shù)領(lǐng)域、裝機(jī)容量等方面都取得了舉世矚目的成績(jī)。新能源新增年均裝機(jī)容量6 036 萬(wàn)kW，裝機(jī)規(guī)模累計(jì)突破4.5 億kW，使新能源成為超過水電成為第二大電力來(lái)源［1］。進(jìn)入“十四五”期間，由于市場(chǎng)環(huán)境、區(qū)域經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)整，新能源電價(jià)下調(diào)，“棄風(fēng)”“棄光”問題一直存在，使得新能源的發(fā)展面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在“碳達(dá)峰”“碳中和”和能源安全新戰(zhàn)略“四個(gè)革命、一個(gè)合作”的引領(lǐng)下，新能源必將迎來(lái)一個(gè)新的高速發(fā)展時(shí)期。但是，伴隨著裝機(jī)規(guī)模的快速增長(zhǎng)，大規(guī)?！皸夛L(fēng)”“棄光”的問題是否會(huì)再次卷土重來(lái)，是我們必須要考慮的一個(gè)問題。一方面加大新能源領(lǐng)域的建設(shè)投入，一方面因各種問題而“棄風(fēng)”“棄光”，新能源產(chǎn)業(yè)左右為難。因此，加大新能源消納的水平，是我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展道路上的關(guān)鍵。甘肅省嘉峪關(guān)市酒鋼宏晟電熱公司的火力發(fā)電機(jī)組承擔(dān)了嘉酒地區(qū)的新能源消納，為了提升新能源消納水平，保障火力發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)行了關(guān)于高比例新能源消納對(duì)火力發(fā)電機(jī)組影響的關(guān)鍵因素分析，并根據(jù)問題提出了相應(yīng)的解決辦法。為進(jìn)一步研究新能源消納提供幫助。

1 新能源消納的現(xiàn)狀

1.1 我國(guó)新能源消納的現(xiàn)狀

在“雙碳”背景下，我國(guó)新能源發(fā)展迅速，累計(jì)裝機(jī)總?cè)萘课痪邮澜缰?。作為發(fā)展中國(guó)家，新能源的總體滲透率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同期部分發(fā)達(dá)國(guó)家，新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展成效有目共睹。但是，作為新能源主體的風(fēng)能、光能在產(chǎn)生機(jī)制上具有一定的隨機(jī)性和波動(dòng)性，能源整體消納水平有限。隨著裝機(jī)容量的總體提升，“棄風(fēng)”“棄光”的問題愈發(fā)嚴(yán)重，受到了國(guó)家及各領(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)電網(wǎng)谷峰間的差距可達(dá)到30%以上，與電力系統(tǒng)平衡的基本原則不相符。新能源波動(dòng)會(huì)呈現(xiàn)出反調(diào)峰特性，進(jìn)而影響到裝機(jī)容量。新能源進(jìn)入到電力系統(tǒng)中，使常規(guī)電源負(fù)荷總量隨能源負(fù)荷的變化而不斷改變，進(jìn)一步增加電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)的負(fù)擔(dān)。為保證電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡特性，在新能源出力過大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)大量“棄風(fēng)”“棄光”的現(xiàn)象。因此，如何進(jìn)行高比例新能源消納，緩解地區(qū)電網(wǎng)平衡與能源消納之間的矛盾，是切實(shí)提升經(jīng)濟(jì)效益與服務(wù)效益，做好能源開發(fā)利用的重要舉措。

1.2 甘肅省新能源發(fā)展現(xiàn)狀

甘肅省地處中國(guó)西北，風(fēng)力資源豐富，因此主要關(guān)注新能源中風(fēng)電的相關(guān)問題。甘肅省能源種類齊全，資源較為豐富，是國(guó)家重要的陸上能源輸送大通道和綜合能源基地，整體新能源可開發(fā)量居全國(guó)前列。風(fēng)電資源主要集中在河西地區(qū)，根據(jù)國(guó)家氣象局的資源評(píng)估，能源開發(fā)量為5.6 億kW，居全國(guó)第四。隨著酒泉至湖南±800 kV 特高壓直流輸電工程的建成，能源配置的格局發(fā)生了重大變化，新能源將不斷推動(dòng)能源體制的改革，并為甘肅省經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供有力支撐。甘肅省能源發(fā)展面臨的矛盾是各類能源之間發(fā)展的不平衡、不充分。在能源轉(zhuǎn)型的過程中，消費(fèi)性能源的增速下降，實(shí)現(xiàn)能源穩(wěn)定發(fā)展的不確定因素增多。風(fēng)電和光伏發(fā)電的內(nèi)在波動(dòng)性、間歇性問題給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了不確定性。凸顯了調(diào)峰能力的短板和電力系統(tǒng)缺乏靈活性的特點(diǎn)弊端。亟需協(xié)調(diào)的是新能源大規(guī)模開發(fā)和輸送消納之間的關(guān)系。

2 高比例新能源消納的影響

相較于光電，風(fēng)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性更強(qiáng)，風(fēng)電場(chǎng)輸出功率也具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定、保護(hù)防御體系、有功功率控制、無(wú)功電壓等都會(huì)因風(fēng)力發(fā)電的穿透率而受到影響［2］。

2.1 暫態(tài)穩(wěn)定問題

隨著新能源裝機(jī)容量規(guī)模的增長(zhǎng)，風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)和切除會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加劇有功功率失衡。針對(duì)這一問題，對(duì)風(fēng)機(jī)低壓穿越的技術(shù)要求越來(lái)越高。當(dāng)系統(tǒng)因故障而導(dǎo)致電壓快速下降時(shí)，準(zhǔn)備切除的風(fēng)機(jī)不但不能退出運(yùn)行，還要向系統(tǒng)注入無(wú)功電流，來(lái)幫助系統(tǒng)恢復(fù)，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力和穩(wěn)定能力，在極大程度上取決于風(fēng)機(jī)低壓穿越的能力。

2.2 對(duì)繼電保護(hù)及相關(guān)保護(hù)防御策略性能的影響

新能源在普及應(yīng)用的過程中，遠(yuǎn)距離輸送是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于風(fēng)速受季節(jié)及時(shí)間影響存在不確定的波動(dòng)性，并網(wǎng)時(shí)輸電線路中可能出現(xiàn)雙向流動(dòng)的潮流，潮流給電力系統(tǒng)繼電保護(hù)造成巨大壓力。風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)和特性異于常規(guī)的同步發(fā)電機(jī)組，結(jié)構(gòu)的差異會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組大量并網(wǎng)時(shí)造成系統(tǒng)臨界切除時(shí)間變短、暫態(tài)穩(wěn)定性變差等突出問題。風(fēng)電機(jī)組規(guī)模增加后，由于原有系統(tǒng)的繼電保護(hù)配置整定不能滿足新的風(fēng)電機(jī)組規(guī)模，若短路發(fā)生時(shí)，短路電流、電壓特性受到潮流影響而變得不明顯，同時(shí)，受到臨界切除時(shí)間變短和風(fēng)機(jī)低壓穿越能力的影響，造成繼電保護(hù)系統(tǒng)不動(dòng)作或誤動(dòng)作，使系統(tǒng)存在巨大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過綜合分析，對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)造成影響的擾動(dòng)因素包括：（1）不同類型的風(fēng)機(jī)穩(wěn)定性不同，例如變速風(fēng)機(jī)的暫態(tài)穩(wěn)定性優(yōu)于定速風(fēng)機(jī)；（2）風(fēng)能的波動(dòng)性和不可控性使風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的相互影響；（3）并網(wǎng)電流波動(dòng)使以電流速斷保護(hù)為主的線路保護(hù)性能下降，故障后動(dòng)作不可靠；（4）我國(guó)電網(wǎng)經(jīng)常采用的三段電流保護(hù)，以及分布式電源的容量大小、接入位置不同及類型差異的影響；（5）季節(jié)影響及源荷模式等。以上這些擾動(dòng)因素均會(huì)在不同程度上導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置的不正確動(dòng)作。因此，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需對(duì)原有系統(tǒng)的保護(hù)策略進(jìn)行修改，深入分析特定節(jié)點(diǎn)與重要饋線的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)響應(yīng)，根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況提出新的低頻減載策略，設(shè)置頻率偏移繼電保護(hù)整定參數(shù)［3］。

2.3 有功平衡問題

風(fēng)電受季節(jié)、氣壓、溫度等影響，在日內(nèi)、日間都有不同，其波動(dòng)特性會(huì)隨著時(shí)間兩級(jí)尺度的加大而改變，一般時(shí)間尺度越大，波動(dòng)越明顯。這對(duì)系統(tǒng)有功平衡的實(shí)現(xiàn)提出了更高要求。有效的調(diào)峰、調(diào)頻能夠提高系統(tǒng)對(duì)新能源的消納能力。以分鐘量級(jí)的風(fēng)速波動(dòng)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)造成影響；以小時(shí)量級(jí)的風(fēng)速波動(dòng)會(huì)對(duì)功率的經(jīng)濟(jì)調(diào)度產(chǎn)生影響；日以上量級(jí)的時(shí)間尺度會(huì)對(duì)機(jī)組的啟停計(jì)劃造成影響。在風(fēng)電機(jī)組擴(kuò)大規(guī)模時(shí)，系統(tǒng)中提供備用功率的機(jī)組不變，高滲透率的新能源電能導(dǎo)致系統(tǒng)的頻率問題突出，調(diào)頻難度加大［4］。若高比例新能源不參與系統(tǒng)的調(diào)壓、調(diào)頻，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)整體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下降，抗擾動(dòng)能力下降，造成聯(lián)鎖事故的概率大為提升。電力電網(wǎng)中，若只依靠同步發(fā)電機(jī)組控制頻率，會(huì)大幅增加系統(tǒng)的頻率變化率，超出范圍的頻率變化率數(shù)值，可能使系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性變差，引發(fā)同步發(fā)電機(jī)組切機(jī)，進(jìn)而引發(fā)大量切負(fù)荷動(dòng)作，使系統(tǒng)面臨崩潰的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 無(wú)功電壓?jiǎn)栴}

風(fēng)電并網(wǎng)時(shí)，小型風(fēng)電場(chǎng)與大型風(fēng)電場(chǎng)的接入方式不同。小型風(fēng)電場(chǎng)直接接入地區(qū)的配電網(wǎng)，并網(wǎng)時(shí)主要是電能質(zhì)量問題。大型風(fēng)電場(chǎng)則采用接入高壓輸電網(wǎng)的形式并網(wǎng)，大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)帶需要考慮的主要問題是電壓穩(wěn)定問題。制約新能源并網(wǎng)容量的重要因素是電壓穩(wěn)定問題，在大型風(fēng)場(chǎng)接入高壓電網(wǎng)時(shí)，若進(jìn)行大功率遠(yuǎn)距離傳輸，吸收的無(wú)功功率多，局部電網(wǎng)電壓預(yù)留裕度不足，無(wú)法滿足風(fēng)場(chǎng)出力對(duì)無(wú)功調(diào)節(jié)速度的要求。風(fēng)電的無(wú)功電壓波動(dòng)問題主要是由風(fēng)機(jī)的特性引起的，需配置動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)解決遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)的局部裕量不足問題［5］。配置無(wú)功補(bǔ)償裝置時(shí)，要考慮風(fēng)電接入電壓等級(jí)、電網(wǎng)地區(qū)無(wú)功裕度、風(fēng)場(chǎng)規(guī)模大小等因素。

3 新能源消納下系統(tǒng)深度調(diào)峰特性分析

3.1 火電機(jī)組深度調(diào)峰對(duì)環(huán)境的影響

“雙碳”背景下，新能源的優(yōu)勢(shì)越發(fā)凸顯，2022年冬奧會(huì)上對(duì)綠色能源的使用已彰顯我國(guó)大力發(fā)展和推廣普及新能源的能力和決心。隨著電網(wǎng)接入新能源電能的比例不斷加大，調(diào)峰的壓力也隨之增大。在多種形式電力能源并存的地區(qū)，各類機(jī)組共同分擔(dān)新能源接入電網(wǎng)時(shí)的調(diào)峰壓力。但是甘肅省地處西北，主要的發(fā)電形式以火電為主，在大力發(fā)展新能源的當(dāng)下，緩解調(diào)峰壓力的主要任務(wù)由火電承擔(dān)。酒鋼宏晟電熱公司的火電機(jī)組承擔(dān)了嘉酒地區(qū)的新能源消納，根據(jù)酒鋼集團(tuán)公司“十四五”期間新能源發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃，在未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)，宏晟電熱公司的火電機(jī)組要承擔(dān)更高比例的新能源消納。利用火電機(jī)組進(jìn)行消納，在調(diào)峰過程中會(huì)消耗大量的煤炭能源，煤炭燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量污染物，這與清潔能源環(huán)境保護(hù)的宗旨是相矛盾的。因此，必須對(duì)火力發(fā)電機(jī)組深度調(diào)峰的策略上進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，找到新能源消納和煤炭消耗的平衡點(diǎn)，來(lái)降低煤炭的消耗量，進(jìn)而減少污染物的產(chǎn)生。

3.2 火電機(jī)組深度調(diào)峰對(duì)新能源消納的影響

新能源消納的比例是由火電機(jī)組的調(diào)峰容量決定的。根據(jù)《甘肅省“十四五”能源發(fā)展規(guī)劃》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，“棄風(fēng)”“棄光”在最嚴(yán)重時(shí)可達(dá)43%和30%，造成了巨大的資源浪費(fèi)。通過優(yōu)化系統(tǒng)配置有效改善火電機(jī)組的調(diào)峰能力，是打破瓶頸，提高新能源消納比例的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.3 深度調(diào)峰對(duì)火電機(jī)組的影響

根據(jù)火電機(jī)組的能耗特性和運(yùn)行狀態(tài)，可以通過常規(guī)調(diào)峰（regular peak regulation，RPR）、不投油深度調(diào)峰（deep peak regulation without oil，DPR）、投油深度調(diào)峰（deep peak regulation with oil，DPRO）三種方式進(jìn)行調(diào)峰。假設(shè)用Pa代表DPR 的最低穩(wěn)定出力，Pb代表DPRO 的穩(wěn)燃極限出力，Pmax表示火電機(jī)組的最大運(yùn)行出力，Pmin表示機(jī)組的最小運(yùn)行出力［6］。四者之間的關(guān)系可以表示為圖1。

圖1 火力發(fā)電機(jī)組調(diào)峰階段示意圖

酒鋼宏晟電熱公司的發(fā)電機(jī)組共有12 臺(tái)，其中包括6 臺(tái)350 MW、4 臺(tái)300 MW、2 臺(tái)125 MW。300 MW及以上火電機(jī)組在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮了新能源消納問題，帶有一定的調(diào)峰能力。但是125 MW 小容量火電機(jī)組建造的時(shí)間較早，受技術(shù)、機(jī)組容量等多方面因素限制，并不具備深度調(diào)峰的能力。因此，新能源消納的任務(wù)主要由300 MW 和350 MW 的機(jī)組承擔(dān)。隨著新能源規(guī)模的不斷增大，調(diào)峰深度也不斷增大，為配合甘肅省對(duì)新能源消納的統(tǒng)一調(diào)度，需增加機(jī)組調(diào)峰的靈活性，因此，機(jī)組處于不同的調(diào)峰階段的運(yùn)行成本也會(huì)發(fā)生改變。首先增加的是火電機(jī)組的煤耗成本，其次是油耗成本，第三是對(duì)機(jī)組自身的損壞。

3.3.1 深度調(diào)峰的煤耗成本

宏晟電熱公司的動(dòng)力煤來(lái)源主要是廣匯煤、哈動(dòng)煤及其他劣質(zhì)煤種，主要采用優(yōu)質(zhì)煤和劣質(zhì)煤摻燒的模式。通過煤耗查定實(shí)驗(yàn)，對(duì)機(jī)組在不同負(fù)荷率下進(jìn)行供電煤耗測(cè)量，根據(jù)火電機(jī)組煤耗特性參數(shù)［4］，得到第i 臺(tái)火電機(jī)組在t 時(shí)刻的煤耗成本如式（1）所示：

式中：P——實(shí)際輸出功率；

Scoal——原煤的采購(gòu)價(jià)格，元/t；

a、b、c——機(jī)組的煤耗特性參數(shù)。

在深度調(diào)峰的過程中，需要對(duì)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和輸出進(jìn)行調(diào)整，大大低于設(shè)計(jì)功率，低負(fù)荷狀態(tài)使機(jī)組的煤耗成本增大。

3.3.2 深度調(diào)峰的油耗成本

宏晟電熱公司的發(fā)電機(jī)組在經(jīng)過微油點(diǎn)火項(xiàng)目改造后，柴油用量大大降低，但是，在新能源消納的投油深度調(diào)峰DPRO 階段，深度調(diào)峰使得燃燒不穩(wěn)定，通過投油進(jìn)行燃燒調(diào)整，保護(hù)機(jī)組穩(wěn)定出力，第i臺(tái)火電機(jī)組在第t時(shí)刻投油成本如式（2）所示。

式中：h′(Pi，t)——第i臺(tái)機(jī)組在DPRO階段的運(yùn)行時(shí)間；

costoil——單臺(tái)機(jī)組在DPRO 階段的每小時(shí)投油噸數(shù)；

Soil——每噸的油價(jià)。

3.3.3 機(jī)組自身?yè)p耗

在深度調(diào)峰時(shí)，需主動(dòng)壓低火電機(jī)組的整體出力，這將導(dǎo)致火電機(jī)組轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力過大，進(jìn)一步帶來(lái)蠕變損耗和低周疲勞壽命損耗，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致主機(jī)本體變形或斷裂，降低了使用壽命。通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，降低火電機(jī)組的出力來(lái)進(jìn)行新能源消納，會(huì)受到多種條件的限制，主要包括：機(jī)組設(shè)計(jì)為非調(diào)峰機(jī)組，參與深度調(diào)峰會(huì)影響設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行；受制于鍋爐不投油最低穩(wěn)燃負(fù)荷的限制；受制于脫硝入口溫度的限制；受制于汽輪機(jī)低壓缸最小出力的限制；受制于電網(wǎng)參與調(diào)峰穩(wěn)定性的限制等。而深度調(diào)峰背景下對(duì)主機(jī)所造成的損耗主要包括：對(duì)鍋爐的影響主要體現(xiàn)在低負(fù)荷下燃燒的穩(wěn)定性降低，水動(dòng)力的穩(wěn)定行降低，受熱面超溫，承壓部件金屬產(chǎn)生疲勞裂紋等；對(duì)汽輪機(jī)的影響主要體現(xiàn)在快速變負(fù)荷會(huì)引起溫度劇烈變化，汽輪機(jī)動(dòng)靜部分變形甚至碰磨，抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)效率降低，低壓缸小流量運(yùn)行問題凸顯等。對(duì)發(fā)電機(jī)的影響主要體現(xiàn)在定子鐵芯溫差增加、加劇絕緣老化，定子線圈槽內(nèi)松動(dòng)、匝間絕緣磨損，氫氣溫度壓力波動(dòng)、造成漏氫量增加，低負(fù)荷下脫硝系統(tǒng)的穩(wěn)定性；端部線圈發(fā)熱損傷可能性增大，轉(zhuǎn)子高應(yīng)力區(qū)加快疲勞，氫氣密封元件老化加快，機(jī)內(nèi)進(jìn)油等。這些問題的產(chǎn)生都會(huì)影響發(fā)電機(jī)組的實(shí)際使用壽命，處理不當(dāng)還可能造成非計(jì)劃停機(jī)，影響產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。

4 火電機(jī)組快速調(diào)峰的策略研究

通過上述分析，結(jié)合宏晟電熱公司火力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)和嘉酒地區(qū)新能源建設(shè)的規(guī)劃，為提調(diào)峰能力，可以針對(duì)提升變負(fù)荷能力，對(duì)火電機(jī)組進(jìn)行升級(jí)改造，使火電機(jī)組可以在短時(shí)間內(nèi)快速調(diào)整出力，利用變負(fù)荷運(yùn)行抑制新能源消納過程中產(chǎn)生的波動(dòng)性。這個(gè)方法的缺點(diǎn)是投資較大，需要專業(yè)的團(tuán)隊(duì)對(duì)機(jī)組改造進(jìn)行設(shè)計(jì)，這是當(dāng)下火力發(fā)電占主導(dǎo)地位的前提下最安全可行的方案。除此之外，還可以通過提高氣象預(yù)測(cè)精度，預(yù)測(cè)風(fēng)電出力的波動(dòng)性和隨機(jī)性，預(yù)測(cè)精度的提高，將會(huì)大大減少火電機(jī)組及電力系統(tǒng)功率調(diào)度的復(fù)雜性［6］。

5 結(jié)束語(yǔ)

高比例新能源消納是“十四五”期間能源產(chǎn)業(yè)的必然趨勢(shì)。在限制火電項(xiàng)目，大力發(fā)展新能源的當(dāng)下，對(duì)新能源消納主要依靠現(xiàn)有的火力發(fā)電機(jī)組，要深入了解火電機(jī)組的調(diào)峰特性，以及快速、深度調(diào)峰時(shí)對(duì)火電機(jī)組造成的影響，才能在保障火電機(jī)組安全穩(wěn)定的同時(shí)，提高消納能力。