全球能源互聯(lián)背景下山東電網(wǎng)調(diào)峰策略分析

牟 宏 ，汪 湲 ，許乃媛 ，劉曉明 ，魏 鑫

（1.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟南 250001；2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，山東 濟南 250021）

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全球能源互聯(lián)背景下山東電網(wǎng)調(diào)峰策略分析

牟 宏1，汪 湲1，許乃媛1，劉曉明2，魏 鑫2

（1.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟南 250001；2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，山東 濟南 250021）

全球能源互聯(lián)背景下，新能源的快速發(fā)展使得山東電網(wǎng)調(diào)峰壓力逐漸增大。對各種調(diào)峰手段做詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟比較，并結(jié)合山東電網(wǎng)實際，提出了山東電網(wǎng)調(diào)峰策略。最后，對核電機組是否參與電網(wǎng)調(diào)峰做敏感性分析。分析結(jié)果對提高山東電網(wǎng)調(diào)峰能力及運行經(jīng)濟性具有較為重要的意義。

全球能源互聯(lián)；新能源；調(diào)峰策略

0 引言

為統(tǒng)籌解決能源和環(huán)境問題，破除經(jīng)濟發(fā)展瓶頸，國家電網(wǎng)公司提出構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想，促進新能源大規(guī)模開發(fā)、大范圍配置、高效率利用，實現(xiàn)能源與政治、經(jīng)濟、社會、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，保障能源安全、清潔、高效、可持續(xù)供應(yīng)［1］。

近年來，我國新能源發(fā)展迅速。新能源的快速發(fā)展，在增加社會節(jié)能減排效益的同時，其出力不確定性也給電網(wǎng)調(diào)峰帶來較大壓力。文獻［2］分析了影響水電/火電機組調(diào)峰能力的6項重要因素，提出機組調(diào)峰能力的模糊綜合評價方法，并建立機組調(diào)峰能力經(jīng)濟激勵機制數(shù)學(xué)模型。文獻［3］探討了基于調(diào)峰形勢的聯(lián)絡(luò)線受電優(yōu)化模型，采用分時電價計算方法，綜合考慮電網(wǎng)內(nèi)機組的發(fā)電、聯(lián)絡(luò)線受電和調(diào)峰能力三者的關(guān)系，在保證電網(wǎng)安全的條件下，得到了經(jīng)濟效益優(yōu)化的受電曲線。文獻［4］通過負(fù)荷日前起停計劃、日內(nèi)滾動調(diào)節(jié)，將負(fù)荷作為可調(diào)節(jié)對象納入電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，可實現(xiàn)電網(wǎng)與需求側(cè)聯(lián)合調(diào)峰。文獻［5］結(jié)合西北水電資源豐富、調(diào)節(jié)性能好的特點，考慮負(fù)荷特性、電源特性等，提出了水電與風(fēng)電協(xié)調(diào)運行的思路，給出了水電、火電為風(fēng)電調(diào)峰的調(diào)峰能力計算方法。

本文介紹了山東新能源發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃，分析了各類調(diào)峰手段的技術(shù)經(jīng)濟性，提出山東電網(wǎng)調(diào)峰策略。最后，對核電機組參與調(diào)峰做初步探討。

1 山東新能源發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃

目前，山東新能源主要包括風(fēng)電、光伏發(fā)電等。截至2016年底，山東并網(wǎng)風(fēng)電、光伏分別達到839萬kW、455萬kW，“十二五”以來的年均增長率分別達到35.1%、149.2%。山東并網(wǎng)風(fēng)電、光伏規(guī)劃到2020年將分別達到 1 400萬 kW、1 000萬 kW，2030年達到2 300萬kW、2 500萬kW。

山東省內(nèi)目前無投運核電機組，海陽核電一期、榮成高溫氣冷堆示范工程正在建設(shè)。山東核電裝機容量規(guī)劃到2020年達到270萬kW，到2030年將達到1 550萬kW。

2 各類調(diào)峰手段技術(shù)經(jīng)濟性比較

2.1 火電機組調(diào)峰特性

火電機組都具有一定的調(diào)峰能力，不同容量機組調(diào)峰深度如表1所示。鍋爐燃燒的穩(wěn)定性限制著機組的最低負(fù)荷，調(diào)峰幅度由機組最小技術(shù)出力決定。當(dāng)機組運行在可調(diào)深度范圍內(nèi)時，不考慮調(diào)峰成本。當(dāng)火電機組出力減至正常運行區(qū)間之下時為深度調(diào)峰，深度調(diào)峰導(dǎo)致機組發(fā)電效率顯著下降并需額外燃油，大幅增加發(fā)電成本。因此，需要額外計算調(diào)峰成本。提高火電機組可用率和用電高峰時段的機組出力水平，精心制定發(fā)電機組檢修計劃，充分利用節(jié)假日等負(fù)荷低谷，安排發(fā)電機組消除缺陷，對于提高電力系統(tǒng)調(diào)峰能力具有重要意義。

表1 不同容量機組可調(diào)峰深度

燃煤火電機組熱態(tài)啟動一次需要2 h左右，在一天的時間跨度上最多啟或停一次，啟停成本較大。一般情況下，燃煤機組的深度調(diào)峰成本小于開停成本，所以深度調(diào)峰往往先于開停，即機組的開停容量需從其深度調(diào)峰下限往下減。國內(nèi)外超臨界燃煤火電機組的調(diào)峰深度可達50%以上，出力調(diào)整速率約為每分鐘3%~5%。當(dāng)前煤電機組最大向上爬坡速率可達 10%［6］。

2.2 抽水蓄能機組調(diào)峰特性

靈活的抽水、發(fā)電工況轉(zhuǎn)換能力以及快速的機組啟停是抽水蓄能機組不同于常規(guī)機組的最大優(yōu)點，也是其為理想調(diào)峰機組的原因。一般可在2 min內(nèi)由靜止到發(fā)電空載運行，再經(jīng)10~30 s即可滿出力運行。在縮減負(fù)荷峰谷差方面有雙倍的調(diào)峰能力，是其他機組無法比擬的優(yōu)點。抽水蓄能機組出力大小和持續(xù)時間取決于其發(fā)電／電動機功率及水庫庫容。當(dāng)前使用最多的抽水蓄能機組為可逆式機組，即二機式水泵水輪機。其正向運行時為水輪機，反向運行時為水泵。抽水工況下功率取值是離散的，大小由電網(wǎng)需求來選擇。當(dāng)前山東泰山抽水蓄能電站具有4×250 MW裝機容量，上水庫發(fā)電庫容為895萬m3。抽水蓄能機組在負(fù)荷低谷時作為負(fù)荷抽水，在尖峰及火電爬坡困難的時段發(fā)電出力?？梢酝ㄟ^考慮其發(fā)電效率損失，計算其調(diào)峰成本。在調(diào)度時間T內(nèi)，滿足

式中：Ef和Ep分別為抽水蓄能機組的發(fā)電量和抽水電量；Em為受庫容限制的抽水蓄能電站最大允許發(fā)電量；ηpu為抽水蓄能電站的轉(zhuǎn)化效率。因每蓄單位電量需消耗1／ηpu的電量，單位調(diào)峰容量對應(yīng)的成本為（1／ηpu－1）Cpu，Cpu為單位用電量成本。

電網(wǎng)運行中要合理安排抽水蓄能機組運行方式，優(yōu)化發(fā)電抽水調(diào)度，結(jié)合天氣及電網(wǎng)預(yù)測負(fù)荷，調(diào)整上下庫水位，充分發(fā)揮其快速調(diào)峰和事故備用作用。應(yīng)充分利用節(jié)假日等負(fù)荷低谷時期安排發(fā)電機組消除缺陷，在迎峰度夏高峰負(fù)荷期間不安排發(fā)電機組和電網(wǎng)設(shè)備計劃檢修，保證負(fù)荷高峰時期的電力供應(yīng)。

2.3 燃?xì)鈾C組調(diào)峰特性

燃?xì)怆娬窘ㄔO(shè)成本較高，其運行特點為啟停迅速、操作靈活、運行過程的性能穩(wěn)定可靠、負(fù)荷升降速率快，其從并網(wǎng)到滿負(fù)荷需要半小時左右，滑壓運行的機組每分鐘負(fù)荷變化率可達8%~12%。在電力系統(tǒng)負(fù)荷尖峰到來時，可迅速投入，緩解負(fù)荷壓力，特別適合參與調(diào)峰，是缺少水電且電力負(fù)荷峰谷差較大的電力系統(tǒng)的理想電源。對于燃?xì)鈾C組而言，原則上可實現(xiàn)快速頻繁啟停，但考慮到機組工況與實際運行情況，一般一天之內(nèi)最多只啟停一次。

從我國的實際情況看，燃?xì)鈾C組的發(fā)電成本要遠(yuǎn)高于常規(guī)燃煤機組，若不需通過燃?xì)鈾C組啟停來滿足系統(tǒng)調(diào)度要求，則不會優(yōu)先安排燃?xì)鈾C組發(fā)電。燃?xì)鈾C組開停將帶來額外的發(fā)電成本增量。在有氣源保障的前提下可適度發(fā)展燃?xì)鈾C組。燃?xì)鈾C組投運后，落實好天然氣資源，充分發(fā)揮燃?xì)鈾C組的快速調(diào)峰作用有利于提高電網(wǎng)調(diào)峰能力。

2.4 聯(lián)絡(luò)線參與調(diào)峰

新能源并網(wǎng)調(diào)峰通常采用本地調(diào)峰電源和跨大區(qū)調(diào)峰容量等方式進行。隨著特高壓交直流接入山東電網(wǎng)，山東電網(wǎng)接受外電不斷增加。系統(tǒng)受電容量會影響全網(wǎng)機組的開機容量，進而影響系統(tǒng)調(diào)峰能力?？紤]未來接入山東電網(wǎng)的風(fēng)電、光伏等可再生能源的波動性和隨機性，未來電網(wǎng)備用需求將增加，調(diào)峰壓力進一步加大?？煽紤]在簽訂聯(lián)絡(luò)線購電合同時，根據(jù)山東電網(wǎng)負(fù)荷特性和調(diào)峰需求，調(diào)整購電策略，將聯(lián)絡(luò)線送電作為調(diào)峰資源，以應(yīng)對可能的調(diào)峰不足。同時，也可在調(diào)峰不足等緊急情況下，以聯(lián)絡(luò)線輸送功率為緊急支援，提高系統(tǒng)安全性。

2.5 需求側(cè)管理和風(fēng)功率控制參與調(diào)峰

電力需求側(cè)管理和風(fēng)電場出力控制是調(diào)峰不足情況下確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定的最后防線。在負(fù)荷側(cè)可通過負(fù)荷日前啟停計劃、日內(nèi)滾動調(diào)節(jié)，將電解鋁、碳化硅、鐵合金等高載能負(fù)荷作為可調(diào)節(jié)對象納入電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制，有效實現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電和高載能企業(yè)的優(yōu)勢互補、協(xié)調(diào)發(fā)展，實現(xiàn)電網(wǎng)與需求側(cè)聯(lián)合調(diào)峰?？沙浞掷脙r格杠桿引導(dǎo)電力需求，進一步移峰填谷，解決尖峰時刻電力供應(yīng)緊張局面。在采取常規(guī)手段不能滿足要求時，為確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，風(fēng)電機組被迫參與電網(wǎng)調(diào)峰。風(fēng)電機組按日前計劃運行，在不滿足全額收購上網(wǎng)電量的時段，實施部分棄風(fēng)限電。

未來在電力體制改革背景下，用戶的用電行為會逐漸趨于智能用電方式，用電效率大大提高，合理實施峰谷電價，將有利于提高負(fù)荷率，降低電網(wǎng)最大負(fù)荷，縮小峰谷差，從而使負(fù)荷曲線得到優(yōu)化。

3 山東電網(wǎng)調(diào)峰策略分析

前述各類調(diào)峰手段中，火電機組和抽水蓄能機組參與調(diào)峰是傳統(tǒng)的調(diào)峰手段，在山東電網(wǎng)調(diào)峰中被廣泛采用。因山東地區(qū)水電資源很少，研究中不考慮常規(guī)水電參與調(diào)峰。近年來，山東電網(wǎng)最大峰谷差逐年增加，加大了調(diào)峰難度。正常情況下，機組的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力可以滿足次日的系統(tǒng)調(diào)峰需要；對于因天氣變化等導(dǎo)致的連續(xù)多日負(fù)荷水平單調(diào)急劇變化，需采用泰山抽水蓄能電站機組發(fā)電迎峰、抽水填谷；個別情況下，還需要火電機組開停調(diào)峰。隨著風(fēng)電、光伏以及核電的進一步發(fā)展，未來山東電網(wǎng)調(diào)峰壓力會進一步加大。若不充分、合理利用可用的調(diào)峰資源，為維持系統(tǒng)安全穩(wěn)定，未來將不得不采取需求側(cè)管理和風(fēng)功率控制等具有較高經(jīng)濟成本的措施，不利于可再生能源充分利用和經(jīng)濟社會發(fā)展。

基于前述各調(diào)峰手段的技術(shù)經(jīng)濟性分析，考慮山東電網(wǎng)的調(diào)峰現(xiàn)狀及大規(guī)?？稍偕茉唇尤雽?dǎo)致備用需求增加、調(diào)峰壓力增大等問題，全球能源互聯(lián)背景下山東電網(wǎng)適用的調(diào)峰策略為：

1）制定考慮新能源出力特性、季節(jié)和日負(fù)荷變化的聯(lián)絡(luò)線輸送功率計劃，以配合電網(wǎng)調(diào)峰。

2）調(diào)峰過程中優(yōu)先利用火電機組可調(diào)深度，再利用深度調(diào)峰資源，調(diào)用過程中優(yōu)先以不承擔(dān)基荷的小容量火電機組參與調(diào)峰，再調(diào)用可用的大容量機組。

3）若火電調(diào)峰不足以滿足調(diào)峰要求，在保證備用水平情況下，調(diào)用抽水蓄能電站削峰填谷。

4）若前3項措施仍不能滿足調(diào)峰要求，則先進行燃?xì)鈾C組的開停以應(yīng)對調(diào)峰需求，之后進行燃煤機組開停。

5）最后考慮風(fēng)電出力控制和負(fù)荷需求側(cè)管理，即限制風(fēng)電出力和實行有序用電。

6）若基于當(dāng)前制定的調(diào)峰策略過多地采用了高成本調(diào)峰資源，則應(yīng)綜合考慮聯(lián)絡(luò)線功率輸送和高成本調(diào)峰資源的技術(shù)經(jīng)濟性，考慮重新制定聯(lián)絡(luò)線輸送功率計劃。

調(diào)峰策略對應(yīng)的調(diào)峰過程如圖1所示。

圖1 山東電網(wǎng)調(diào)峰策略

4 核電機組調(diào)峰可行性分析

隨著核電、風(fēng)電和光伏發(fā)電的發(fā)展建設(shè)，僅靠火電和抽水蓄能機組進行調(diào)峰將難以滿足電網(wǎng)負(fù)荷變化的需要。必要時候，可探討核電機組參與電網(wǎng)調(diào)峰。通過對核電與其他調(diào)峰電源的聯(lián)合調(diào)峰運行的優(yōu)化，可有效解決系統(tǒng)低谷調(diào)峰容量不足的問題，并對火電機組爬坡及風(fēng)、光等新能源接納有積極作用。

壓水堆是目前世界上應(yīng)用最為廣泛的核電站反應(yīng)堆型，其功率調(diào)節(jié)范圍一般為額定容量的30%~100%。A模式壓水堆機組在80%循環(huán)壽期內(nèi)，能夠進行出力方式為“12-3-6-3”的運行模式。即在負(fù)荷高峰時帶12 h滿出力，晚間負(fù)荷下降時用3 h線性減負(fù)荷，在低功率平臺上（一般為50%FP）上運行6 h，最后在早間用3 h線性加負(fù)荷至滿出力。此外，還具有5%FP／min的線性功率變化及10%FP階躍功率變化的調(diào)節(jié)能力。G模式在A模式基礎(chǔ)上可以進行快速日負(fù)荷跟蹤，按照“16-8”的出力方式，還可在50%FP、75%FP兩種功率平臺上進行長期低功率運行。我國自主研發(fā)的二代加CPR1000核電技術(shù)所采用的即是G模式。EPR、AP1000機組擁有更優(yōu)異的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力。目前山東地區(qū)規(guī)劃建設(shè)的海陽核電站、石島灣核電、乳山紅石頂核電都計劃采用AP1000核電技術(shù)。

國外核電機組調(diào)峰運行實例如表2所示［8］。

表2 國外核電機組調(diào)峰運行實例

我國目前除秦山一期、大亞灣、嶺澳一期核電機組在近兩年春節(jié)、國慶等特殊負(fù)荷日降負(fù)荷運行以參與調(diào)峰（其中秦山一期機組一般降功率至200 MW運行，大亞灣、嶺澳一期機組一般降至760 MW，也有降至500 MW的運行實例）外，其他核電機組無論堆形和容量大小，均未參加電網(wǎng)調(diào)峰。然而，隨著核電在電網(wǎng)中比重的增長、負(fù)荷峰谷差的日益增大，以及風(fēng)、光等可再生能源的加入，電網(wǎng)調(diào)峰形勢越來越嚴(yán)峻，國內(nèi)許多單位已開展了關(guān)于核電參與電網(wǎng)調(diào)峰的可行性研究，已在理論分析證明了核電參與調(diào)峰的可行性與經(jīng)濟性［9］。

核電具有較大的調(diào)峰容量，其調(diào)峰深度和速度受到安全性和經(jīng)濟性的影響，不適宜做頻繁的出力調(diào)節(jié)，但可以按照“12-3-6-3”的方式參與電網(wǎng)日負(fù)荷調(diào)峰。因此，在未來山東電網(wǎng)調(diào)峰壓力日益增大，利用常規(guī)調(diào)峰手段在經(jīng)濟性或穩(wěn)定性方面無法滿足電網(wǎng)運行需要時，可考慮使核電以“12-3-6-3”的運行方式參與調(diào)峰。

5 結(jié)語

本文首先介紹了山東新能源發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃，指出新能源快速發(fā)展使得山東電網(wǎng)調(diào)峰壓力逐漸增大。接著，對火電機組、抽水蓄能機組、燃?xì)鈾C組、聯(lián)絡(luò)線控制、需求側(cè)管理等各種調(diào)峰手段做詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟比較。結(jié)合山東電網(wǎng)實際，提出了山東電網(wǎng)調(diào)峰策略。最后，對核電機組是否參與電網(wǎng)調(diào)峰做敏感性分析，指出在利用常規(guī)調(diào)峰手段在經(jīng)濟性或穩(wěn)定性方面無法滿足電網(wǎng)運行需要時，可考慮使核電以“12-3-6-3”的運行方式參與調(diào)峰。分析結(jié)果對提高山東電網(wǎng)調(diào)峰能力及運行經(jīng)濟性具有較為重要的意義。

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Analysis of Peak Regulation Strategy in Shandong Power Grid under the Background of Global Energy Interconnection

MU Hong1，WANG Yuan1，XU Naiyuan1，LIU Xiaoming2，WEI Xin2
（1.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China；2.Economic&Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China）

Under the background of global energy interconnection，the rapid development of new energy sources issued higher requirement peak regulation to power grid operation of Shandong.The detailed technical and economic comparison are made between different peak regulation methods.The peak regulation strategy of Shandong power grid is put forward taking the current condition of Shandong power grid.Finally，the nuclear power plant is involved in peak regulation sensitivity analysis.The analysis results have important significance for improving the peak regulation capacity and economic operation of the Shandong power grid.

global energy interconnection;new energy;peak regulation strategy

TM715

A

1007－9904（2017）11－0001－04

2017-06-26

牟 宏（1968），男，高級工程師，從事電網(wǎng)規(guī)劃工作。