基于調(diào)峰約束的河北南網(wǎng)風電消納能力研究

習 朋王 穎吳 鵬張飛飛

（1.國網(wǎng)河北省電力公司經(jīng)濟技術研究院，石家莊 050000；2.國網(wǎng)河北省電力公司，石家莊 050021）

基于調(diào)峰約束的河北南網(wǎng)風電消納能力研究

習 朋1王 穎1吳 鵬1張飛飛2

（1.國網(wǎng)河北省電力公司經(jīng)濟技術研究院，石家莊 050000；2.國網(wǎng)河北省電力公司，石家莊 050021）

河北省南部電網(wǎng)以火電為主，在河北南網(wǎng)北部的保定地區(qū)、東部沿海的滄州地區(qū)，具有豐富的風能資源，近幾年發(fā)展迅速。隨著風電的大規(guī)模集中并網(wǎng)，電網(wǎng)調(diào)峰能力已成為制約風電消納的主要因素。結合負荷特性、風電出力特性，本文分析了河北南網(wǎng)的調(diào)峰能力，提出了通過兩個關鍵約束指標推導計算風電消納能力的新方法，計算分析了河北南網(wǎng)風電消納能力。對合理確定河北南網(wǎng)“十三五”風電發(fā)展規(guī)劃提供了重要參考。

負荷特性；風電消納；調(diào)峰能力；調(diào)峰需求

在新能源中，風力發(fā)電技術最為成熟，有明顯的規(guī)模效益和廣闊的應用前景。近幾年來，世界各地風力發(fā)電的發(fā)展勢頭非常強勁，裝機容量增加迅速。不同于常規(guī)的發(fā)電方式，風電功率具有隨機性、間歇性、波動性等特點，很多時候表現(xiàn)出對電網(wǎng)不利的反調(diào)峰特性，電力系統(tǒng)的調(diào)峰壓力增大。電力系統(tǒng)是否具有足夠的調(diào)峰容量是大規(guī)模風電能否并網(wǎng)發(fā)電的關鍵。隨著風電開發(fā)規(guī)模逐漸增大，特別在冬季，供熱火電機組的供熱、水電機組枯水、風電機組大發(fā)三個因素相互疊加，導致調(diào)峰變得困難重重，風電消納受到嚴重影響和制約[1]。

河北南網(wǎng)裝機以火電為主，霧霾問題是重要的環(huán)境問題。受大氣污染防治影響，國家嚴格限制東中部地區(qū)火電建設項目的發(fā)展，除了熱電聯(lián)產(chǎn)機組外，河北南網(wǎng)燃煤發(fā)電項目已被嚴格限制發(fā)展，而風電、光伏等新能源的發(fā)展優(yōu)化了電源結構。2015年，河北南網(wǎng)風電平均利用小時數(shù)約為2000h。

河北南網(wǎng)電源裝機以火電為主，在火電機組中，供熱機組所占比例較高，電網(wǎng)調(diào)峰困難問題日益突出。河北南部地區(qū)灌溉面積大，夏季炎熱空調(diào)用電負荷增長迅速，峰谷差率大，網(wǎng)內(nèi)機組調(diào)峰能力不足，而電網(wǎng)調(diào)峰能力不足則影響新能源消納。

河北省風能、太陽能等資源豐富，近幾年國家的一些優(yōu)惠政策極大地促進了新能源的發(fā)展。在河北南網(wǎng)北部的保定地區(qū)、東部沿海的滄州地區(qū)，具有豐富的風能資源，近幾年發(fā)展迅速。

目前，一些小型的風電場陸續(xù)被接入河北南部電網(wǎng)，但是河北南網(wǎng)的風電消納能力尚未被深入研究。研究“十三五”期間及將來河北南網(wǎng)風電的消納能力，對風電的的合理有序發(fā)展具有重要意義。

1 河北南網(wǎng)負荷特性分析

河北南網(wǎng)電網(wǎng)負荷具有明顯的季節(jié)性特征，受到農(nóng)業(yè)灌溉、空調(diào)制冷、冬季采暖等季節(jié)影響明顯，全年負荷呈現(xiàn)“三峰三谷”的特點，即春灌、度夏和度冬3個用電高峰與春節(jié)、春末夏初、秋季3個負荷低谷。河北南網(wǎng)近些年最大負荷均出現(xiàn)在夏季。河北南網(wǎng)2016年預測年負荷曲線如圖1所示。

圖1 河北南網(wǎng)2016年預測年負荷曲線圖

影響河北南網(wǎng)典型日負荷曲線的主要因素包括：灌溉負荷、夏季降溫負荷和冬季采暖負荷的增長趨勢、出現(xiàn)時間。圖2所示為2016年春、夏、冬季典型日預測負荷曲線。

圖2 2016年春、夏、冬季典型日預測負荷曲線圖

圖3所示選取了河北南網(wǎng)2015年連續(xù)3天的風電出力曲線。可以看出，風電出力具有隨機性、波動性的特點，風電場反調(diào)峰概率較高、幅度較大，且沒有明顯的季節(jié)特征。風電出力的這些特性，對電網(wǎng)的運行產(chǎn)生了不利的影響。

2 調(diào)峰能力約束

電力系統(tǒng)的調(diào)峰是指按照一定的安全和經(jīng)濟調(diào)度原則、調(diào)整發(fā)電機組出力、以滿足負荷變化需要的有功功率調(diào)整過程，在電網(wǎng)運行過程中具有重要作用，屬于電力平衡問題[2]。機組類型不同、機組裝機不同，機組的調(diào)峰容量也各不相同，系統(tǒng)調(diào)峰容量是指運行中的機組可靈活調(diào)節(jié)的容量之和[3]。

圖3 河北南網(wǎng)連續(xù)幾日風電出力曲線

風電并網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)峰能力取決于系統(tǒng)中可調(diào)機組的系統(tǒng)負荷規(guī)律、功率調(diào)節(jié)特性、風電波動特性；風電功率具有明顯的反調(diào)峰特性，在負荷低谷時段，系統(tǒng)的向下調(diào)峰能力是限制風電大規(guī)模并網(wǎng)的重要瓶頸之一[4-5]。

系統(tǒng)的功率平衡是風電接入電網(wǎng)時首要考慮的因素，是電網(wǎng)穩(wěn)定運行的前提，在將風電接入電網(wǎng)后，電網(wǎng)會承擔一部分負荷，這時火電機組就需要相應地減小出力，以確保系統(tǒng)功率仍然保持平衡。

2.1 火電機組調(diào)峰

火電機組的調(diào)峰方式包括起停方式、調(diào)荷方式。起停調(diào)峰方式比較適合單機容量 100MW及以下容量的機組；而大容量機組的起停周期長且成本比較高，不宜頻繁起動，應盡量避免采用起停方式調(diào)峰。河北南網(wǎng)火電機組在負荷低谷時，壓出力運行，較少采用起停方式。常規(guī)火電機組在額定出力或接近額定出力時經(jīng)濟性好，風電大規(guī)模并網(wǎng)后系統(tǒng)調(diào)峰壓力大時，一般以犧牲常規(guī)機組的經(jīng)濟性為代價，以熱備用的形式參與調(diào)峰。

近年來，河北大力發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)機組，提高能源的利用效率。河北南網(wǎng)煤電裝機占總裝機的80%以上，其中供熱機組約占50%。而北方冬季供熱機組在供暖期（當年11月至次年3月）晝夜都必須處在運行狀態(tài)，以滿足居民供熱需求。供熱機組運行遵循“以熱定電”的原則，其調(diào)峰能力會受到一定程度的制約，冬季負荷小，將導致風電出力受到限制。在冬季大風月，由于供熱機組的出力已經(jīng)基本滿足了負荷的需要，從而導致棄風現(xiàn)象的發(fā)生[6]。表1所示為各類型機組最小出力及調(diào)峰能力。

表1 各類型機組最小出力及調(diào)峰能力

2.2 跨省區(qū)聯(lián)絡線調(diào)峰

雖然河北南網(wǎng)外來電比例較大，但聯(lián)絡線功率調(diào)節(jié)不夠靈活（通過聯(lián)絡線功率調(diào)峰能力有限），調(diào)峰主要通過河北南網(wǎng)內(nèi)部電源實現(xiàn)。在度夏、度冬大負荷期間，河北南網(wǎng)有的年份出現(xiàn)“硬缺電”局面，需依靠增加外購電力來保障電力供應。

2.3 風電調(diào)峰

根據(jù)風電對系統(tǒng)等效負荷峰谷差改變效果的不同，可將風電輸出功率對系統(tǒng)調(diào)峰影響分為反調(diào)峰、正調(diào)峰和過調(diào)峰3種情況。根據(jù)相關的資料統(tǒng)計分析表明，風電具有明顯的反調(diào)峰特性，即風電出力增減趨勢程度與系統(tǒng)負荷變化趨勢相反，風電接入后使系統(tǒng)的等效負荷曲線峰谷差變大。

對于電力系統(tǒng)調(diào)峰來說，最嚴重的情況是，負荷高峰時風電機組出力為零，負荷低谷火電機組出力接近其最小技術出力，下調(diào)備用容量較小，這時，如果風電機組出力突然增加較大，火電機組將無法彌補由此導致的功率缺額。風電機組不僅不能夠參與調(diào)峰，反而增大了電網(wǎng)調(diào)峰的難度，使對其他機組的調(diào)峰要求進一步提高。

3 風電消納能力計算新方法

風電場應考慮它對調(diào)峰的反調(diào)節(jié)，最為嚴重的反調(diào)節(jié)工況顯然就是風電場的額定容量[7]。

系統(tǒng)的調(diào)峰能力是影響風電消納的最主要因素，電網(wǎng)的調(diào)峰能力由電網(wǎng)內(nèi)不同類型電源構成及不同電源調(diào)峰能力、網(wǎng)外受電的調(diào)峰能力綜合決定。研究風電消納問題，首先需要分析電網(wǎng)負荷特性、風電的出力特性、網(wǎng)內(nèi)不同類型的裝機及調(diào)峰能力。

風電功率具有匯集效應，風電功率的最大值小于風電裝機容量，計算出的風電接納功率只是可以接納的風電功率的最大值，并不等于風電可以接納的風電裝機容量?？紤]到風電功率的匯聚效應后，電網(wǎng)可以接納的風電裝機容量將會增加。取風電裝機容量率為0.75，則可算出可消納的風電裝機容量。

定義某日的高峰負荷為PLmax，低谷負荷為峰谷差為Pfg，峰谷差率為α，聯(lián)絡線輸送功率為Pline，聯(lián)絡線的調(diào)峰系數(shù)為θ，系統(tǒng)的調(diào)峰能力為aP，系統(tǒng)的調(diào)峰需求為dP，系統(tǒng)運行機組的最大開機容量PGmax，系統(tǒng)運行機組的最小開機容量為PGmin，系統(tǒng)的旋轉備用率為γ，風電裝機容量為風電的匯集系數(shù)為δ。

考慮風電裝機后，為了應對低谷負荷時刻風電機組出力由零出力增加至滿發(fā)時刻的情況，系統(tǒng)開機機組的最小出力應控制為

在將風電接入電網(wǎng)后，應滿足以下兩個約束條件。

1）考慮風電后系統(tǒng)運行機組的最小技術出力應不大于系統(tǒng)低谷負荷，即

2）系統(tǒng)的調(diào)峰能力應不小于系統(tǒng)的調(diào)峰需求，即

將相關計算式代入，可得

由式（3）得

由式（4）得

綜上，系統(tǒng)可接納的最大風電裝機容量為

4 河北南網(wǎng)風電消納能力

4.1 不考慮聯(lián)絡線調(diào)峰時冬季風電消納

冬季負荷小，供熱機組調(diào)峰能力受限，電網(wǎng)可接納的風電能力小。當不考慮河北南網(wǎng)區(qū)外受電聯(lián)絡線的調(diào)峰能力，只考慮網(wǎng)內(nèi)火電機組調(diào)峰能力時，根據(jù)以上方法，可計算出的河北南網(wǎng)“十三五”期間的冬季風電消納能力，見表2。

表2 河北南網(wǎng)冬季風電消納能力（單位：MW）

風電消納能力為負值，說明當年的冬季最大負荷日不能消納風電。

4.2 聯(lián)絡線調(diào)峰對風電消納能力的影響

若聯(lián)絡線的調(diào)峰能力從0～100%變化，則風電的消納能力見表 3。隨著聯(lián)絡線調(diào)峰能力的增加，電網(wǎng)的風電消納能力也隨之增加。

表3 聯(lián)絡線不同調(diào)峰能力時風電消納能力（單位：MW）

4.3 不同季節(jié)的風電消納能力

河北南網(wǎng)電網(wǎng)低谷時段的負荷為基礎負荷，差別不大。冬季由于熱電機組只能“以熱定電”，調(diào)峰能力受限，影響了風電的消納。春季、秋季、夏季熱電機組的調(diào)峰能力不受限制，調(diào)峰能力變大，有利于風電的消納。聯(lián)絡線的調(diào)峰率取為 0。由于春季、秋季負荷特性相同，所以只計算春季?；痣姍C組大修都安排在春季、秋季，計算秋季風電消納能力時考慮了檢修機組停機3000MW。不同季節(jié)的風電的消納能力見表4。

表4 “三峰三谷”時的風電消納能力（單位：MW）

5 結論

近幾年來，河北南網(wǎng)風電裝機增長迅速。河北南網(wǎng)是典型的受端電網(wǎng)，裝機以火電為主，外受電比例越來越大。本文提出了通過兩個關鍵約束指標計算風電消納能力的方法，方法簡便有效。根據(jù)河北南網(wǎng)的電源裝機、負荷特性、區(qū)外受電等特性，本文計算了河北南網(wǎng)“十三五”期間各年不同季節(jié)的風電消納能力，這對合理確定風電發(fā)展規(guī)劃具有重要意義。

[1]劉德偉,黃越輝,王偉勝,等.考慮調(diào)峰和電網(wǎng)輸送約束的省級系統(tǒng)風電消納能力分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2011,35(22): 77-81.

[2]趙冰.以調(diào)峰能力為約束的遼寧電網(wǎng)風電接納能力研究[J].電力系統(tǒng)自動化,2003,7(8): 84-89.

[3]曹昉,張粒子.滿足調(diào)峰約束的可接納風電容量計算[J].現(xiàn)代電力,2013,30(4): 7-12.

[4]楊冬鋒,周蘇荃,鮑鋒.風電并網(wǎng)系統(tǒng)低谷時段的調(diào)峰能力分析[J].電網(wǎng)技術,2014,38(6): 1446-1451.

[5]姚金雄,張世強.基于調(diào)峰能力分析的電網(wǎng)風電接納能力研究[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,26(7): 25-28.

[6]馮任卿,張智遠,王亮,等.電網(wǎng)調(diào)峰能力對風電消納能力的影響分析[J].河北電力技術,2014,33(6): 1-3,19.

[7]譚永才.電力系統(tǒng)規(guī)劃設計技術[M].北京: 中國電力出版社,2012.

Analysis on Capacity of Wind Power Integration into Southern Power Grid of Hebei Province based on Peak Load Regulation

Xi Peng1Wang Ying1Wu Peng1Zhang Feifei2
(1.State Grid Hebei Economic Research Institute,Shijiazhuang 050000; 2.State Grid Hebei Economic Power Company,Shijiazhuang 050021)

Thermal power is the main energy of southern power grid in Hebei province.It has abundant wind power energy in Baoding and Cangzhou,it develop rapidly in recent years.With the increasing of wind power installed capacity,peak load regulation have become main restrictions for accommodation of wind power.Based on load characteristics and wind power characteristics,the paper studies the ability of peak load regulation,a new method to calculate capacity of wind power using two key constraint index was proposed.The paper calculate the capacity of wind power in Hebei province,it provides an important reference for determining the wind power plan of “thirteen five” period in Hebei south power grid.

load characteristics; wind power integration capacity; ability of peak load regulation; peak regulation demand

習 朋（1985-），男，工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃、分布式發(fā)電與微網(wǎng)新技術、電力系統(tǒng)分析運行與控制相關技術的研究工作。