陜西電網(wǎng)調(diào)峰能力及可接納新能源能力研究

趙　娟，王　雷，吳　磊

(西北電力設(shè)計(jì)院有限公司系統(tǒng)規(guī)劃部，陜西西安710075)

陜西電網(wǎng)調(diào)峰能力及可接納新能源能力研究

趙娟，王雷，吳磊

(西北電力設(shè)計(jì)院有限公司系統(tǒng)規(guī)劃部，陜西西安710075)

摘要：首先在總結(jié)陜西電網(wǎng)負(fù)荷特性、風(fēng)電和光伏出力特性基礎(chǔ)上，通過研究陜西電網(wǎng)后夜、中午時(shí)段調(diào)峰能力，采用兩種原則確定可接納的風(fēng)電、光伏裝機(jī)規(guī)模。進(jìn)一步將歷史風(fēng)電、光伏全年8 760 h特性與負(fù)荷8 760 h特性相結(jié)合，對2020年陜西新能源裝機(jī)容量下電網(wǎng)接納新能源電量、新能源棄電量進(jìn)行計(jì)算，全面反映水平年風(fēng)電、光伏消納情況。結(jié)果表明，陜西電網(wǎng)基本可接納風(fēng)電、光伏各500萬kW規(guī)劃裝機(jī)容量。利用該方法，對陜西電網(wǎng)與周邊電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)調(diào)峰能力及棄電量進(jìn)行敏感性分析，表明聯(lián)絡(luò)線冬、夏季應(yīng)采用不同的調(diào)峰運(yùn)行方式。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電；光伏；調(diào)峰能力；接納規(guī)模；新能源棄電量

中圖分類號:TM71

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:??碼: A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.11.005

收稿日期：2015-06-25。

作者簡介：趙娟(1978-)，女，高級工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作，E-mail: zhaojuanxiao@163.com。

Abstract：With a basic analysis of load characteristics of Shanxi power grid and its wind and photovoltaic output characteristics, the peak regulation capacity of Shanxi power grid was calculated at both 4∶00 to 5∶00am and noon, based on two methods used to obtain the consumptive ability of wind and photovoltaic power within the grid. Furthermore, by combining the 8760-hour load characteristics with those of existing wind and photovoltaic output, the quantity of both consumptive and non-consumptive wind and photovoltaic electricity was calculated by the planned amount of wind and photovoltaic power units, which fully reflects the consumptive condition of wind and photovoltaic power in planning years. With the above methods, the impact of interconnected power grid on peak regulation capacity of Shanxi power grid was analyzed. The result shows that the consumptive capacity of wind and photovoltaic power in Shanxi power grid can be approximately as much as 5 000 MW respectively. And it indicates that different modes of peak regulation should be applied to interconnected power grid in summer and winter.

Keywords：wind power; photovoltaic; peak regulation capacity; consumptive ability; non-consumptive electricity of wind and photovoltaic power

0引言

陜西電網(wǎng)位于西北電網(wǎng)最東部，與西北主網(wǎng)以四回750 kV和四回330 kV線路聯(lián)絡(luò)。陜西電網(wǎng)是一個(gè)水火并濟(jì)以火電為主的電網(wǎng)，火電主要分布在關(guān)中，水電主要分布在陜南。截至2014年底，陜西電網(wǎng)裝機(jī)容量29 260 MW，其中水電2 900 MW、火電24 480 MW、風(fēng)電1 360 MW、光伏520MW，水電、火電、風(fēng)電、光伏所占比例分別為9.9 %、83.7 %、4.6 %、1.8 %。2014年陜西全省最高發(fā)電負(fù)荷達(dá)到21 810 MW，統(tǒng)調(diào)口徑最大發(fā)電負(fù)荷17 128 MW。電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差呈逐年增加趨勢，統(tǒng)調(diào)負(fù)荷日最大峰谷差從2011年的4 966 MW增加至2014年的5 792 MW[1]。隨著2020年陜西風(fēng)電、光伏總裝機(jī)達(dá)到1 000萬kW以上目標(biāo)的確定，電網(wǎng)調(diào)峰將面臨更大壓力。研究電網(wǎng)調(diào)峰能力，確定電網(wǎng)可接納新能源裝機(jī)能力、評估電網(wǎng)可接納新能源電量及棄電量，可為編制新能源裝機(jī)規(guī)劃、制定新能源裝機(jī)開發(fā)時(shí)序和電網(wǎng)規(guī)劃方案提供重要參考[2,3]。

1電網(wǎng)負(fù)荷

1.1　負(fù)荷特性分析

本文研究分析了陜西電網(wǎng)歷史近十年的負(fù)荷[4]，得出陜西電網(wǎng)年、日負(fù)荷特性分別如表1、表2所示。

表1　電網(wǎng)年負(fù)荷特性

表2　電網(wǎng)日負(fù)荷特性

從年負(fù)荷特性來看，陜西電網(wǎng)年負(fù)荷表現(xiàn)為冬季、夏季兩個(gè)高峰，年最大負(fù)荷一般出現(xiàn)在12月，夏季高峰出現(xiàn)在7～8月。夏季月份小負(fù)荷日最大負(fù)荷為月最大負(fù)荷的0.82，冬季月份小負(fù)荷日最大負(fù)荷約為月最大負(fù)荷的0.88。

從日負(fù)荷特性來看，一天之中負(fù)荷呈現(xiàn)兩個(gè)高峰，即早高峰和晚高峰，以晚高峰負(fù)荷最大，出現(xiàn)在19～21點(diǎn)；低谷負(fù)荷在4～5點(diǎn)，夏季日最小負(fù)荷率為0.636，冬季日最小負(fù)荷率為0.656。

1.2　2020年電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測

預(yù)計(jì)2020年陜西電網(wǎng)全口徑最高發(fā)電負(fù)荷為35 870 MW。根據(jù)以上負(fù)荷特性分析結(jié)果，2020年陜西電網(wǎng)各月大小負(fù)荷日情況下的大小負(fù)荷時(shí)刻具體負(fù)荷如表3所示。

表3　2020年電網(wǎng)負(fù)荷

2新能源出力特性

2.1　風(fēng)電出力特性

陜西風(fēng)電裝機(jī)90 %以上位于陜北，以陜北風(fēng)電實(shí)際出力數(shù)據(jù)分析結(jié)果代表陜西風(fēng)電出力特性。陜西累積電量、累積頻率特性見表4、表5。

表4　風(fēng)電出力-累積頻率特性

表5　風(fēng)電出力-累積電量特性

可以看到，風(fēng)電出力系數(shù)0.65以下的累積電量可以達(dá)到全部電量的99 %。風(fēng)電出力系數(shù)0.65以下的累積頻率可以達(dá)到95 %以上。本次陜西風(fēng)電有效容量系數(shù)選取0.65。

2.2　光伏出力特性

陜西光伏裝機(jī)90 %以上位于陜北，以陜北光伏實(shí)際出力數(shù)據(jù)分析結(jié)果代表陜西光伏出力特性，具體見圖1。光伏每天出力時(shí)間集中在6點(diǎn)到19點(diǎn)，冬季出力時(shí)間短，夏季出力時(shí)間長，最大出力時(shí)間為中午13點(diǎn)左右，出力形狀類似正弦半波。陜西光伏最大出力系數(shù)約為0.83。

圖1　陜西光伏電站日出力特性

3調(diào)峰能力及可接納新能源裝機(jī)能力分析

3.1　調(diào)峰平衡計(jì)算原則

(1)計(jì)算水平年選擇2020年，僅分析陜西電網(wǎng)自身調(diào)峰能力(暫不考慮直流外送調(diào)峰、陜甘聯(lián)絡(luò)線調(diào)峰)。

(2)選擇冬季大負(fù)荷日、冬季小負(fù)荷日、夏季大負(fù)荷日、夏季小負(fù)荷日四種方式，對后夜峰谷差、13點(diǎn)光伏最大出力時(shí)刻調(diào)峰能力進(jìn)行計(jì)算。

(3)負(fù)荷備用容量為最大發(fā)電負(fù)荷的3 %、事故備用容量為最大發(fā)電負(fù)荷的5 %。

(4)水電機(jī)組按照實(shí)際水文特性參與調(diào)峰。抽蓄機(jī)組充分發(fā)揮削峰、填谷作用[5,6]。

(5)熱電機(jī)組供熱期最大出力80 %，不參與調(diào)峰，非供熱期參與調(diào)峰。

(6)單機(jī)容量300 MW及以上火電機(jī)組，最小技術(shù)出力率為50 %；單機(jī)容量300 MW以下火電機(jī)組，最小技術(shù)出力率為70 %。不考慮火電機(jī)組啟停調(diào)峰。

3.2　調(diào)峰能力及可接納新能源裝機(jī)容量分析

對2020年逐月大、小負(fù)荷日陜西電網(wǎng)調(diào)峰能力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明夏季9～10月份調(diào)峰盈余較少，冬季2～3月份調(diào)峰盈余較少，冬季由于熱電機(jī)組不參與調(diào)峰，電網(wǎng)調(diào)峰能力明顯小于夏季。陜西電網(wǎng)調(diào)峰能力及可接納新能源裝機(jī)具體見表6。

表6　電網(wǎng)自身調(diào)峰能力

陜西電網(wǎng)盈余調(diào)峰能力可用來接納新能源裝機(jī)。按照以下兩種方式考慮：

(1)按照后夜調(diào)峰能力接納風(fēng)電裝機(jī)[7]基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮13點(diǎn)時(shí)刻接納光伏。

陜西電網(wǎng)后夜調(diào)峰能力盈余560～4 140 MW，按照風(fēng)電有效容量系數(shù)0.65考慮，陜西電網(wǎng)可接納風(fēng)電裝機(jī)容量860～6 370 MW，其中冬季可接納860～1 770 MW，夏季可接納3 090～6 370 MW。

陜西電網(wǎng)13點(diǎn)時(shí)刻調(diào)峰能力盈余6 260～11 610 MW，在接納風(fēng)電基礎(chǔ)上，光伏最大出力系數(shù)按0.83考慮，陜西電網(wǎng)可接納光伏裝機(jī)容量6 870～9 000 MW，其中冬季可接納6870～7 770 MW，夏季可接納7 370～9 000 MW。

風(fēng)電、光伏合計(jì)可接納總裝機(jī)約7 730～15 370 MW，其中冬季可接納7 730～9 540 MW、夏季可接納10 460～15 370 MW。

(2)結(jié)合陜西風(fēng)、光資源情況[8]，按照風(fēng)電、光伏裝機(jī)比例1∶1考慮接納新能源裝機(jī)。

陜西電網(wǎng)風(fēng)電、光伏裝機(jī)比例為1∶1時(shí)，新能源總體最大出力系數(shù)為0.74。陜西電網(wǎng)13點(diǎn)時(shí)刻調(diào)峰能力盈余6 260～11 610 MW，則可接納風(fēng)電、光伏總裝機(jī)容量8 460～15 690 MW，其中冬季可接納8 460～10 270 MW，而夏季可接納10 990～15 690 MW。

4電網(wǎng)接納新能源電量分析

4.1　新能源裝機(jī)預(yù)測

2020年陜西新能源裝機(jī)考慮基本方案和高方案兩個(gè)水平?；痉桨割A(yù)計(jì)風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到5 990 MW、光伏裝機(jī)達(dá)到4 890 MW，基本實(shí)現(xiàn)陜西風(fēng)電、光伏規(guī)劃裝機(jī)兩個(gè)500萬kW目標(biāo)。高方案預(yù)計(jì)陜西風(fēng)電、光伏規(guī)劃裝機(jī)均達(dá)到7 000 MW目標(biāo)。

4.2　接納新能源電量分析

按照2020年新能源裝機(jī)基本方案，結(jié)合陜西負(fù)荷特性和風(fēng)電、光伏出力特性，計(jì)算陜西電網(wǎng)可接納新能源電量及棄電量[9]。首先以歷史風(fēng)電、光伏全年8 760 h標(biāo)幺值，分別乘以規(guī)劃風(fēng)電、光伏裝機(jī)，得到水平年實(shí)際新能源出力曲線。采用同樣方法得到水平年8 760 h負(fù)荷曲線。將調(diào)峰計(jì)算得到的水電(含抽水蓄能電站)、火電(含熱電)機(jī)組運(yùn)行出力，和負(fù)荷、新能源出力疊加，不滿足各時(shí)刻調(diào)峰需求的新能源出力即為新能源棄電。陜西電網(wǎng)接納規(guī)劃新能源后調(diào)峰盈虧主要結(jié)論如表7所示。

表7　電網(wǎng)接納新能源后調(diào)峰盈虧

夏季13點(diǎn)時(shí)刻電網(wǎng)調(diào)峰盈余超過8 130 MW，光伏、風(fēng)電合計(jì)最大出力7 950 MW，即此時(shí)陜西電網(wǎng)可以全額接納規(guī)劃的新能源裝機(jī)。夏季后夜陜西電網(wǎng)調(diào)峰盈余4 140～2 010 MW，此時(shí)考慮風(fēng)電滿出力3890 MW后，調(diào)峰盈虧250～ -1 880 MW，即夏季小負(fù)荷日后夜存在2 900 MW風(fēng)電裝機(jī)難以消納，對應(yīng)的棄風(fēng)電量很小，約0.13億kW·h。

冬季13點(diǎn)時(shí)刻陜西電網(wǎng)調(diào)峰盈余6 260 MW，此時(shí)如果光伏、風(fēng)電都同時(shí)大發(fā)，合計(jì)出力7 950 MW，則調(diào)峰缺額1 690 MW，陜西電網(wǎng)難以全額接納規(guī)劃的新能源裝機(jī)，存在棄新能源情況。實(shí)際光伏、風(fēng)電同時(shí)大發(fā)的情況發(fā)生的概率極低。冬季后夜陜西電網(wǎng)調(diào)峰盈余1 150～560 MW，此時(shí)考慮風(fēng)電滿出力3 890 MW后，調(diào)峰缺額為2 740～3 330 MW，相應(yīng)的風(fēng)電裝機(jī)為4 215～5 123 MW，即冬季后夜存在大量的風(fēng)電裝機(jī)難以消納。冬季陜西電網(wǎng)相應(yīng)新能源棄電量達(dá)到5.82億kW·h。

陜西電網(wǎng)全年新能源棄電量約5.95億kW·h，占風(fēng)電、光伏總發(fā)電量172億kW·h的3.5 %，該比例較小，可以認(rèn)為，陜西電網(wǎng)調(diào)峰能力滿足規(guī)劃的新能源裝機(jī)需求。相應(yīng)，陜西電網(wǎng)全年可消納新能源電量166億kW·h，占新能源總發(fā)電量的96.5 %。

按照2020年新能源裝機(jī)高方案進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，陜西電網(wǎng)全年新能源棄電量約11.62億kW·h，占風(fēng)電、光伏總發(fā)電量217億kW·h的5.4 %，較基本裝機(jī)方案新能源棄電量比例增加1.9 %。相應(yīng)，陜西電網(wǎng)全年可消納新能源電量205.38億kW·h，占新能源總發(fā)電量的94.6 %。

4.3　調(diào)峰敏感性分析

陜西電網(wǎng)作為西北電網(wǎng)重要外送出口，電網(wǎng)運(yùn)行方式受西北主網(wǎng)、靈寶直流、德寶直流電力交換影響較大，直接影響到陜西電網(wǎng)調(diào)峰能力。以下考慮兩種方式對陜西電網(wǎng)調(diào)峰進(jìn)行敏感性分析。

送電方式一考慮西北主網(wǎng)給陜西電網(wǎng)調(diào)峰，德寶直流冬季四川給陜西調(diào)峰、夏季陜西給四川調(diào)峰[10]，靈寶直流考慮平送。具體見表8。

表8　電網(wǎng)與外區(qū)電力交換方式一

按照該送電方式計(jì)算，調(diào)峰結(jié)論見表9。陜西電網(wǎng)夏季調(diào)峰能力稍有降低，冬季調(diào)峰能力明顯增強(qiáng)，夏季降低約500 MW、冬季提高約2 750 MW，全年新能源棄電量由5.95億kW·h降為0.7億kW·h，占新能源總發(fā)電量比例由3.5 %降至0.4 %，可以看到陜西電網(wǎng)冬季調(diào)峰能力增強(qiáng)對減少新能源棄電量效果明顯，這與陜西風(fēng)電冬季電量明顯較夏季電量高的出力特性相關(guān)。

表9　方式一調(diào)峰結(jié)論

送電方式二考慮西北主網(wǎng)、靈寶直流、德寶直流均平送。具體見表10。

表10　電網(wǎng)與外區(qū)電力交換方式二

按照該送電方式計(jì)算，調(diào)峰結(jié)論見表11。陜西電網(wǎng)夏季調(diào)峰缺額在1 420～3 510 MW、冬季缺額在1 860～2 480 MW，全年新能源棄電量由5.95億kW·h降為2.6億kW·h，占新能源總發(fā)電量比例由3.5 %降至1.5 %。

表11　方式二調(diào)峰結(jié)論

綜合以上分析，建議陜西與周邊送電通道運(yùn)行方式，冬季外網(wǎng)宜給陜西電網(wǎng)調(diào)峰，或者平穩(wěn)送出；夏季宜平穩(wěn)受入，或者陜西向外網(wǎng)提供少量調(diào)峰。

5結(jié)論

(1)對于電力系統(tǒng)風(fēng)電、光伏裝機(jī)規(guī)模問題，很難有通用的準(zhǔn)則，必須結(jié)合電網(wǎng)調(diào)峰能力、電網(wǎng)接納新能源發(fā)電量兩方面來確定。

(2)文中在詳細(xì)分析風(fēng)電、光伏全年8 760 h發(fā)電出力的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)調(diào)峰角度研究了電網(wǎng)可接納新能源裝機(jī)規(guī)模，分析了電網(wǎng)可接納新能源電量。提出的分析方法可為有關(guān)部門制定風(fēng)電、光伏發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)分析的手段，為陜西電網(wǎng)后續(xù)大規(guī)模發(fā)展新能源提供參考。

(3)通過對陜西電網(wǎng)2020年可接納新能源裝機(jī)容量及電量兩方面計(jì)算，全面反映水平年風(fēng)電、光伏消納情況。結(jié)果表明，2020年陜西電網(wǎng)基本可接納風(fēng)電、光伏各500萬kW裝機(jī)容量，陜西電網(wǎng)全年新能源棄電量約占風(fēng)電、光伏總發(fā)電量的3.5 %，該比例較小。

(4)通過對陜西電網(wǎng)與周邊電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)調(diào)峰能力及棄電量進(jìn)行敏感性分析，對聯(lián)絡(luò)運(yùn)行方式提出建議。建議充分發(fā)揮陜西與周邊電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線調(diào)峰能力，冬季外網(wǎng)宜給陜西電網(wǎng)調(diào)峰，夏季陜西電網(wǎng)可向外網(wǎng)提供一定調(diào)峰。

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Study on Peak Regulation Capacity and Consumptive Ability of Wind and Photovoltaic Power of Shanxi Power Grid

Zhao Juan, Wang Lei，Wu Lei(Power System Planning Department, Northwest Electric Power Design Institute Co., Ltd., Xi’an 710075, China)