利用蓄熱式電采暖提高電網(wǎng)風(fēng)電接納能力的研究

，

(1.國網(wǎng)新疆電力公司烏魯木齊供電公司，新疆 烏魯木齊 830000；2. 國網(wǎng)新疆電力公司昌吉供電公司，新疆 昌吉 831100)

0 引 言

隨著新型能源發(fā)電技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的大型風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行。因風(fēng)能資源的不穩(wěn)定性，風(fēng)電場出力波動(dòng)較大，大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)后，對電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)頻率和電壓偏移產(chǎn)生較大影響。風(fēng)電作為不穩(wěn)定電源，無法參與到電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)，風(fēng)電接入后將影響到系統(tǒng)備用容量水平、傳統(tǒng)發(fā)電廠的發(fā)電效率以及系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。冬季風(fēng)電大發(fā)時(shí)，為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，有時(shí)需要采取棄風(fēng)措施，限制風(fēng)電出力。

在中國西北部分地區(qū)，地理環(huán)境特殊，冬季嚴(yán)寒時(shí)間較長，每年有6個(gè)月的供暖時(shí)間，電網(wǎng)內(nèi)的大型電廠均為熱電廠，承擔(dān)著供熱與供電雙重任務(wù)[1]。冬季供暖期間，發(fā)電機(jī)組的發(fā)電出力受供熱影響而降低，系統(tǒng)備用容量減少，而大量風(fēng)電的接入又對系統(tǒng)備用容量的需求有所提高，這將是限制電網(wǎng)風(fēng)電接納能力的一個(gè)重要因素。電能的特點(diǎn)是易傳輸不易存儲，熱能的特點(diǎn)是易存儲不易傳輸，熱力系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于電力系統(tǒng)，對電供熱系統(tǒng)功率的短期調(diào)整不會明顯影響供熱效果[2]?；谛顭崾诫姴膳?fù)荷的特性和風(fēng)電出力特性，結(jié)合電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際，對利用蓄熱式電采暖提高電網(wǎng)冬季風(fēng)電接納能力進(jìn)行分析研究，具有重要的實(shí)際意義。

1 蓄熱式電采暖提高電網(wǎng)風(fēng)電接納能力的必要條件

蓄熱式電采暖負(fù)荷的應(yīng)用受到電網(wǎng)的電采暖負(fù)荷承載能力限制，而電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力與地區(qū)風(fēng)電出力的時(shí)空特性密切相關(guān)。只有電網(wǎng)中各片區(qū)電采暖負(fù)荷承載能力大于供熱負(fù)荷時(shí)，利用蓄熱式電采暖提高風(fēng)電接納能力的研究才有實(shí)際價(jià)值[3]。

在研究蓄熱式電采暖提高電網(wǎng)風(fēng)電接納能力時(shí)，首先需根據(jù)人口數(shù)量、供熱面積、供熱量指標(biāo)、環(huán)境溫度等因素分片區(qū)對地區(qū)供熱負(fù)荷進(jìn)行評估，分片區(qū)對電網(wǎng)的電采暖負(fù)荷承載能力進(jìn)行分析，綜合考慮地區(qū)電網(wǎng)中風(fēng)電出力的時(shí)空特性和并網(wǎng)點(diǎn)分布情況。

2 電網(wǎng)電采暖負(fù)荷承載能力分析

對電網(wǎng)的電采暖負(fù)荷的承載能力進(jìn)行分析時(shí)，為保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，按照電網(wǎng)運(yùn)行條件和不同地域的負(fù)荷特性，需要分片區(qū)對冬季供暖期間電網(wǎng)輸、變電設(shè)備的裕度與承載能力進(jìn)行分析。分析過程中，需要綜合考慮電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行要求，各電壓等級的線路、主變壓器負(fù)載能力、下一年網(wǎng)架變化、新設(shè)備接入情況等，在保證供電能力的同時(shí)保證電網(wǎng)方式調(diào)整的靈活性，按輸電線路額定功率的70%、主變壓器額定容量的70%考慮設(shè)備接帶負(fù)荷的能力。評估步驟如下。

(1)確定具備接帶蓄熱式電采暖負(fù)荷能力的變壓器。對各個(gè)變電站的平均負(fù)荷率和最大負(fù)載率做一個(gè)統(tǒng)計(jì)分析，基于分析結(jié)果，綜合考慮220 kV設(shè)備和110 kV設(shè)備的負(fù)載能力，剔除重載主變壓器和重載線路接帶的主變壓器，確定具有一定容量裕度，具備接帶蓄熱式電采暖能力的變壓器。

(2)確定變壓器的典型日負(fù)荷曲線。選取變壓器的典型日負(fù)荷曲線有兩個(gè)條件：①典型日負(fù)荷曲線走勢與大多數(shù)日負(fù)荷曲線走勢一致；②盡量選取負(fù)荷大的日期作為典型日。

(3)利用區(qū)間函數(shù)計(jì)算變壓器的裕度容量。將變壓器的典型日負(fù)荷曲線等分成24各區(qū)間(1個(gè)小時(shí)一個(gè)點(diǎn))，根據(jù)變壓器的整點(diǎn)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)結(jié)果，計(jì)算單個(gè)變壓器在不同時(shí)刻的裕度容量，計(jì)算公式如下。

Rn=0.7λSN-1.05max(Pn-Pn-1)

(1)

式中，Rn為變壓器在n時(shí)刻的裕度容量；λ為功率因數(shù)；SN為變壓器的額定容量；Pn為n時(shí)刻的負(fù)荷值(整點(diǎn)負(fù)荷值)。

(4)全網(wǎng)電采暖負(fù)荷承載能力分析。將電網(wǎng)中不同片區(qū)內(nèi)所有接帶電采暖負(fù)荷的變壓器不同時(shí)刻的裕度容量線形疊加，既可算出該片區(qū)在不同時(shí)間段的電采暖負(fù)荷承載能力。將各片區(qū)的電采暖負(fù)荷容量裕度分時(shí)疊加，就得到了整個(gè)電網(wǎng)在不同時(shí)間段的電采暖負(fù)荷承載能力。

3 風(fēng)電出力的時(shí)空特性分布分析

風(fēng)速變化的隨機(jī)性造成風(fēng)電出力的可信度低，風(fēng)電的出力表現(xiàn)出較強(qiáng)的不確定性。根據(jù)概率數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理，通過大量的數(shù)理統(tǒng)計(jì)，引入概率統(tǒng)計(jì)理論原理，利用現(xiàn)有風(fēng)電場實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合電網(wǎng)接納風(fēng)力發(fā)電場的同時(shí)性，確定每個(gè)風(fēng)電場在不同時(shí)段的發(fā)電出力波動(dòng)的范圍，為不同時(shí)段電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力提供依據(jù)。具體分析步驟如下。

(1)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，對不同區(qū)域的風(fēng)電場在冬季供暖期間的不同時(shí)刻的出力情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。將風(fēng)電場的出力情況按整點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，縱向分析，選取供暖期間每日n時(shí)刻的風(fēng)電場出力，以風(fēng)電場裝機(jī)容量的20%為區(qū)間，出現(xiàn)概率最大的區(qū)間的功率值取平均值作為該時(shí)間段(n-1時(shí)刻到n時(shí)刻)的出力。

(2)對不同風(fēng)電場在不同時(shí)刻的出力情況進(jìn)行線形疊加，得到風(fēng)電場匯集站和系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)線的功率曲線即整個(gè)電網(wǎng)的風(fēng)電出力曲線時(shí)空分布特性。

(3)根據(jù)整個(gè)電網(wǎng)風(fēng)電出力曲線的時(shí)空分布特性，分析風(fēng)電的反調(diào)峰特性和風(fēng)電場出力的同時(shí)率。

4 蓄熱式電采暖對風(fēng)電接納能力的影響分析

4.1 電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力分析

由于風(fēng)電出力具有較大的波動(dòng)性和反調(diào)峰特性，電網(wǎng)必須有足夠的調(diào)峰容量來確保大規(guī)模風(fēng)電接入后的電力平衡和電網(wǎng)穩(wěn)定。電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力需綜合考慮系統(tǒng)調(diào)峰容量和風(fēng)電場的反調(diào)峰特性，當(dāng)有多個(gè)風(fēng)電場并網(wǎng)時(shí)，還需要考慮風(fēng)電場出力的同時(shí)率[4]。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的調(diào)峰容量如式2所示。

(2)

其中，Gm為發(fā)電機(jī)組額定容量；Pm為發(fā)電廠鍋爐直供熱負(fù)荷的等效用電負(fù)荷；Pi為電網(wǎng)中的可中斷負(fù)荷；PL為全網(wǎng)用電負(fù)荷，其中包括保證常規(guī)供熱鍋爐運(yùn)行的負(fù)荷。

結(jié)合風(fēng)電場的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)和電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際，將電網(wǎng)低谷負(fù)荷時(shí)風(fēng)電出力達(dá)到裝機(jī)容量85%的概率定義為風(fēng)電的反調(diào)峰率[5]，那么電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力可表示為

Gwind=Rres/(λ·φ)

(3)

其中，λ表示多個(gè)風(fēng)電場的同時(shí)率；φ表示風(fēng)電的反調(diào)峰率。

將式(2)代入式(3)可得電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力如式(4)所示。

(4)

由式(4)可以得出，當(dāng)系統(tǒng)的調(diào)峰容量一定時(shí)，風(fēng)電的反調(diào)峰率與同時(shí)率的乘積越小，電網(wǎng)可接納的風(fēng)電越多。而風(fēng)電場的反調(diào)峰率和同時(shí)率受當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)、地形地貌、風(fēng)機(jī)類型、風(fēng)況等多種不可控因素的影響[6]，地區(qū)電網(wǎng)的并網(wǎng)風(fēng)電反調(diào)峰率和同時(shí)率通常根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)得到，屬于不可控參數(shù)，那么提高電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力重要途徑就是提高系統(tǒng)的調(diào)峰容量[7]。

4.2 蓄熱式電采暖對風(fēng)電接納能力的影響

在冬季供暖期間，電網(wǎng)中的常規(guī)供熱負(fù)荷包括兩種形式，一種是熱電廠的直供熱負(fù)荷，另一種是保證供熱公司的鍋爐設(shè)備正常運(yùn)行的用電負(fù)荷。由于熱能的特點(diǎn)是易于存儲不易于傳輸，不論是熱電廠的直供熱負(fù)荷還是常規(guī)供熱方式，在熱能傳輸工程中的大量損耗都無法避免，這種損耗會隨著供熱半徑的增大而增大。

電采暖主要有兩種應(yīng)用形式：電暖氣和電鍋爐。蓄熱式電采暖主要是在電采暖系統(tǒng)中引入了儲熱設(shè)備，提高供熱系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)。

采用蓄熱式電采暖后，對系統(tǒng)的調(diào)峰容量的影響主要表現(xiàn)在3個(gè)方面。

(1)減輕了發(fā)電廠中的鍋爐直供熱負(fù)荷的壓力，鍋爐容量可全部用于發(fā)電；

(2)供熱系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)通常有數(shù)小時(shí)，而蓄熱的引入增加了供熱系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)日調(diào)節(jié)，因此蓄熱式電采暖負(fù)荷可以歸類為可中斷負(fù)荷；

王志榮：書，就是著書立說。不是要求大家簡單的寫書，而是要從寫的角度來策劃、設(shè)計(jì)、安排我們的工作；老干部工作做好了，然后再把它整理成書。

(3)電網(wǎng)用電負(fù)荷會有所增加，但增量小于蓄熱式電采暖負(fù)荷量。采用蓄熱式電采暖前，電網(wǎng)總負(fù)荷等于保證常規(guī)供熱鍋爐運(yùn)行的負(fù)荷與其他負(fù)荷的和；采用蓄熱式電采暖后，電網(wǎng)總負(fù)荷等于蓄熱式電采暖負(fù)荷與其他負(fù)荷的和，那么采用蓄熱式電采暖后電網(wǎng)負(fù)荷的增量實(shí)際上是蓄熱式電采暖負(fù)荷減去保證常規(guī)供熱鍋爐運(yùn)行的負(fù)荷，必然小于蓄熱式電采暖負(fù)荷。

采用蓄熱式電采暖后，用ΔPi表示電網(wǎng)中可中斷負(fù)荷的增量，其數(shù)值等于蓄熱式電采暖負(fù)荷；用ΔPL表示電網(wǎng)總負(fù)荷的增量，其數(shù)值小于蓄熱式電采暖負(fù)荷。那么采用蓄熱式電采暖后電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力可以表示為式(5)。

(5)

那么采用蓄熱式電采暖后電網(wǎng)接納風(fēng)電增量為

(6)

其中，ΔPi>ΔPL，故Gadd>0。

5 實(shí)例分析

以新疆中部某風(fēng)資源豐富的地區(qū)為例，該地區(qū)共有A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)、E區(qū)5個(gè)行政區(qū)域，每個(gè)行政區(qū)有一個(gè)火電廠，冬季供暖期間火電廠均需承擔(dān)供熱任務(wù)，風(fēng)電主要從E區(qū)接入電網(wǎng)。地區(qū)的供熱量指標(biāo)為27.71 W/m2，通過該地區(qū)的供熱量指標(biāo)和供熱面積即可算出冬季供熱負(fù)荷。各區(qū)的供熱面積、供熱負(fù)荷、電采暖負(fù)荷承載能力及火電裝機(jī)容量如表1所示。

表1 發(fā)電及供熱負(fù)荷

由表1可以看出每個(gè)行政區(qū)的電采暖負(fù)荷承載能力均大于供熱負(fù)荷，該地區(qū)電網(wǎng)具備接帶電采暖負(fù)荷的基本條件。冬季供暖期間，各火電廠按最小方式考慮，發(fā)電廠直供熱負(fù)荷的等效用電負(fù)荷為發(fā)電機(jī)組額定容量的15%，那么冬季供暖期間各發(fā)電廠的發(fā)電出力情況如表2所示。

表2 各發(fā)電廠的發(fā)電出力情況

由表2數(shù)據(jù)和式(1)～式(5)可以得出采用蓄熱式電采暖后地區(qū)電網(wǎng)的發(fā)電容量裕度和電網(wǎng)中可中斷負(fù)荷都有所增加，如圖1所示。

圖1 采用電采暖前、后發(fā)電裕度及可中斷負(fù)荷對比

經(jīng)過對該地區(qū)風(fēng)電的時(shí)空特性分析，該地區(qū)風(fēng)電反調(diào)峰率0.63，風(fēng)電同時(shí)率0.77，那么采用蓄熱式電采暖后系統(tǒng)調(diào)峰容量和接納風(fēng)電的能力如圖2所示。

圖2 采用電采暖前、后風(fēng)電接納能力對比

通過圖2可以看出，采用蓄熱式電采暖后，由于發(fā)電機(jī)組的容量裕度和電網(wǎng)中可中斷負(fù)荷均有所增加，系統(tǒng)的調(diào)峰容量由415 MW提高至913 MW，電網(wǎng)風(fēng)電接納能力由855.49 MW提高至1 882.09 MW，利用蓄熱式電采暖可有效提高電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力。

6 結(jié) 論

隨著越來越多城市霧霾現(xiàn)象出現(xiàn)，環(huán)境綜合治理和清潔能源的開發(fā)應(yīng)用已經(jīng)成為備受關(guān)注的焦點(diǎn)問題，如何抑制風(fēng)電波動(dòng)性對電網(wǎng)穩(wěn)定的影響，提高電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力自然成為了研究的熱點(diǎn)問題。前面根據(jù)冬季不同區(qū)域供暖期間的負(fù)荷特點(diǎn)，結(jié)合電采暖的特點(diǎn)和風(fēng)電的運(yùn)行特性，提出了對電網(wǎng)的電采暖負(fù)荷承載能力以及風(fēng)電出力的時(shí)空特性的分析方法，并對蓄熱式電采暖對電網(wǎng)接納風(fēng)電能力的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，利用蓄熱式電采暖能夠有效提高電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力，解決供熱期間供熱機(jī)組上網(wǎng)矛盾的同時(shí)，平衡風(fēng)電出力的波動(dòng)，提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

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